韓成吉，王國剛，朱立志

畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型及情景仿真

韓成吉，王國剛※，朱立志

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所，北京 100081）

為實(shí)現(xiàn)畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)評估、預(yù)判其發(fā)展態(tài)勢及考察不同減排政策的實(shí)施效果，本文進(jìn)行畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)、仿真與情景調(diào)控。在社會經(jīng)濟(jì)、畜禽養(yǎng)殖和種植業(yè)各子系統(tǒng)及其要素分析的基礎(chǔ)上，以中國北方畜牧大市——石家莊市為例，建立畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型并進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果顯示，模型具有具有較好的穩(wěn)定性，而且模擬值與實(shí)際值誤差普遍小于10%，因此模型有效。在確定模型有效之后，應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)模擬仿真不同方案下的石家莊市2007—2025年畜禽養(yǎng)殖土地承載力變化情況。本文設(shè)置了4種與系統(tǒng)慣性發(fā)展相比較的方案——調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、調(diào)整環(huán)境保護(hù)治理投資、調(diào)整糞肥占施和協(xié)同發(fā)展模式，并針對上述5種情景進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示：1）慣性趨勢發(fā)展條件下，畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的產(chǎn)出規(guī)模都有增長，但種植業(yè)產(chǎn)量增長不及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的增長，致使種植業(yè)難以消納畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮磷排放，土地承載壓力加大；2）調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)情景下，氮、磷平衡承載均呈現(xiàn)出下降的趨勢，但磷平衡承載仍存在壓力；3）調(diào)整環(huán)境保護(hù)治理投資情景下，氮平衡承載處于可載狀態(tài)，磷平衡承載壓力下降明顯，但只有后8個(gè)年度可載；4）調(diào)整糞肥占施情景下，氮平衡承載處于可載狀態(tài)，磷平衡承載情況雖好于初始情景，但仍超載；5）協(xié)同發(fā)展模式下，氮、磷平衡承載壓力均呈下降趨勢，且氮、磷承載均處于可載的水平，通過比較分析發(fā)現(xiàn)，協(xié)同發(fā)展模式的效果最好。本研究一方面為開展畜禽養(yǎng)殖污染監(jiān)測評估工作、建立畜禽養(yǎng)殖污染評估機(jī)制提供支撐，另一方面為畜牧大市（縣）和其他資源環(huán)境超載區(qū)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

糞污；氮；磷；系統(tǒng)動力學(xué)；土地承載力；養(yǎng)分平衡；仿真

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，中國畜禽生產(chǎn)得到快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖帶來的糞污排放也隨之產(chǎn)生，造成的環(huán)境壓力日益顯現(xiàn)[1-2]。2010年《第一次全國污染源普查公報(bào)》顯示，從化學(xué)需氧量、總氮排放量、總磷排放量3項(xiàng)主要污染物指標(biāo)來看，農(nóng)業(yè)源污染物排放占全國排放總量的比例分別為43.7%、57.2%和67.4%，其中畜禽養(yǎng)殖業(yè)又分別占農(nóng)業(yè)源的95.8%、37.9%和56.3%。這種養(yǎng)殖污染直接或間接地向自然界排放并超過自然消納能力，污染物最終都將經(jīng)過物質(zhì)循環(huán)進(jìn)入土壤[3]，造成土壤污染，導(dǎo)致的農(nóng)作物減產(chǎn)[4]，而硝態(tài)氮和土壤性病原菌也將威脅人類健康[5]，迫切需要畜禽糞污減量化、無害化、資源化。由于畜禽糞尿的特點(diǎn)決定了其無法進(jìn)行大范圍、跨地區(qū)的移動，所以在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)條件下，土地消納仍是較為經(jīng)濟(jì)可行的畜禽污染物處理手段[6]。然而在一定時(shí)期內(nèi)，單位土地面積對畜禽糞便的消納容量有限，區(qū)域畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展應(yīng)該符合該地區(qū)的土壤環(huán)境承載力，其飼養(yǎng)密度應(yīng)不超過該地區(qū)土地資源的最大承載能力。因此，亟須加強(qiáng)畜禽糞污土地資源承載力評價(jià)管控。2017年6月《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》發(fā)布以來，國家和地方發(fā)布了一系列相關(guān)政策手段，如國家層面的《畜禽糞污資源化利用行動方案》（2017），地方層面的《石家莊市畜禽養(yǎng)殖糞污資源化利用行動計(jì)劃》（2017）、《天津市加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用工作方案》（2017）、《山東省加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用實(shí)施方案》（2017）等，具體執(zhí)行禁限養(yǎng)、轉(zhuǎn)業(yè)轉(zhuǎn)產(chǎn)、達(dá)標(biāo)排放等政策，但有的地方?jīng)]有規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)，基本上就把禁養(yǎng)區(qū)變成“無畜區(qū)”，過度禁限養(yǎng)所衍生的問題已經(jīng)初現(xiàn)端倪，如豬肉的有效供給問題、轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)農(nóng)戶的生計(jì)問題等，而“達(dá)標(biāo)排放”的思維定勢阻礙了畜禽糞便的資源化利用[7]。如何更好地協(xié)調(diào)畜禽生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的問題，依然值得我們思考。

目前，有關(guān)畜禽糞污土地承載力評價(jià)的相關(guān)理論與實(shí)踐成果已經(jīng)非常豐富，在指導(dǎo)畜牧養(yǎng)殖資源環(huán)境政策制定方面也做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。如，潘瑜春等[8]從畜禽養(yǎng)殖的氮磷產(chǎn)生量和耕地、果園消納氮磷的承載量關(guān)系入手，估算平谷區(qū)耕地和果園對畜禽糞便承載力；邱樂豐等[9]進(jìn)一步參照Truog提出的養(yǎng)分平衡法，根據(jù)農(nóng)作物生長氮磷養(yǎng)分需求量與畜禽養(yǎng)殖氮磷養(yǎng)分供給量之間的差額，估算杭州市農(nóng)用地的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力；Thapa等[10]以養(yǎng)分供求平衡為研究主線，分析了既定管理體制下1996—2006年尼泊爾山區(qū)的畜禽養(yǎng)殖土地環(huán)境承載力；姚文捷等[11]構(gòu)建畜禽養(yǎng)殖耕地承載力評價(jià)指標(biāo)，以熵值法定權(quán)，通過指標(biāo)加權(quán)求和來表示畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的狀況；宋福忠等[12]認(rèn)為畜禽養(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)，不僅包括自然環(huán)境因素，也包括社會、經(jīng)濟(jì)因素，是由畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)、自然環(huán)境子系統(tǒng)和社會環(huán)境子系統(tǒng)相耦合的復(fù)雜巨系統(tǒng)，同時(shí)，通過建立評價(jià)指標(biāo)體系，將主成分分析和層次分析法相結(jié)合主客觀定權(quán)，進(jìn)而提出了基于數(shù)學(xué)突變理論的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載系統(tǒng)預(yù)警方法；程波等[13-14]，則補(bǔ)充了畜禽養(yǎng)殖行業(yè)環(huán)境影響評價(jià)的空白，更為系統(tǒng)的總結(jié)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的行業(yè)政策、技術(shù)規(guī)范、評價(jià)指標(biāo)體系和主要評價(jià)方法等。

現(xiàn)有畜禽糞污承載力的相關(guān)研究主要從2個(gè)方向進(jìn)行：1）從養(yǎng)分平衡的角度出發(fā)，考察土地及其以上的農(nóng)作物對畜禽糞污排放的自然消納能力，但是缺乏社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響分析，畜禽養(yǎng)殖對資源環(huán)境的需求類似引致需求，這種需求是為了滿足人類社會物質(zhì)需要和貢獻(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而派生的需求，社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的前關(guān)聯(lián)，在以往的畜禽養(yǎng)殖排放承載研究中，僅考慮終端排放，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展性因素關(guān)注不夠；2）根據(jù)系統(tǒng)理論及其演化思想，構(gòu)建“經(jīng)濟(jì)-社會-環(huán)境”復(fù)合指標(biāo)結(jié)構(gòu)，通過加權(quán)求和的方式體現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖承載，既考慮到了畜禽排放的限制性因素，又考慮到了社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展性因素，但整個(gè)系統(tǒng)僅是簡單的靜態(tài)耦合，而各子系統(tǒng)間的相互關(guān)系又相對獨(dú)立，缺乏子系統(tǒng)間的動態(tài)反饋關(guān)系，難以反映系統(tǒng)的真實(shí)變化。

由于畜禽糞污土地承載的系統(tǒng)性、動態(tài)性和反饋性，傳統(tǒng)低階和線性理論不利于有效解決這一復(fù)雜系統(tǒng)問題，為此引入系統(tǒng)動力學(xué)（system dynamics，SD）方法，通過建立系統(tǒng)仿真模型，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境并仿真未來演化趨勢能夠較好地適用于畜禽養(yǎng)殖土地承載力的研究。系統(tǒng)動力學(xué)（SD）是系統(tǒng)科學(xué)的一個(gè)分支，是由麻省理工大學(xué)Forrester教授在1956年提出的一種系統(tǒng)仿真方法，發(fā)展至今它已經(jīng)成為一門跨越自然科學(xué)和社會科學(xué)的交叉學(xué)科[15]。系統(tǒng)動力學(xué)對研究對象的理解來源于系統(tǒng)行為與內(nèi)在機(jī)制之間的關(guān)聯(lián)，并通過數(shù)學(xué)建模、模型改善和模擬運(yùn)行逐步挖掘?qū)е孪到y(tǒng)狀態(tài)變量發(fā)生變化的因果關(guān)系[16]，預(yù)測其發(fā)展趨勢。系統(tǒng)動力學(xué)模型作為一種綜合的仿真模型，已較為廣泛的應(yīng)用于資源環(huán)境承載力的研究，如水產(chǎn)養(yǎng)殖排放的環(huán)境承載[17]、工業(yè)化前期的人口承載[18]，區(qū)域土地可承載的經(jīng)濟(jì)規(guī)模[19]和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的農(nóng)地承載與規(guī)劃等[20]。上述研究成果的存在，都從不同的角度為本研究提供了有價(jià)值的借鑒和方法學(xué)支持。

為此，本文以國內(nèi)外較具代表性的環(huán)境承載力評價(jià)體系為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)動力學(xué)方法為手段，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立包含社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)、種植業(yè)子系統(tǒng)和土地承載子系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)的畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)仿真模型，并以地處“北方糧倉”、《畜禽糞污資源化利用項(xiàng)目》中的整市推進(jìn)區(qū)——石家莊市為研究區(qū)域，通過系統(tǒng)仿真，開展畜禽養(yǎng)殖土地資源環(huán)境承載能力評估，分析畜禽生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)之間的交互影響和可能的調(diào)控，預(yù)判不同情景的調(diào)控效果，一方面為開展畜禽養(yǎng)殖污染監(jiān)測評估工作、建立畜禽養(yǎng)殖污染評估機(jī)制提供支撐，另一方面為畜牧大市（縣）和其他資源環(huán)境超載區(qū)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

石家莊市地處河北省中南部，其地理坐標(biāo)為113°30′～115°20′E，37°27′～38°47′N之間，土地面積15 848 km2，其中耕地面積5 820 km2，園地面積625 km2，林地面積2 092 km2，3種土地類型分別占總陸地面積的36.72%、3.95%和13.20%。屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，春秋短、冬夏長、四季分明，年平均氣溫13 ℃、年平均降水量400.6 mm、年平均日照時(shí)數(shù)為2 400 h、無霜期約180 d[21]，水熱條件可滿足兩年三熟的需要，主要種植作物為小麥、玉米、棉花、梨等，養(yǎng)殖業(yè)以生豬、肉牛、奶牛和家禽為主。

隨著人口與產(chǎn)業(yè)迅速集聚、城市社會經(jīng)濟(jì)規(guī)模持續(xù)提升，石家莊市生態(tài)環(huán)境問題正在日益激化，主要體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境較脆弱、環(huán)境容量小、污染物自然更新速率低等方面，總體資源環(huán)境承載力較為有限。近年來，隨著石家莊市環(huán)境污染程度和資源消耗程度的進(jìn)一步加重，該地區(qū)資源環(huán)境系統(tǒng)的支持功能下降已經(jīng)成為制約地區(qū)發(fā)展的瓶頸。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2016年石家莊市生豬出欄608.07萬頭，牛存欄71.93萬頭，羊存欄118.05萬只，家禽出欄15 632.60萬只，據(jù)估算，其畜禽糞尿總產(chǎn)生量已達(dá)2 498.18萬t，其中固體糞便產(chǎn)生量1 836.31萬t，液體尿液產(chǎn)生量661.87萬t。2018年石家莊被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遴選為畜禽糞污資源化利用項(xiàng)目整市推進(jìn)區(qū)，亟需深入開展畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載能力評估，提出基于種養(yǎng)平衡的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模調(diào)整方案，為實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)提供決策參考。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文建立的畜禽養(yǎng)殖土地承載力系統(tǒng)模型涉及人口結(jié)構(gòu)、畜禽業(yè)生產(chǎn)情況、土地規(guī)模、主要農(nóng)作物播種面積以及畜禽排泄系數(shù)等，數(shù)據(jù)來源于石家莊市2007—2017年統(tǒng)計(jì)年鑒、自然資源部土地調(diào)查成果共享應(yīng)用服務(wù)平臺和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南等。

2 畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)動態(tài)仿真

2.1 模型構(gòu)建思路

2.1.1 模型邊界與假設(shè)

在畜禽養(yǎng)殖土地承載力系統(tǒng)中主要包含了社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)、種植業(yè)子系統(tǒng)和土地承載子系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)邊界。模型的空間邊界為石家莊市。模型模擬的時(shí)間邊界為2006年至2025年，共分2個(gè)時(shí)段，第一時(shí)段為2007—2016年，第二時(shí)段為2016年—2025年，基準(zhǔn)年為2006年，模擬時(shí)間間隔為1年，其中2007—2016年為模型運(yùn)行與實(shí)際情況的檢驗(yàn)?zāi)晗?，可進(jìn)行模型調(diào)試和相關(guān)參數(shù)變量的確定，2006—2025年為系統(tǒng)政策仿真和預(yù)測年限，這一階段的模擬是為了仿真過去10a和預(yù)測未來10 a的畜禽養(yǎng)殖土地承載力趨勢，以便情景分析。

合理的假設(shè)可以簡化模型，以突出主要研究問題。針對本研究的內(nèi)容與目標(biāo)，模型主要考慮以下假設(shè)：1）該模型偏向于考慮畜禽養(yǎng)殖排放狀況，種植業(yè)起到養(yǎng)分需求，從而平衡土地承載的作用，而不涉及畜禽養(yǎng)殖以外的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化與排放狀況；2）假設(shè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)增長，無較大經(jīng)濟(jì)波動和經(jīng)濟(jì)周期的影響；3）污染物排放指標(biāo)作為衡量承載力的標(biāo)量，通過相關(guān)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行梳理，文章以總氮、總磷排放指標(biāo)予以體現(xiàn)，這2個(gè)指標(biāo)具有代表性，且易于計(jì)算與比較。

2.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文的研究重點(diǎn)為土地的承載力，故系統(tǒng)分析也以土地承載子系統(tǒng)為主線，與社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)和種植業(yè)子系統(tǒng)，共4個(gè)子系統(tǒng)，組成了畜禽養(yǎng)殖土地承載力系統(tǒng)。各子系統(tǒng)之間通過物質(zhì)、信息的輸入輸出相互聯(lián)系，構(gòu)成了模型的反饋結(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)之間的主要關(guān)系如圖1所示。

圖1 畜禽糞污土地承載力各子系統(tǒng)相互關(guān)系圖

2.2 畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)模型

本文根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建描述畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)的相關(guān)方程，采用邏輯函數(shù)、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、表函數(shù)法、灰色預(yù)測法和試湊法等確定模型參數(shù)值并建立系統(tǒng)流程圖。運(yùn)用Vensim-PLE，不斷調(diào)整修正畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，使模擬結(jié)果接近石家莊市的社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀。

2.2.1 社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主要描述人口總量的變化將影響畜禽業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，而畜禽生產(chǎn)的過度排放引致的環(huán)境問題又將約束人口的增長；同時(shí)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出中，通過環(huán)境治理投資占比影響畜禽氮磷排泄的終端治理能力，從而改善生態(tài)環(huán)境，根據(jù)左永彥[22]的研究成果，華北地區(qū)用于氮磷減排的環(huán)境治理資金每投入100萬元，氮磷排放分別減少12.30和22.63 t。社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)流圖如圖2所示。

圖2 社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)流圖

2.2.2 畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)

畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)主要描述畜禽需求、畜禽養(yǎng)殖和畜禽排放之間的關(guān)系。對畜禽養(yǎng)殖的需求主要來源于2個(gè)方面，一方面是為了維持人類生活所需的食物需求，以豬肉為例，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2006年和2016年石家莊市全年居民人均豬肉消費(fèi)量分別為10.80和12.21 kg，年均增長率1.31%，根據(jù)《中國居民膳食指南》的建議，為平衡膳食，年人均豬肉消費(fèi)量應(yīng)不低于10 kg；另一方面是為了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長的經(jīng)濟(jì)需求，根據(jù)石家莊市《關(guān)于進(jìn)一步加快現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的實(shí)施意見》等規(guī)劃指標(biāo)，在“十三五”期間畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的比例力爭達(dá)到40%。這2方面的需求引致了畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的變化，從而產(chǎn)生了畜禽養(yǎng)殖的氮磷排泄。畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)流圖如圖3所示。

其中，氮素、磷素排泄量計(jì)算過程如下。

依據(jù)不同畜禽日排泄的糞尿量，以及糞尿中的氮、磷濃度值，乘以該種動物的飼養(yǎng)周期，就可以計(jì)算出不同畜禽累計(jì)排泄氮、磷量，計(jì)算過程如公式（1），各種動物糞尿產(chǎn)生量、飼養(yǎng)周期見表1，不同動物糞尿中養(yǎng)分含量推薦值見表2，不同動物糞尿排泄氮、磷量乘以飼養(yǎng)量（其中，牛、羊飼養(yǎng)期一般長于一年，因此以年底存欄量為飼養(yǎng)量，豬、家禽的飼養(yǎng)期一般小于一年，因此以出欄量作為飼養(yǎng)量），求和就得到該區(qū)域畜禽糞尿總的氮、磷養(yǎng)分產(chǎn)生量，具體計(jì)算過程如公式(2)，單位以t計(jì)。

NMN/P=（M, ×C, N/P+ M, ×C, N/P）×D×10-3（1）

式中NMN/P為區(qū)域內(nèi)第種動物排泄的氮、磷含量，kg/頭（只）；M,、M,分別為區(qū)域內(nèi)第種動物每天產(chǎn)生的固體糞便和尿液量，kg/d；C,N/P、C,N/P分別為第種動物糞便和尿液中的氮、磷濃度，g/kg；D為第種動物飼養(yǎng)周期，d。

NMN/P=ΣNMN/P×P×10-3（2）

式中NMN/P為區(qū)域內(nèi)所有動物排泄的總氮、磷量，t；NMN/P為區(qū)域內(nèi)第種動物排泄的總氮、磷量，kg/頭（只）；P為區(qū)域內(nèi)第種動物飼養(yǎng)量。

2.2.3 種植業(yè)子系統(tǒng)

種植業(yè)子系統(tǒng)主要描述區(qū)域內(nèi)土地上種植的各種作物，包括糧食、蔬菜、水果和營林等的產(chǎn)量和生長期內(nèi)所需的氮磷養(yǎng)分含量的關(guān)系。

圖3 畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)流圖

表1 畜禽糞尿產(chǎn)生量和飼養(yǎng)周期推薦值

注：豬、羊和家禽的糞尿產(chǎn)生量和飼養(yǎng)周期推薦值參考全國畜牧總站《畜禽糞便資源化利用技術(shù)：種養(yǎng)結(jié)合模式》[23]（2016）的數(shù)據(jù)，肉牛、奶牛的糞尿產(chǎn)生量和飼養(yǎng)周期推薦值參考第一次全國污染源普查[24]（2009）的數(shù)據(jù)。

Note: The manure yield of pigs, sheep and poultry and the recommended values of feeding cycle refer to the data of National Animal Husbandry Service “Technologies for Livestock and Poultry Manure Resource Utilization: Planting and Breeding Combined Mode”[23]. The manure yield of beef cattle and dairy cows and the recommended values of feeding cycle refer to the data of the first national pollution source census[24].

表2 畜禽糞尿中氮、磷平均含量

注：豬糞、豬尿、牛糞、牛尿和家禽糞中氮、磷平均含量參考全國畜牧總站《畜禽糞便資源化利用技術(shù)：種養(yǎng)結(jié)合模式》[23]的推薦值，羊糞中氮、磷平均含量參考史瑞祥等[2]的研究成果。

Note: The average contents of nitrogen and phosphorus in pig manure, pig urine, cow dung, cow urine and poultry manure refer to the recommended values of National Animal Husbandry Service “Technologies for Livestock and Poultry Manure Resource Utilization[23]: Planting and Breeding Combined Mode”. The average contents of nitrogen and phosphorus in sheep manure refer to the research findings of Shi Ruixiang et al[2].

根據(jù)區(qū)域統(tǒng)計(jì)的主要糧食作物、蔬菜、水果的產(chǎn)量和當(dāng)年?duì)I林的面積，乘以每種作物（糧食、蔬菜、水果、營林）單位產(chǎn)量所需的氮磷養(yǎng)分量，主要作物單位產(chǎn)量養(yǎng)分吸收推薦值見表3，累計(jì)求和獲得該地區(qū)作物總的養(yǎng)分需求，單位以t計(jì)，具體計(jì)算公式如下

NAtotal, N/P=Σy×a×10-2（3）

式中NAtotal,N/P為區(qū)域內(nèi)各種作物總產(chǎn)量下需要吸收的氮、磷總量，t；y為區(qū)域內(nèi)第種作物總產(chǎn)量，t；a為第種作物收貨100 kg產(chǎn)量吸收的氮、磷的量，kg/100 kg。

表3 不同植物形成100 kg產(chǎn)量需要吸收氮磷量推薦值

注：小麥、玉米、谷子、高粱、大豆、薯類、油料、棉花、蔬菜和水果每100 kg產(chǎn)量需要吸收氮磷量參考《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[25]，營林需要吸收氮磷量推薦值參考李書田等[26]的研究成果。

Note: The nitrogen and phosphorus absorption contents required for per 100 kg of production of wheat, corn, millet, sorghum, soybean, potato, oil, cotton, vegetables and fruits refer to the “Technical Guide on Measuring Land Carrying Capacity for Livestock and Poultry Manure”[25]. The recommended values of nitrogen and phosphorus absorption contents required for afforestation refer to the research findings of Li Shutian et al[26].

圖4 種植業(yè)子系統(tǒng)流圖

2.2.4 土地承載子系統(tǒng)

土地承載子系統(tǒng)主要描述畜禽糞尿中所含的氮磷作為養(yǎng)分供給，與滿足作物生長營養(yǎng)需求之間的總量平衡。

具體計(jì)算過程如下：

在區(qū)域內(nèi)所有動物排泄的總氮、磷量中，考慮到收集、貯存和處理過程中以氨氣等形式的流失，實(shí)際能夠供給農(nóng)田的養(yǎng)分量需要乘以一定的系數(shù)，可以得到區(qū)域糞肥供給量計(jì)算公式

NMsup, N/PNM×(1lost) （4）

式中NMsup, N/P為區(qū)域畜禽糞尿氮、磷養(yǎng)分總供給量，t；為區(qū)域內(nèi)所有動物排泄的總氮量，t；lost為畜禽糞尿管理過程中氮、磷損失率，一般取30%。

圖5 土地承載子系統(tǒng)流圖

根據(jù)該地區(qū)各種畜禽糞尿總養(yǎng)分供給量除以區(qū)域土地總面積，就可以獲得單位土地總養(yǎng)分供給量，計(jì)算公式如下

式中NMsup, N/P為區(qū)域畜禽糞尿氮、磷養(yǎng)分總供給量，t；Areatotal為區(qū)域內(nèi)總的土地面積，hm2；NMaverage,N/P為區(qū)域內(nèi)單位土地面積糞肥養(yǎng)分供給量，kg/hm2。

根據(jù)作物總養(yǎng)分需求量除以該地區(qū)的土地總面積，可獲得單位土地面積氮磷養(yǎng)分需求，計(jì)算公式如下：

式中NAtotal,N/P為區(qū)域內(nèi)各種作物總產(chǎn)量下需要吸收的氮、磷總量，t；NAaverage,N/P為區(qū)域內(nèi)單位土地面積氮、磷平均需求量，kg/hm2。

將區(qū)域內(nèi)糞肥養(yǎng)分最高替化肥的比例系數(shù)乘以單位耕地面積養(yǎng)分需求，就可以計(jì)算獲得區(qū)域單位耕地面積糞肥養(yǎng)分需求，計(jì)算公式如下

NAneed, N/P= NAaverage, N/P×substitution（7）

式中NAaverage,N/P為區(qū)域內(nèi)單位土地面積氮、磷平均需求量，kg/hm2；substitution為糞肥替代率，一般情況下，在40%～60%之間；NAneed,N/P為考慮糞肥占施后的區(qū)域內(nèi)單位土地面積氮、磷需求量，kg/hm2。

參考國外經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)相關(guān)研究成果與標(biāo)準(zhǔn)，用單位土地氮、磷素供給量比單位土地氮素、磷素需求量，得到氮、磷平衡承載，如果氮、磷平衡承載大于1，則超載，意味著現(xiàn)有土地資源不能消納畜禽養(yǎng)殖排放；如果氮、磷平衡承載小于等于1，則可載，意味著現(xiàn)有土地資源可以消納畜禽養(yǎng)殖的排放。

2.3 模型檢驗(yàn)

直觀檢驗(yàn)：主要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谕庥^上與實(shí)際系統(tǒng)是否相像，參數(shù)是否具有可靠性。經(jīng)檢驗(yàn)，建立的模型符合要求。

運(yùn)行檢驗(yàn)：運(yùn)行 Vensim-PLE 中的工具“Units Check”與“Check Model”，得到“Units are A. O K.”與“Model is OK.”模型通過了運(yùn)行檢驗(yàn)。

歷史性檢驗(yàn)：將2007—2016年的歷史數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證，本文從4個(gè)系統(tǒng)中分別選取總?cè)丝?、生豬出欄量、肉牛存欄量、家禽出欄量、農(nóng)地面積（播面、果園和當(dāng)年?duì)I林之和）和小麥產(chǎn)量（小麥為石家莊市主要糧食作物）6個(gè)變量為檢驗(yàn)變量，將模型測算出的模擬值與歷史數(shù)據(jù)相比較，進(jìn)行模型歷史性檢驗(yàn)。模擬TIME STEP為1 a，設(shè)置INITIAL TIME為2007年，F(xiàn)INAL TIME為2016年，結(jié)果見表4。

表4 畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型的檢驗(yàn)結(jié)果

注：MV、SV和分別為實(shí)測值、預(yù)測值和相對誤差。

Note: MV, SV andwere measured vale, simulated value and relative error.

根據(jù)姜鈺[27]（-5.56%～16.67%）、劉菁[28]（-0.01%～13.67%）、盧小麗[29]（-7.63%～20.98%）的檢驗(yàn)結(jié)果，誤差在-10%～15%之間波動是可以接受的[30]。如表１所示，本系統(tǒng)模型的歷史值與模擬值相對誤差（誤差絕對值）介于0.28%～11.87%之間，平均相對誤差為4.22%，其中，相對誤差＜5%的有36個(gè)，5%＜相對誤差≤10%之間的有23個(gè)，＞10%的有1個(gè)，系統(tǒng)模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況基本一致?？傮w上看，該模型的擬合精確度較高，基本上能真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

穩(wěn)定性檢驗(yàn)：模型的穩(wěn)定性檢驗(yàn)是模型真實(shí)可靠的必備條件。有效的系統(tǒng)模型行為應(yīng)當(dāng)對大部分參數(shù)的變化不敏感，這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)的行為模式是由模型內(nèi)部主導(dǎo)反饋回路所決定的，非主導(dǎo)回路上的參數(shù)變化不會對系統(tǒng)的行為產(chǎn)生太大影響。本研究隨機(jī)選取生豬出欄量作為測試變量，設(shè)置時(shí)間步長分別為3個(gè)月（TIME STEP=0.25）、6個(gè)月（TIME STEP=0.5）、12個(gè)月（TIME STEP=1），以此觀測在不同時(shí)間步長下參數(shù)的變化趨勢。從圖6可以看出，改變模型的仿真步長，生豬出欄量的變化趨勢幾乎重合，并沒有因?yàn)閰?shù)值的改變而發(fā)生明顯變化，也即參數(shù)值的變化并沒有引起模型行為發(fā)生根本性變化，說明模型具有一定的穩(wěn)定性。

歷史性檢驗(yàn)和穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，本文所建立的畜禽糞污土地承載力模型可以用于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模擬。

圖6 2006—2025年不同時(shí)間步長下石家莊市生豬出欄量的仿真結(jié)果

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果輸出

3.1.1 初始情景：系統(tǒng)慣性下的仿真結(jié)果

保持系統(tǒng)參數(shù)不變，按照現(xiàn)有發(fā)展趨勢進(jìn)行模擬，如圖7所示。

土地承載畜禽養(yǎng)殖排放的壓力逐年加大，其中氮平衡承載呈現(xiàn)先臨界可載（2006—2010年），后超載的態(tài)勢（2011—2025年），磷平衡承載始終大于1，處于超載狀態(tài)，2006—2025年到氮平衡承載從0.947增長到1.184，磷平衡承載從1.575增長到1.892。

a. 氮磷平衡承載 a. Capacity of nitrogen or phosphorus balanceb. 畜禽存/出欄量 b. Stocks of live animals or amount of slaunteredc. 主要農(nóng)作物產(chǎn)量 c. Main crop yield

2006—2025年，畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢，其中生豬和家禽養(yǎng)殖產(chǎn)出增長態(tài)勢明顯，2025年生豬出欄量為758.52萬頭，比2006年的462.47萬頭和2016年的609.02萬頭分別增長了64.02%和26.61%，2025年家禽出欄量為20 275.60萬只，比2006年的14 035.30萬只和2016年的16 993.40萬只分別增長了44.46%和19.31%。

2006—2025年，種植業(yè)規(guī)模亦呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢，其中營林和蔬菜產(chǎn)出增長態(tài)勢明顯，營林面積從2006年的2.36 萬hm2增長到2025年的2.81萬 hm2，增長了18.87%，蔬菜產(chǎn)量從2006年的1 486.82 萬t增長到2025年的1 765.64萬t，同樣增長了18.87% %。

綜上，雖然畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的產(chǎn)出規(guī)模都有增加，但種植業(yè)產(chǎn)量增長速度不及畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)量的增長速度，導(dǎo)致在其他條件不變的情況下，種植業(yè)難以消納畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮磷排放，從而加大土地承載畜禽養(yǎng)殖排放的壓力。

3.1.2 情景1：調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)

在其他系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，從源頭減量的角度，調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)需求方面，在保障石家莊市畜牧業(yè)產(chǎn)值占比力爭達(dá)到40%的規(guī)劃目標(biāo)基礎(chǔ)上，調(diào)減畜禽養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)需求10%，以減少畜禽養(yǎng)殖存量，實(shí)現(xiàn)源頭減量化；飲食結(jié)構(gòu)方面，在保障年人均豬肉有效供給的前提下（≥10 kg），調(diào)減人均生豬消費(fèi)量20%，并根據(jù)《全國草食畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的目標(biāo)，分別適當(dāng)增加牛肉、奶類、羊肉年人均消費(fèi)2.8%、1.2%和2.7%。情景1下輸出的氮平衡承載和磷平衡承載的變化趨勢，如圖8所示。養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模的仿真結(jié)果如圖9所示。

調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)后，與系統(tǒng)慣性的初始情景相比，氮平衡承載和磷平衡承載均呈現(xiàn)出下降的趨勢。氮平衡承載從2006年的0.947下降到2025年的0.801；磷平衡承載從2006年的1.575下降到2025年的1.347，磷平衡承載仍存在壓力。到2025年，生豬、肉牛、奶牛、羊和家禽養(yǎng)殖量分別為475.95萬、32.33萬、34.54萬、132.05萬和14 255.60萬，和初始情景相比各變化了-37.25%、-27.90%、-31.58%、1.73%和-29.69%。到2020年和2025年，畜牧業(yè)產(chǎn)值占比分別為40.30%和45.03%，可達(dá)石家莊市《關(guān)于進(jìn)一步加快現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的實(shí)施意見》的規(guī)劃目標(biāo)；與初始情景相比農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增速也有所提高。

3.1.3 情景2：調(diào)整環(huán)境保護(hù)治理投資

在其他系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，從終端治理的角度，調(diào)整環(huán)境保護(hù)治理投資占比。假設(shè)初始條件下環(huán)境保護(hù)治理投資占比為0，增加環(huán)境保護(hù)治理投資7.5%，考慮到氮磷治理過程中的成本差異[22]（氮為12.3萬元/t，磷為22.63萬元/t）和超載程度差異（磷承載壓力始終高于氮承載壓力），將環(huán)境治理投資用于治理氮磷污染的比例設(shè)置為35∶65。輸出氮平衡承載和磷平衡承載的變化趨勢，如圖9所示。

增加環(huán)境保護(hù)治理投資后，氮平衡承載和磷平衡承載壓力均低于初始情景。其中，磷平衡承載壓力下降程度最為明顯，有8個(gè)年度處于可載狀態(tài)，從2006年的1.044下降到2025年的0.964，降幅7.68%；氮平衡承載雖有上升，但上升幅度明顯低于初始情景，且始終小于1，處于可載狀態(tài)。

圖9 情景2下氮平衡承載和磷平衡承載的仿真結(jié)果輸出

3.1.4 情景3：調(diào)整糞肥占施

在其他系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，從糞肥資源化的角度，調(diào)整糞肥占施。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州實(shí)驗(yàn)站基地30 a長期定位監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，有機(jī)肥替代50%化肥處理，具有保障作物產(chǎn)量品質(zhì)、培肥地力、減輕環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的功能。鑒于此，本研究假設(shè)初始條件下糞肥占施為40%（常規(guī)比例），增加糞肥占施到50%，輸出氮平衡承載和磷平衡承載的變化趨勢，如圖 10所示。

增加糞肥施用比例后，氮平衡承載壓力和磷平衡承載壓力明顯低于初始情景。到2025年，情景3下的氮平衡承載比初始情景低20.99%，情景3下的磷平衡承載比初始情景低20.98%；氮平衡承載雖有上升，但量級上明顯低于初始情景，且始終小于1，處于可載狀態(tài)，磷平衡承載情況雖好于初始情景，但仍存在壓力。

圖10 情景3下氮和磷平衡承載的仿真結(jié)果輸出

3.1.5 情景4：協(xié)同發(fā)展模式

針對上述3種發(fā)展模式存在的問題，基于快速、生態(tài)、協(xié)調(diào)的發(fā)展思路，對以上情景進(jìn)行綜合性仿真，具體情景為調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，增加環(huán)境保護(hù)治理投資7.5%，增加糞肥占施到50%，輸出氮平衡承載和磷平衡承載的變化趨勢，如圖11所示。

圖11 情景4下氮和磷平衡承載的仿真結(jié)果輸出

氮平衡承載和磷平衡承載壓力均呈下降趨勢，2006—2025年氮平衡承載壓力從2006年的0.737 下降到2025年的0.580，降幅21.36%；磷平衡承載壓力降幅較大，有14個(gè)年度處于可載狀態(tài)，從2006年的1.144下降到2025年的0.761，降幅33.50%；氮平衡承載和磷平衡承載壓力均低于初始情景，其中，到2025年情景4下的氮平衡承載比初始情景低51.01%，磷平衡承載比初始情景低59.79%；到2025年，生豬、肉牛、奶牛、羊和家禽養(yǎng)殖量分別為475.95萬、32.33萬、34.54萬、132.05萬和14255.60萬，和初始情景相比各變化了-37.25%、-27.90%、-31.58%、1.73%和-29.69%。

3.2 仿真情景比較分析

如圖12所示，情景1條件下，雖然氮平衡承載和磷平衡承載均有下降，且氮平衡承載始終小于1，呈現(xiàn)可載狀態(tài)，但磷平衡承載始終大于1，表明磷平衡承載仍存在壓力；情景2下磷平衡承載壓力下降程度最為明顯，有8個(gè)年度處于可載狀態(tài)，氮平衡承載雖有上升，但上升幅度明顯低于初始情景，且始終小于1，處于可載狀態(tài)；情景3下氮平衡承載磷平衡承載明顯低于初始情景，雖氮平衡承載有上升，但始終小于1，處于可載狀態(tài)，磷平衡承載情況雖好于初始情景，但仍存在壓力；情景4下氮平衡承載和磷平衡承載壓力均呈下降趨勢，且氮磷承載均處于可載的水平。

前3個(gè)情景的調(diào)整，雖然畜禽排放對土地環(huán)境的壓力有所改觀，特別是在氮平衡承載上，均處于可載狀態(tài)，但磷平衡的超載總是先與氮平衡的超載出現(xiàn)，磷平衡承載仍存在壓力；通過對前3個(gè)情景的整合，引出情景4，結(jié)果表明，情景4下氮平衡承載和磷平衡承載壓力均呈下降趨勢，且氮磷承載均處于可載的水平。通過比較分析4個(gè)方案不難發(fā)現(xiàn)，情景4的效果較好。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)動力學(xué)模型是研究社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)的重要方法，有社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室之美譽(yù)，本文以畜禽糞污土地承載力研究對象，通過分析系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的內(nèi)在聯(lián)系與動態(tài)行為結(jié)構(gòu)，以石家莊市為研究區(qū)，構(gòu)建畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并對模型進(jìn)行了直觀描述與內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的解釋。經(jīng)過檢驗(yàn)，模型可以真實(shí)地反映了畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)的動力學(xué)機(jī)制，具有重要的應(yīng)用價(jià)值與指導(dǎo)意義。

通過模擬畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)的動態(tài)變化，研究結(jié)果顯示：按系統(tǒng)慣性發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人類物質(zhì)需求，使得畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的產(chǎn)出規(guī)模都有增加，但畜禽養(yǎng)殖業(yè)的增長速度總是快于種植業(yè)的增長速度，導(dǎo)致種植業(yè)難以消納畜禽糞污排放，加大了土地的承載壓力；政策模擬結(jié)果表明，磷平衡的超載總是先于氮平衡的超載出現(xiàn)，單一的政策干預(yù)很難同時(shí)保障氮、磷同時(shí)平衡的狀態(tài)；通過對比分析發(fā)現(xiàn)，情景4的各主要變量模擬結(jié)果均優(yōu)于其他情景，代表了快速、生態(tài)、協(xié)調(diào)的系統(tǒng)發(fā)展模式，其主要得益于源頭減量、污染終端治理和資源化利用等方面的協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展。

[1]仇煥廣，廖紹攀，井月，等. 我國畜禽糞便污染的區(qū)域差異與發(fā)展趨勢分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2013，34(7)：2766－2774. Qiu Huanguang, Liao Shaopan, Jing Yue, et al. Regional differences and development tendency of livestock manure pollution in China[J]. Environmental Science, 2013, 34(7): 2766－2774. (in Chinese with English abstract)

[2]史瑞祥，薛科社，周振亞. 基于耕地消納的畜禽糞便環(huán)境承載力分析：以安康市為例[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2017，38(6)：55－62. Shi Ruixiang, Xue Keshem, Zhou Zhenya. Analysis on the environmental bearing capacity of livestock and poultry breeding based on land consumptive: A case of AnKang city[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2017, 38(6): 55－62. (in Chinese with English abstract)

[3]章力建，朱立志. 農(nóng)業(yè)立體污染防治是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)工作的戰(zhàn)略需求[J]. 環(huán)境保護(hù)，2007(5)：36－43. Zhang Lijian, Zhu Lizhi. Agricultural stereo pollution prevention and control is the strategic demand of current environmental protection work[J]. Environmental Protection, 2007(5): 36－43. (in Chinese with English abstract)

[4]孔祥才. 畜禽養(yǎng)殖污染的經(jīng)濟(jì)分析及防控政策研究[D]. 長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017. Kong Xiangcai. Economic Analysis Of Livestock Pollution And Its Governance Policy[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[5]宋大平，左強(qiáng)，劉本生，等. 農(nóng)業(yè)面源污染中氮排放時(shí)空變化及其健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究：以淮河流域?yàn)槔齕J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，37(6)：1219－1231. Song Daping, Zuo Qiang, Liu Bensheng, et al. Estimation of spatio-temporal variability and health risks of nitrogen emissions from agricultural non-point source pollution: A case study of the Huaihe River Basin, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(6): 1219－1231. (in Chinese with English abstract)

[6]潘丹. 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)畜禽養(yǎng)殖土壤環(huán)境承載力及污染風(fēng)險(xiǎn)研究[J]. 水土保持通報(bào)，2016，36(2)：254－259. Pan Dan. Environment carrying capacity and pollution risk of livestock breeding in ecological economic zone of Poyang lake[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2016, 36(2): 254－259. (in Chinese with English abstract)

[7]金書秦，韓冬梅，吳娜偉. 中國畜禽養(yǎng)殖污染防治政策評估[J]. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題，2018(3)：119－126. Jin Shuqin, Han Dongmei, Wu Nawei. Evaluation on prevention policies for livestock and poultry pollution in China[J]. Issues in Agricultural Economy, 2018(3): 119－126. (in Chinese with English abstract)

[8]潘瑜春，孫超，劉玉，等. 基于土地消納糞便能力的畜禽養(yǎng)殖承載力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(4)：232－239. Pan Yuchun, Sun Chao, Liu Yu, et al. Carrying capacity of livestock and poultry breeding based on feces disposal volume of land[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 232－239. (in Chinese with English abstract)

[9]邱樂豐，龍文莉，方豪，等. 基于種養(yǎng)平衡的杭州市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力研究[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2016，31(8)：1410－1419. Qiu Lefeng, Long wenli, Fang Hao, et al. Regional environmental carrying capacity for livestock and poultry breeding based on planting-breeding balance in Hangzhou City[J]. Journal of Natural Resources, 2016, 31(8): 1410－1419. (in Chinese with English abstract)

[10]Thapa G B, Paudel G S. Evaluation of the livestock carrying capacity of land resources in the Hills of Nepal based on total digestive nutrient analysis[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2000, 78(3): 223－235.

[11]姚文捷，趙連閣. 畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)增長動態(tài)耦合趨勢研究：基于浙江1978—2012年的時(shí)序數(shù)據(jù)[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，19(6)：242－254. Yao Wenjie, Zhao Liangge. Research on the dynamic coupling of environmental load with economy growth in the industry of livestock and poultry breeding: Based on the time-series data of Zhejiang in 1978-2012[J]. Journal of China Agricultural University, 2014, 19(6): 242－254. (in Chinese with English abstract)

[12]宋福忠，張代鈞，陳德敏，等. 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)預(yù)警方法[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(5)：130－137. Song Fuzhong, Zhang Daijun, Chen Demin, et al. A systematic warning approach for the livestock-poultry’s environmental system[J]. Journal of Chongqing University, 2013, 36(5): 130－137. (in Chinese with English abstract)

[13]程波，杜會英，李玉明，等. 畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃環(huán)境影響評價(jià)方法與實(shí)踐[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012.

[14]程波，張從. 農(nóng)業(yè)環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[15]韓成吉，張雪花，滑永勝. 基于SD的耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配策略仿真與優(yōu)選：以天津市為例[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文)，2019，27(3)：391－404. Han Chengji, Zhang Xuehua, Hua Yongsheng. Development of strategies for joint allocation of cultivated land and ecological land in Tianjin based on system dynamics[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(3): 391－404. (in Chinese with English abstract)

[16]吳萌，任立，陳銀蓉. 城市土地利用碳排放系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究：以武漢市為例[J]. 中國土地科學(xué)，2017，31(2)：29－39. Wu Meng, Ren Li, Chen Yinrong. Simulation of urban land use carbon emission system based on a system dynamic model: Take Wuhan as an example[J]. China Land Sciences, 2017, 31(2): 29－39. (in Chinese with English abstract)

[17]Chateau P A, Huang Y C A, Chen C A, et al. Integrated assessment of sustainable marine cage culture through system dynamics modeling[J]. Ecological Modelling, 2015, 299: 140－146.

[18]Haraldsson H V, Rannveig ólafsdóttir. A novel modelling approach for evaluating the preindustrial natural carrying capacity of human population in Iceland[J]. Science of the Total Environment, 2006, 372(1): 109－119.

[19]祝秀芝，李憲文，賈克敬，等. 上海市土地綜合承載力的系統(tǒng)動力學(xué)研究[J]. 中國土地科學(xué)，2014(2)：90－96.

Zhu Xiuzhi, Li Xianwen, Jia Kejing, et al. A study on system dynamics of land comprehensive carrying capacity in Shanghai City[J]. China Land Sciences, 2014(2): 90－96. (in Chinese with English abstract)

[20]張燦強(qiáng)，姜志德，王繼軍. 米脂縣農(nóng)地承載力系統(tǒng)動力學(xué)分析[J]. 水土保持研究，2009，16(3)：187－191. Zhang Canqiang, Jiang Zhide, Wang Jijun. System dynamics of farmland carrying capacity in Mizhi County[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2009, 16(3): 187－191. (in Chinese with English abstract)

[21]劉家宏，郭迎新，秦大庸，等. 極端天氣作用下的區(qū)域糧食產(chǎn)量波動：以石家莊冬小麥為例[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，51(6)：777－782. Liu Jiahong, Guo Yingxin, Qin Dayong, et al. Fluctuation of regional crop yields with extreme weather events: Winter wheat in Shijiazhuang[J]. J Tsinghua Univ: Sci & Tech, 2011, 51(6): 777－782. (in Chinese with English abstract)

[22]左永彥. 考慮環(huán)境因素的中國規(guī)模生豬養(yǎng)殖生產(chǎn)率研究[D].重慶：西南大學(xué)，2017. Zuo Yongyan. Study on the Productivity of Chinese Scale Pigs Breeding by Considering the Environmental Factors[D]. Chongqing: Southwest University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[23]全國畜牧總站. 畜禽糞便資源化利用技術(shù)：種養(yǎng)結(jié)合模式[M].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

[24]中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所. 第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊[EB/OL]. (2019-01-29)[2019-03-28]https://wenku.baidu.com/view/9f82b6740342a8956bec0975f46527d3250ca66c.html.

[25]農(nóng)業(yè)部辦公廳. 農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于印發(fā)《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》的通知[EB/OL]. (2019-01-29)[2019-03-28] http://www.moa.gov.cn/gk/tzgg_1/tfw/201801/t20180122_6135486.htm.

[26]李書田，劉曉永，何萍. 當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的養(yǎng)分需求分析[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2017，23(6)：1416－1432. Li Shutian, Liu Xiaoyong, He Ping. Analyses on nutrient requirements in current agriculture production in China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(6): 1416－1432. (in Chinese with English abstract)

[27]姜鈺，賀雪濤. 基于系統(tǒng)動力學(xué)的林下經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略仿真分析[J]. 中國軟科學(xué)，2014(1)：105－114. Jiang Yu, He Xuetao. A simulation analysis on sustainable development strategy for under-forest economy based on system dynamics[J]. China Soft Science, 2014(1): 105－114. (in Chinese with English abstract)

[28]劉菁，趙靜云. 基于系統(tǒng)動力學(xué)的建筑碳排放預(yù)測研究[J]. 科技管理研究，2018，38(9)：219－226. Liu Jing, Zhao Jingyun. Building carbon emissions prediction research based on system dynamics[J]. Science and Technology Management Research, 2018, 38(9): 219－226. (in Chinese with English abstract)

[29]盧小麗，隋立軍，郭玲玲，等. 鄉(xiāng)村旅游發(fā)展驅(qū)動機(jī)制的系統(tǒng)仿真研究：以大連市為例[J]. 系統(tǒng)工程，2017，35(11)：121－129. Lu Xiaoli, Sui Lijun, Guo Lingling. Study on simulation of driving mechanism of rural tourism: A case of Dalian[J]. Systems Engineering, 2017, 35(11): 121－129. (in Chinese with English abstract)

[30]郭玲玲，武春友，于驚濤，等. 中國綠色增長模式的動態(tài)仿真分析[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2017，37(8)：2119－2130. Guo Lingling, Wu Chunyou, Qu Jingtao, et al. Dynamic simulation analysis of green growth mode in China[J]. Systems Engineering-Theory& Practice, 2017, 37(8): 2119－2130. (in Chinese with English abstract)

System dynamic model and scenario simulation of land carrying capacity for livestock and poultry manure

Han Chengji, Wang Guogang※, Zhu Lizhi

(,,100081,)

To implement systematic evaluation of land carrying capacity for livestock and poultry manure, prejudge its development trend and inspect the implementation effects of different emission reduction policies, this paper conducts the design and simulates different scenarios of land carrying capacity system model for livestock and poultry manure. Based on analyzing various subsystems of social economy, livestock and poultry breeding, crop planting and land carrying, and their elements, we established a system dynamic model of land carrying capacity for livestock and poultry manure, taking Shijiazhuang City as an example, which was an important city of animal husbandry in north of China. The system operation results indicated that: The model had good stability and reality, the error between the simulated value and the measured value was generally less than 10%. Therefore the model was effective. The system dynamic model was used to simulate the carrying capacity of livestock and poultry farming land in Shijiazhuang City from 2007 to 2025 under different scenarios. Five scenarios were designed. Scenario1: Inertial trend development condition, adjusting the economic structure of the animal husbandry, the investment in environmental protection, the proportion of manure and fertilizer and the mode of coordinated development, the simulation results show that: the output scale of animal husbandry and planting has increased, but the output growth of planting is inferior to that of livestock and animal husbandry, making it difficult for planting to consume nitrogen and phosphorus emissions by animal husbandry, and bringing more land carrying pressure. Scenario 2: Adjusting the economic structure of animal husbandry, both nitrogen and phosphorus balance carrying capacity present a downward trend, but phosphorus balance carrying pressure still exists. Scenario 3: Adjusting the environmental protection governance investment, nitrogen balance carrying is in the loadable state. Although the phosphorus balance carrying pressure is obviously decreased, only 8 years are loadable. Scenario 4: Adjusting the manure use ratio, nitrogen balance carrying is in the loadable state. The phosphorus balance carrying with improvement over the initial situation is still overloaded. Under the coordinated development mode, both nitrogen and phosphorus balance carrying pressure present a downward trend, both nitrogen and phosphorus balance carrying capacity are at the loadable level. It can be found through comparative analysis that the coordinated development mode has the best effect. This study provides support for carrying out monitoring and evaluation of livestock and poultry pollution and establishes an assessment mechanism for livestock and poultry breeding pollution on one hand. On the other hand, this paper provides scientific basis for the regulation and control of animal husbandry development in major livestock cities and other resources and environment overloading areas.

manures; nitrogen; phosphorus; system dynamics; land carrying capacity; nutrient balance; simulation

韓成吉，王國剛，朱立志. 畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型及情景仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(22)：170－180. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.020 http://www.tcsae.org

Han Chengji, Wang Guogang, Zhu Lizhi. System dynamic model and scenario simulation of land carrying capacity for livestock and poultry manure [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 170－180. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.020 http://www.tcsae.org

2019-04-17

2019-10-25

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41871184）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（ASTIP-IAED-2019）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（161005201802-1，161005201901-4-4）；中德農(nóng)業(yè)科技合作項(xiàng)目（2019-1）

韓成吉，博士生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源環(huán)境經(jīng)濟(jì)與政策、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程。

王國剛，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)樾竽翗I(yè)經(jīng)濟(jì)、飼料糧安全與保障機(jī)制研究。Email：wangguogang@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.020

F323；X713；N941.3

A

1002-6819(2019)-22-0170-11