基于系統(tǒng)動力學與模糊預警模型的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力預測

安晶潭+張愛+陳凌+黃成+程波

摘要：隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖污染已成為我國農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)州，畜禽養(yǎng)殖業(yè)在大理農(nóng)業(yè)中占重要的地位。合理規(guī)劃畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對保護大理州環(huán)境以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起著積極的促進作用；畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力作為一個綜合指標，在畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)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(qū)特色的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價指標體系，運用系統(tǒng)動力學和模糊預警模型對大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力進行預測、預警研究。結果表明：系統(tǒng)動力學結合模糊預警模型在畜禽養(yǎng)殖規(guī)劃環(huán)評研究中應用比較成功，具有較好的可行性；大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力近年來呈持續(xù)下降趨勢，規(guī)劃發(fā)展后期承載力下降幅度有所減緩；大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力預警結果為中警，應采取措施改善大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力。

關鍵詞：大理州；畜禽養(yǎng)殖；資源環(huán)境承載力；系統(tǒng)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(yǎng)殖業(yè)發(fā)展給環(huán)境帶來的巨大壓力和負面影響，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境污染已成為我國農(nóng)業(yè)非點源污染的主要因素之一。開展畜禽養(yǎng)殖規(guī)劃環(huán)評，有利于從源頭上控制畜禽養(yǎng)殖面源污染。在開展畜禽養(yǎng)殖規(guī)劃環(huán)評過程中，畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力分析是其中一個重要環(huán)節(jié)，能為畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃提供科學依據(jù)[1]。畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境系統(tǒng)是畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)、資源環(huán)境系統(tǒng)以及社會環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力是指在特定時空條件下，畜禽資源養(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)在維持系統(tǒng)平衡和健康不受影響時所能支持畜禽養(yǎng)殖行為的最大能力。畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力研究突破以往僅考慮畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)對畜禽養(yǎng)殖污染物承載的思維模式，體現(xiàn)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)與資源環(huán)境大系統(tǒng)的相互適宜性，為畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及區(qū)域發(fā)展規(guī)劃提供了實際指導意義。近些年我國關于畜禽養(yǎng)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(qū)圍繞畜禽糞便給環(huán)境帶來的污染對畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖污染而忽略了社會環(huán)境、資源環(huán)境對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)的影響[2-3]。也有學者綜合考慮了畜禽養(yǎng)殖、社會發(fā)展以及資源環(huán)境等影響因素，選取具有華北平原以及重慶市地區(qū)特色的評價指標對畜禽養(yǎng)殖方面的承載力進行分析研究[4-5]。大理州是典型的農(nóng)業(yè)州，根據(jù)《大理州年鑒2012》中的畜禽出欄量和存欄量進行統(tǒng)計，計算出2011年大理州畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖量分別占總量的45%、30%和16.5%。全州規(guī)?；B(yǎng)殖場達2 256個，規(guī)?；i養(yǎng)殖場占52.3%。規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，特別是大理州洱海周邊是奶牛養(yǎng)殖的重點區(qū)域，由于畜禽糞污治理相對落后，大量的畜禽糞便和養(yǎng)殖污水直接排入江河、溪流與農(nóng)田，導致洱海水質(zhì)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(tài)，積極促進大理州畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，本研究以大理州為例，綜合考慮社會經(jīng)濟、資源環(huán)境與畜禽養(yǎng)殖之間的相互影響，建立具有大理州地區(qū)特色的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價指標體系，采用系統(tǒng)動力學和模糊預警方法，開展對畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力的預測預警研究，為大理州合理規(guī)劃畜禽養(yǎng)殖業(yè)和實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)和指導。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料的獲取

本研究2001—2010年基礎數(shù)據(jù)來自《大理白族自治州年鑒》《云南省統(tǒng)計年鑒》《大理白族自治州環(huán)境公報》；同時根據(jù)《大理白族自治州國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》《七彩云南生態(tài)文明建設規(guī)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(guī)劃（2010—2030年）》等公開發(fā)表的規(guī)劃文件和文獻，確定預警安全臨界值。

1.2 研究方法

畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價方法一般有指數(shù)評價法、層次分析法、狀態(tài)空間法、模糊綜合評價、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、系統(tǒng)動力學方法以及多目標模型最優(yōu)化法等[8]。其中指數(shù)評價法、狀態(tài)空間法和多目標模型最優(yōu)化法相對比較成熟，但是僅用于現(xiàn)狀分析，無法進一步預測研究。此外，多目標模型最優(yōu)化法要求數(shù)據(jù)量大，模型也難于求解，應用并不廣泛。人工神經(jīng)網(wǎng)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(shù)據(jù)較少的研究[9]。系統(tǒng)動力學法重視分析系統(tǒng)和外部環(huán)境之間、系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的分析預測研究[10]。模糊綜合評價法應用模糊數(shù)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(tǒng)性強的特點，在處理生態(tài)環(huán)境評價等一些精確數(shù)學方法難以描述的復雜系統(tǒng)問題方面具有獨特的優(yōu)越性[11-12]。為此，本研究主要采用系統(tǒng)動力學和模糊預警模型對大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)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(yè)特點分析大理州地區(qū)特點以及社會環(huán)境、畜禽養(yǎng)殖以及資源環(huán)境的相互影響，建立具有大理州地區(qū)特色的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境系統(tǒng)的承載力評價指標體系（表1）。

1.2.2 系統(tǒng)動力學模型構建 大理州畜禽養(yǎng)殖戶遍及大理州12個縣市，本研究系統(tǒng)的空間邊界確定為整個大理州行政區(qū)。借助畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指標體系建立了大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力SD結構流程圖。模型中表函數(shù)和初始值用統(tǒng)計資料中變量的歷史數(shù)據(jù)來表現(xiàn)，常數(shù)參數(shù)根據(jù)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)平均值、專家建議和有關部門選取的數(shù)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(yǎng)殖資源環(huán)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(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)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(jù)模糊算子合成運算得到大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力的模糊綜合評判結果[13]。

2 結果與分析

2.1 指標權重計算

邀請環(huán)境影響評價、畜牧養(yǎng)殖、環(huán)境保護、畜禽糞污治理等領域的專家，根據(jù)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(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價

2.2.1 畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)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(shù)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(yǎng)殖量、耕地面積、糧食播種面積的增長之后，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力并沒有出現(xiàn)負值或其他不符合現(xiàn)實的情況，所以該模型相對來說比較穩(wěn)定（圖2）。

（2）靈敏度測試 參數(shù)靈敏度測試結果表明，6個參數(shù)中靈敏度最大為-0.047 4，未超過10%，可見所有參數(shù)的變化并不敏感，不會引起系統(tǒng)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(shù)據(jù)帶入模型進行仿真模擬，得到的仿真結果與歷史數(shù)據(jù)作比較。本研究選取6個水平變量進行歷史檢驗， 發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)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(wěn)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(tǒng)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(yǎng)殖資源環(huán)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(xiàn)波動，最后持續(xù)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(yǎng)殖污染物排放評價值和資源環(huán)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(fā)現(xiàn)，影響資源環(huán)境評價值出現(xiàn)波動的是單位面積糧食產(chǎn)量和人均水資源量的減少，影響畜禽養(yǎng)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(nèi)有關大事件，2003年大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力突增可能與自然因素以及2003年發(fā)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(yè)、活禽引進和飼料供應受到嚴重影響，2003年畜禽養(yǎng)殖糞污排放強度相比2002年大幅降低。隨著養(yǎng)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(yǎng)殖資源環(huán)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(yǎng)殖資源環(huán)境承載力在預測時期內(nèi)（2011—2020年）整體呈下降趨勢，預測期前5年內(nèi)，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(zhì)保護以及畜禽養(yǎng)殖結構調(diào)整等方面的發(fā)展規(guī)劃，在改善大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力方面發(fā)揮較大作用。但是大理州畜禽養(yǎng)殖仍以散養(yǎng)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(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。加大規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖比例，積極改善畜禽養(yǎng)殖糞便處理及管理方式，將有利于大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力的改善和促進大理州區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

2.2.2 畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)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(jù)最大隸屬度原則，對照表3，到2020年大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)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(yǎng)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(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，促進大理州社會經(jīng)濟環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，有必要進一步控制畜禽養(yǎng)殖量的增加和規(guī)劃養(yǎng)殖結構；加大力度保護耕地面積，提高畜禽養(yǎng)殖場科學管理水平。

3 結論與討論

（1）系統(tǒng)動力學結合模糊預警模型適用于畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力分析研究。模擬結果表明評價模型能較好地體現(xiàn)大理州地區(qū)特點，預測的結果都可以從發(fā)展規(guī)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(yǎng)殖資源環(huán)境承載力的警度水平。（2）大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力近年來呈持續(xù)下降趨勢，規(guī)劃發(fā)展后期承載力下降幅度有所減緩；大理州畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力預警結果為中警。

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