农业科技资源研究主题与资源利用动力学仿真分析

1、农业科技资源研究主题与资源利用动力学仿真分析摘 要：农业科技资源在推动一个国家农业类型的转变中，起到至关重要的作用。文章对农业科技资源研 ）主题进行分析，构建农业科技资源利用的动力学模型并进行仿真。借助EGGNB和gCLUTO进行双聚类分 析，并与J*tD-aw及gCSviewer生成的图谱进行对比，析出农业科技资源研究的主题。在*nsimPLE软件 环境下构建农业科技资源利用动力学模型，并进行灵敏度分析。农业科技资源研究包括农业科技创新研究、 农业科技资源政策与环境研究、农业科技与农村经济发展研究、可持续性农业科技资源研究、农业科技资 源配置与应用研究五大主题。仿真结果显示，农业科技资源的推

2、广、农村科技利用者的增加依赖于农业科 技资源供给渠道与方式的多样化。结合调研数据，对农村信息设施及用户获取渠道进行分析。关键词：农业；农村；科技资源；双聚类算法；系统动力学Analysis on Agricultural Science and Technology Resources andDynamic Simulation Research on Resources UtilizationAbstract: Agricultural science and technology resources play a crucial role in promoting agricultural

3、 type transformation of a country. This paper analyzes high frequency keywords of agricultural science and technology, builds a dynamic model of agricultural science and technology resources and carrys on the simulation. Using BICOMB and gCLUTO, this paper precipitates the themes and a strategic dia

4、gram of the field of agricultural science and technology after compared with the generated map of NetDraw and VOSviewer. In the VensimPLE environment, this paper carry on the simulation. International agricultural science and technology resources research includes five main themes as follows: agricu

5、ltural science and technology innovation research, policy and environment of agricultural science and technology resources research, agricultural science and technology andrural economic development research, sustainable agricultural science and technology resources research, and agricultural scienc

6、e and technology resources allocation and utilization research. The simulation results show that the promotion of agricultural science and technology resources, the increase of users rely on the diversification of channels and ways of supplying. Combined with the survey data, this paper analyzes the

7、 rural information infrastructures and user accesses.Keywords: agriculture; rural; science and technology; biclustering algorithm; system dynamics!科技是第一生产力，农村的发展离不开科技， 科技资源的合理配置及有效服务是促进农村发展的动 力源泉与根本出路。农业科技资源在推动一个国家农 业类型的转变中，起到至关重要的作用。现代农业的 发展对科技资源的有效供给和高效利用提出了更高要 求，农村科技资源供需对接的效率、农村用户对科技 资源的采纳，均影响服务效

8、益的发挥。农业科技成果 利用率低、资源利用效果不理想，会限制现代农业的 健康发展。为分析农业科技资源利用的影响因素，提 高资源的利用率，从而更好地为农村用户服务，研究 首先对农业科技资源研究的现状进行分析，并从农业 科技资源运行机理的角度出发，寻找农业科技资源供 需系统的自组织运行规律，在此基础上构建农业科技 资源利用系统动力学模型，根据不同的情景方案，对 农业科技资源利用过程进行模拟仿真，以期仿真的结 果可以指导资源服务方案的设定。!国际农业科技资源研究主题农业科技资源，主要包括农业科技人力资源、农 业科技财力资源、农业科技物力资源及农业科技信息 资源等要素。在世界范围内，关于农业科技资源的

9、研 究是一个多学科共同关注的课题。1.1研究主题分析的数据来源与方法研究使用的数据来源于Web of Science （ SSCI、 SCI-EXPANDED、CPCI-S），检索策略为主题=agricultural science and technology * （ resources OR information） ，时间跨度选为默认年份，共检索到732篇文献 （检索时间为2018年5月6日）。分析工具借助书目共 现分析系统BICOMB及图形聚类工具包gCLUTO。分 析方法采用双聚类，传统的聚类算法一般是在一个维 度上对数据进行聚类，而双聚类算法通过对样本和变 量同时聚类，可以发现潜在

10、的局部模式，比单向传统 聚类方法在应用上具有优势1o1.2研究主题定量分析的结果通过分析可知732篇论文共涉及1 982个关键词， 出现频次5以上的关键词有30个。利用gCLUTO对关 键词一来源文献矩阵进行双聚类分析，用可视化矩阵 和聚类山峰图进行显示（图1）。为了减少聚类分析解读的主观性，研究把关键词 高频矩阵分别导入NetDraw及VOSviewer生成相应图 谱（图2）,与gCLUTO可视化矩阵及山峰图进行反复 对比，最终确定将关键词聚成5类。对应图1中的5 个山峰，山峰互相独立，高度适中，聚类结果理想。笔者将农业科技资源研究的5类或5个主题分别 命名为：农业科技创新研究、农业科技资源

11、政策与环 境研究、农业科技与农村经济发展研究、可持续性农 业科技资源研究、 农业科技资源配置与应用研究。（1）农业科技创新研究（Cluster。），包括GIS、 Renewable energy、sustainability、database 等 关 键 词。 农业是人类赖以生存的一个产业，这也是自然再生产 和经济再生产相互交织的一个领域。实现现代农业的双聚类可视化矩阵和山峰图高频关键词NetDraw及VOSviewer图谱关键在于科技创新，农业发展的基本路径是科技进 步四。1995年4月,美国化学协会(American Chemical Society, ACS)第209届全国会议在加利福尼

12、亚州阿纳 海姆召开，其中一个研讨会的主题是“农业作为一种 可再生原料的来源”，会议重点探讨了材料科学、聚合 物及生物技术在非粮食作物利用上的研究，以及生物 电在未来农业资源模型的利用叫地理信息系统(Geographic Information System, GIS)开展在农业领域的应 用，WANG Xue-lei认为农业发展的决策和现代化,有 必要建立GIS支持的农业可持续发展决策支持系统， 综合利用信息、遥感和人工智能，为决策者和农业管 理提供一个切实可行的决策支持系统田。农业科技资源政策与环境研究(Cluster 1), 包括 developing countries、biotechno

13、logy、information technology precision agriculture、 innovation knowledge policy等关键词。发展中国家的农村科技资源提 供目的，目前已从单纯的农业产量的提高扩展到一个 新的领域，包括扶贫工作、环境问题及社会包容问题。 面对复杂的环境，国家创新体系(National System of Innovation)的概念框架,可以帮助补充传统的政策分 析5o因为环境的快速变化，决策者无法根据自己的经 验作出有远见的判断，他们需要考虑影响新技术发展 的所有因素，通过技术预见系统，制定一个适当的未 来技术发展战略。研究者可以通过对客

14、观数据的定量 分析，从而支持定性的结果，为决策提供参考时。美国 BioEarth通过探讨多个独立EaSMs系统资源的耦合, 生成有助于农业及自然资源决策者的信息气小麦是伊 朗食物中主要的成分，在自然环境相似情况下，小麦 的产量会出现差异，为了找出影响其差异的因素，消 除约束决策者的瓶颈，实现农业可持续发展，法尔斯 农业 综合数据库(Fars Comprehensive Agricultural Database)应运而生。借助法尔斯农业综合数据库中的 信息，可以为决策者提供普通的特性和参数邕农业科技与农村经济发展研究(Cluster#), 包括 genomics、productivity% C

15、hina% development% environment% biomass等关键词#农业科技的利用,在 提高粮食质量和增加农民收入等方面发挥了积极作用。 ANDZIO-BIKA等利用C-D生产函数,通过随机抽样, 对农业生产率进行研究，认为劳动力资本和土地对 农业生产率的提高有显著影响回。中国经济的快速增 长,农业新技术的推广使用，给中国农村的经济和环 境带来了影响。为了实现农业资源和环境的协调发展, 以及农业资源的综合利用，YaoJianqu等认为应该采取 如下对策：制定一个全面的发展规划，恢复生态环境， 建立农产品生产基地，充分利用水资源，构建交通发 展港口和边境旅游景点的。印度农业出

16、现公共和私人 投资共存的新趋势。公共投资可以满足多样化的农业 发展需求，但在不少地区也会出现投资不足的情况。 私人投资在农业领域有利于形成农产品市场和竞争机 制，但也有不尽如人意之处，特别是中小型企业，因 此，这需要公共部门加强治理及引导凹。现代化农业 发展要明确农产品合理制定农业规划；加强农业科 技创新、培训与现场指导，建立农业灾害的防范机制， 发展生态旅游等凹。可持续性农业科技资源研究(Cluster 3),包括 climate change, sustainable development, soil fertility, agricultural research, poverty,

17、food security 等关键词。 新技术在农业生产中的运用，可能带来一些难以预料 的影响。Alfred Gathorne-Hardy介绍印度农业两个新技 术的转变，一是从公牛过渡到拖拉机，二是用合成化 肥代替粪肥，对比转变前后社会环境和经济影响的 主要数据，提出为了可持续农业发展的实现，新技术 的使用需要权衡其利弊问。虽然关于气候变化对农业 生产系统的影响已有广泛的研究，但关于什么样的农 业创新随着时间的推移，能够应对和响应气候变化的 了解仍然有限邱。农作物产量的提高及农业的快速发 展，给农村水及土地带来了影响，世界水资源正以惊 人的速度下降, Masoumeh Forouzani 与

18、Ezatollah Karami 提出农业用水贫困;数(Agricultural water poverty index, AWPI),作为水资源可持续管理的一个工具问。 尽管随着新技术的应用，农业科技创新利用有提高, 但食品安全问题是农业面临的一大问题。可持续性农 业技术取决于资源可用性能源成本和环境约束。减 少农民的外部资源输入的依赖，更多地依靠现有植物 和土壤系统的内生过程和潜力，通过资源节约型农业 生产方式促进实现粮食安全的目标购。农业科技资源配置与应用研究(Cluster?), 包 括 research, technology transfer, agriculture, Green

19、 Revolution, extension, technology, sustainable agriculture 等关键词。农民是农业技术的采用主体，农业科 技成果只有被农民理解和接受并应用于农业生产实践, 才能转化为现实的生产力。虽然政府热情地支持农业 信息系统，但农民的接受度并不高，需要关注政府的 社会公信力与农民对政府支持的农业信息系统接受的 关系凹。农村资源的过度商业化，给农村经济发展提 出挑战，需要资源配置与农业机构保持平衡，满足农 村人口的需求。Stephen G.Perz研究了低密度市场有 限区域的农村技术采用问题，并以巴西亚马逊区域为 例进行调查，研究结果发现，有更多的劳

20、动力和资本 的家庭更有可能采用新技术四。1943年布莱斯瑞安和 内尔格罗斯在农村社会学上发表了对衣阿华州杂 交玉米种子的扩散研究，文中分析了扩散的4个要素 创新、传播渠道时间及社会系统，文中的方法论% 理论结构对于传统扩散案例的形成起了关键作用凹。 埃弗雷特罗杰斯1962年出版的创新的扩散， 提出了 “创新扩散理论,，认为创新的传播包含如下5 个步骤:认知(knowledge) %说服(persuasion) %决定 (decision) % 实施 (implementation) 以及确定 (confirmation) 。Cleophas Lado对非洲的农业技术转移进行 研究，认为传统的“

21、自上而下”的发展战略应该与农 )的本土知识相结合，通过机构的支持来鼓励农业技 术转让。只有对农民所处的环境及其偏好资源利用 率社会经济环境和约束优化进行正确地识别，才能 使农业技术转移被农民接受刖。关于科技资源配置效 率的研究，使用较多的方法有数据包络分析法(Data Envelopment Analysis , DEA)中的 CCR 模型、BCC 模 型、Malmquist指数分析方法%笔者采取每个类团与其他类团的链接总和作为类 团的向心度，每个类团内部链接的平均值作为类团的 密度在农业科技资源研究主题的5个类团中，农业 科技资源配置与应用研究类团的向心度(0.31)与密度 (3.39)均较

22、高,在战略坐标图中位于第一象限，不仅 内部关联紧密，而且与其他研究主题间也有较强关联, 是目前农业科技资源研究的核心领域，也是研究者关 注的热点2农业科技资源利用的系统动力学研 究框架农业科技资源配置是一个复杂的系统，国内农业 科技资源配置取得了长足发展，中国多个部门从不同 角度推进农业科技资源的配置，但农业科技资源投入 与产出仍然存在效率低的问题在农村科技资源配置 的各个环节，科技资源最终能被农村用户利用是配置 的最终目的农民的接受及利用程度是对农村科技资 源传播效果的直接检验系统动力学是一门研究系统 问题和解决系统问题的交叉学科，其创始人是美国麻 省理工学院的福瑞斯特(J.W.Forres

23、ter)教授它将系 统理论与计算机仿真紧密结合研究复杂系统的结构与 行为，揭示事物发展变化的原因。本研究尝试利用 系统动力学分析农业科技资源利用机制，通过构建农 业科技资源的利用模型进行系统仿真模拟，寻找影响 农业科技资源农村用户利用的关键因素。2.1农业科技资源利用的影响因素分析农村用户对农业科技资源的采用过程 ， 是一个科 技创新传播扩散的过程创新的扩散是创新通过一段 时间，经由特定的渠道，在某一社会团体的成员中传 播的过程。创新的传播途径可分为两类：大众媒体 (mass media)与人际交流(word of mouth)。新产品 上 市后，根据受众的创新精神把社会系统成员分为5类: 创

24、新者(Innovator)、早期采用者(Early Adopters)、 早期大众(Early网啪订敏)、晚期大众(Late Majority)、 落后者(Laggards)剖。技术接受模型(Technology Acceptance Model，TAM)认为有5个因素影响用户技 术采用，分别是感知有用性、感知易用性、使用态度、 使用意向和实际使用。农村科技资源在农村用户中 的传播，需要农村用户了解资源的存在，并对其有用 性及易用性感知，才能产生利用的意识，最终形成利 用行为，从而从潜在用户变成当前用户2.2农业科技资源利用系统因果回路根据对农业科技资源利用影响因素的分析，绘制 农业科技资源利

25、用的因果关系图。因果回路图是表达 一个系统反馈结构的重要工具，图3用箭头连接变量， 并用+或-表示变量之间的关系。从图中可以看出，农业科技资源利用系统主要受 到8个反馈回路的影响：回路1：基础设施一利用意 识一农户需求的表达一需求信息的采集一基础设施。 回路2：基础设施一资源服务一利用意识一农户需求的 表达一需求信息的采集一基础设施。回路3：基础设 施一资源服务一潜在用户一当前用户一农户需求的表 达一需求信息的采集一基础设施。回路4：基础设施一 利用意识一潜在用户一当前用户一农户需求的表达一 需求信息的采集一基础设施。回路5：基础设施一资源 服务一利用意识一潜在用户一当前用户一农户需求的 表达

26、一需求信息的采集一基础设施。回路6：基础设 施一资源服务一潜在用户一当前用户一利用意识一农 户需求的表达一需求信息的采集一基础设施。回路7： 基础设施一利用意识一利用行为一潜在用户一当前用 户一农户需求的表达一需求信息的采集一基础设施。 回路8：基础设施一资源服务一利用意识一利用行为一 潜在用户一当前用户一农户需求的表达一需求信息的 采集一基础设施。2.3农业科技资源利用系统流图根据农业科技资源利用影响因素的分析， 用户从潜在用户到当前用户的转变，建立 在其对科技资源有用性及易用性的 感知。农村用户获取信息的基础设 施包括信息服务公共设施、电话、 手机、电视及电脑等。信息获取渠 道包括政府提供

27、的服务设施、乡镇 工作人员、阅读图书报刊、通过观 看电视节目、用电脑或手机上网、 通过亲戚朋友来获取需要的信息 等，本研究分析资源供给渠道及服 务方式对用户使用行为的影响。图4图4农业科技资源利用系统流图鉴于农业科技资源利用系统的 复杂性，在动力学建模时，无法将 所有因素都考虑进去，所以对农业 科技资源利用系统做出如下基本假 设：假设1:农业科技资源的利用 率正比于还没有利用农业科技资源 的人数；假设2：总人数是恒定的；假设3：每人利用一次农业科技资源即成为利用 者；假设4：农业科技资源更新的周期远大于农业科技 资源普及所需的时间。研究对农业科技资源利用进行建模时设置了1个 水平变量（L）,

28、1个速率变量（R）, 2个辅助变量 （A）, 3个常量（C）。水平变量：科技资源利用者。速 率变量：利用率。辅助变量：利用系数、潜在利用者。 常量：资源供给渠道、资源服务方式和用户总人数。 采用VensimPLE软件环境下进行建模和仿真，形成农 业科技资源利用的系统流图（图4）。2.4模型参数及有效性检验系统模拟一个村庄用户的使用，目标用户总人数 为常数，模型中的科技资源利用者为水平变量（L）, 是农业科技资源利用的当前用户 ； 利用率是速率变量 （R）， 其受利用系数和潜在利用者的影响 ； 利用系数和潜在利用者是辅助变量（A）,利用系数受资源供给渠 道与资源服务方式的影响，潜在利用者受用户总

29、人数 与科技资源利用当前用户的影响，潜在利用者是目前 尚未使用农业科技资源的用户，但有可能转变为当前 用户，潜在用户减少，当前用户就增加。资源供给渠 道、 资源服务方式和用户总人数是常量 （C）。 常量资 源供给渠道、资源服务方式的初始值设定为1，用户总 人数模拟一个村庄，设定为2 000人，仿真设定的时间 为5年，也就是60个月。系统动力学方程如下：科技资源利用者=INTEG （利用率，1）, Units：Person。利用率=利用系数1潜在利用者,Units: Person/ Month。利用系数=资源供给渠道*资源服务方式,Units： dmnl/Month。潜在利用者！用户总人数科技资

30、源利用者，Units：Person o于科技资源利用者的增加，潜在利用者在逐渐减少。用户总人数=2 000, Person o于科技资源利用者的增加，潜在利用者在逐渐减少。资源供给渠道=1, Units: dmnl。资源服务方式=1, Units: dmnl/MonthFINAL TIME =60, TIME STEP =0.5, UNITS = MONTH, INITIAL TIME=0o对系统动力学模型构建后，还需要进行语法检查 和单位检查，本模型语法检查和单位检查合格。一个 完善的模型，运行结果必须在任何情况下都符合现实 的情况，符合自然规律，否则这个模型便存在错误, 需要改进，所以需要

31、对模型进行现实性测试网。研究 以调研的村庄利用农家书屋获取科技信息的数据进行 模拟,2012年一2015年的用户变化数据与历史数据误 差均在10%以内（表1）,证明模型能够在一定程度上 反映实际状况。表1农业科技资源用户历史数据与模型数据（单位：人）年份历史数据模拟数据误差/%20126968-1.45201383852. 41201491965. 4920151021052. 942.5模拟仿真结果分析通过方程式和初始值的设定，模拟出科技资源利 用者及潜在利用者变化图（图5）。在资源供给渠道及 资源服务方式均为1的情况下，科技资源利用者逐步 增加，但增加速度缓慢，曲线几乎成线性增长，相对考察

32、资源供给渠道和资源供给方式对科技资源利 用者增加的影响，分别改变资源供给渠道和资源供给 方式的初始值,current是原始数据,current#资源供给 渠道模拟为3而其它数值不变，current3资源供给方式 模拟为3而其它数值不变,current%是资源供给渠道与 资源供给方式均模拟为3而其它数值不变（图6）。从 图中可以看出单纯改变资源供给渠道或资源供给方式, 在其它条件不变的情况下,current#与current3模拟的 结果重合为一条线。而在资源供给渠道模拟与资源供 给方式均模拟为3,科技资源利用者增长迅速，不到5 年的时间就逼近用户总人数2 000。在系统动力学仿真中，常量均可以

33、进行改变。考 察用户总人数对科技资源利用者增加的影响,Current5 用户总人数为5 000,资源供给渠道模拟与资源供给方 式均模拟为3,其它数据集仍然是上述仿真的数据（图 7）。从图中可见，在资源供给渠道与资源供给方式均 模拟为3的情况下，资源利用者也能在5年的时间内, 逼近用户最大值。在模拟过程中，用户总人数对科技 资源利用者增加的影响比较小，而资源供给渠道与资 源供给方式则是影响科技资源利用者增加的最明显的 变量。图5初始值下的模型仿真结果农村居民对经人际网络提供的科技信息具有高度 的信任，农村科技信息创新扩散受到人际关系的影响， 创新的相对优势、相容性、复杂程度、可试验性及可 观察性

34、5个属性影响着用户创新采纳率。在农业科技 资源的利用中，图5初始值下的模型仿真结果6不同供给渠道和方式下的模型仿真结果对比7不同参数值下的模型仿真结果对比农业科技资源的推广、6不同供给渠道和方式下的模型仿真结果对比7不同参数值下的模型仿真结果对比3系统仿真结果与调研数据再讨论根据系统仿真，资源供给渠道和服务的方式影响 用户资源的利用。研究在一项关于农村居民信息利用 的问卷调查中，被调查者在“获得信息的渠道有哪 些？”的选项中,选择学校23.81%,政府部门28.57%, 广播电视57.14% ,报刊图书28.57% ,乡镇干部 23.81%,乡镇技术人员14.29%,亲朋好友57.14%,参

35、加培训23.81%,网络47.62%,其他9.52%。而月平均 家庭收入5OOO元以上被调查者,选择学校42.86% , 政府部门42.86% ,广播电视100.00% ,报刊图书 57.14%, 乡镇干部 28.57%, 乡镇技术人员 28.57%, 亲 朋好友71.43% ,参加培训57.14% ,网络42.86% ,其 他14.29%。月平均家庭收入5 000元以上被调查者在 此项选择上，获取信息的渠道更广，各个渠道利用, 除了 “网络”低于平均百分比，其余选项均高于平均 百分比。而在信息的获取渠道上，均可以看出被调查 者对人际关系网络的依赖。在“以下由政府支持的农村信息服务设施，利用 过的有