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农业系统工程的内涵、特点及方法

时间:2015-04-13 来源:未知 作者:傻傻地鱼 本文字数:5829字
摘要

  0引言

  农业是指利用动植物等生物的生长发育规律,通过人工培育来获得各种涉农产品的各部门。它是由动植物及其生存环境和人类社会构成的复杂系统。

  其生产的对象是动植物,存在的基础是生态系统。在整个农业系统中,动植物、动植物及其所处环境(光、温、水、土、气)之间彼此交换着物质和能量,既互惠互利又彼此掣肘。同时,人类的生产实践活动和科学实验也常常影响这个系统,因为人们为了达到提高农业系统生产力的目的,会不断地努力去控制和改造它。

  然而,由于农业生产的各项活动(诸如,产、收、贮、加、运、销等)又与其所处的人类社会中的各种因素有着千丝万缕的联系。因此,农业生产必须要遵照国家的规划和社会经济发展的原则,并要受市场机制的调节。农业系统工程的目的就是通过研究上述复杂系统的各组成部分及其要素之间的关系,从中找出其本质所在,以便人们采取最佳的生产措施,使农业的发展能遵循人类社会发展的要求。

  农业系统工程是把系统工程的原理和方法应用于农业生产、农业科学研究和农业管理中的一门科学,是系统工程与农业科学技术及农业经济相互结合的一门综合边缘学科[1-3]。农业系统工程着眼于农业战略研究。它从全局出发,通过定性分析和定量分析两者相结合,对整个农业生产系统进行诊断、分析和评价,从而有效地对其进行控制和调整,以期用最少的投入和最大限度地利用各种农业资源来获取最佳的综合效益[4]。

  1农业系统工程的发展史

  农业系统工程以系统科学为基础,萌芽于20世纪30年代,创立和发展于20世纪50年代[1]。20世纪50年代初期,美国的海地教授就开始应用农业生产函数和线性规划模型研究美国的农业布局、不同区域各类农业生产资料的最佳投放量、多种生产要素的合理配置和最优的农业产业结构,并取得了大量的数据[5]。20世纪70年代,美国应用系统工程设计出描述棉铃虫种群动态的模拟模型和计算机程序。这样,既能了解一些在田间无法进行试验的情况,又为选择最佳防治方案提供了定量的科学依据[6]。1975年,美国学者开始在渔业研究方面运用系统工程方法。他们通过应用系统工程方法和技术,对水域生态系统进行了综合分析,并结合华盛顿湖实地考察,对水质不同区域的异种生态类型鱼类的呼吸率、生长率、死亡率和湖区水生环境进行了模拟,并提出了控制湖水水质变化的最佳措施[1]。目前,世界各国科学家对农业系统的种植业、畜禽养殖、农机具配套、农业资源与管理、农业规划与预测、自然资源利用、农业结构,以及农业生态环境等问题进行了研究,并提出一系列的模拟模型。

  中国农业系统工程的研究与应用,与国外相比,大约晚了20年的时间。虽然国内对农业系统工程的研究起步较晚,但由于研究与应用方法得当,因而发展迅速,并取得了可喜的成就。在国家级方面,农业系统工程,已用于全国粮食预测、种植业结构优化及农林牧副渔投入产出平衡等[7-9];自然经济区域级有黄淮海平原农业资源时空开发配置模型[10]。省级有山西省的省、地、县三级模型套接,山东省的农、林、牧、副、渔优化模型[11-13]。1985年,山东省在完成90个县农业区划的基础上,已有16个县转向于农业系统工程的应用[14]。1984年下半年,安徽省用农业系统工程的方法编制肥西县综合规划模型。到1987年6月底,全国省、地、县三级把系统工程原理和方法用于区域经济发展规划的单位共有397个,其中用于县级规划的有345个[15]。现在,我国的农业系统工程应用,不再是单纯地局限于综合发展规划方面,还应用于林业、畜牧业、农业机械化配置及水资源规划、土地资源规划、土壤修复和某些农作物的栽培技术中[16-22]。

  2农业系统工程的内涵

  农业系统工程是通过运用系统工程的方法和技术,研究农业资源的最佳配置和农业系统功能合理运转的一门综合的实用性学科。它既是国民经济系统的组成部分,又隶属于生态系统。农业系统工程主要包括农业资源、外部能源和资金的投入,与农相关的生命物质和能量的转化,农业信息的传播和反馈,农产品的输入、输出及加工等。它运用系统工程的方法和技术对现代农业中出现的一切问题进行定量和定性的分析,为人们选择最好的农业发展模式提供科学化的理论依据[3]。农业系统工程又是一门交叉科学,它渗透到所有与农相关的生产、经营、管理、经济和科学技术中。在现代农业的组织和管理中,应用系统工程能使人们在创造自己所需要的高效、生态的农业过程中,找到最好的农业发展途径,取得最佳的系统发展效果。同时,农业系统工程还是一门软科学,它包罗万象,除以运筹学为理论基础外,还广泛涉及最优化方法、概率论与数理统计、时间序列分析、多元统计分析、抽样调查、试验设计、信息论、决策论、控制论、可靠性理论、微电子技术、通信系统,以及农业生态学、经济学、管理学、市场营销学、社会学和心理学等多种学科[23-28],其目的主要是寻找最好的决策、最优的模型、最佳的方案,以解决农业发展过程中所面临的问题。

  3农业系统工程的主要特点

  1)复杂性[7]。复杂性是指构成农业系统的各要素间的结合关系复杂。系统不仅有大小,而且具有一定的层次。一个农场可以构成一个农业系统,一个国家的农业也可以说是一个农业系统。但这并不等于任何一个事物和过程的简单组合都可以构成一个系统,组成系统的各要素间及组成复杂系统的各子系统间,必须要共同作用、相互依存。

  2)开放性。在农业生产过程中,动植物的成长直接受到其所处环境(光、温、水、土、气等)、品种、能源、人工和机械投入等许多条件的影响和干预;农业系统时刻都在与自然和社会环境交换物质、能量和信息。

  3)动态性。在农业系统中,作物生长、群落演变、生物繁衍及生存环境的不断变化,使之俨然成为一个有鲜活生命的有机系统,而科技进步、生产力发展、市场调控及产业结构调整等使农业系统处于一种动态变化中。

  4)多目标性[3]。农业生产必须要兼顾社会、经济、生态3方面的综合效益;对农业系统进行分析研究时,需要综合考虑经济、社会和生态3个方面,而不是单纯的把它们割裂开来。

  5)平台性。新农业系统的设计,是原有系统的升华,即对老系统进行调整和改造,从而寻找出最佳方案;而不是否定原来的一切,从新开始。

  6)整体性。农业系统是在农业生产过程中具有某种特定功能的整体。农业系统的功能必须符合人们的利益要求,即农业系统整体能够实现某种目的。因此,农业系统的任何组分或要素都要从整体出发,以帮助整体求得最优化效果;离开了整体性,各要素的在整体中的功能便不复存在,也就不能构成系统[23]。

  7)关联性[29]。农业系统内部,各组份或要素之间彼此关联,既相互促进又相互矛盾,且这种关系具有时效性和阶段性,并可用具体的形式(定型化描述、定量化数据)加以表示。

  8)时序性。农业生产系统的时序性表现为:在农业生产的过程中,农业系统内各要素或各组份在时空上错落有序,各部门或各环节在生产上具有一定的步骤。这犹如农作物的生长,须经历“生长-发育-成熟”这样一个过程,每一个过程都与其前后彼此依赖、环环相扣。在农业生产过程中每项生产既可以看成是某一生产过程的深化,又可以看成是另一生产过程的基石。因此,后一个生产或环节的实施是基于完成前一个生产或环节的前提下进行的[24]。

  9)最优性。在对各涉农经济发展形势进行预测时,通过各种可控措施,在兼顾社会、经济和生态效益的前提下,尽可能地建立起多种系统优化方案,然后,对各种方案进行反复研究和比较,权衡各种方案的优劣,选择出适合农业生产的最佳方案。以确保整个农业系统在人们的控制下,实现最佳运行,取得最好的社会、经济和生态效益。

  10)实践性。农业系统工程要紧密结合农业生产的实际,经受实践的检验。实践是检验真理的唯一标准。新中国几十年来农业生产的经验告诉人们,要完成新时期的总任务、总目标,需要在吃透本地区自然资源优势的基础上进行宏观决策,才能获得一个比较符合客观实际的科学的决策思想[25]。

  11)综合性[29]。农业系统工程涉猎与农业生产有关的诸多学科和因素,因此在处理农业系统面临的问题时,必须综合考虑各个因素,强调多学科之间的协作。

  4农业系统工程学科方法农业系统工程的理论
  
  基础主要是系统论、控制论和信息论;解决问题的工具主要是数学,尤其是运筹学、统计学、最优化方法等;技术支撑是微电子技术。

  目前,在农业系统工程中,解决问题的常用方法有以下几种:

  1)模型法。一般情况下,农业系统都具有较大规模,且其形式极为复杂。因此,建立和实现农业系统具有相同性质和功能的模型(Model),运用其来分析研究现实农业系统,进而明确各部分系统的功能,是农业系统工程中采用的一个重要方法[26]。常用的模型有物理模型、数学模型、计算机模拟、图解模型、框架模型和结构模型等。其中,应用最广泛的是数学模型,如线性规划模型、生产函数模型、投入产出模型、线性回归模型、Logistic回归分析模型、主成分分析模式、因子分析模型,以及相关分析模型等。

  2)系统诊断。即采用定性化与定量化的分析工具,对从农业生产过程中获取的数据、信息和资料进行分析研究,全面探讨现有农业系统的运行机理,从中找出影响农业系统运转的主要因素并加以控制和调整,旨在改善、提高农业系统的运转功能。

  3)系统预测。即利用对已有的数据、资料进行分析研究所得的结果,对未来农业系统的走向做出合理的预测。常用的方法有回归分析法、时间序列法、数据包络分析、模糊综合分析、Maquist指数法及Topsis法等。

  4)决策论[3]。所谓决策论,就是指运用模型去综合评价实施的各种策略对系统的运行和状态产生的影响,以选取综合效益最优的策略。农业生产决策支持系统是指以农业区域经济为研究对象,以农业可持续发展为目标,综合运用微电子技术、管理科学、农学、生态学、统计学、信息论、系统工程和运筹学等多种科学知识,针对农业生产过程中的非结构或半结构化决策问题,通过提供自然和社会环境的先验信息、协助明确问题、模拟计算和列举可能方案等多种方式,为农业生产的管理者作出正确决策提供帮助的计算机管理软件系统[27]。

  5农业系统工程的应用

  农业系统工程是系统工程技术转化为农业现实生产力的具体体现,其通过运用现代的科技、规划、建设、生产和管理手段将生物科技、农业措施、农业生产、农业经营和农业管理结为一体,推动农业的快速发展。它通过建立最优化的农业发展模式使农业资源得到充分利用,从而提高了农业资源的利用效率,使农业经济效益、生态效益和农产品质量得到提高,以增强农产品市场的竞争力。它通过采用现代科学化的经营和管理手段,为农作物生长提供适宜的环境,保持农业可持续发展,促进农业向现代化进一步迈进[28]。农业系统工程常被用于以下几个方面:

  1)用于研究一个农场、地区、国家,甚至全世界的农业发展规划和农业政策问题。如水、土和空间资源的最佳分配,农业机械的最佳配备,解决世界粮食问题的优化方案等[30-33]。

  2)预测农业生产的前景,研究改进农业的经营管理。通过运用现代电子和通讯设备,建立现代农业综合信息服务平台,获取、分析和处理农业数据与信息,实现农业信息管理、共享和交换的电子化,以及农业系统预测和决策的智能化[34]。如用草地农业系统工程开发南方草地资源发展精准养殖业,农业旱灾预测及其风险管理等[35,36]。

  3)研究在不同农业发展模式中,动、植物生长发育的情况,从而挑选出最适合本区域的农业生产模式。如研究不同复种方式对红壤旱地产生的经济和生态效益[37]。

  4)确定农业工程设施的最佳设计方案,目的是以最少的资源投入创造高效、高产和优质的农产品,实现农业集约、高效及可持续发展。如应用系统工程原理确定低碳生态能源经济循环农业典型模式及配套技术、畜禽粪便污染的控制模拟及防空对策和设施农业等[38-41]。

  6农业系统工程实施措施
  
  在中国,农业是国民经济的基础,是关于国计民生的大事。要大力发展现代农业,必须以现代系统科学为指导,将传统农业与现代科术相结合,把它变成一个集传统农业、技术加工、产业新型和优化人类生存环境的现代化大农业[42-43]。首先,根据农村体制改革所导致的农业系统范畴内的变化,增加对现代农业发展的宏观调查,加强对现代农业发展的微观管理。

  尤其是在农村实行政社分开后,就更加要求各级政府部门不仅要加强对农业的宏观调控,还要加强对农村涉农企业的微观管理;加强对农民在涉农生产和经营过程中的指导、规划和监督,促进农业生产遵照整个农业系统的要求,朝着良性循环的方向发展。其次,要根据农业发展的需要,调整和确立农业系统工程所要取得的目标。现代农业的发展目标不再像过去那样,片面追求粮食高产;而是以提高农民人均净产值,增加农民收入水平为目标。这就需要应用农业系统工程,来评价有利于提高人均净产值的各个要素。这既要考虑农产品的产量和农民收入,又要考虑与农相关的其它各行业的生产和收入情况。同时,还要考虑人力资源、机械动力、外部能源投入等因素,建立起一套能够反映提高人均净产值的农业系统工程技术,使系统目标以及实现这个目标的方案和措施达到最优化。最后,政府需加大扶持力度。政府应根据农业系统工程技术的特点,加强扶持措施:一是建设一批按新机制运行且能很好地促进现代农业发展的工程技术中心;二是给予资金保障,即每年在科技计划项目的立项上向其作适当倾斜;三是要加大农业系统工程技术集成、中试、示范基地建设,加速农业系统工程技术成果向现实生产力的转化;四是要加大农业系统工程科技高端人才的培养力度[44]。

  参考文献:
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