畜禽糞污土地承載力系統動力學模型及情景仿真

韓成吉，王國剛，朱立志

畜禽糞污土地承載力系統動力學模型及情景仿真

韓成吉，王國剛※，朱立志

（中國農業科學院農業經濟與發展研究所，北京 100081）

為實現畜禽糞污土地承載力系統評估、預判其發展態勢及考察不同減排政策的實施效果，本文進行畜禽糞污土地承載力系統模型的設計、仿真與情景調控。在社會經濟、畜禽養殖和種植業各子系統及其要素分析的基礎上，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動力學模型并進行有效性檢驗。系統運行結果顯示，模型具有具有較好的穩定性，而且模擬值與實際值誤差普遍小于10%，因此模型有效。在確定模型有效之后，應用系統動力學模擬仿真不同方案下的石家莊市2007—2025年畜禽養殖土地承載力變化情況。本文設置了4種與系統慣性發展相比較的方案——調整養殖業經濟結構、調整環境保護治理投資、調整糞肥占施和協同發展模式，并針對上述5種情景進行仿真。仿真結果顯示：1）慣性趨勢發展條件下，畜禽養殖業和種植業的產出規模都有增長，但種植業產量增長不及畜禽養殖業的增長，致使種植業難以消納畜禽養殖產生的氮磷排放，土地承載壓力加大；2）調整養殖業經濟結構情景下，氮、磷平衡承載均呈現出下降的趨勢，但磷平衡承載仍存在壓力；3）調整環境保護治理投資情景下，氮平衡承載處于可載狀態，磷平衡承載壓力下降明顯，但只有后8個年度可載；4）調整糞肥占施情景下，氮平衡承載處于可載狀態，磷平衡承載情況雖好于初始情景，但仍超載；5）協同發展模式下，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，通過比較分析發現，協同發展模式的效果最好。本研究一方面為開展畜禽養殖污染監測評估工作、建立畜禽養殖污染評估機制提供支撐，另一方面為畜牧大市（縣）和其他資源環境超載區養殖業發展的調控提供科學依據。

糞污；氮；磷；系統動力學；土地承載力；養分平衡；仿真

0 引 言

隨著社會經濟發展水平不斷提高，中國畜禽生產得到快速發展，畜禽養殖帶來的糞污排放也隨之產生，造成的環境壓力日益顯現[1-2]。2010年《第一次全國污染源普查公報》顯示，從化學需氧量、總氮排放量、總磷排放量3項主要污染物指標來看，農業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%，其中畜禽養殖業又分別占農業源的95.8%、37.9%和56.3%。這種養殖污染直接或間接地向自然界排放并超過自然消納能力，污染物最終都將經過物質循環進入土壤[3]，造成土壤污染，導致的農作物減產[4]，而硝態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決定了其無法進行大范圍、跨地區的移動，所以在當前經濟可行的技術條件下，土地消納仍是較為經濟可行的畜禽污染物處理手段[6]。然而在一定時期內，單位土地面積對畜禽糞便的消納容量有限，區域畜禽養殖業的發展應該符合該地區的土壤環境承載力，其飼養密度應不超過該地區土地資源的最大承載能力。因此，亟須加強畜禽糞污土地資源承載力評價管控。2017年6月《國務院辦公廳關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》發布以來，國家和地方發布了一系列相關政策手段，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《石家莊市畜禽養殖糞污資源化利用行動計劃》（2017）、《天津市加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用工作方案》（2017）、《山東省加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用實施方案》（2017）等，具體執行禁限養、轉業轉產、達標排放等政策，但有的地方沒有規模標準，基本上就把禁養區變成“無畜區”，過度禁限養所衍生的問題已經初現端倪，如豬肉的有效供給問題、轉產轉業農戶的生計問題等，而“達標排放”的思維定勢阻礙了畜禽糞便的資源化利用[7]。如何更好地協調畜禽生產與生態環境保護的問題，依然值得我們思考。

目前，有關畜禽糞污土地承載力評價的相關理論與實踐成果已經非常豐富，在指導畜牧養殖資源環境政策制定方面也做出了應有貢獻。如，潘瑜春等[8]從畜禽養殖的氮磷產生量和耕地、果園消納氮磷的承載量關系入手，估算平谷區耕地和果園對畜禽糞便承載力；邱樂豐等[9]進一步參照Truog提出的養分平衡法，根據農作物生長氮磷養分需求量與畜禽養殖氮磷養分供給量之間的差額，估算杭州市農用地的畜禽養殖環境承載力；Thapa等[10]以養分供求平衡為研究主線，分析了既定管理體制下1996—2006年尼泊爾山區的畜禽養殖土地環境承載力；姚文捷等[11]構建畜禽養殖耕地承載力評價指標，以熵值法定權，通過指標加權求和來表示畜禽養殖環境承載力的狀況；宋福忠等[12]認為畜禽養殖環境系統，不僅包括自然環境因素，也包括社會、經濟因素，是由畜禽養殖子系統、自然環境子系統和社會環境子系統相耦合的復雜巨系統，同時，通過建立評價指標體系，將主成分分析和層次分析法相結合主客觀定權，進而提出了基于數學突變理論的畜禽養殖環境承載系統預警方法；程波等[13-14]，則補充了畜禽養殖行業環境影響評價的空白，更為系統的總結了畜禽養殖業的行業政策、技術規范、評價指標體系和主要評價方法等。

現有畜禽糞污承載力的相關研究主要從2個方向進行：1）從養分平衡的角度出發，考察土地及其以上的農作物對畜禽糞污排放的自然消納能力，但是缺乏社會經濟環境影響分析，畜禽養殖對資源環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需要和貢獻經濟發展而派生的需求，社會經濟系統是畜禽養殖系統的前關聯，在以往的畜禽養殖排放承載研究中，僅考慮終端排放，對社會經濟發展性因素關注不夠；2）根據系統理論及其演化思想，構建“經濟-社會-環境”復合指標結構，通過加權求和的方式體現畜禽養殖承載，既考慮到了畜禽排放的限制性因素，又考慮到了社會與經濟發展性因素，但整個系統僅是簡單的靜態耦合，而各子系統間的相互關系又相對獨立，缺乏子系統間的動態反饋關系，難以反映系統的真實變化。

由于畜禽糞污土地承載的系統性、動態性和反饋性，傳統低階和線性理論不利于有效解決這一復雜系統問題，為此引入系統動力學（system dynamics，SD）方法，通過建立系統仿真模型，采用計算機仿真技術，模擬現實環境并仿真未來演化趨勢能夠較好地適用于畜禽養殖土地承載力的研究。系統動力學（SD）是系統科學的一個分支，是由麻省理工大學Forrester教授在1956年提出的一種系統仿真方法，發展至今它已經成為一門跨越自然科學和社會科學的交叉學科[15]。系統動力學對研究對象的理解來源于系統行為與內在機制之間的關聯，并通過數學建模、模型改善和模擬運行逐步挖掘導致系統狀態變量發生變化的因果關系[16]，預測其發展趨勢。系統動力學模型作為一種綜合的仿真模型，已較為廣泛的應用于資源環境承載力的研究，如水產養殖排放的環境承載[17]、工業化前期的人口承載[18]，區域土地可承載的經濟規模[19]和社會經濟發展過程中的農地承載與規劃等[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值的借鑒和方法學支持。

為此，本文以國內外較具代表性的環境承載力評價體系為基礎，以系統動力學方法為手段，應用計算機仿真技術，建立包含社會經濟子系統、畜禽養殖子系統、種植業子系統和土地承載子系統4個子系統的畜禽糞污土地承載力系統仿真模型，并以地處“北方糧倉”、《畜禽糞污資源化利用項目》中的整市推進區——石家莊市為研究區域，通過系統仿真，開展畜禽養殖土地資源環境承載能力評估，分析畜禽生產與環境保護之間的交互影響和可能的調控，預判不同情景的調控效果，一方面為開展畜禽養殖污染監測評估工作、建立畜禽養殖污染評估機制提供支撐，另一方面為畜牧大市（縣）和其他資源環境超載區養殖業發展的調控提供科學依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

石家莊市地處河北省中南部，其地理坐標為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、年平均日照時數為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，養殖業以生豬、肉牛、奶牛和家禽為主。

隨著人口與產業迅速集聚、城市社會經濟規模持續提升，石家莊市生態環境問題正在日益激化，主要體現在生態環境較脆弱、環境容量小、污染物自然更新速率低等方面，總體資源環境承載力較為有限。近年來，隨著石家莊市環境污染程度和資源消耗程度的進一步加重，該地區資源環境系統的支持功能下降已經成為制約地區發展的瓶頸。

統計數據表明，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，據估算，其畜禽糞尿總產生量已達2 498.18萬t，其中固體糞便產生量1 836.31萬t，液體尿液產生量661.87萬t。2018年石家莊被農業農村部遴選為畜禽糞污資源化利用項目整市推進區，亟需深入開展畜禽養殖環境承載能力評估，提出基于種養平衡的畜禽養殖規模調整方案，為實現畜禽養殖業生態環境良性循環提供決策參考。

1.2 數據來源

本文建立的畜禽養殖土地承載力系統模型涉及人口結構、畜禽業生產情況、土地規模、主要農作物播種面積以及畜禽排泄系數等，數據來源于石家莊市2007—2017年統計年鑒、自然資源部土地調查成果共享應用服務平臺和農業農村部畜禽糞污土地承載力測算技術指南等。

2 畜禽糞污土地承載力系統動態仿真

2.1 模型構建思路

2.1.1 模型邊界與假設

在畜禽養殖土地承載力系統中主要包含了社會經濟子系統、畜禽養殖子系統、種植業子系統和土地承載子系統4個子系統邊界。模型的空間邊界為石家莊市。模型模擬的時間邊界為2006年至2025年，共分2個時段，第一時段為2007—2016年，第二時段為2016年—2025年，基準年為2006年，模擬時間間隔為1年，其中2007—2016年為模型運行與實際情況的檢驗年限，可進行模型調試和相關參數變量的確定，2006—2025年為系統政策仿真和預測年限，這一階段的模擬是為了仿真過去10a和預測未來10 a的畜禽養殖土地承載力趨勢，以便情景分析。

合理的假設可以簡化模型，以突出主要研究問題。針對本研究的內容與目標，模型主要考慮以下假設：1）該模型偏向于考慮畜禽養殖排放狀況，種植業起到養分需求，從而平衡土地承載的作用，而不涉及畜禽養殖以外的產業經濟結構變化與排放狀況；2）假設經濟穩定持續增長，無較大經濟波動和經濟周期的影響；3）污染物排放指標作為衡量承載力的標量，通過相關的農業生態環境指標進行梳理，文章以總氮、總磷排放指標予以體現，這2個指標具有代表性，且易于計算與比較。

2.1.2 系統結構分析

本文的研究重點為土地的承載力，故系統分析也以土地承載子系統為主線，與社會經濟子系統、畜禽養殖子系統和種植業子系統，共4個子系統，組成了畜禽養殖土地承載力系統。各子系統之間通過物質、信息的輸入輸出相互聯系，構成了模型的反饋結構，子系統之間的主要關系如圖1所示。

圖1 畜禽糞污土地承載力各子系統相互關系圖

2.2 畜禽糞污土地承載力系統模型

本文根據系統結構構建描述畜禽糞污土地承載力系統的相關方程，采用邏輯函數、經驗系數法、表函數法、灰色預測法和試湊法等確定模型參數值并建立系統流程圖。運用Vensim-PLE，不斷調整修正畜禽糞污土地承載力系統動力學模型，使模擬結果接近石家莊市的社會經濟現狀。

2.2.1 社會經濟子系統

社會經濟子系統主要描述人口總量的變化將影響畜禽業的生產規模，而畜禽生產的過度排放引致的環境問題又將約束人口的增長；同時農業經濟產出中，通過環境治理投資占比影響畜禽氮磷排泄的終端治理能力，從而改善生態環境，根據左永彥[22]的研究成果，華北地區用于氮磷減排的環境治理資金每投入100萬元，氮磷排放分別減少12.30和22.63 t。社會經濟子系統流圖如圖2所示。

圖2 社會經濟子系統流圖

2.2.2 畜禽養殖子系統

畜禽養殖子系統主要描述畜禽需求、畜禽養殖和畜禽排放之間的關系。對畜禽養殖的需求主要來源于2個方面，一方面是為了維持人類生活所需的食物需求，以豬肉為例，統計數據顯示，2006年和2016年石家莊市全年居民人均豬肉消費量分別為10.80和12.21 kg，年均增長率1.31%，根據《中國居民膳食指南》的建議，為平衡膳食，年人均豬肉消費量應不低于10 kg；另一方面是為了促進經濟增長的經濟需求，根據石家莊市《關于進一步加快現代畜牧業發展的實施意見》等規劃指標，在“十三五”期間畜牧業產值占農業總產值的比例力爭達到40%。這2方面的需求引致了畜禽養殖規模的變化，從而產生了畜禽養殖的氮磷排泄。畜禽養殖子系統流圖如圖3所示。

其中，氮素、磷素排泄量計算過程如下。

依據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周期，就可以計算出不同畜禽累計排泄氮、磷量，計算過程如公式（1），各種動物糞尿產生量、飼養周期見表1，不同動物糞尿中養分含量推薦值見表2，不同動物糞尿排泄氮、磷量乘以飼養量（其中，牛、羊飼養期一般長于一年，因此以年底存欄量為飼養量，豬、家禽的飼養期一般小于一年，因此以出欄量作為飼養量），求和就得到該區域畜禽糞尿總的氮、磷養分產生量，具體計算過程如公式(2)，單位以t計。

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

式中NMN/P為區域內第種動物排泄的氮、磷含量，kg/頭（只）；M,、M,分別為區域內第種動物每天產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為第種動物飼養周期，d。

NMN/P=ΣNMN/P×P×10-3（2）

式中NMN/P為區域內所有動物排泄的總氮、磷量，t；NMN/P為區域內第種動物排泄的總氮、磷量，kg/頭（只）；P為區域內第種動物飼養量。

2.2.3 種植業子系統

種植業子系統主要描述區域內土地上種植的各種作物，包括糧食、蔬菜、水果和營林等的產量和生長期內所需的氮磷養分含量的關系。

圖3 畜禽養殖子系統流圖

表1 畜禽糞尿產生量和飼養周期推薦值

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

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：種養結合模式》[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].

根據區域統計的主要糧食作物、蔬菜、水果的產量和當年營林的面積，乘以每種作物（糧食、蔬菜、水果、營林）單位產量所需的氮磷養分量，主要作物單位產量養分吸收推薦值見表3，累計求和獲得該地區作物總的養分需求，單位以t計，具體計算公式如下

NAtotal, N/P=Σy×a×10-2（3）

式中NAtotal,N/P為區域內各種作物總產量下需要吸收的氮、磷總量，t；y為區域內第種作物總產量，t；a為第種作物收貨100 kg產量吸收的氮、磷的量，kg/100 kg。

表3 不同植物形成100 kg產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產量需要吸收氮磷量參考《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》[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 種植業子系統流圖

2.2.4 土地承載子系統

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

具體計算過程如下：

在區域內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，實際能夠供給農田的養分量需要乘以一定的系數，可以得到區域糞肥供給量計算公式

NMsup, N/PNM×(1lost) （4）

式中NMsup, N/P為區域畜禽糞尿氮、磷養分總供給量，t；為區域內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 土地承載子系統流圖

根據該地區各種畜禽糞尿總養分供給量除以區域土地總面積，就可以獲得單位土地總養分供給量，計算公式如下

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

根據作物總養分需求量除以該地區的土地總面積，可獲得單位土地面積氮磷養分需求，計算公式如下：

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

將區域內糞肥養分最高替化肥的比例系數乘以單位耕地面積養分需求，就可以計算獲得區域單位耕地面積糞肥養分需求，計算公式如下

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

式中NAaverage,N/P為區域內單位土地面積氮、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域內單位土地面積氮、磷需求量，kg/hm2。

參考國外經驗和國內相關研究成果與標準，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，意味著現有土地資源不能消納畜禽養殖排放；如果氮、磷平衡承載小于等于1，則可載，意味著現有土地資源可以消納畜禽養殖的排放。

2.3 模型檢驗

直觀檢驗：主要檢驗模型在外觀上與實際系統是否相像，參數是否具有可靠性。經檢驗，建立的模型符合要求。

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

歷史性檢驗：將2007—2016年的歷史數據代入模型進行模擬驗證，本文從4個系統中分別選取總人口、生豬出欄量、肉牛存欄量、家禽出欄量、農地面積（播面、果園和當年營林之和）和小麥產量（小麥為石家莊市主要糧食作物）6個變量為檢驗變量，將模型測算出的模擬值與歷史數據相比較，進行模型歷史性檢驗。模擬TIME STEP為1 a，設置INITIAL TIME為2007年，FINAL TIME為2016年，結果見表4。

表4 畜禽糞污土地承載力系統動力學模型的檢驗結果

注：MV、SV和分別為實測值、預測值和相對誤差。

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

根據姜鈺[27]（-5.56%～16.67%）、劉菁[28]（-0.01%～13.67%）、盧小麗[29]（-7.63%～20.98%）的檢驗結果，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，5%＜相對誤差≤10%之間的有23個，＞10%的有1個，系統模擬結果與現實情況基本一致。總體上看，該模型的擬合精確度較高，基本上能真實地反映現實系統的運行情況。

穩定性檢驗：模型的穩定性檢驗是模型真實可靠的必備條件。有效的系統模型行為應當對大部分參數的變化不敏感，這主要是因為系統的行為模式是由模型內部主導反饋回路所決定的，非主導回路上的參數變化不會對系統的行為產生太大影響。本研究隨機選取生豬出欄量作為測試變量，設置時間步長分別為3個月（TIME STEP=0.25）、6個月（TIME STEP=0.5）、12個月（TIME STEP=1），以此觀測在不同時間步長下參數的變化趨勢。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，并沒有因為參數值的改變而發生明顯變化，也即參數值的變化并沒有引起模型行為發生根本性變化，說明模型具有一定的穩定性。

歷史性檢驗和穩定性檢驗結果顯示，本文所建立的畜禽糞污土地承載力模型可以用于現實系統的模擬。

圖6 2006—2025年不同時間步長下石家莊市生豬出欄量的仿真結果

3 仿真結果分析

3.1 仿真結果輸出

3.1.1 初始情景：系統慣性下的仿真結果

保持系統參數不變，按照現有發展趨勢進行模擬，如圖7所示。

土地承載畜禽養殖排放的壓力逐年加大，其中氮平衡承載呈現先臨界可載（2006—2010年），后超載的態勢（2011—2025年），磷平衡承載始終大于1，處于超載狀態，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. 主要農作物產量 c. Main crop yield

2006—2025年，畜禽養殖業規模呈現持續增長態勢，其中生豬和家禽養殖產出增長態勢明顯，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，種植業規模亦呈現持續增長態勢，其中營林和蔬菜產出增長態勢明顯，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，雖然畜禽養殖業和種植業的產出規模都有增加，但種植業產量增長速度不及畜禽養殖產量的增長速度，導致在其他條件不變的情況下，種植業難以消納畜禽養殖產生的氮磷排放，從而加大土地承載畜禽養殖排放的壓力。

3.1.2 情景1：調整養殖業經濟結構

在其他系統參數不變的情況下，從源頭減量的角度，調整養殖業經濟結構。經濟需求方面，在保障石家莊市畜牧業產值占比力爭達到40%的規劃目標基礎上，調減畜禽養殖的經濟需求10%，以減少畜禽養殖存量，實現源頭減量化；飲食結構方面，在保障年人均豬肉有效供給的前提下（≥10 kg），調減人均生豬消費量20%，并根據《全國草食畜牧業發展規劃》的目標，分別適當增加牛肉、奶類、羊肉年人均消費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。養殖業規模的仿真結果如圖9所示。

調整養殖業經濟結構后，與系統慣性的初始情景相比，氮平衡承載和磷平衡承載均呈現出下降的趨勢。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，畜牧業產值占比分別為40.30%和45.03%，可達石家莊市《關于進一步加快現代畜牧業發展的實施意見》的規劃目標；與初始情景相比農業總產值增速也有所提高。

3.1.3 情景2：調整環境保護治理投資

在其他系統參數不變的情況下，從終端治理的角度，調整環境保護治理投資占比。假設初始條件下環境保護治理投資占比為0，增加環境保護治理投資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），將環境治理投資用于治理氮磷污染的比例設置為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。

增加環境保護治理投資后，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個年度處于可載狀態，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。

圖9 情景2下氮平衡承載和磷平衡承載的仿真結果輸出

3.1.4 情景3：調整糞肥占施

在其他系統參數不變的情況下，從糞肥資源化的角度，調整糞肥占施。中國農業科學院德州實驗站基地30 a長期定位監測試驗數據表明，有機肥替代50%化肥處理，具有保障作物產量品質、培肥地力、減輕環境污染、實現農業可持續發展的功能。鑒于此，本研究假設初始條件下糞肥占施為40%（常規比例），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，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果輸出

3.1.5 情景4：協同發展模式

針對上述3種發展模式存在的問題，基于快速、生態、協調的發展思路，對以上情景進行綜合性仿真，具體情景為調整養殖業經濟結構，同時，增加環境保護治理投資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個年度處于可載狀態，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，呈現可載狀態，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個年度處于可載狀態，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；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，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個情景的調整，雖然畜禽排放對土地環境的壓力有所改觀，特別是在氮平衡承載上，均處于可載狀態，但磷平衡的超載總是先與氮平衡的超載出現，磷平衡承載仍存在壓力；通過對前3個情景的整合，引出情景4，結果表明，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個方案不難發現，情景4的效果較好。

4 結 論

系統動力學模型是研究社會-經濟-環境復雜系統的重要方法，有社會經濟復雜系統實驗室之美譽，本文以畜禽糞污土地承載力研究對象，通過分析系統內部各要素之間的內在聯系與動態行為結構，以石家莊市為研究區，構建畜禽糞污土地承載力系統的動力學模型，并對模型進行了直觀描述與內部結構上的解釋。經過檢驗，模型可以真實地反映了畜禽糞污土地承載力系統的動力學機制，具有重要的應用價值與指導意義。

通過模擬畜禽糞污土地承載力系統的動態變化，研究結果顯示：按系統慣性發展，經濟的發展與人類物質需求，使得畜禽養殖業和種植業的產出規模都有增加，但畜禽養殖業的增長速度總是快于種植業的增長速度，導致種植業難以消納畜禽糞污排放，加大了土地的承載壓力；政策模擬結果表明，磷平衡的超載總是先于氮平衡的超載出現，單一的政策干預很難同時保障氮、磷同時平衡的狀態；通過對比分析發現，情景4的各主要變量模擬結果均優于其他情景，代表了快速、生態、協調的系統發展模式，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調統一發展。

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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動力學模型及情景仿真[J]. 農業工程學報，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

國家自然科學基金面上項目（41871184）；中國農業科學院科技創新工程項目（ASTIP-IAED-2019）；中國農業科學院基本科研業務費專項（161005201802-1，161005201901-4-4）；中德農業科技合作項目（2019-1）

韓成吉，博士生，主要研究方向為農業資源環境經濟與政策、農業系統工程。

王國剛，博士，副研究員，主要研究方向為畜牧業經濟、飼料糧安全與保障機制研究。Email：wangguogang@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.020

F323；X713；N941.3

A

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