畜禽养殖环境承载力研究方法的研究进展

张大牛，王黎明，丁京涛，沈玉君

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319；2.农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100125）

畜禽养殖产业经济占全球农业经济贡献的一半左右，畜禽产品是人类日常蛋白质获取的重要来源[1]。近几十年，畜禽养殖污染、种养结构不合理等问题越显突出，对粪便污染的时空特征和畜牧业废弃物承受能力的评估逐渐成为研究热点[2]。据统计，我国规模化畜禽养殖粪污年产生量为38 亿t，畜禽粪尿中氮、磷产生量分别为1229 万t 和204.6 万t，是造成农业面源污染的重要来源[3]。国务院办公厅印发的《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》指出，要全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用，加快构建种养结合、农牧循环的可持续发展新格局，2020 年我国畜禽粪污的资源化利用率需达到75%[4]。

研究畜禽养殖环境承载力可获悉区域畜禽养殖活动对环境造成的压力，是科学规划种植与养殖结构、保证区域内畜禽粪污最大限度地被有效利用的基础。目前，我国对承载力的研究仍处于探索阶段，评估方式尚未成熟。本文简述了畜禽养殖环境承载力概念，并概括常用的承载力研究方法为养分平衡法和指标体系法，综述了各方法的研究侧重、适用范围、应用思路、参数设定、结果表征及优势不足，以期为今后畜禽养殖环境承载力的研究提供参考和借鉴。

1 畜禽养殖环境承载力概念

相关学者类比环境承载力定义方式，主要从容量和能力2 个方面定义畜禽养殖环境承载力。以容量定义，实则从养分平衡的角度考量，认为承载力是区域所能容纳的畜禽当量，即满足某些条件下畜禽养殖的最大阈值。农业农村部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》（下称《指南》）指出[5]，粪污土地承载力是土地生态系统在可持续运行的条件下，特定区域内耕地、林地和草地等所能承载的最大畜禽养殖容量。盛巧玲[6]以农业环境系统养分平衡为基础，黄显雷[7]综合生态环境、社会发展状况及养殖技术为前提条件，将畜禽养殖环境承载力表征为区域支撑畜禽养殖的最大数量。考虑到承载力受环境系统多因素影响，相关学者从能力角度定义畜禽养殖环境承载力是在某种状态下，环境系统对畜禽养殖活动的负载能力[8-12]。“某种状态”指维持环境系统结构不发生本质变化，“环境系统”被认为生态环境、社会环境和养殖环境三者的集合，“负载能力”多指承载、支持能力。综上，笔者认为畜禽养殖环境承载力是指区域在某一特定时空条件下，且保证环境系统稳定的基础上，生态系统、社会状况和养殖条件对畜禽养殖活动的支持能力。

2 畜禽养殖环境承载力研究方法

2.1 养分平衡法 畜禽粪污含有大量氮、磷、钾等养分元素，处理后是重要的肥料资源。氮元素是作物生长的限制因素，通常作为流通元素，但就磷养分需求较大的地区，需以磷为流通元素。养分平衡法基于物质平衡原理，通过量化区域内作物对养分元素的需求量和畜禽粪污养分元素的产生量，结合若干修正系数去判断养分的盈亏情况[13-14]，本文归纳出相关计算模型见表1。总结而言，养分平衡法核算模型简易，适用于从土地消纳粪污的角度研究氮磷污染负荷，而且研究区域不受限制，大到省域[15-16]，小至区县[17]均可适用，但该方法没有考虑承载力受多因素影响的本质内涵，缺乏系统、完备的框架结构体系。在实际应用中，作物粪肥养分需求量核算有2 种方式：一是由作物养分需求总量结合施肥供给占比和粪肥占施比例确定。其中，施肥供给占比多由学者根据区域实况自定，2018 年《指南》给出了土壤不同养分水平下具体的施肥供给占比。对于粪肥占施比例的取值，潘瑜春等[17]在研究北京市平谷区农用地畜禽承载潜力时，认为由畜禽粪便提供的养分取值50%较为合适；王忙生等[18]用粪污养分折纯量结合粪污资源化利用率、农田总施肥量确定商洛市粪肥占施比例为14.65%。不同地区的施肥习惯和粪污处理水平存有差异，很难评定该参数取值的准确性，可能存在测算结果与实际偏差较大的情况。二是通过筛分养分输入来源，用养分需求总量减去除来源于畜禽粪肥之外的各部分养分供给量。邱乐丰等[19]、龙雯琪等[20]、褚明辉等[21]、蔡美芳等[22]认为作物生长所需养分由土壤、化肥及粪肥供给，黄显雷[7]在此基础上还考虑了秸秆还田部分养分的作用。核减养分输入来源的方式较为直观，但难以将养分输入模块都量化在内，可能导致估算结果偏高。另外，养分平衡法核算的承载力结果以当量畜禽数量来表示，可以直观地与实际养殖量比较，判定区域承载状况。在指导区域畜牧业发展的实践中，针对超载地区的解决途径主要有2 种[15,23]（不削减现有养殖量的前提下）：一是通过理论承载力与实际养殖量的差值确定冗余的畜禽粪污产量，采用异地消纳方式处理；二是鼓励畜禽粪污进一步加工成有机肥，以此提高粪肥占施比例，提升土地消纳能力。综上所述，养分平衡法作为一种定量分析方法，可以避免主观因素的影响，能较为准确地判断区域承载状况，使用广泛。

2.2 指标体系法

2.2.1 畜禽养殖环境承载力评价指标体系 畜禽养殖环境承载力指标体系法通过筛选对承载力有作用的影响因子，构建综合评价指标体系，由指标对承载力的影响程度赋以相应权重，并结合理论模型对区域承载状况进行评价或预测研究。由于不同区域自然资源、环境及社会经济发展状况存有差异，导致承载力评价指标体系种类繁多，没有形成既定的标准。基于目前研究，本文从指标层级框架确定、指标选取及指标权重3 个方面概述承载力评价指标体系的构建流程，见图1。

图1 畜禽养殖环境承载力评价指标体系构建流程

畜禽养殖环境承载力评价指标框架多采用目标-准则-指标多层级框架。体系中，目标层为畜禽养殖环境承载力，准则层多为自然资源类、社会经济类和畜禽养殖环境类，每个准则层又包括多个具体指标[13,29-39]。指标的筛选大体需要两步，首先是初选，根据畜禽养殖环境承载力指标体系选取的科学性、可操作性、系统性及区域性等原则[40-41]，调研相关文献，参照政府部门已颁布的指标体系，预选指标；然后是精选，多采用专家咨询法和多重共线性分析法对预选指标精筛，被咨询专家要覆盖畜牧、环境、经济、生态等学科领域，而且人数要多，以共识度较高的指标作为优选指标，再采用多重共线性分析等方法剔除冗余指标。在畜禽养殖环境承载力指标体系中，由于影响因子对承载力的“贡献”程度不同，因此需对指标权重。目前，主要通过定性、半定量及定量的方式确定指标权重。其中，主观判断评分法是通过相关领域专家的经验和认知，对各项评价指标进行主观赋权的方法，这种方法属于主观决策，缺乏一定的科学性。层次分析法是定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法[42]，将专家咨询结果作为赋权依据，使评价结果准确性得以提高。熵值法主要依据各指标的样本观测数据给出相应权值，可有效降低主观性。

总体来看，目前畜禽养殖环境承载力评价指标体系的研究存在一些不足，主要体现在3 个方面：第一，指标普适性不强，不具备代表性。多数评价指标体系是基于特定研究区域而提出，缺乏对共性指标的归纳总结，尚未形成统一的选取规范。第二，指标选取覆盖面广，获取难度大。第三，指标的选取过于考究与研究模型之间的契合度。为了适配方法而弱化指标的贡献程度，会导致综合评价或预测的结果与实际不相符。

2.2.2 评价研究方法 畜禽养殖环境承载力评价方法主要有系统分析法、层次分析法、超效率数据包络分析法和地理信息系统技术。

系统分析法侧重分析畜禽养殖污染物总量对土壤及水体环境的影响，研究区域不受限制，主要根据环境系统内部因素间的因果关系，将指标划分为发展类（地表径流量、年末实有耕地面积）和限制类（生化需氧量、化学需氧量、氨氮、总氮、总磷），并做标准化处理，承载力结果表征为各指标数值的平方和再开平方根，最后依据区域实况设定适宜值和警戒值，去测度区域畜禽养殖环境承载力。王洋等[43]运用系统分析法分析出黑龙江省1998—2005 年的畜禽养殖环境承载能力较强，但呈逐年衰弱趋势。陈晓燕[35]应用系统分析模型评估了杭州各区县承载力现状。在实际应用中，指标参数需要连续数年检测，而且适宜值和警戒值的设定偏主观，是该方法应用推广的主要限制。不同地区适宜值和警戒值的取值情况见表2。由表2 可知，地区之间取值差异明显，其原因可能在于相关学者对影响因素的侧重不同，所依据的设定标准迥异。综上所述，系统分析法操作简单，但理论依据有一定欠缺，且适宜值和警戒值的设定仍需进一步规范化。

表2 系统分析模型适宜值、警戒值取值情况

层次分析法从宏观角度分析多因素对环境系统的作用，适用于大尺度区域的畜禽养殖环境承载力综合评价，通常需要选用5 年以上的数据，侧重研究区域承载力变化趋势。层次分析法将影响承载力的相关因素按层级分解，再对各层级指标赋予权重，由标准化后的各指标数据与权重的求积加和表示承载力结果。王甜甜等[47]采用层次分析法对滨州市2001—2006 年理论承载能力进行评价，结果与实际承载状况差异不大，说明该方法具备一定可行性；刘梓函等[48]结合层次分析法与熵值法对苏州市畜禽养殖业空间布局的适宜性做出评价，得出苏州市仍有一定的承载空间。在实际应用中，各指标权重通常需要依靠专家打分获取，但指标间关系比较复杂，受专家数量及认知的影响，结果可能存在误差。综上所述，层次分析法具有清晰、完备的系统性，操作简单，但主观性较强，对单一年度的区域承载力做评价参考价值不大。

超效率数据包络分析法偏向于研究畜禽养殖与资源、环境、社会经济发展之间的协调度，从环境系统的整体角度展开评价，研究区域不受限制。超效率数据包络分析法在将畜禽养殖承载力指标划分成压力类和支撑类的基础上,通过建立规划模型来反映输出项与输入项的协调性[49-50]，承载力结果用模型运行效率值表征，以此评价畜禽养殖与环境发展的适配程度。黄成等[30]采用超效率数据包络分析法判断出天津市2003—2012 年畜禽养殖环境子系统间协调性逐渐降低，承载能力呈下降趋势；黄显雷[7]采用超效率数据包络分析法分析出舒兰市2015 年畜禽养殖环境承载能力较差。在实际应用中，超效率数据包络分析法可以根据指标数据，由系统判定最优权重，不涉及主观评价，从而消除了主观因素干扰，但模型碍于同类可比的原则，一般只对单一区域做分析，涉及多个区域的协同评价还有待考究。

地理信息系统技术具备空间信息分析和处理能力，偏向于对畜禽养殖环境承载力影响因子动态监测和分析评价，适用于县域以上尺度水平的研究。基于地理信息系统技术，通过对区域地形地貌、土地利用、生态环境、社会经济等因素进行分析和处理，结合指标权重，以空间单元的加权指数表征区域承载力，应用栅格计算功能生成承载力分布图。Peng 等[51]通过筛选影响承载力的相关评价因子，由单个因子的分析结果和权重的叠加，分析出仙游县和涵江区仍可增加养殖量。孟补喜[34]采用地理信息系统技术的空间分析功能得出阳城县中北部的畜禽养殖承载能力较强。在实际应用中，数据的获取主要来源于区域地理信息库，需要采用地理信息系统工具处理，对专业技能有一定要求。综上所述，地理信息系统技术能相对准确地分析各项评价因子，但多选择可由遥感技术获取的因子构建评价体系，在一定程度上可能会弱化指标与承载力的相关性。

概括而言，当前常用畜禽养殖环境承载力评价方法可以模拟多因素对复杂畜禽养殖环境系统的影响过程，在一定程度上能反馈区域承载力的实际状况，但因素变量的合理应用存在一定难度，评价模型难以实现推广应用。

2.2.3 预测研究方法 当前畜禽养殖环境承载力预测研究方法主要有系统动力学法、灰色系统预测法和人工神经网络模型。

系统动力学法侧重描绘畜禽养殖环境系统间的动态反馈关系，能较好反映系统的真实变化，预测准确性较高，多适用于单一市域尺度范围的研究[52-55]。该方法需要设立承载力子系统边界，通过物质、信息的输入输出相互联系构造模型的反馈结构，以此建立描述承载力系统的相关方程，仿真演化趋势。安晶潭[31]等在采用模糊综合评价法设定大理州承载力预警等级的基础上，以系统动力学法预测该市畜禽养殖环境承载力，发现环境承载力在2011—2020 年整体呈下降趋势。韩成吉等[56]构建了社会经济、畜禽养殖、种植业及土地承载四大子系统，模拟出协同发展情境下2006—2025 年石家庄的畜禽养殖承载压力逐渐降低。在实际应用中，系统动力学法可根据不同情境设置参变量参数，预判调控效果，具有重要的实践指导价值。综上所述，系统动力学方法擅长处理非线性的动态过程模拟问题，能很好地模拟畜禽养殖环境系统内部要素之间的动态过程；不足之处在于系统边界及参变量的选取比较困难，模型普适性不强且研究对象单一。

灰色系统预测法常结合系统分析法使用，以承载力指标分量及综合值构造原始数列，结合GM（1，1）模型，得到时间响应函数预测区域未来承载力变化[57-58]，研究区域不受限制。在畜禽养殖环境承载力预测研究上，许翼等[46]采用灰色预测模型预测出自然状态下沈阳市畜禽养殖环境承载力将超出警戒值，当提高畜禽粪污处理率至90%时，承载力在2021 年达到警戒值。王延吉等[45]、董法秀等[44]结合长沙、延边地区畜禽养殖发展现状，在系统分析的基础上采用灰色数列预测模型对两地承载力发展态势作出判断。在指导区域发展的实践中，通过提升养殖污染物资源化或能源化利用比例，减小限制类指标的取值，就可以获悉设定情景下承载力达到预警状态的时间点。综上所述，灰色系统预测法模型相对简单，需要的样本容量较少，但不能描述指标间作用关系，无法进行复杂系统的动态评价，预测准确性一般。

人工神经网络模型能较好地表达非线性关系，具备良好的自适应能力，在组合优化、智能控制、模式识别及预测等方面应用广泛[59-61]。基于该方法对多变量非线性系统的映射能力，黄成[62]率先将BP 网络应用在天津市2015 年畜禽养殖环境承载力的预测研究上，以2003—2012 年归一化后的评价指标数据作为输入，评价结果作为输出，构建了一个三层BP 网络来模拟两者之间的关系。在实际应用中，人工神经网络模型能适配多种评价研究方法，可以将评价模型的指标数据和承载力表征值作为原始样本数据，求解复杂的影响机制问题。综上所述，该方法的研究区域不受限制，适应能力较强，但常规算法可能会降低预测的准确性，还需要在此基础上不断完善创新。

综上，畜禽养殖环境承载力的预测多以承载力现状和发展规律为依据对未来某一时间点的畜禽养殖环境承载状况的判别。由于畜禽养殖环境承载力系统受自我演变和人类活动的双重影响，且内在影响机制的识别不够清晰，导致承载力预测研究具有一定的难度。

3 结论与展望

畜禽养殖环境承载力研究是优化区域种养结构、促进畜禽粪污资源化利用的重要手段，其研究方法的合理使用是准确评定区域承载能力的必要前提。但由于认知角度不同，各学者对承载力的理解存在差异，使得承载力研究途径多样，没有形成特定标准。其中，养分平衡法是最直观的承载力研究方法，应用也相对广泛，但在实际操作过程中，对于区域环境系统中粪肥供给部分养分的量化，无论是由总需求养分结合比例系数确定还是核减其他输入来源，都难以准确评定，可能会导致区域承载力的测算结果出现一定误差。指标体系法从环境系统整体性角度考量，结合理论模型对区域承载状况做出评价和预测，尚未形成统一标准。指标体系的构建多采用目标-准则-指标多层级框架，能综合考虑各类指标对承载力的作用效果，但指标选取及赋权具有一定的主观性；评价模型相对成熟，基本上可以反映多因素对复杂畜禽养殖环境系统的作用，但对影响过程的模拟不够完善；预测研究难以将系统内部因素作用的动态性和依据样本数据做客观分析的科学性联系在一起。

目前，相关学者对畜禽养殖环境承载力的研究已取得较大成效，仍存在一些局限。未来的研究应侧重以下几个方面：

第一，理清养分输入来源，准确量化粪肥养分需求。区域粪污土地承载能力评估的准确性还要提高，在采用养分平衡法核算作物依靠粪肥来获取的养分量时，要深入考虑来源于化肥施用、土壤供给、秸秆还田、大气沉降等部分养分向环境系统的输入情况。在此基础上，结合区域实际状况确定单位畜禽养分的供给量。

第二，剖析区域各影响因子间的相互关系，优化指标权重机制。指标选取要有代表性，不仅要考虑到指标数据的相关性，还要考虑指标的内在涵义，构建可反映研究区域实况的指标体系。对于各项指标的赋权处理则要主客观相结合，主观赋权过程要广泛听取所涉及领域专家的意见，客观赋权要对比不同赋权方法得到结果，以此得出各项指标的最终权值。

第三，优化指标体系评价、预测模型，模拟动态性影响过程。指标数据在某种意义上可以反映畜禽养殖环境承载力的动态性特征，数据的变动导致承载趋势的随同。当前依据指标样本数据和理论模型对区域承载能力的评估和预测可以说是宏观层面的判断，如何从微观角度模拟指标对承载力影响过程，还有待探究。未来要明晰作用机制，在此基础上改进理论模型，以期仿真动态的评价、预测过程，实现指标体系方法的标准化应用。