基于灰色理論的長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力研究

董法秀，萬大娟，王開心，蘭鵬鵬

(湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人民消費(fèi)水平的不斷提高，國民對(duì)畜產(chǎn)品的需求量呈不斷增長趨勢，從而促進(jìn)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展[1]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致大量污染物產(chǎn)生，現(xiàn)已成為生態(tài)環(huán)境的重要污染源[2]。環(huán)境承載力是衡量經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展程度的指標(biāo)[3]。目前，國內(nèi)有很多關(guān)于畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的研究，如胡雪飆[2]、王延吉[4]、許翼[5]等分別對(duì)重慶市、延邊地區(qū)、沈陽市的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進(jìn)行了相關(guān)研究。本文以長沙市畜禽養(yǎng)殖為研究對(duì)象，利用灰色系統(tǒng)模型對(duì)長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進(jìn)行了模型評(píng)價(jià)和分析預(yù)測，以期為該地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染治理及規(guī)劃布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文在各項(xiàng)指標(biāo)的選擇上以實(shí)用、簡明、反映系統(tǒng)本質(zhì)、易于量化為原則[6]。結(jié)合長沙市現(xiàn)狀，指標(biāo)體系主要由牧業(yè)總產(chǎn)值、地表水資源量、耕地面積、COD產(chǎn)生量、地下水資源量、TN產(chǎn)生量、BOD產(chǎn)生量、TP產(chǎn)生量共8項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成。

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力指標(biāo)可劃分為兩大類：一是社會(huì)、人口、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)方面的發(fā)展類指標(biāo)，主要包括牧業(yè)總產(chǎn)值、BOD產(chǎn)生量、TN產(chǎn)生量、COD產(chǎn)生量和TP產(chǎn)生量，描述社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)模大??；二是與畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)環(huán)境有關(guān)的變量，即限制類指標(biāo)，用來表征畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的質(zhì)量、狀態(tài)、發(fā)展方向等，主要包括地表水資源量、耕地面積、地下水資源量[7]。

1.2 模型的選取

1.2.1 系統(tǒng)分析模型 根據(jù)國內(nèi)外環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型研究狀況，以及長沙市畜禽養(yǎng)殖發(fā)展現(xiàn)狀和原始數(shù)據(jù)的可獲取性，本文選擇系統(tǒng)分析模型作為長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型。

在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的研究中，針對(duì)n個(gè)指標(biāo)給出了不同年份的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分量，假設(shè)j個(gè)年份環(huán)境承載力為bj(j=1,2,3,…,m)，如果j個(gè)年份環(huán)境承載力又由n個(gè)具體指標(biāo)所確定的分量組成，即：Bij=(B1j,B2j,B3j,…,Bnj)，Bij代表第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)年份下具體指標(biāo)值，對(duì)限制類指標(biāo)進(jìn)行規(guī)格化處理后，即：bij=(b1j,b2j,b3j,…,bnj)[4]。具體計(jì)算公式如下：

限制類指標(biāo)：

(1)

發(fā)展類指標(biāo)：

(2)

這樣，第j年環(huán)境承載力的大小可以用歸一化的矢量模型來表示，即：

(3)

1.2.2 灰色數(shù)列預(yù)測模型 畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有持續(xù)發(fā)展性，本文運(yùn)用灰色數(shù)列預(yù)測模型建立預(yù)測方程，并利用該方程對(duì)長沙市未來各年份的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進(jìn)行預(yù)測分析。

灰色數(shù)列預(yù)測模型是通過利用數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系，對(duì)其中一個(gè)指標(biāo)的發(fā)展變化情況做出預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表示該指標(biāo)在將來發(fā)展變化的各個(gè)時(shí)間段的具體數(shù)值。數(shù)列預(yù)測是在GM(1,1)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行累加生成數(shù)列[8]。

1.3 數(shù)據(jù)的收集與處理

1.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 2010～2016年長沙市畜禽養(yǎng)殖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和耕地?cái)?shù)據(jù)來自2011～2017年的《長沙市統(tǒng)計(jì)年鑒》(表1)。我國豬、家禽的平均飼養(yǎng)周期都在一年以內(nèi)，故以年出欄量為飼養(yǎng)量；牛、羊的飼養(yǎng)周期都在一年以上，故以年存欄量為飼養(yǎng)量。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 長沙市2010～2016年地表水資源量和地下水資源量數(shù)據(jù)來自《長沙市水資源公報(bào)》；根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 497─2009)及相關(guān)參考文獻(xiàn)中各類畜禽排泄系數(shù)，結(jié)合長沙市畜禽的實(shí)際生長周期，對(duì)文獻(xiàn)中的排泄系數(shù)加以修正，計(jì)算得出各污染物產(chǎn)生量[9-10]；2010～2016年長沙市畜禽糞尿中污染物產(chǎn)生量、地表水資源量、地下水資源量及牧業(yè)總產(chǎn)值的適宜值和警戒值分別取自2010～2016年的平均值和最小值；其中耕地面積取自長沙市規(guī)劃2020年全市耕地保有量26.90萬hm2；BOD、TN、COD、TP污染物產(chǎn)生量適宜值和警戒值依據(jù)：適宜值取15生豬當(dāng)量(hm2)、警戒值取25生豬當(dāng)量(hm2)計(jì)算而得(表2)。

表2 長沙市畜禽養(yǎng)殖評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與分析

2.1 長沙市畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀

依據(jù)長沙市畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，長沙市生豬養(yǎng)殖量最大，2013年生豬出欄量達(dá)到835.68萬頭；其次是家禽，2015年家禽存籠量達(dá)到6005.75萬羽。從空間分布情況來看，寧鄉(xiāng)縣畜禽養(yǎng)殖數(shù)量最多，瀏陽市次之，芙蓉區(qū)、岳麓區(qū)、天心區(qū)、雨花區(qū)及開福區(qū)已禁止規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖。

2.2 長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力現(xiàn)狀

根據(jù)長沙市畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、地表水資源量、畜禽養(yǎng)殖排泄物等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)分析方法計(jì)算該地區(qū)2010～2016年畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力R(無量綱)(表3)。長沙市環(huán)境承載力R適宜值為0.372，警戒值為0.271，環(huán)境承載力R值越大，表示畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力越強(qiáng)。當(dāng)R≥0.372時(shí)，表明該年份環(huán)境承載能力較強(qiáng)，當(dāng)前的畜禽養(yǎng)殖狀況較好；當(dāng)0.271≤R<0.372時(shí)，表明該年份畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載能力較弱，在當(dāng)前的畜禽養(yǎng)殖狀況下還可進(jìn)行持續(xù)發(fā)展，但發(fā)展的同時(shí)要注意畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的環(huán)境問題；當(dāng)R<0.271時(shí)，表明該年份畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力很弱，在合理控制畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的同時(shí)要加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)。2010～2016年長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力依次為0.327、0.291、0.325、0.290、0.320、0.312、0.344。由圖1可以看出，長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力值處于警戒值與適宜值之間，說明目前長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力較弱。

表3 長沙市不同年份畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分量及綜合值(無量綱)

圖1 長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的變化趨勢

2.3 長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力預(yù)測分析

2.3.1 自然狀態(tài)下長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力預(yù)測分析 利用GM(1，1)灰色數(shù)列預(yù)測模型對(duì)自然狀態(tài)下的長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進(jìn)行預(yù)測。

按照灰色預(yù)測模型方法，以X(0)={0.327，0.291，0.325，0.290，0.320，0.312，0.344}為原始數(shù)據(jù)數(shù)列進(jìn)行計(jì)算，最后得出時(shí)間響應(yīng)函數(shù)：

X(1)(K+1)=12.3741e0.0236K-12.0471

(4)

將數(shù)據(jù)代入式(4)中，計(jì)算得到長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的實(shí)際值與預(yù)測值(表4)。通過檢驗(yàn)，生成數(shù)列的相對(duì)誤差最大值為1.902%，最小值為-0.013%；還原數(shù)列的相對(duì)誤差最大值為6.905%，最小值為0.881%。因此，可認(rèn)為該地區(qū)的預(yù)測值較真實(shí)，預(yù)測方法是合理有效的。

表4 生成數(shù)列的還原數(shù)列誤差檢驗(yàn)(自然狀態(tài))

通過時(shí)間響應(yīng)函數(shù)方程預(yù)測長沙市2017～2025年9年畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力(表5)，結(jié)果表明：長沙市未來9年畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力值R呈上升趨勢，到2021年畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力值為0.374，大于適宜值。這說明在自然狀態(tài)下未來長沙市畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展良好，但在發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)盡可能做到對(duì)畜禽糞便的減量化及再利用，減少對(duì)環(huán)境的影響。

2.3.2 基于畜禽養(yǎng)殖污染物處理下的長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力預(yù)測分析 從上述研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，雖然長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力呈上升趨勢發(fā)展，但到2021年長沙市的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力才超過適宜值。如果將畜禽養(yǎng)殖污染物采取一定的處理方法，將其轉(zhuǎn)換為肥料、能源等，那將會(huì)很大程度地減小對(duì)環(huán)境造成的壓力。

根據(jù)長沙市畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、耕地面積、地表水資源量等自然資源情況，若將70%的畜禽養(yǎng)殖污染物轉(zhuǎn)變成化肥、能源等產(chǎn)物，采用上述相同方法計(jì)算出長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力值R(表6)，2010～2016年間該地區(qū)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力適宜值為0.248，警戒值為0.214，R值均超過適宜值。

表5 長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力綜合預(yù)測

運(yùn)用灰色預(yù)測模型方法計(jì)算得到長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力預(yù)測值(表7)，通過檢驗(yàn)，生成數(shù)列的相對(duì)誤差最大值為1.724%；還原數(shù)列最大值為5.3256%。因此，可認(rèn)為該地區(qū)的預(yù)測值較真實(shí)，預(yù)測方法是合理有效的。通過預(yù)測結(jié)果可知，若將長沙市70%的畜禽養(yǎng)殖污染物再利用，2017～2025年長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力均超過適宜值，說明該地區(qū)環(huán)境承載能力較強(qiáng)，未來畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展前景樂觀。

3 結(jié)論

本研究通過選取長沙市地表水資源量、牧業(yè)總產(chǎn)值、COD(化學(xué)需氧量)產(chǎn)生量、TN(總氮)產(chǎn)生量等8項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建成長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立系統(tǒng)分析模型。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示2010～2016年長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力處于警戒值與適宜值之間，說明該地區(qū)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載能力相對(duì)較弱。

表6 長沙市不同年份畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分量及綜合值(無量綱，處理狀態(tài))

表7 長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力綜合預(yù)測(處理狀態(tài))

通過利用灰色數(shù)列預(yù)測模型對(duì)長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的預(yù)測模擬，可以看出在自然狀態(tài)下2017～2025年長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力值呈上升發(fā)展趨勢，到2021年畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力值大于適宜值0.372，說明長沙市未來9年畜牧業(yè)發(fā)展情況良好，控制在環(huán)境承載力范圍之內(nèi)。

通過模型預(yù)測結(jié)果可知，若長沙市70%的畜禽養(yǎng)殖污染物再利用，轉(zhuǎn)換成有機(jī)肥、能源等，未來9年畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力均超過適宜值，長沙市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力將更強(qiáng)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)良性發(fā)展更持久。