賈敏 陳英偉
(河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)院,河北 石家莊 050061)
隨著人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展,環(huán)境污染、全球變暖問題越來越嚴(yán)重,極端天氣頻發(fā),災(zāi)難造成的損失也越來越多。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告認(rèn)為,溫室氣體的大量排放所造成溫室效應(yīng)的加劇可能是全球變暖的基本原因,而溫室氣體中最主要的是CO2,其中世界農(nóng)業(yè)排放的CO2量約占全球CO2總排放量的34%[1]。英國(guó)氣候變化委員會(huì)曾指出,即使現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)排放相比于運(yùn)輸和能源供應(yīng)這兩方面的排放來說較低,但到2050年時(shí)極有可能成為最大的排放源之一[2]。隨著人們對(duì)氣候問題關(guān)注度的持續(xù)提升,農(nóng)業(yè)碳排放問題也越來越受到重視,研究不同農(nóng)業(yè)地點(diǎn)的碳動(dòng)態(tài)和平衡是必不可少的。
國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了農(nóng)業(yè)碳排放的相關(guān)研究。在農(nóng)業(yè)碳排放研究區(qū)域方面,曾大林等[3]分析了當(dāng)前中國(guó)各省區(qū)低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展存在的問題,同時(shí)發(fā)現(xiàn)河北省農(nóng)業(yè)碳排放量常年穩(wěn)居第3。張志高等[4]對(duì)河南省碳排放進(jìn)行預(yù)測(cè),而冉景成等[5]研究了新疆農(nóng)業(yè)碳排放峰值預(yù)測(cè)和影響因素。Prastiyo S E[6]研究了印度尼西亞農(nóng)業(yè)部門碳排放量與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系;Ali Basit[7]對(duì)印度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和二氧化碳排放之間的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)二氧化碳排放和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是共生的。
在探究環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系時(shí),有的利用環(huán)境成本會(huì)計(jì)核算方法進(jìn)行研究,也有的利用脫鉤理論、EKC曲線方法對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和環(huán)境污染關(guān)系展開研究[8-10]。
在農(nóng)業(yè)碳排放量預(yù)測(cè)方面,常采用灰色預(yù)測(cè)模型、STIRPAT模型等對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放峰值進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)[4,5]。此外,有采用差分進(jìn)化灰狼優(yōu)化改進(jìn)的支持向量回歸[11]對(duì)河北省碳排放總量進(jìn)行預(yù)測(cè),但碳排放總量不僅包含能源消費(fèi)量還有工業(yè)林業(yè)等部門的排放量,而且在驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的精確性時(shí)僅與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了對(duì)比。
我國(guó)不僅是農(nóng)業(yè)大國(guó),也是世界上最大的碳排放國(guó),在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)我國(guó)提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。河北省作為碳排放總量以及碳排放強(qiáng)度雙高的省份,控碳工作面臨極大的壓力,同時(shí)作為農(nóng)業(yè)大省,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平有待提高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程會(huì)排放出大量CO2,如何有效降低農(nóng)業(yè)碳排放量是亟待解決的問題,而有關(guān)河北省農(nóng)業(yè)碳排放情況的研究甚少,且主要通過灰色預(yù)測(cè)模型和STIRPAT模型做預(yù)測(cè)研究,輸入變量多為碳排放量的影響因素。因此本文在以下2個(gè)方面進(jìn)行了深入分析:研究視角上,主要研究河北省農(nóng)業(yè)碳排放情況,并將河北省農(nóng)業(yè)碳排放情況與山東省作對(duì)比,研究省域上的差異;研究方法上,本文采用差分進(jìn)化灰狼優(yōu)化改進(jìn)的支持向量機(jī)回歸模型(DE-GWO-SVR)對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)研究,同時(shí)改為將各碳源作為輸入變量,碳排放量由各碳源排放量求和所得,因此用來預(yù)測(cè)碳排放量效果會(huì)更好。并將結(jié)果與多個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證預(yù)測(cè)優(yōu)異效果,進(jìn)一步拓展機(jī)器學(xué)習(xí)在農(nóng)業(yè)碳排放預(yù)測(cè)的應(yīng)用。通過對(duì)河北省農(nóng)業(yè)碳排放情況的研究,了解當(dāng)前碳排放省情,為河北省節(jié)能減排工作提出合理化建議,加快建設(shè)綠色低碳、生態(tài)優(yōu)美的現(xiàn)代化河北新農(nóng)村。
C=∑Ci=∑Ei×δi
(1)
式中,C為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放總量;Ci為各類農(nóng)業(yè)碳源碳排放量;Ei為各碳排放源投入量;δi為各碳源的碳排放系數(shù),其中各碳源的碳排放系數(shù)取值如表1所示。
表1 農(nóng)業(yè)碳排放碳源、系數(shù)及參考來源
選取農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度作為衡量農(nóng)業(yè)碳排放水平的指標(biāo),由地區(qū)農(nóng)業(yè)碳排放量與該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值之比得到[12],用每單位農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)所帶來的碳排放量作為碳排放強(qiáng)度更科學(xué),更方便于進(jìn)行不同地區(qū)的對(duì)比。具體估算公式:
S=T/B
(2)
式中,S為碳排放強(qiáng)度;T為農(nóng)業(yè)碳排放總量;B為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值。
支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)是最受歡迎的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一,其基本思想是依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論,利用核函數(shù)將輸入樣本空間映射到高維特征空間,在這個(gè)高維空間中求得一個(gè)最優(yōu)分類面,得到輸入與輸出變量間的非線性關(guān)系[13]。支持向量機(jī)用于回歸時(shí)稱為支持向量回歸(SVR),在解決小樣本、非線性和高維模式識(shí)別等問題方面具有優(yōu)勢(shì),但其超參數(shù)設(shè)置將直接影響模型預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性和精確性,因此參數(shù)優(yōu)化尤為重要。
灰狼優(yōu)化算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)是由Mirjalili等于2014年提出來的一種新的群體智能優(yōu)化算法[14]。該算法模仿了自然界中灰狼的社會(huì)等級(jí)層次制度和狩獵機(jī)制。其中社會(huì)等級(jí)層次制度是指將灰狼劃為4個(gè)等級(jí),狩獵機(jī)制是將追蹤、包圍追捕和攻擊獵物等捕食任務(wù)分配給不同等級(jí)的灰狼來完成捕獵行動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的目標(biāo)?;依莾?yōu)化算法具有較強(qiáng)的收斂性能、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),但由于種群多樣性差使得算法有收斂速度不理想,易陷于局部最優(yōu)和早熟收斂等缺點(diǎn)。
差分進(jìn)化(Differential Evolution,DE)作為一類基于群體的自適應(yīng)全局優(yōu)化算法,由Rainer Storn[15]于1995年提出。其思想來源于遺傳算法,主要步驟為變異、交叉和選擇3個(gè)過程,實(shí)踐證明是速度最快的進(jìn)化算法,具有魯棒性、高效性等優(yōu)點(diǎn)。
將差分進(jìn)化和灰狼優(yōu)化相結(jié)合,利用差分進(jìn)化算法產(chǎn)生的差分變異增加灰狼種群的多樣性,可以改善早熟停滯的缺點(diǎn),同時(shí)保留灰狼算法全局最優(yōu)的搜索能力。用其改進(jìn)支持向量機(jī)回歸模型可高效地搜索到全局最優(yōu)解,提高模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
一般而言,農(nóng)業(yè)碳排放主要來源于6個(gè)方面[16],具體指標(biāo)如表2所示。
表2 農(nóng)業(yè)碳排放主要來源
本文樣本研究時(shí)期為2000—2019年,數(shù)據(jù)來源于《河北統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》和《山東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》等,其中翻耕面積使用當(dāng)年實(shí)際播種面積作替代,灌溉面積以當(dāng)年節(jié)水灌溉面積為準(zhǔn)。
總體來講,2000—2019年河北省農(nóng)業(yè)碳排放量呈現(xiàn)升降交替的趨勢(shì),見表3,分段來看,2000—2005年碳排放量急劇增加,從535.16萬t增加757.39萬t,年均增長(zhǎng)率為7.39%,其中2003—2004年增長(zhǎng)最為迅速,增長(zhǎng)率為20.12%;2007—2008年碳排放量迅速下降,從785.09萬t降到694.28萬t,年平均增長(zhǎng)率為-11.57%,可見為迎2008年北京夏季奧運(yùn)會(huì)開展的“藍(lán)天計(jì)劃”行動(dòng)減碳效果顯著。2015—2019年碳排放量迅速下降,從700.66萬t降到581.19萬t,年平均增長(zhǎng)率為-4.55%,說明河北省在“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)中取得了可喜的成就。從總體上來看,農(nóng)業(yè)碳排放量處于較高位,說明河北省節(jié)能減排工作壓力不減,未來還需鍥而不舍地打好節(jié)能減排攻堅(jiān)戰(zhàn)。
農(nóng)業(yè)碳排放源占比隨著時(shí)間的推移有所變化,但總體來看,最大的碳排放源化肥和第3大碳排放源農(nóng)業(yè)灌溉,都呈緩慢上升的趨勢(shì);第2大碳排放源為農(nóng)用柴油,總體上呈先降后升的趨勢(shì)。推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展,減少化肥、農(nóng)用柴油的使用,提升農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù),才能有效降低農(nóng)業(yè)碳排放量。
表3 2000—2019年河北省農(nóng)業(yè)碳排放量及環(huán)比增速
山東作為河北鄰近農(nóng)業(yè)大省,其農(nóng)業(yè)機(jī)械化、規(guī)?;彤a(chǎn)業(yè)化都走在全國(guó)前列,兩省氣候溫差相近,種植農(nóng)作物種類相似。將河北與山東農(nóng)業(yè)碳排放量及碳排放強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,以探究有何異同,對(duì)研究河北具有重要指導(dǎo)意義。一般來說,農(nóng)業(yè)技術(shù)水平低、能源利用效率差會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度高,而結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然山東的農(nóng)業(yè)碳排放量一直高于河北,但山東農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度年均為0.3313t·hm-2,河北年均農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度為0.3937t·hm-2,兩省相差無幾,且都呈先上升后下降的趨勢(shì),表明兩省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展政策成效顯著,同時(shí)說明河北省農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)方式正由粗放型向低碳節(jié)約型的綠色農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變,農(nóng)業(yè)技術(shù)水平以及能源利用效率在逐年提升,向全國(guó)前列靠近,省域差距在逐漸減小。
圖1 兩省農(nóng)業(yè)碳排放總量及碳排放強(qiáng)度
2.3.1 模型的構(gòu)建
庫(kù)茲涅茨曲線(EKC)常用來研究環(huán)境破壞程度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系,其倒U型反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境改善的有益影響,在考慮污染物流動(dòng)的短期路徑方面更為有效。后經(jīng)多次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該曲線存在倒U型、U型、倒N等多種形狀,為找出最合理EKC曲線,本文構(gòu)建如下3種模型,并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化選擇:
Yt=β0+β1Xt+ε
(3)
Yt=β0+β1Xt+β2(Xt)2+ε
(4)
Yt=β0+β1Xt+β2(Xt)2+β3(Xt)3+ε
(5)
式中,Yt表示第t年農(nóng)業(yè)碳排放量;Xt表示第t年人均農(nóng)業(yè)生產(chǎn)值;β0表示常數(shù)項(xiàng);β1、β2、β3表示待定參數(shù);ε表示隨機(jī)誤差項(xiàng)。
2.3.2 模型的選取與分析
通過SPSS對(duì)模型進(jìn)行擬合,結(jié)果如表4所示。
表4 模型結(jié)果
由表中ANOVA檢驗(yàn)的P值及復(fù)相關(guān)系數(shù)R2可以確定本文選用三次模型對(duì)河北省農(nóng)業(yè)庫(kù)茲涅茨曲線進(jìn)行分析更合適,模型方程:
Yt=287.191+0.05lnXt-1.718×10-6(Xt)2+
1.679×10-11(Xt)3
(6)
式(6)表明河北省農(nóng)業(yè)碳排放量與人均農(nóng)業(yè)GDP之間呈正N型曲線關(guān)系。從圖2曲線擬合情況來看,在2007年以前河北省農(nóng)業(yè)碳排放量隨著人均農(nóng)業(yè)GDP的增加而增加,二者呈正比關(guān)系;2007至今隨著人均農(nóng)業(yè)GDP不斷上升的過程中,農(nóng)業(yè)碳排放量逐漸下降,兩者呈反比關(guān)系。與傳統(tǒng)的倒U型曲線不同,河北省環(huán)境質(zhì)量隨著GDP的增長(zhǎng),環(huán)境污染逐漸嚴(yán)重,環(huán)境惡化程度隨經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)而加??;當(dāng)GDP發(fā)展到達(dá)拐點(diǎn)之后,隨著治理深入,環(huán)境污染的程度減輕,環(huán)境質(zhì)量逐漸改善,但隨著經(jīng)濟(jì)的繼續(xù)發(fā)展到下一個(gè)拐點(diǎn)后,環(huán)境污染程度又會(huì)逐漸增加。目前來看河北省處于下一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左側(cè),接下來一段時(shí)間農(nóng)業(yè)碳排放量會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸下降,但要注意如果到達(dá)極小點(diǎn)后河北省環(huán)境質(zhì)量隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)有所惡化,應(yīng)采取有效措施避免拐點(diǎn)再次出現(xiàn)。
圖2 河北省碳排放庫(kù)茲涅茨曲線
本文采用Matlab 2016b的libsvm 3.25工具箱進(jìn)行模型訓(xùn)練,為了驗(yàn)證DE-GWO-SVR模型對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性,除了與原始SVR模型形成對(duì)照外,還與差分進(jìn)化改進(jìn)的支持向量機(jī)模型、灰狼優(yōu)化的支持向量機(jī)模型進(jìn)行對(duì)比。為使對(duì)比公平合理,幾種算法采用的主要初始參數(shù)都相同,訓(xùn)練集與測(cè)試集比例設(shè)為7∶3,核函數(shù)采用徑向基函數(shù),優(yōu)化算法中種群規(guī)模設(shè)為10,最大迭代次數(shù)設(shè)為150,交叉概率為0.5。
圖3 模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖
圖3描述了4種模型測(cè)試集的預(yù)測(cè)結(jié)果,由圖3可知,差分進(jìn)化和灰狼優(yōu)化相結(jié)合改進(jìn)的支持向量回歸模型的預(yù)測(cè)效果與差分進(jìn)化改進(jìn)的支持向量回歸模型相差不大。為進(jìn)一步比較幾種模型的預(yù)測(cè)效果,通過均方誤差MSE、決定系數(shù)R2和時(shí)間提高百分比T 3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同預(yù)測(cè)模型的性能,具體結(jié)果如表5所示。
表5 不同算法對(duì)比
由表5可知,與原始的SVR模型相比,其他3種優(yōu)化算法均可以顯著提升預(yù)測(cè)模型的均方誤差MSE、決定系數(shù)R2和時(shí)間提高百分比T。其中DE-GWO-SVR模型多方面高效,均優(yōu)于其他2種模型,時(shí)間效果提高最為明顯。由此可見本文選擇該模型作為農(nóng)業(yè)碳排放量預(yù)測(cè)模型是合理的。通過時(shí)間序列分析的ARIMA模型對(duì)6種碳源未來6a的碳排放量進(jìn)行預(yù)測(cè),然后將預(yù)測(cè)結(jié)果帶入DE-GWO-SVR模型得到2020—2025年農(nóng)業(yè)碳排放總量預(yù)測(cè)值,列于表6。由預(yù)測(cè)結(jié)果可知,2020年以后河北省農(nóng)業(yè)碳排放量在逐漸下降,2025年河北省農(nóng)業(yè)碳排放量為561.7182萬t,較2000年增加了4.96%,說明河北省節(jié)能減排工作有所成效,但仍需努力。
表6 2020—2025年河北省農(nóng)業(yè)碳排放預(yù)測(cè)結(jié)果
總體來講,2000—2019年河北省農(nóng)業(yè)碳排放量呈現(xiàn)升降交替的趨勢(shì),碳排放量從535.16萬t增加到581.19萬t,年平均增長(zhǎng)率為0.73%。經(jīng)過對(duì)農(nóng)業(yè)主要污染物研究發(fā)現(xiàn),前3大碳排放源分別為化肥、農(nóng)用柴油和農(nóng)業(yè)灌溉。
碳排放強(qiáng)度變化趨勢(shì)表明,河北省農(nóng)業(yè)正由粗放型向低碳節(jié)約型的綠色農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。同時(shí)河北農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度略低于山東省,也說明河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)水平以及能源利用效率在逐漸提升,向全國(guó)前列靠近,省域間差距在逐年減小。
河北省農(nóng)業(yè)環(huán)境污染與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)呈N型,環(huán)境惡化程度隨農(nóng)業(yè)人均生產(chǎn)值的增加呈先加劇后減輕再加劇的趨勢(shì),且已在2007年到達(dá)第1個(gè)拐點(diǎn),目前來看,河北省處于第2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的左側(cè),接下來一段時(shí)間農(nóng)業(yè)碳排放量會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸下降,但到達(dá)極小點(diǎn)后河北省環(huán)境質(zhì)量隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)有所惡化,應(yīng)采取有效措施避免拐點(diǎn)再次出現(xiàn)、協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系。
根據(jù)模型預(yù)測(cè),2020—2025年河北省農(nóng)業(yè)碳排放量逐年下降,由680.47萬t下降到561.59萬t,但較2000年相比仍上升了4.94%,說明河北省節(jié)能減排工作有所成效,但仍需不斷發(fā)力。
在降低農(nóng)業(yè)碳排放量方面,從源頭出發(fā),提高碳排放源的利用率,同時(shí)減少使用量。重點(diǎn)落在前3大碳排放源,具體措施:指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者利用微生物替代化肥技術(shù)降低化肥使用強(qiáng)度,推廣水溶肥料、作物專用肥等新型肥料產(chǎn)品;向農(nóng)民普及農(nóng)用機(jī)械節(jié)油駕駛技術(shù)的相關(guān)知識(shí)和方法以減少農(nóng)用柴油的消耗,同時(shí)加大農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼力度鼓勵(lì)農(nóng)民購(gòu)買新型環(huán)保農(nóng)業(yè)機(jī)械;推廣膜下滴灌、噴灌等節(jié)水技術(shù),加快節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
在推動(dòng)河北省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化方面,仍需不懈努力,縮小與山東的差距,早日邁入全國(guó)前列。學(xué)習(xí)山東先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù),發(fā)展特色農(nóng)業(yè),注重產(chǎn)業(yè)化和品牌化協(xié)同發(fā)展,并且加大廣告宣傳,提高特色農(nóng)產(chǎn)品的知名度。提高核農(nóng)業(yè)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)等高新農(nóng)業(yè)技術(shù)手段,并將這些技術(shù)落實(shí)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū),以促進(jìn)河北省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。
在農(nóng)業(yè)碳排放污染治理方面,發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)注意保護(hù)環(huán)境,避免拐點(diǎn)再次出現(xiàn)。因地制宜,根據(jù)不同地形不同環(huán)境種植污染小、成本低、經(jīng)濟(jì)系數(shù)高、高附加值的農(nóng)作物,如蔬菜、玉米等,打造健康農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè),使河北省長(zhǎng)期保持環(huán)境惡化程度隨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)逐漸減輕的趨勢(shì)。
保持農(nóng)業(yè)碳排放量逐年下降的趨勢(shì),堅(jiān)持節(jié)能減排工作不動(dòng)搖。加大惠農(nóng)強(qiáng)農(nóng)政策支持力度,按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn),建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)示范基地,推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整,爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳排放量零增長(zhǎng)甚至負(fù)增長(zhǎng)。