基于灰色理論的長沙市畜禽養殖環境承載力研究

董法秀，萬大娟，王開心，蘭鵬鵬

(湖南師范大學 資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081)

隨著我國經濟社會的快速發展和人民消費水平的不斷提高，國民對畜產品的需求量呈不斷增長趨勢，從而促進了畜禽養殖業快速發展[1]。畜禽養殖業的發展導致大量污染物產生，現已成為生態環境的重要污染源[2]。環境承載力是衡量經濟與環境協調發展程度的指標[3]。目前，國內有很多關于畜禽養殖環境承載力的研究，如胡雪飆[2]、王延吉[4]、許翼[5]等分別對重慶市、延邊地區、沈陽市的畜禽養殖環境承載力進行了相關研究。本文以長沙市畜禽養殖為研究對象，利用灰色系統模型對長沙市畜禽養殖環境承載力進行了模型評價和分析預測，以期為該地區畜禽養殖業的污染治理及規劃布局提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 指標體系的構建

本文在各項指標的選擇上以實用、簡明、反映系統本質、易于量化為原則[6]。結合長沙市現狀，指標體系主要由牧業總產值、地表水資源量、耕地面積、COD產生量、地下水資源量、TN產生量、BOD產生量、TP產生量共8項指標構成。

畜禽養殖環境承載力指標可劃分為兩大類：一是社會、人口、經濟活動方面的發展類指標，主要包括牧業總產值、BOD產生量、TN產生量、COD產生量和TP產生量，描述社會經濟發展的規模大小；二是與畜禽養殖系統環境有關的變量，即限制類指標，用來表征畜禽養殖系統的質量、狀態、發展方向等，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 系統分析模型 根據國內外環境承載力評價模型研究狀況，以及長沙市畜禽養殖發展現狀和原始數據的可獲取性，本文選擇系統分析模型作為長沙市畜禽養殖環境承載力評價模型。

在畜禽養殖環境承載力的研究中，針對n個指標給出了不同年份的畜禽養殖環境承載力分量，假設j個年份環境承載力為bj(j=1,2,3,…,m)，如果j個年份環境承載力又由n個具體指標所確定的分量組成，即：Bij=(B1j,B2j,B3j,…,Bnj)，Bij代表第i個指標第j個年份下具體指標值，對限制類指標進行規格化處理后，即：bij=(b1j,b2j,b3j,…,bnj)[4]。具體計算公式如下：

限制類指標：

(1)

發展類指標：

(2)

這樣，第j年環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 灰色數列預測模型 畜禽養殖業的發展具有持續發展性，本文運用灰色數列預測模型建立預測方程，并利用該方程對長沙市未來各年份的畜禽養殖環境承載力進行預測分析。

灰色數列預測模型是通過利用數據之間的內在關系，對其中一個指標的發展變化情況做出預測，預測結果表示該指標在將來發展變化的各個時間段的具體數值。數列預測是在GM(1,1)模型的基礎上進行累加生成數列[8]。

1.3 數據的收集與處理

1.3.1 基礎數據 2010～2016年長沙市畜禽養殖基礎數據和耕地數據來自2011～2017年的《長沙市統計年鑒》(表1)。我國豬、家禽的平均飼養周期都在一年以內，故以年出欄量為飼養量；牛、羊的飼養周期都在一年以上，故以年存欄量為飼養量。

1.3.2 數據處理 長沙市2010～2016年地表水資源量和地下水資源量數據來自《長沙市水資源公報》；根據《畜禽養殖業污染治理工程技術規范》(HJ 497─2009)及相關參考文獻中各類畜禽排泄系數，結合長沙市畜禽的實際生長周期，對文獻中的排泄系數加以修正，計算得出各污染物產生量[9-10]；2010～2016年長沙市畜禽糞尿中污染物產生量、地表水資源量、地下水資源量及牧業總產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劃2020年全市耕地保有量26.90萬hm2；BOD、TN、COD、TP污染物產生量適宜值和警戒值依據：適宜值取15生豬當量(hm2)、警戒值取25生豬當量(hm2)計算而得(表2)。

表2 長沙市畜禽養殖評價指標體系的基本數據

2 結果與分析

2.1 長沙市畜禽養殖現狀

依據長沙市畜禽養殖統計數據分析，長沙市生豬養殖量最大，2013年生豬出欄量達到835.68萬頭；其次是家禽，2015年家禽存籠量達到6005.75萬羽。從空間分布情況來看，寧鄉縣畜禽養殖數量最多，瀏陽市次之，芙蓉區、岳麓區、天心區、雨花區及開福區已禁止規模化畜禽養殖。

2.2 長沙市畜禽養殖環境承載力現狀

根據長沙市畜禽養殖數量、地表水資源量、畜禽養殖排泄物等基礎數據，應用系統分析方法計算該地區2010～2016年畜禽養殖環境承載力R(無量綱)(表3)。長沙市環境承載力R適宜值為0.372，警戒值為0.271，環境承載力R值越大，表示畜禽養殖環境承載力越強。當R≥0.372時，表明該年份環境承載能力較強，當前的畜禽養殖狀況較好；當0.271≤R<0.372時，表明該年份畜禽養殖環境承載能力較弱，在當前的畜禽養殖狀況下還可進行持續發展，但發展的同時要注意畜禽養殖產生的環境問題；當R<0.271時，表明該年份畜禽養殖環境承載力很弱，在合理控制畜禽養殖業發展的同時要加強環境保護。2010～2016年長沙市畜禽養殖環境承載力依次為0.327、0.291、0.325、0.290、0.320、0.312、0.344。由圖1可以看出，長沙市畜禽養殖環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殖環境承載力較弱。

表3 長沙市不同年份畜禽養殖環境承載力分量及綜合值(無量綱)

圖1 長沙市畜禽養殖環境承載力的變化趨勢

2.3 長沙市畜禽養殖環境承載力預測分析

2.3.1 自然狀態下長沙市畜禽養殖環境承載力預測分析 利用GM(1，1)灰色數列預測模型對自然狀態下的長沙市畜禽養殖環境承載力進行預測。

按照灰色預測模型方法，以X(0)={0.327，0.291，0.325，0.290，0.320，0.312，0.344}為原始數據數列進行計算，最后得出時間響應函數：

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

(4)

將數據代入式(4)中，計算得到長沙市畜禽養殖環境承載力的實際值與預測值(表4)。通過檢驗，生成數列的相對誤差最大值為1.902%，最小值為-0.013%；還原數列的相對誤差最大值為6.905%，最小值為0.881%。因此，可認為該地區的預測值較真實，預測方法是合理有效的。

表4 生成數列的還原數列誤差檢驗(自然狀態)

通過時間響應函數方程預測長沙市2017～2025年9年畜禽養殖環境承載力(表5)，結果表明：長沙市未來9年畜禽養殖環境承載力值R呈上升趨勢，到2021年畜禽養殖環境承載力值為0.374，大于適宜值。這說明在自然狀態下未來長沙市畜禽養殖業發展良好，但在發展的同時，應盡可能做到對畜禽糞便的減量化及再利用，減少對環境的影響。

2.3.2 基于畜禽養殖污染物處理下的長沙市畜禽養殖環境承載力預測分析 從上述研究結果中發現，雖然長沙市畜禽養殖環境承載力呈上升趨勢發展，但到2021年長沙市的畜禽養殖環境承載力才超過適宜值。如果將畜禽養殖污染物采取一定的處理方法，將其轉換為肥料、能源等，那將會很大程度地減小對環境造成的壓力。

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

表5 長沙市畜禽養殖環境承載力綜合預測

運用灰色預測模型方法計算得到長沙市畜禽養殖環境承載力預測值(表7)，通過檢驗，生成數列的相對誤差最大值為1.724%；還原數列最大值為5.3256%。因此，可認為該地區的預測值較真實，預測方法是合理有效的。通過預測結果可知，若將長沙市70%的畜禽養殖污染物再利用，2017～2025年長沙市畜禽養殖環境承載力均超過適宜值，說明該地區環境承載能力較強，未來畜禽養殖業發展前景樂觀。

3 結論

本研究通過選取長沙市地表水資源量、牧業總產值、COD(化學需氧量)產生量、TN(總氮)產生量等8項指標構建成長沙市畜禽養殖環境承載力評價指標體系，建立系統分析模型。數據結果顯示2010～2016年長沙市畜禽養殖環境承載力處于警戒值與適宜值之間，說明該地區畜禽養殖環境承載能力相對較弱。

表6 長沙市不同年份畜禽養殖環境承載力分量及綜合值(無量綱，處理狀態)

表7 長沙市畜禽養殖環境承載力綜合預測(處理狀態)

通過利用灰色數列預測模型對長沙市畜禽養殖環境承載力的預測模擬，可以看出在自然狀態下2017～2025年長沙市畜禽養殖環境承載力值呈上升發展趨勢，到2021年畜禽養殖環境承載力值大于適宜值0.372，說明長沙市未來9年畜牧業發展情況良好，控制在環境承載力范圍之內。

通過模型預測結果可知，若長沙市70%的畜禽養殖污染物再利用，轉換成有機肥、能源等，未來9年畜禽養殖環境承載力均超過適宜值，長沙市畜禽養殖環境承載力將更強，畜禽養殖業良性發展更持久。