基于生態(tài)-經(jīng)濟(jì)分析的多目標(biāo)農(nóng)牧結(jié)合優(yōu)化模型

基于生態(tài)-經(jīng)濟(jì)分析的多目標(biāo)農(nóng)牧結(jié)合優(yōu)化模型

1構(gòu)建高效的種養(yǎng)平衡一體化生產(chǎn)模式近年來，由于缺乏科學(xué)規(guī)劃和環(huán)境問題的關(guān)注，注重利益相關(guān)者的利益。規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的無序發(fā)展導(dǎo)致大量畜禽糞污排入水體和農(nóng)田,而耕地卻盲目施用化肥;另一方面,大量作物秸稈在農(nóng)田焚燒,而養(yǎng)殖業(yè)在枯草期卻面臨粗料緊缺。這些現(xiàn)象都說明當(dāng)前種養(yǎng)資源配置已嚴(yán)重脫節(jié),資源循環(huán)利用效率低下,必須建立高效的種養(yǎng)平衡一體化生產(chǎn)模式。然而實現(xiàn)種養(yǎng)平衡光靠經(jīng)驗是不夠的,必須根據(jù)各類作物和畜禽的特點,科學(xué)配置種養(yǎng)資源。在以前的種養(yǎng)結(jié)合模式優(yōu)化研究中,往往以經(jīng)濟(jì)效益最高為目標(biāo),生態(tài)指標(biāo)因其難于量化處理,常被置于約束條件中,因而忽視了其生態(tài)效益,直接影響到系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。通過分析種養(yǎng)子系統(tǒng)之間廢棄物利用的養(yǎng)分循環(huán)過程,根據(jù)養(yǎng)分供需平衡關(guān)系,確定秸稈到畜禽養(yǎng)殖和畜禽糞便到農(nóng)田施用過程中對應(yīng)的不同作物基于家畜單位的環(huán)境承載力,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行種養(yǎng)結(jié)合模式優(yōu)化研究,將作物的秸稈納畜量和農(nóng)田載畜量作為生態(tài)效益量化指標(biāo)與純收入最高的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)相結(jié)合,把種養(yǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為多目標(biāo)問題來處理,并增加了生態(tài)平衡約束,最大限度地滿足環(huán)境可接受性及可行性。實踐證明該模型能很好地耦合農(nóng)牧系統(tǒng),在經(jīng)濟(jì)利益最大化的同時提高耕地對畜禽糞便的承載力和耕地提供畜禽草料的承載力,實現(xiàn)廢棄物資源利用最大化的同時保證環(huán)境影響的最小化。2環(huán)境承載力與生態(tài)循環(huán)現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)模式所產(chǎn)生的生態(tài)效益是不可忽視的,主要體現(xiàn)在減少化肥使用量、培肥耕地土壤、保護(hù)環(huán)境等方面。為了能夠定量化衡量系統(tǒng)的生態(tài)效益,應(yīng)以環(huán)境承載力作為衡量人類社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)程度的標(biāo)尺。環(huán)境承載力是指維持人與自然環(huán)境之間和諧的前提下,環(huán)境所能夠承受的人類活動的閾值。對于種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)模式而言,環(huán)境承載力主要指以下兩方面:一方面是農(nóng)田系統(tǒng)能夠消納畜禽糞污的能力,另一方面是農(nóng)田系統(tǒng)中作物秸稈所能提供畜禽草料的能力。從這兩方面出發(fā)針對各類作物和畜禽的特點,定義了基于家畜單位標(biāo)準(zhǔn)的作物農(nóng)田秸稈載畜量和作物農(nóng)田納畜量。2.1地載畜禽量標(biāo)準(zhǔn)作物秸稈作為粗飼料資源提供給養(yǎng)殖場,由養(yǎng)殖過程消納角度考慮,作物秸稈提供量不能超過養(yǎng)殖場的承載力,一旦“超載”,過多的秸稈仍無法處理,田間焚燒仍會導(dǎo)致環(huán)境污染。為了衡量農(nóng)田系統(tǒng)所能提供畜禽草料飼料的能力,考慮到不同作物秸稈的營養(yǎng)含量不同,基于作物秸稈營養(yǎng)含量和畜禽營養(yǎng)的需求,建立家畜單位標(biāo)準(zhǔn)的作物秸稈載畜量單位。參照草地載畜量標(biāo)準(zhǔn),將作物的秸稈載畜量定義為:作物在單位農(nóng)田種植面積下,周年內(nèi)實際收獲的作物副產(chǎn)品/廢棄物(秸稈、藤、蔓等),能夠滿足家畜正常生長發(fā)育、繁殖情況下所能飼養(yǎng)家畜的最大數(shù)量。采用消化能為指標(biāo)來評價作物的秸稈載畜量,為了便于比較,通常將各種存欄家畜統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)羊單位。根據(jù)畜禽生長養(yǎng)分需要量和作物秸稈養(yǎng)分提供量關(guān)系,定義作物的秸稈載畜量公式如下:式(1)中:Z—單位面積農(nóng)田,種植作物在生長周期內(nèi)收獲的作物副產(chǎn)品/廢棄物,滿足家畜正常生長發(fā)育、繁殖情況下所能飼養(yǎng)的羊單位數(shù),單位為羊單位/公頃·年;w—作物單位種植面積一季所能實際收獲的秸稈量,單位為kg/公頃·季;g—作物秸稈的消化能含量,單位為兆焦/kg;Gs—標(biāo)準(zhǔn)羊的年均消化能需求量,單位為兆焦/頭·年。P—畜禽所需營養(yǎng)由秸稈提供的比例,%。不同家畜單位之間可以進(jìn)行換算,建立統(tǒng)一的作物秸稈載畜量換算標(biāo)準(zhǔn),以一頭標(biāo)準(zhǔn)成年羊一年消化能的需求總量作為換算標(biāo)準(zhǔn),即1標(biāo)準(zhǔn)羊當(dāng)量,算出其他畜禽一年消化能的需求量與1標(biāo)準(zhǔn)羊一年消化能的需求量的比值,即為相應(yīng)的作物秸稈載畜量轉(zhuǎn)換系數(shù),進(jìn)一步算得作物秸稈載畜量當(dāng)量。2.2農(nóng)田納依托量的確定畜禽糞便作為有機(jī)肥提供給種植業(yè),從農(nóng)田消納的角度考慮,由于果園、稻田、菜地等對有機(jī)肥的需求量不同,為了得到其合理的糞便用量,就必須針對不同作物種植模式研究農(nóng)田的畜禽糞便環(huán)境承載力,防止畜禽養(yǎng)殖場附近土壤嚴(yán)重“超載”、養(yǎng)分失調(diào)甚至污染。為了衡量農(nóng)田消納畜禽糞便的能力,基于作物養(yǎng)分需求和畜禽糞便養(yǎng)分排放量建立家畜單位標(biāo)準(zhǔn)的作物農(nóng)田納畜量單位。定義作物的農(nóng)田納畜量為:作物在單位農(nóng)田種植面積下,周年內(nèi)所能消納的畜禽糞便量對應(yīng)的通常營養(yǎng)水平和飼養(yǎng)條件下承載家畜最大數(shù)量?？紤]到中國土壤缺鉀狀況嚴(yán)重,僅考慮氮磷養(yǎng)分作為衡量農(nóng)田納畜量的指標(biāo),根據(jù)養(yǎng)分木桶效應(yīng),即作物最小的養(yǎng)分需求量決定畜禽糞便使用量的原則,選擇基于作物氮磷養(yǎng)分需求比例的最大農(nóng)田納畜量,作為最終農(nóng)田匹配的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模。為了便于比較,同樣將各種存欄家畜統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)羊單位。參照畜禽糞便還田技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中在不具備田間試驗和土肥分析化驗條件下施肥量的確定方法,定義農(nóng)田納畜量的計算公式如下:式(2)中:N—作物在單位農(nóng)田種植面積下,周年內(nèi)所能消納的畜禽糞便量對應(yīng)的中等營養(yǎng)水平和飼養(yǎng)條件下飼養(yǎng)家畜最大數(shù)量,單位為羊單位/公頃·年;A—預(yù)期單位面積產(chǎn)量下作物需要吸收的營養(yǎng)元素的量,單位為kg/公頃;s—標(biāo)準(zhǔn)羊單位每只存欄畜禽的糞便養(yǎng)分年產(chǎn)量,單位為kg/頭·年;p—由施肥創(chuàng)造的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例,可參照文獻(xiàn)附錄A中表A.2和A.3選取,%;r—畜禽糞便養(yǎng)分的當(dāng)季利用率,因土壤理化性狀、通氣性能、濕度、溫度等條件不同,一般在25%~30%范圍內(nèi)變化,故當(dāng)季吸收率可在此范圍內(nèi)選取或通過田間試驗確定,%;f—當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,施于農(nóng)田中的畜禽糞便的養(yǎng)分含量占施肥總量的比例,%。其中A參數(shù)由以下公式確定:式(3)中,y為作物預(yù)期單位面積產(chǎn)量,單位為kg/公頃;a為作物形成100kg產(chǎn)量吸收的營養(yǎng)元素的量,單位為千克。主要作物a值參照標(biāo)準(zhǔn)附錄A中表A.1,不同作物、同種作物不同品種及地域因素等導(dǎo)致作物形成100kg產(chǎn)量吸收的營養(yǎng)元素量各不相同,a值的選擇應(yīng)以地方農(nóng)業(yè)管理、科研部門公布的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。3優(yōu)化收養(yǎng)結(jié)構(gòu)的模型建設(shè)3.1養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)和存養(yǎng)量本研究主要針對秸稈和畜禽糞便綜合利用模式下的農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。種植業(yè)以農(nóng)田作物種植面積作為決策變量,養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)則由各畜禽種類的存養(yǎng)量來確定。決策變量集公式為:式(4)中:X1i和X2j分別代表種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè);X1i—種植業(yè)中第i種作物的種植面積,i=1,…,n;X2j—畜牧業(yè)中第j中畜禽的存養(yǎng)量,j=1,…,m,m=m1+m2(m1為耗糧畜禽種類數(shù),m2為節(jié)糧畜禽種類數(shù))。3.2有林業(yè)和養(yǎng)殖業(yè),第三級目標(biāo)函數(shù)種養(yǎng)結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計模式應(yīng)該多目標(biāo)統(tǒng)籌兼顧,即要求經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,總體效益最佳。因此在目標(biāo)確定中,既要考慮各產(chǎn)業(yè)必須達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益,更要兼顧生態(tài)指標(biāo),為此分別設(shè)立經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)和生態(tài)目標(biāo)函數(shù)。(1)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)。該目標(biāo)函數(shù)用各產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)純收益之和表示,即單位面積凈產(chǎn)值與總種植面積之積,因此有種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)純收入最高的目標(biāo)函數(shù)為:式(5)中,NM1i表示種植業(yè)中第i個決策變量的單位凈產(chǎn)值,NM2j表示畜牧業(yè)中第j個決策變量的單位凈產(chǎn)值。(2)生態(tài)目標(biāo)函數(shù)。以環(huán)境承載力作為衡量人類社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)程度的標(biāo)尺,不同的土地利用類型是決定環(huán)境承載力的最主要因素。在相同的土壤條件下,不同類型的作物對養(yǎng)分的需求量不同,畜禽糞污的承載力也會有所不同;不同類型的作物秸稈的養(yǎng)分含量不同,提供畜禽草料的承載力也會有所不同。土地利用結(jié)構(gòu)決定其畜禽糞污和畜禽草料承載力的大小,必須使得耕地能最大限度地消納當(dāng)?shù)氐男笄菁S便,同時提供盡可能多的秸稈飼料滿足當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖需求,減少系統(tǒng)外部輸入、節(jié)約成本。因此有作物的秸稈載畜量和農(nóng)田納畜量最大的目標(biāo)函數(shù):式(6)中,Z1i表示種植業(yè)中第i種作物基于家畜單位的秸稈載畜量;N1i表示種植業(yè)中第i種作物基于家畜單位的農(nóng)田納畜量。3.3存養(yǎng)量的約束(1)資源約束。可利用種植總面積約束,M為最大可利用種植面積,則(2)社會需求約束。考慮到社會和實際生產(chǎn)需求,需要對各類作物的種植面積及畜禽的年均存養(yǎng)量有一個約束下限或約束上限,則:(3)生態(tài)平衡約束。在最大化耕地對畜禽糞便的承載力和耕地提供畜禽草料能力的同時,還必須保證生態(tài)平衡,最大限度地滿足環(huán)境可接受性及可行性,保證糞便全部還田和秸稈全部飼喂畜禽,將它們作為約束條件,具體如下:秸稈全部被草食畜禽養(yǎng)殖所消納:畜禽糞便全部還田:其中,m為養(yǎng)殖業(yè)畜禽種類數(shù)目,m2為其中的節(jié)糧畜畜禽種類數(shù)目,為節(jié)糧畜禽計算作物的秸稈載畜量時的家畜單位折算系數(shù),則為計算作物的農(nóng)田納畜量時的家畜單位折算系數(shù)。4建立模型及求解問題的確定將上述模型應(yīng)用于江蘇省農(nóng)科院動物科學(xué)基地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整中。動物基地的主要內(nèi)容是形成一個“肉用羊、生豬養(yǎng)殖—廢棄物生產(chǎn)沼氣—(沼氣發(fā)電——生產(chǎn)、加工)沼液、沼渣肥田—優(yōu)質(zhì)種植業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)—農(nóng)作物秸稈喂羊”的物質(zhì)能量大循環(huán),從而構(gòu)建起以科技為支撐的現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營體系?；貒@肉用羊、生豬養(yǎng)殖確定種植業(yè)結(jié)構(gòu),將標(biāo)準(zhǔn)無公害特色作物種植從傳統(tǒng)的稻、麥、油菜改為鮮食玉米或甘薯等經(jīng)濟(jì)效益高、飼料質(zhì)量好的作物,同時考慮到蔬菜地復(fù)種指數(shù)高且每公頃每季的養(yǎng)分移走量高于大田作物地和園地,特設(shè)無公害設(shè)施蔬菜種植,以提高土地對糞肥的利用效率。基地還配套有特色農(nóng)產(chǎn)品,種植業(yè)產(chǎn)生的初級農(nóng)產(chǎn)品直接進(jìn)入加工中心,大大減少了產(chǎn)品的損耗,實現(xiàn)了產(chǎn)品增值。目前,先有兩條生產(chǎn)線已經(jīng)啟用,一條是即食玉米等軟罐頭生產(chǎn)線,另一條是速凍玉米棒等速凍產(chǎn)品生產(chǎn)線。建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,考慮到設(shè)施蔬菜種類繁多,且種植種類多隨著市場需求變動性較大,將其單獨作為一個大類,假設(shè)每種作物種植模式對應(yīng)的種植面積決策變量為X1i,畜禽存養(yǎng)量決策變量為X2j,首先需要獲得目標(biāo)函數(shù)中各項經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)系數(shù),具體如表1所示。每種模式下單位面積土地提供畜禽草料能力的家畜標(biāo)準(zhǔn)單位如表2所示,設(shè)施蔬菜由于其秸稈產(chǎn)量低且難于收集,故暫不計算其秸稈載畜量。每種模式下單位面積土地消納畜禽糞便能力的家畜標(biāo)準(zhǔn)單位如表3所示,其中設(shè)施蔬菜按照1年2季估算。建立優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)如下:根據(jù)基地建設(shè)的實際條件,建立約束條件:(1)基地初定100公頃標(biāo)準(zhǔn)無公害特色作物種植和30公頃無公害設(shè)施蔬菜種植,因此:(2)根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品加工廠對鮮食玉米加工的需求量確定玉米種植面積的下限約束為:(3)根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品加工廠對鮮食甘薯加工的需求量確定甘薯種植面積的下限約束為:(4)根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品加工廠對鮮食毛豆加工的需求量確定毛豆種植面積的下限約束為:(4)根據(jù)最小社會需求量確定設(shè)施蔬菜種植面積的下限約束為:(5)由規(guī)?；B(yǎng)殖對豬廠存欄量的約束確定豬只存養(yǎng)量的下限為:(6)由規(guī)?；B(yǎng)殖對羊廠存欄量的約束確定羊只存養(yǎng)量的下限為:(7)生態(tài)平衡約束:基于家畜單位的作物秸稈載畜量要小于羊場規(guī)模,才能保證秸稈在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)全部消納?；诃h(huán)境承載力考慮,家畜單位的作物農(nóng)田納畜量必須大于豬場和羊場存養(yǎng)總量才能保證畜禽糞便全部被農(nóng)田消納,考慮到豬單位與標(biāo)準(zhǔn)羊單位的折算,取一頭豬等于1.5頭羊,即折算系數(shù)為1.5。由此構(gòu)建起農(nóng)牧結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化模型,進(jìn)一步求解。目前多目標(biāo)規(guī)劃模型解法主要有線性加權(quán)法、兩階段法和情景模型法,但都需要人的主觀參與來確定目標(biāo)的權(quán)重,不同的人將可能做出不同的決策。研究采用基于理想點的一種新的多目標(biāo)規(guī)劃兩階段方法,首先分別以純收入、秸稈載畜量、農(nóng)田納畜量為目標(biāo),求解三個單目標(biāo)規(guī)劃問題,得到三個單目標(biāo)規(guī)劃問題的最有目標(biāo)值F1*,F2*,F3*,再構(gòu)造如下單目標(biāo)函數(shù)的規(guī)劃問題,在同一約束條件下求解即可得到多目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)解。此規(guī)劃模型中目標(biāo)函數(shù)的意義為在約束條件下,使純收入、秸稈載畜量、農(nóng)田納畜量目標(biāo)分別盡可能地接近或達(dá)到最大目標(biāo)函數(shù)值。5模型求解結(jié)果用Matlab編寫程序用理想點法求解上述多目標(biāo)規(guī)劃問題:規(guī)劃問題1:最優(yōu)值目標(biāo)值(純收入)為6857000元。此時秸稈載畜量為9390羊單位,農(nóng)田納畜量為11466羊單位。規(guī)劃問題2:最優(yōu)值目標(biāo)值(秸稈載畜量)9390為羊單位。此時純收入為6761000元,農(nóng)田納畜量為11466羊單位。規(guī)劃問題3:最優(yōu)值目標(biāo)值(農(nóng)田納畜)11946為羊單位。此時純收入為6071000元,秸稈載畜量為8190羊單位。基于理想點的多目標(biāo)規(guī)劃求解方法的幾何意義為三維歐氏空間,求(X11,X12,X13,X14,X21,X22)使得對應(yīng)點(F1,F2,F3)與點(F1*,F2*,F3*)的距離最小。而距離的計算與坐標(biāo)的刻度有關(guān),純收入的數(shù)量級為“百萬”,而秸稈載畜量為“千”,農(nóng)田納畜量的數(shù)量級為“萬”。因此在求解規(guī)劃問題4時,將純收入目標(biāo)函數(shù)系數(shù)和目標(biāo)值除以10,統(tǒng)一到“萬”數(shù)量級,得到結(jié)果如下:規(guī)劃問題4:此時純收入為6834962元,秸稈載畜量為9272羊單位,農(nóng)田納畜量為11508羊單位,模型優(yōu)化結(jié)果如表4所示。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以看出,玉米為主的地位并未改變,適當(dāng)增加甘薯和花生種植面積,不但具有較好的經(jīng)濟(jì)效益,而且能為