基于系统动力学与模糊预警模型的畜禽养殖资源环境承载力预测

安晶潭+张爱+陈凌+黄成+程波

摘要：随着畜禽养殖业的快速发展，畜禽养殖污染已成为我国农业非点源污染的重要因素之一。云南省大理州是我国典型的农业州，畜禽养殖业在大理农业中占重要的地位。合理规划畜禽养殖业的发展对保护大理州环境以及畜禽养殖业的可持续发展起着积极的促进作用；畜禽养殖资源环境承载力作为一个综合指标，在畜禽养殖业发展规划的制定中有一定指导作用。以大理州为例，构建具有大理州地区特色的畜禽养殖资源环境承载力评价指标体系，运用系统动力学和模糊预警模型对大理州畜禽养殖资源环境承载力进行预测、预警研究。结果表明：系统动力学结合模糊预警模型在畜禽养殖规划环评研究中应用比较成功，具有较好的可行性；大理州畜禽养殖资源环境承载力近年来呈持续下降趋势，规划发展后期承载力下降幅度有所减缓；大理州畜禽养殖资源环境承载力预警结果为中警，应采取措施改善大理州畜禽养殖资源环境承载力。

关键词：大理州；畜禽养殖；资源环境承载力；系统动力学模型；模糊预警

中图分类号： X713

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0440-05

随着畜禽养殖业发展给环境带来的巨大压力和负面影响，畜禽养殖环境污染已成为我国农业非点源污染的主要因素之一。开展畜禽养殖规划环评，有利于从源头上控制畜禽养殖面源污染。在开展畜禽养殖规划环评过程中，畜禽养殖资源环境承载力分析是其中一个重要环节，能为畜禽养殖业规划提供科学依据[1]。畜禽养殖资源环境系统是畜禽养殖系统、资源环境系统以及社会环境系统的协调与统一。畜禽养殖资源环境承载力是指在特定时空条件下，畜禽资源养殖环境系统在维持系统平衡和健康不受影响时所能支持畜禽养殖行为的最大能力。畜禽养殖资源环境承载力研究突破以往仅考虑畜禽养殖系统对畜禽养殖污染物承载的思维模式，体现了畜禽养殖业与资源环境大系统的相互适宜性，为畜禽养殖业可持续发展以及区域发展规划提供了实际指导意义。近些年我国关于畜禽养殖领域的承载力研究不少，陈晓燕等分别在浙江省杭州市、黑龙江省等地区围绕畜禽粪便给环境带来的污染对畜禽养殖方面的承载力展开研究，在评价指标选取上仅考虑了畜禽养殖污染而忽略了社会环境、资源环境对畜禽养殖环境系统的影响[2-3]。也有学者综合考虑了畜禽养殖、社会发展以及资源环境等影响因素，选取具有华北平原以及重庆市地区特色的评价指标对畜禽养殖方面的承载力进行分析研究[4-5]。大理州是典型的农业州，根据《大理州年鉴2012》中的畜禽出栏量和存栏量进行统计，计算出2011年大理州畜禽养殖总量达854.917万头生猪当量，较2010年增长4.7%[6]。其中生猪、肉牛和奶牛养殖量分别占总量的45%、30%和16.5%。全州规模化养殖场达2 256个，规模化生猪养殖场占52.3%。规模化畜禽养殖业快速发展，特别是大理州洱海周边是奶牛养殖的重点区域，由于畜禽粪污治理相对落后，大量的畜禽粪便和养殖污水直接排入江河、溪流与农田，导致洱海水质日益下降[7]。洱海为大理州重点保护水域，为有效保护洱海生态，积极促进大理州畜禽养殖业可持续性发展，本研究以大理州为例，综合考虑社会经济、资源环境与畜禽养殖之间的相互影响，建立具有大理州地区特色的畜禽养殖资源环境承载力评价指标体系，采用系统动力学和模糊预警方法，开展对畜禽养殖资源环境承载力的预测预警研究，为大理州合理规划畜禽养殖业和实现畜禽养殖业可持续发展提供依据和指导。

1 材料与方法

1.1 数据资料的获取

本研究2001—2010年基础数据来自《大理白族自治州年鉴》《云南省统计年鉴》《大理白族自治州环境公报》；同时根据《大理白族自治州国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》《七彩云南生态文明建设规划纲要（2009—2020年）》《云南大理洱海绿色流域建设与水污染防治规划（2010—2030年）》等公开发表的规划文件和文献，确定预警安全临界值。

1.2 研究方法

畜禽养殖资源环境承载力评价方法一般有指数评价法、层次分析法、状态空间法、模糊综合评价、人工神经网络法、系统动力学方法以及多目标模型最优化法等[8]。其中指数评价法、状态空间法和多目标模型最优化法相对比较成熟，但是仅用于现状分析，无法进一步预测研究。此外，多目标模型最优化法要求数据量大，模型也难于求解，应用并不广泛。人工神经网络法在预测研究中需要大量的训练样本和测试样本，不适用于基础数据较少的研究[9]。系统动力学法重视分析系统和外部环境之间、系统内部各要素之间的相互作用和影响的关系，建模比较简单，适于复杂系统的分析预测研究[10]。模糊综合评价法应用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象作出一个总体的评价，具有结果清晰、系统性强的特点，在处理生态环境评价等一些精确数学方法难以描述的复杂系统问题方面具有独特的优越性[11-12]。为此，本研究主要采用系统动力学和模糊预警模型对大理州畜禽养殖资源环境承载力进行预测预警研究。

1.2.1 评价指标体系建立 通过资料搜集和专家咨询法，结合大理州畜禽业特点分析大理州地区特点以及社会环境、畜禽养殖以及资源环境的相互影响，建立具有大理州地区特色的畜禽养殖资源环境系统的承载力评价指标体系（表1）。

1.2.2 系统动力学模型构建 大理州畜禽养殖户遍及大理州12个县市，本研究系统的空间边界确定为整个大理州行政区。借助畜禽养殖资源环境承载力指标体系建立了大理州畜禽养殖资源环境承载力SD结构流程图。模型中表函数和初始值用统计资料中变量的历史数据来表现，常数参数根据参数历史数据平均值、专家建议和有关部门选取的数值来确定。设置2001、2020年分别为模型运行起始年和终止年，时间步长为1年（图1）。

1.2.3 多级模糊预警模型 由大理州畜禽养殖资源环境承载力评价指标体系组成评判集合，结合已有研究成果将畜禽养殖环境系统承载力预警警度确定为无警、轻警、中警、重警和极重警5级，即评价集为V=（V1、V2、V3、V4、V5）=（无警、轻警、中警、重警、极重警）。由权重和隶属度矩阵根据模糊算子合成运算得到大理州畜禽养殖资源环境承载力的模糊综合评判结果[13]。

2 结果与分析

2.1 指标权重计算

邀请环境影响评价、畜牧养殖、环境保护、畜禽粪污治理等领域的专家，根据1～9比较尺度的打分结果，利用层次分析法辅助软件（yaahp）构建判断矩阵进行一致性检验和权重的计算，得到各指标权重值（表1）。

2.2 畜禽养殖资源环境承载力评价

2.2.1 畜禽养殖资源环境承载力预测研究 通过模型不断检验与修改，最终确定模型的参数值（表2）。

2.2.1.1 模型测试 （1）极端测试，在切断人口、GDP、化肥施用量、养殖量、耕地面积、粮食播种面积的增长之后，畜禽养殖环境承载力并没有出现负值或其他不符合现实的情况，所以该模型相对来说比较稳定（图2）。

（2）灵敏度测试 参数灵敏度测试结果表明，6个参数中灵敏度最大为-0.047 4，未超过10%，可见所有参数的变化并不敏感，不会引起系统根本行为的变化，而且在极端测试中，模型的结论也基本合理，充分说明模型的有效性（图3）。

（3）历史检验 历史行为检验是将已有变量的历史数据带入模型进行仿真模拟，得到的仿真结果与历史数据作比较。本研究选取6个水平变量进行历史检验， 发现误差最大的为2010年的GDP指标，达9.36%，但未超过10%，其他指标的误差均较小，说明模拟数据与历史数据基本相符，该模型具有较高的准确性。以上测试结果均表明该模型稳定性好，精确性高，能够较好地进行仿真预测[7]。

2.2.1.2 承载力趋势分析 系统动力学软件Vensim运行得到承载力变化趋势以及二级准则层的评价值变化趋势（图4）。通过分析可看出，大理州畜禽养殖资源环境承载力在仿真时期（2001—2010年）呈波动趋势，2003年以前呈下降趋势，2003年出现波动，最后持续下降，总体呈下降趋势。分析二级准则层评价水平值的趋势，2003年畜禽养殖污染物排放评价值和资源环境评价值有较明显的波动，进而对其进行因果分析（图5）。

通过因果追踪分析发现，影响资源环境评价值出现波动的是单位面积粮食产量和人均水资源量的减少，影响畜禽养殖污染物排放评价值的是单位面积粪污排放强度均大幅下降。结合2003年国内有关大事件，2003年大理州畜禽养殖资源环境承载力突增可能与自然因素以及2003年发生的非典型肺炎传染疾病有关。由于“非典”的原因，我国的种植业、活禽引进和饲料供应受到严重影响，2003年畜禽养殖粪污排放强度相比2002年大幅降低。随着养殖量不断增加，总体上大理州粪污排放强度不断加大，化肥等使用量逐年增加

使得大理州畜禽养殖资源环境承载力总体呈下降趋势。从模型运行结果可看出，大理州畜禽养殖资源环境承载力在预测时期内（2011—2020年）整体呈下降趋势，预测期前5年内，相比2011年承载力水平值，到2015年承载力水平值下降 6.11%，下降幅度较大；相比2015年，2020年承载力水平值下降了2.73%，承载力下降趋势平缓。表明从2015年开始，大理州在耕地保护、人口增长控制、洱海水质保护以及畜禽养殖结构调整等方面的发展规划，在改善大理州畜禽养殖资源环境承载力方面发挥较大作用。但是大理州畜禽养殖仍以散养为主，畜禽粪污处理及利用水平较低，很大程度上制约着大理州畜禽养殖业的可持续发展。加大规模化畜禽养殖比例，积极改善畜禽养殖粪便处理及管理方式，将有利于大理州畜禽养殖资源环境承载力的改善和促进大理州区域的可持续发展。

2.2.2 畜禽养殖资源环境承载力模糊预警研究 通过单因素评价获得以下综合评价的单因素隶属度矩阵：

根据最大隶属度原则，对照表3，到2020年大理州畜禽养殖资源环境承载力预警结果为中警。分析单因素隶属度矩阵中的指标隶属度，致警原因主要是畜禽养殖量的不断增加和耕地面积的不断减少。为保证大理州畜禽养殖业的可持续发展，促进大理州社会经济环境的协调发展，有必要进一步控制畜禽养殖量的增加和规划养殖结构；加大力度保护耕地面积，提高畜禽养殖场科学管理水平。

3 结论与讨论

（1）系统动力学结合模糊预警模型适用于畜禽养殖资源环境承载力分析研究。模拟结果表明评价模型能较好地体现大理州地区特点，预测的结果都可以从发展规划的角度得到合理的解释，具有一定的可信度；预警模型通过对预测结果的进一步评价反映出畜禽养殖资源环境承载力的警度水平。（2）大理州畜禽养殖资源环境承载力近年来呈持续下降趋势，规划发展后期承载力下降幅度有所减缓；大理州畜禽养殖资源环境承载力预警结果为中警。

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