基于灰色理论的长沙市畜禽养殖环境承载力研究

董法秀，万大娟，王开心，兰鹏鹏

(湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

随着我国经济社会的快速发展和人民消费水平的不断提高，国民对畜产品的需求量呈不断增长趋势，从而促进了畜禽养殖业快速发展[1]。畜禽养殖业的发展导致大量污染物产生，现已成为生态环境的重要污染源[2]。环境承载力是衡量经济与环境协调发展程度的指标[3]。目前，国内有很多关于畜禽养殖环境承载力的研究，如胡雪飙[2]、王延吉[4]、许翼[5]等分别对重庆市、延边地区、沈阳市的畜禽养殖环境承载力进行了相关研究。本文以长沙市畜禽养殖为研究对象，利用灰色系统模型对长沙市畜禽养殖环境承载力进行了模型评价和分析预测，以期为该地区畜禽养殖业的污染治理及规划布局提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 指标体系的构建

本文在各项指标的选择上以实用、简明、反映系统本质、易于量化为原则[6]。结合长沙市现状，指标体系主要由牧业总产值、地表水资源量、耕地面积、COD产生量、地下水资源量、TN产生量、BOD产生量、TP产生量共8项指标构成。

畜禽养殖环境承载力指标可划分为两大类：一是社会、人口、经济活动方面的发展类指标，主要包括牧业总产值、BOD产生量、TN产生量、COD产生量和TP产生量，描述社会经济发展的规模大小；二是与畜禽养殖系统环境有关的变量，即限制类指标，用来表征畜禽养殖系统的质量、状态、发展方向等，主要包括地表水资源量、耕地面积、地下水资源量[7]。

1.2 模型的选取

1.2.1 系统分析模型 根据国内外环境承载力评价模型研究状况，以及长沙市畜禽养殖发展现状和原始数据的可获取性，本文选择系统分析模型作为长沙市畜禽养殖环境承载力评价模型。

在畜禽养殖环境承载力的研究中，针对n个指标给出了不同年份的畜禽养殖环境承载力分量，假设j个年份环境承载力为bj(j=1,2,3,…,m)，如果j个年份环境承载力又由n个具体指标所确定的分量组成，即：Bij=(B1j,B2j,B3j,…,Bnj)，Bij代表第i个指标第j个年份下具体指标值，对限制类指标进行规格化处理后，即：bij=(b1j,b2j,b3j,…,bnj)[4]。具体计算公式如下：

限制类指标：

(1)

发展类指标：

(2)

这样，第j年环境承载力的大小可以用归一化的矢量模型来表示，即：

(3)

1.2.2 灰色数列预测模型 畜禽养殖业的发展具有持续发展性，本文运用灰色数列预测模型建立预测方程，并利用该方程对长沙市未来各年份的畜禽养殖环境承载力进行预测分析。

灰色数列预测模型是通过利用数据之间的内在关系，对其中一个指标的发展变化情况做出预测，预测结果表示该指标在将来发展变化的各个时间段的具体数值。数列预测是在GM(1,1)模型的基础上进行累加生成数列[8]。

1.3 数据的收集与处理

1.3.1 基础数据 2010～2016年长沙市畜禽养殖基础数据和耕地数据来自2011～2017年的《长沙市统计年鉴》(表1)。我国猪、家禽的平均饲养周期都在一年以内，故以年出栏量为饲养量；牛、羊的饲养周期都在一年以上，故以年存栏量为饲养量。

1.3.2 数据处理 长沙市2010～2016年地表水资源量和地下水资源量数据来自《长沙市水资源公报》；根据《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》(HJ 497─2009)及相关参考文献中各类畜禽排泄系数，结合长沙市畜禽的实际生长周期，对文献中的排泄系数加以修正，计算得出各污染物产生量[9-10]；2010～2016年长沙市畜禽粪尿中污染物产生量、地表水资源量、地下水资源量及牧业总产值的适宜值和警戒值分别取自2010～2016年的平均值和最小值；其中耕地面积取自长沙市规划2020年全市耕地保有量26.90万hm2；BOD、TN、COD、TP污染物产生量适宜值和警戒值依据：适宜值取15生猪当量(hm2)、警戒值取25生猪当量(hm2)计算而得(表2)。

表2 长沙市畜禽养殖评价指标体系的基本数据

2 结果与分析

2.1 长沙市畜禽养殖现状

依据长沙市畜禽养殖统计数据分析，长沙市生猪养殖量最大，2013年生猪出栏量达到835.68万头；其次是家禽，2015年家禽存笼量达到6005.75万羽。从空间分布情况来看，宁乡县畜禽养殖数量最多，浏阳市次之，芙蓉区、岳麓区、天心区、雨花区及开福区已禁止规模化畜禽养殖。

2.2 长沙市畜禽养殖环境承载力现状

根据长沙市畜禽养殖数量、地表水资源量、畜禽养殖排泄物等基础数据，应用系统分析方法计算该地区2010～2016年畜禽养殖环境承载力R(无量纲)(表3)。长沙市环境承载力R适宜值为0.372，警戒值为0.271，环境承载力R值越大，表示畜禽养殖环境承载力越强。当R≥0.372时，表明该年份环境承载能力较强，当前的畜禽养殖状况较好；当0.271≤R<0.372时，表明该年份畜禽养殖环境承载能力较弱，在当前的畜禽养殖状况下还可进行持续发展，但发展的同时要注意畜禽养殖产生的环境问题；当R<0.271时，表明该年份畜禽养殖环境承载力很弱，在合理控制畜禽养殖业发展的同时要加强环境保护。2010～2016年长沙市畜禽养殖环境承载力依次为0.327、0.291、0.325、0.290、0.320、0.312、0.344。由图1可以看出，长沙市畜禽养殖环境承载力值处于警戒值与适宜值之间，说明目前长沙市畜禽养殖环境承载力较弱。

表3 长沙市不同年份畜禽养殖环境承载力分量及综合值(无量纲)

图1 长沙市畜禽养殖环境承载力的变化趋势

2.3 长沙市畜禽养殖环境承载力预测分析

2.3.1 自然状态下长沙市畜禽养殖环境承载力预测分析 利用GM(1，1)灰色数列预测模型对自然状态下的长沙市畜禽养殖环境承载力进行预测。

按照灰色预测模型方法，以X(0)={0.327，0.291，0.325，0.290，0.320，0.312，0.344}为原始数据数列进行计算，最后得出时间响应函数：

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

(4)

将数据代入式(4)中，计算得到长沙市畜禽养殖环境承载力的实际值与预测值(表4)。通过检验，生成数列的相对误差最大值为1.902%，最小值为-0.013%；还原数列的相对误差最大值为6.905%，最小值为0.881%。因此，可认为该地区的预测值较真实，预测方法是合理有效的。

表4 生成数列的还原数列误差检验(自然状态)

通过时间响应函数方程预测长沙市2017～2025年9年畜禽养殖环境承载力(表5)，结果表明：长沙市未来9年畜禽养殖环境承载力值R呈上升趋势，到2021年畜禽养殖环境承载力值为0.374，大于适宜值。这说明在自然状态下未来长沙市畜禽养殖业发展良好，但在发展的同时，应尽可能做到对畜禽粪便的减量化及再利用，减少对环境的影响。

2.3.2 基于畜禽养殖污染物处理下的长沙市畜禽养殖环境承载力预测分析 从上述研究结果中发现，虽然长沙市畜禽养殖环境承载力呈上升趋势发展，但到2021年长沙市的畜禽养殖环境承载力才超过适宜值。如果将畜禽养殖污染物采取一定的处理方法，将其转换为肥料、能源等，那将会很大程度地减小对环境造成的压力。

根据长沙市畜禽养殖数量、耕地面积、地表水资源量等自然资源情况，若将70%的畜禽养殖污染物转变成化肥、能源等产物，采用上述相同方法计算出长沙市畜禽养殖环境承载力值R(表6)，2010～2016年间该地区畜禽养殖环境承载力适宜值为0.248，警戒值为0.214，R值均超过适宜值。

表5 长沙市畜禽养殖环境承载力综合预测

运用灰色预测模型方法计算得到长沙市畜禽养殖环境承载力预测值(表7)，通过检验，生成数列的相对误差最大值为1.724%；还原数列最大值为5.3256%。因此，可认为该地区的预测值较真实，预测方法是合理有效的。通过预测结果可知，若将长沙市70%的畜禽养殖污染物再利用，2017～2025年长沙市畜禽养殖环境承载力均超过适宜值，说明该地区环境承载能力较强，未来畜禽养殖业发展前景乐观。

3 结论

本研究通过选取长沙市地表水资源量、牧业总产值、COD(化学需氧量)产生量、TN(总氮)产生量等8项指标构建成长沙市畜禽养殖环境承载力评价指标体系，建立系统分析模型。数据结果显示2010～2016年长沙市畜禽养殖环境承载力处于警戒值与适宜值之间，说明该地区畜禽养殖环境承载能力相对较弱。

表6 长沙市不同年份畜禽养殖环境承载力分量及综合值(无量纲，处理状态)

表7 长沙市畜禽养殖环境承载力综合预测(处理状态)

通过利用灰色数列预测模型对长沙市畜禽养殖环境承载力的预测模拟，可以看出在自然状态下2017～2025年长沙市畜禽养殖环境承载力值呈上升发展趋势，到2021年畜禽养殖环境承载力值大于适宜值0.372，说明长沙市未来9年畜牧业发展情况良好，控制在环境承载力范围之内。

通过模型预测结果可知，若长沙市70%的畜禽养殖污染物再利用，转换成有机肥、能源等，未来9年畜禽养殖环境承载力均超过适宜值，长沙市畜禽养殖环境承载力将更强，畜禽养殖业良性发展更持久。