农村生猪养殖区域生态系统管理的反馈仿真及应用研究 ——以江西萍乡泰华生猪养殖区域为例

论文摘要

2002年后,中国的生猪养殖由大城市近郊逐渐向气候适宜的中西部农区转移,至2005年,以长江中下游为中心向南北两翼扩散的生猪生产带形成。生猪养殖的规模效益、南方农区优越的养殖条件和政府的政策导向等因素,促使生猪养殖专业户在这一带农区不断发展壮大,家庭养殖场、中小规模养殖专业户成为中国农村当前和今后较长时期内生猪养殖的主体。快速发展的农区生猪养殖,为农民带来了比种植业更多和更快的比较利益,但伴随而来的养殖废弃物污染对农业生态系统造成的危害已不容忽视。为此,政府部门投入大量资金用于农村沼气池建设,政策引导农户以沼气厌氧发酵技术处理养殖废弃物,这在一定程度上解决了生猪规模养殖粪尿污染问题。但厌氧发酵产生的沼液和沼气引起的二次污染却随之出现且日益严重。多数已经兴建了沼气池的养殖区域,尤其是偏远农区,富含有机质的沼液直接排入沟渠,以CH4,CO2等温室气体为主要成分的沼气直接释放入大气。常常是一户规模养猪,整个小流域被污染:农田营养过剩水稻青苗减产,沟渠、小河、水塘因富营养而成为臭水沟、死水塘,粪水、沼液雨天甚至漫入水井,污染饮用水等等,资源变成了污染源,危害严重。本文以生态系统管理的思想,以地处长江中下游水稻主产区的江西省为研究背景,选择江西省萍乡地区排上镇生猪养殖大户彭玉权的家庭生猪养殖场（泰华猪场）为具体案例,以实现养殖区域环境保护与经济发展为双重目标,将农民增收、养殖废弃物生物质资源的再生利用、以水稻为代表的种植业健康发展等问题融入生猪养殖区域环境管理,运用系统动力学（System Dynamics,简称SD）反馈动态复杂性分析理论和农业生态工程技术,针对农村普遍存在的生猪规模养殖沼液沼气二次污染的问题,研究提出并且设计应用了农村生猪规模养殖生态系统管理对策及其实施工程,最后还构建了基于农民专业合作经济组织的管理对策推广体系。本文主要研究工作和成果如下:1.将养殖场层面的环境影响评价指标和方法推广到区域层面,分别采用成分法、试验测定法、排污系数法全面而详尽地计算了江西省生猪养殖业生态足迹、单位面积耕地猪粪尿氮、磷的实际承载量、温室气体排放的全球暖化潜值四个指标,对江西省生猪养殖业的环境影响进行总体评价。结果表明:从总体而言,江西省现有的生猪养殖规模未超出其耕地的生物承载力,其农村生猪养殖污染是由于猪场废弃物因综合利用不利而在养殖区域内长期大量累积产生。2.本文综合运用图论理论和SD因果关系图理论,新提出了复杂系统关键变量顶点赋权因果关系图分析法,并应用于实践。复杂系统结构流图中,众多变量相互之间错综复杂的因果关系有时难以用数学方程式表达,系统仿真方程的建立是一个十分困难的问题,而且方程的可靠性也无法检验,成为制约系统动力学定量分析应用发展的瓶颈。基于此,本文构建了介于SD因果关系图模型和流图模型之间的中间模型——关键变量顶点赋权因果关系图（简称顶点赋权图）模型,提出定性与定量相结合的复杂系统顶点赋权因果关系图分析法。该方法从系统因果关系图关键变量的顶点值开始,由顶点因果链的关联关系、试验测试数据、顶点的实际意义等,计算出某一时点上所有顶点的值,代入因果关系图,得到该时点的顶点赋权图;之后通过比较各时点顶点值的变化,可动态分析各正反馈环与各制约负反馈环的反馈作用力度变化规律,从而寻找减弱甚至去除上限子系统各负反馈环对系统增长制约作用的杠杆解。本文将该方法应用于研究案例泰华生猪规模养殖生态系统发展主要制约问题的反馈动态复杂性分析,并据此提出了保障生猪规模养殖生态系统可持续发展的沼气、沼液综合利用的生态系统管理对策。3.构建了泰华生猪规模养殖生态系统的SD模型;新提出并运用了主导基模仿真分析法。（1）在顶点赋权图反馈分析的基础上,针对泰华生猪规模养殖生态系统管理对策,根据流率基本入树建模法,构建了由生猪数、总纯收入、生猪收入、稻谷收入、蔬菜收入、沼气收入、水稻产量、蔬菜地面积、沼液污染量与沼液综合利用量、沼气量十棵流率基本入树构成的泰华生猪规模养殖生态系统的SD流率基本入树模型,建立了系统各变量的仿真方程。（2）采用基于系统强简化流率基本入树模型的枝向量行列式反馈环算法,计算出系统结构流图的所有反馈环,分析利用这些反馈环,分别构建刻画系统三大制约问题的三个主导反馈基模。新提出并应用主导反馈基模仿真分析法,有针对性地模拟仿真相应的管理对策实施效果,检测其科学性和局限性,提出对策改进方向,为对策实施提供有效的理论指导。4.在泰华养殖区域内设计并实施了管理对策工程,环境、经济效益显著。根据泰华生猪养殖区域的地理、环境、经济等的具体实际,设计的沼液、灌溉用水分流三级沉淀净化工程,于2005年11月～2006年4月在区域内建成,投入运行后的2006、2007连续两年稻谷产量得到提高:旨在解决沼液季节性污染设计的冬闲田沼液有机蔬菜种植工程自2005年冬启动,种植面积在逐年扩大,所种植的蔬菜2006年经江西省农产品质量安全检测中心检测,达到蔬菜类绿色食品标准;旨在解决沼气污染而设计的沼气能源利用工程正在建设之中。泰华养殖区域通过管理对策的综合实施,已取得了良好的环境经济综合效益.5.通过系统分析广大中小生猪养殖户发展的上限制约,及农户专业合作经济组织对消除养殖户发展制约作用,研究构建并应用了依托农户生猪养殖专业合作经济组织的管理对策在辐射区域内的推广体系,获显著效益。本文通过管理对策的综合实施,种养结合,综合开发利用养殖废弃物资源,实现环境保护与经济发展的双重目标,推动了区域内生猪养殖健康发展、养殖废弃物资源化利用生产绿色无公害食品、农民增收、污染治理模式的良性循环。这充分揭示了:用系统动力学反馈动态复杂性反馈仿真理论和多种理论有效综合,是解决规模养殖复杂系统问题的重要途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1.研究背景
• 1.2.问题的提出和目的意义
• 1.2.1.问题的提出
• 1.2.2.研究目的和研究意义
• 1.2.3.相关概念界定
• 1.3.畜禽养殖业环境管理研究现状
• 1.3.1.发达国家畜禽养殖业环境管理对策
• 1.3.2.我国畜禽养殖业环境管理对策
• 1.3.3.发达国家畜禽养殖业环境管理对策对我国的启示
• 1.3.4.畜禽规模养殖业环境管理的理论研究成果综述
• 1.4.研究案例萍乡市排上镇泰华生猪规模养殖区基本情况
• 1.5.研究思路、内容及方法
• 1.5.1.研究思路
• 1.5.2.研究内容
• 1.6.论文框架
• 第2章 相关理论及方法综述
• 2.1.生态系统管理理论
• 2.1.1.生态系统管理的定义
• 2.1.2.生态系统管理的主要理论
• 2.1.3.生态系统管理和传统的自然资源管理比较
• 2.2.系统动力学反馈结构分析与仿真预测理论
• 2.2.1.系统动力学内涵
• 2.2.2.基于流率基本入树模型的复杂系统反馈动态复杂性分析方法系
• 2.2.3.系统流图的枝向量行列式反馈环计算法（计算全部反馈环）
• 2.2.4.系统动力学应用研究
• 2.3.生态工程设计原理
• 2.4.本章小结
• 第3章 江西省生猪养殖业的环境影响评价
• 3.1.江西生猪养殖业的生态足迹
• 3.1.1.生态足迹分析理论及方法概述
• 3.1.2.江西省生猪养殖业2005年生态足迹计算
• 3.1.3.江西省2005年生物承载力计算
• 3.1.4.江西省2005年生态足迹分析
• 3.2.江西省2005年耕地猪粪尿氮、磷负荷量计算
• 3.2.1.基础数据资料的采集
• 3.2.2.相关参数的确定
• 3.2.3.粪尿以及氮、磷发生量的计算
• 3.2.4.耕地猪粪便年负荷量
• 3.2.5.结果分析
• 2当量'>3.3.江西省生猪养殖业全球暖化潜值（GWP）的CO₂当量
• 2排放量估算'>3.3.1.CO₂排放量估算
• 4排放量估算'>3.3.2.CH₄排放量估算
• 2O排放量估算'>3.3.3.N₂O排放量估算
• 3.4.本章小结
• 第4章 农村生猪规模养殖生态系统问题关键变量顶点赋权分析
• 4.1.复杂系统关键变量顶点赋权图分析法
• 4.1.1.基本概念
• 4.1.2.复杂系统关键变量顶点赋权图的概念
• 4.1.3.顶点赋权图分析法的基本步骤
• 4.2.泰华生猪规模养殖生态系统主要矛盾问题的顶点赋权分析
• 4.2.1.泰华生猪规模养殖生态系统问题的定性分析及系统边界的确定
• 4.2.2.泰华生猪规模养殖生态系统因果关系图的确定
• 4.2.3.泰华生猪规模养殖生态系统因果关系图顶点权值的确定
• 4.2.4.系统顶点赋权图模型
• 4.3.基于顶点赋权图的生猪规模养殖生态系统管理对策研究
• 4.3.1.系统反馈作用变化规律的顶点赋权分析
• 4.3.2.规模养殖生态系统发展管理对策
• 4.4.本章小结
• 第5章 生猪规模养殖生态系统的SD模型
• 5.1.系统动力学流率基本入树模型的新概念
• 5.1.1.流率基本入树的新定义
• 5.1.2.流率基本入树模型新定义的创新点
• 5.2.泰华生猪规模养殖生态系统的SD模型
• 5.2.1.系统结构的流率基本入树模型的建立
• 5.2.2.系统线段性复杂关系分析与仿真方程的建立
• 5.3.系统动力学仿真模型方程建立的基本反馈环逐步调试建立法
• 5.3.1.方程基本反馈环逐步调试建立法的提出
• 5.3.2."生猪市场收入影响因子"方程的反馈环逐步调试建立。
• 5.4.本章小结
• 第6章 泰华生猪规模养殖生态系统的反馈仿真研究
• 6.1.泰华生猪规模养殖生态系统仿真分析
• 6.1.1.泰华生猪规模养殖生态系统结构流图
• 6.1.2.系统结构流图的定量仿真分析
• 6.2.泰华生猪规模养殖生态系统结构反馈环计算
• 6.2.1.泰华生猪规模养殖生态系统结构强简化流率基本入树模型
• 6.2.2.泰华生猪规模养殖生态系统结构流图模型反馈环计算
• 6.3.泰华生猪规模养殖生态系统结构的主导反馈基模分析
• 6.3.1.泰华生猪规模养殖生态系统结构主导反馈基模实际意义的确定
• 6.3.2.主导基模一:"猪—沼液—水稻—收入"基模的反馈分析
• 6.3.3.主导基模二:"猪—沼—菜—收入"基模的反馈仿真分析
• 6.3.4.主导基模三:"猪—沼气—能源"基模的反馈仿真分析
• 6.4.本章小结
• 第7章 泰华生猪规模养殖生态系统管理对策实施工程设计与效益
• 7.1.管理对策实施工程的总体思路与工艺流程设计
• 7.1.1.管理对策实施工程总体思路
• 7.1.2.管理对策实施工程工艺流程
• 7.1.3.厌氧发酵工艺流程说明
• 7.2.管理对策实施工程基本建设投资预算
• 7.3.沼气能源综合利用工程设计
• 7.4.沼液的后处理和综合利用工程设计
• 7.4.1.沼液三级沉淀净化工艺流程
• 7.4.2.沼液、清水分流三级净化排灌工程
• 7.4.3.沼液季节性污染与冬闲田"猪—沼液—蔬菜"开发工程
• 7.4.4.山旱地"猪—沼—菜"工程设计与猪场规模的适度扩大
• 7.5.对策实施工程效益
• 7.5.1.沼气综合利用工程效益
• 7.5.2.沼液清水分流净化排灌工程效益
• 7.5.3.冬闲田、旱地开发"猪—沼液—蔬菜"工程效益
• 7.5.4.沼液综合利用工程综合生态效益
• 7.5.5.生猪（猪肉）产品效益
• 7.6.本章结论
• 第8章 管理对策的推广体系研究及实施
• 8.1.区域内中小规模养殖户发展制约与需求分析
• 8.2.生猪养殖专业合作经济组织与发展制约的消除
• 8.2.1.生猪养殖专业合作经济组织的概念
• 8.2.2.生猪养殖专业合作经济组织消除养殖户发展制约作用分析
• 8.3.泰华生猪养殖生态系统管理对策的推广体系
• 8.4.本章小结
• 第9章 结论、创新点与研究展望
• 9.1.主要研究工作和结论
• 9.2.论文的主要创新点
• 9.3.研究展望
• 致谢
• 攻读学位期间研究成果
• 参考文献