基于家畜单位环境承载力的农牧结合优化模型研究

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1、基于家畜单位环境承载力的农牧结合优化模型研究白云峰*，涂远璐，刘建（江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京，210014）摘要：针对当前农业生产中种养资源配置严重脱节的现状，必须建立循环高效的种养平衡生产模式。本文通过分析种养子系统间废弃物利用的养分循环过程，确定作物秸秆到畜禽养殖和畜禽粪便到农田施用过程中对应的不同作物基于家畜单位的环境承载力，将其作为生态效益的量化指标与经济效益指标相结合，构建多目标农牧结合优化模型，并增加生态平衡约束，采用理想点法求解，结果表明该模型能较好地耦合农牧系统，在经

2、济效益最大化的同时，实现废弃物资源利用的最大化和环境影响的最小化。关键字：农牧结合；养分平衡；模式优化1引言近年来，由于片面追求经济效益，缺乏科学规划和对环境问题的重视，规模化养殖业的无序发展导致大量畜禽粪污排入水体和农田，而耕地却盲目施用化肥，另一方面大量作物秸秆在农田焚烧而养殖业在枯草期却面临粗料紧缺，这些现象都说明当前种养资源配置已严重脱节，资源循环利用效率低下，必须建立高效的种养平衡一体化生产模式【1】。然而，实现种养平衡光靠经验是不够的，必须根据各类作物和畜禽的特点，科学配置种养资源【2】。在以

3、前的种养结合模式优化研究中【3】，人们往往以经济效益最高为目标，生态指标因其难于量化处理，常被置于约束条件中，因而忽视了其生态效益，直接影响到系统的可持续发展。本文通过分析种养子系统之间废弃物利用的养分循环过程；根据养分供需平衡关系，确定秸秆到畜禽养殖和畜禽粪便到农田施用过程中对应的不同作物基于家畜单位的环境承载力；在此基础上进行种养结合模式优化研究，将作物的秸秆纳畜量和农田载畜量作为生态效益量化指标与纯收入最高的经济效益指标相结合，把种养结构优化作为多目标问题来处理，并增加了生态平衡约束，最大限度地满足

4、环境可接受性及可行性，实践证明该模型能很好地耦合农牧系统，在经济利益最大化的同时提高耕地对畜禽粪便的承载力和耕地提供畜禽草料的承载力，实现废弃物资源利用的最大化同时保证环境影响的最小化。2生态效益量化指标的建立现代循环农业模式所产生的生态效益是不可忽视的，主要体现在减少化肥使用量、培肥耕地土壤、保护环境等方面。为了能够定量化衡量系统的生态效益，以环境承载力作为衡量人类社会经济与环境协调程度的标尺。环境承载力是指维持人与自然环境之间的和谐的前提下，环境所能够承受的人类活动的阈值。对于种养结合循环模式而言，环

5、境承载力主要指，一方面是农田系统能够消纳畜禽粪污的能力，另一方面是农田系统中作物秸秆所能提供畜禽草料的能力，从这两方面出发针对各类作物和畜禽的特点，定义了基于家畜单位标准的作物农田秸秆载畜量和作物农田纳畜量。2.1作物的秸秆载畜量从作物秸秆作为粗饲料资源提供给养殖场，由养殖过程消纳角度考虑，作物秸秆提供量不能超过养殖场的承载力，一旦“超载”，过多的秸秆仍无法处理，田间焚烧仍会导致环境污染[4]。为了衡量农田系统所能提供畜禽草料饲料的能力，考虑到不同作物秸秆的营养含量不同，基于作物秸秆营养含量和畜禽营养需求

6、，建立家畜单位标准的作物秸秆载畜量单位。参照草地载畜量标准[5]，将作物的秸秆载畜量定义为：作物在单位农田种植面积下，周年内实际收获的作物副产品/废弃物（秸秆、藤、蔓等），能够满足家畜正常生长发育、繁殖情况下所能饲养家畜的最大数量。采用消化能为指标来评价作物的秸秆载畜量[6]，为了便于比较，通常将各种存栏家畜统一为标准羊单位。根据畜禽生长养分需要量和作物秸秆养分提供量关系，定义作物的秸秆载畜量公式如下：Z=（公式1）式中：Z—单位面积农田，种植作物在生长周期内收获的作物副产品/废弃物，满足家畜正常生长发育

7、、繁殖情况下所能饲养的羊单位数，单位：（羊单位/公顷·年）；w—作物单位种植面积一季所能实际收获的秸秆量，（单位：㎏/公顷·季）；g—作物秸秆的消化能含量，（单位：兆焦/㎏）；Gs—标准羊的年均消化能需求量，（单位：兆焦/头·年）。P—畜禽所需营养由秸秆提供的比例，（单位：%）。不同家畜单位之间可以进行换算[7]，建立统一的作物秸秆载畜量换算标准，以一头标准成年羊一年消化能的需求总量作为换算标准，即1标准羊当量，算出其它畜禽一年消化能的需求量与1标准羊一年消化能的需求量的比值，即为相应的作物秸秆载畜量转换

8、系数，进一步算得作物秸秆载畜量当量。2.2作物的农田纳畜量从畜禽粪便作为有机肥提供给种植业，由农田消纳的角度考虑，由于果园、稻田、菜地等对有机肥的需求量不同，为了得到其合理的粪便用量，就必须针对不同作物种植模式研究农田的畜禽粪便环境承载力，防止畜禽养殖场附近土壤严重“超载”、养分失调甚至污染[8]。为了衡量农田消纳畜禽粪便的能力，基于作物养分需求和畜禽粪便养分排放量，建立家畜单位标准的作物农田纳畜量单位。定义作物的农田纳畜量为