第一篇：基于系統動力學與模糊預警模型的畜禽養殖資源環境承載力預測

基于系統動力學與模糊預警模型的畜禽養殖資源環境承載

力預測

摘要：隨著畜禽養殖業的快速發展，畜禽養殖污染已成為我國農業非點源污染的重要因素之一。云南省大理州是我國典型的農業州，畜禽養殖業在大理農業中占重要的地位。合理規劃畜禽養殖業的發展對保護大理州環境以及畜禽養殖業的可持續發展起著積極的促進作用；畜禽養殖資源環境承載力作為一個綜合指標，在畜禽養殖業發展規劃的制定中有一定指導作用。以大理州為例，構建具有大理州地區特色的畜禽養殖資源環境承載力評價指標體系，運用系統動力學和模糊預警模型對大理州畜禽養殖資源環境承載力進行預測、預警研究。結果表明：系統動力學結合模糊預警模型在畜禽養殖規劃環評研究中應用比較成功，具有較好的可行性；大理州畜禽養殖資源環境承載力近年來呈持續下降趨勢，規劃發展后期承載力下降幅度有所減緩；大理州畜禽養殖資源環境承載力預警結果為中警，應采取措施改善大理州畜禽養殖資源環境承載力。

關鍵詞：大理州；畜禽養殖；資源環境承載力；系統動力學模型；模糊預警

中圖分類號： X713

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0440-05

隨著畜禽養殖業發展給環境帶來的巨大壓力和負面影響，畜禽養殖環境污染已成為我國農業非點源污染的主要因素之一。開展畜禽養殖規劃環評，有利于從源頭上控制畜禽養殖面源污染。在開展畜禽養殖規劃環評過程中，畜禽養殖資源環境承載力分析是其中一個重要環節，能為畜禽養殖業規劃提供科學依據[1]。畜禽養殖資源環境系統是畜禽養殖系統、資源環境系統以及社會環境系統的協調與統一。畜禽養殖資源環境承載力是指在特定時空條件下，畜禽資源養殖環境系統在維持系統平衡和健康不受影響時所能支持畜禽養殖行為的最大能力。畜禽養殖資源環境承載力研究突破以往僅考慮畜禽養殖系統對畜禽養殖污染物承載的思維模式，體現了畜禽養殖業與資源環境大系統的相互適宜性，為畜禽養殖業可持續發展以及區域發展規劃提供了實際指導意義。近些年我國關于畜禽養殖領域的承載力研究不少，陳曉燕等分別在浙江省杭州市、黑龍江省等地區圍繞畜禽糞便給環境帶來的污染對畜禽養殖方面的承載力展開研究，在評價指標選取上僅考慮了畜禽養殖污染而忽略了社會環境、資源環境對畜禽養殖環境系統的影響[2-3]。也有學者綜合考慮了畜禽養殖、社會發展以及資源環境等影響因素，選取具有華北平原以及重慶市地區特色的評價指標對畜禽養殖方面的承載力進行分析研究[4-5]。大理州是典型的農業州，根據《大理州年鑒2012》中的畜禽出欄量和存欄量進行統計，計算出2011年大理州畜禽養殖總量達854.917萬頭生豬當量，較2010年增長4.7%[6]。其中生豬、肉牛和奶牛養殖量分別占總量的45%、30%和16.5%。全州規模化養殖場達2 256個，規模化生豬養殖場占52.3%。規模化畜禽養殖業快速發展，特別是大理州洱海周邊是奶牛養殖的重點區域，由于畜禽糞污治理相對落后，大量的畜禽糞便和養殖污水直接排入江河、溪流與農田，導致洱海水質日益下降[7]。洱海為大理州重點保護水域，為有效保護洱海生態，積極促進大理州畜禽養殖業可持續性發展，本研究以大理州為例，綜合考慮社會經濟、資源環境與畜禽養殖之間的相互影響，建立具有大理州地區特色的畜禽養殖資源環境承載力評價指標體系，采用系統動力學和模糊預警方法，開展對畜禽養殖資源環境承載力的預測預警研究，為大理州合理規劃畜禽養殖業和實現畜禽養殖業可持續發展提供依據和指導。

材料與方法

1.1 數據資料的獲取

本研究2001―2010年基礎數據來自《大理白族自治州年鑒》《云南省統計年鑒》《大理白族自治州環境公報》；同時根據《大理白族自治州國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》《七彩云南生態文明建設規劃綱要（2009―2020年）》《云南大理洱海綠色流域建設與水污染防治規劃（2010―2030年）》等公開發表的規劃文件和文獻，確定預警安全臨界值。

1.2 研究方法

畜禽養殖資源環境承載力評價方法一般有指數評價法、層次分析法、狀態空間法、模糊綜合評價、人工神經網絡法、系統動力學方法以及多目標模型最優化法等[8]。其中指數評價法、狀態空間法和多目標模型最優化法相對比較成熟，但是僅用于現狀分析，無法進一步預測研究。此外，多目標模型最優化法要求數據量大，模型也難于求解，應用并不廣泛。人工神經網絡法在預測研究中需要大量的訓練樣本和測試樣本，不適用于基礎數據較少的研究[9]。系統動力學法重視分析系統和外部環境之間、系統內部各要素之間的相互作用和影響的關系，建模比較簡單，適于復雜系統的分析預測研究[10]。模糊綜合評價法應用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象作出一個總體的評價，具有結果清晰、系統性強的特點，在處理生態環境評價等一些精確數學方法難以描述的復雜系統問題方面具有獨特的優越性[11-12]。為此，本研究主要采用系統動力學和模糊預警模型對大理州畜禽養殖資源環境承載力進行預測預警研究。

1.2.1 評價指標體系建立通過資料搜集和專家咨詢法，結合大理州畜禽業特點分析大理州地區特點以及社會環境、畜禽養殖以及資源環境的相互影響，建立具有大理州地區特色的畜禽養殖資源環境系統的承載力評價指標體系（表1）。

1.2.2 系統動力學模型構建大理州畜禽養殖戶遍及大理州12個縣市，本研究系統的空間邊界確定為整個大理州行政區。借助畜禽養殖資源環境承載力指標體系建立了大理州畜禽養殖資源環境承載力SD結構流程圖。模型中表函數和初始值用統計資料中變量的歷史數據來表現，常數參數根據參數歷史數據平均值、專家建議和有關部門選取的數值來確定。設置2001、2020年分別為模型運行起始年和終止年，時間步長為1年（圖1）。

1.2.3 多級模糊預警模型由大理州畜禽養殖資源環境承載力評價指標體系組成評判集合，結合已有研究成果將畜禽養殖環境系統承載力預警警度確定為無警、輕警、中警、重警和極重警5級，即評價集為V=（V1、V2、V3、V4、V5）=（無警、輕警、中警、重警、極重警）。由權重和隸屬度矩陣根據模糊算子合成運算得到大理州畜禽養殖資源環境承載力的模糊綜合評判結果[13]。結果與分析

2.1 指標權重計算

邀請環境影響評價、畜牧養殖、環境保護、畜禽糞污治理等領域的專家，根據1～9比較尺度的打分結果，利用層次分析法輔助軟件（yaahp）構建判斷矩陣進行一致性檢驗和權重的計算，得到各指標權重值（表1）。

2.2 畜禽養殖資源環境承載力評價

2.2.1 畜禽養殖資源環境承載力預測研究通過模型不斷檢驗與修改，最終確定模型的參數值（表2）。

2.2.1.1 模型測試（1）極端測試，在切斷人口、GDP、化肥施用量、養殖量、耕地面積、糧食播種面積的增長之后，畜禽養殖環境承載力并沒有出現負值或其他不符合現實的情況，所以該模型相對來說比較穩定（圖2）。

（2）靈敏度測試參數靈敏度測試結果表明，6個參數中靈敏度最大為-0.047 4，未超過10%，可見所有參數的變化并不敏感，不會引起系統根本行為的變化，而且在極端測試中，模型的結論也基本合理，充分說明模型的有效性（圖3）。

（3）歷史檢驗歷史行為檢驗是將已有變量的歷史數據帶入模型進行仿真模擬，得到的仿真結果與歷史數據作比較。本研究選取6個水平變量進行歷史檢驗，發現誤差最大的為2010年的GDP指標，達9.36%，但未超過10%，其他指標的誤差均較小，說明模擬數據與歷史數據基本相符，該模型具有較高的準確性。以上測試結果均表明該模型穩定性好，精確性高，能夠較好地進行仿真預測[7]。

2.2.1.2 承載力趨勢分析系統動力學軟件Vensim運行得到承載力變化趨勢以及二級準則層的評價值變化趨勢（圖4）。通過分析可看出，大理州畜禽養殖資源環境承載力在仿真時期（2001―2010年）呈波動趨勢，2003年以前呈下降趨勢，2003年出現波動，最后持續下降，總體呈下降趨勢。分析二級準則層評價水平值的趨勢，2003年畜禽養殖污染物排放評價值和資源環境評價值有較明顯的波動，進而對其進行因果分析（圖5）。

通過因果追蹤分析發現，影響資源環境評價值出現波動的是單位面積糧食產量和人均水資源量的減少，影響畜禽養殖污染物排放評價值的是單位面積糞污排放強度均大幅下降。結合2003年國內有關大事件，2003年大理州畜禽養殖資源環境承載力突增可能與自然因素以及2003年發生的非典型肺炎傳染疾病有關。由于“非典”的原因，我國的種植業、活禽引進和飼料供應受到嚴重影響，2003年畜禽養殖糞污排放強度相比2002年大幅降低。隨著養殖量不斷增加，總體上大理州糞污排放強度不斷加大，化肥等使用量逐年增加

使得大理州畜禽養殖資源環境承載力總體呈下降趨勢。從模型運行結果可看出，大理州畜禽養殖資源環境承載力在預測時期內（2011―2020年）整體呈下降趨勢，預測期前5年內，相比2011年承載力水平值，到2015年承載力水平值下降 6.11%，下降幅度較大；相比2015年，2020年承載力水平值下降了2.73%，承載力下降趨勢平緩。表明從2015年開始，大理州在耕地保護、人口增長控制、洱海水質保護以及畜禽養殖結構調整等方面的發展規劃，在改善大理州畜禽養殖資源環境承載力方面發揮較大作用。但是大理州畜禽養殖仍以散養為主，畜禽糞污處理及利用水平較低，很大程度上制約著大理州畜禽養殖業的可持續發展。加大規模化畜禽養殖比例，積極改善畜禽養殖糞便處理及管理方式，將有利于大理州畜禽養殖資源環境承載力的改善和促進大理州區域的可持續發展。

2.2.2 畜禽養殖資源環境承載力模糊預警研究通過單因素評價獲得以下綜合評價的單因素隸屬度矩陣：

根據最大隸屬度原則，對照表3，到2020年大理州畜禽養殖資源環境承載力預警結果為中警。分析單因素隸屬度矩陣中的指標隸屬度，致警原因主要是畜禽養殖量的不斷增加和耕地面積的不斷減少。為保證大理州畜禽養殖業的可持續發展，促進大理州社會經濟環境的協調發展，有必要進一步控制畜禽養殖量的增加和規劃養殖結構；加大力度保護耕地面積，提高畜禽養殖場科學管理水平。

結論與討論

（1）系統動力學結合模糊預警模型適用于畜禽養殖資源環境承載力分析研究。模擬結果表明評價模型能較好地體現大理州地區特點，預測的結果都可以從發展規劃的角度得到合理的解釋，具有一定的可信度；預警模型通過對預測結果的進一步評價反映出畜禽養殖資源環境承載力的警度水平。（2）大理州畜禽養殖資源環境承載力近年來呈持續下降趨勢，規劃發展后期承載力下降幅度有所減緩；大理州畜禽養殖資源環境承載力預警結果為中警。

參考文獻：

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