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1、北京市畜禽粪便土地利用适宜性分析1 引言(Introduction) 人民生活水平的不断提高和农村产业结构的逐步调整促进了我国畜禽养殖业的快速发展，畜牧业产值占农业总产值的比重从1970年的14迅速增长到2005年的35(张克强等，2004；王凯军，2004)畜禽粪便作为有机肥施入农田不仅为作物提供养分、改良土壤，同时还是一种简便的废弃物处理途径(Younos，1990)然而，快速增长的畜禽粪便对农田以及环境带来了巨大的压力，已经导致了一系列的环境问题(Eghball et al，1994：Daniel et al，1994；Couillard et al，1993)，如：地下水硝酸盐污染、地
2、表水富营养化等，畜禽养殖已成为农村面源污染的主要原因之一(国家环境保护总局自然生态保护司，2000)由此可见，畜禽粪便的合理利用对于农业生产和环境保护都具有重要意义然而，如何合理利用畜禽粪便需要考虑多方面的因素，如农田养分水平、不同作物的养分需求、不同种类畜禽粪便的养分含量、以及粪便施用的区域条件，如土地利用类型、土壤质地、地形、与水体和居民区的安全距离、运输距离等(safley，1994) 近年来，畜禽养殖业对环境的影响越来越受到学者和政府的关注，国内不同地区开展了一些污染风险以及环境影响评价的工作在上海、江苏、浙江等省进行了基于耕地面积的畜禽粪便负荷估算和环境影响评价(沈根祥等，1994；
3、朱有为等，1998；张绪美等，2007)，王晓燕等(2005)对北京市密云县畜禽粪便耕地负荷也进行了估算和风险评价总体来讲，以上工作对于畜禽粪便环境影响和风险的分析主要基于粪便养分含量、作物养分需求等因素，但缺乏综合自然(如土壤、地形)、环境(如水体的分布)、社会(如居民区的分布)、经济(如交通)等因素对畜禽粪便土地利用适宜性及其相应环境影响风险的研究北京市的畜禽养殖水平和养殖量一直位居我国城市的前列(史光华，2004)2005年全市畜牧业产值占到农业总产值的505，高出全国平均水平168(中国农业年鉴编辑委员会，2006)综合考虑畜禽场数量、规模以及区域密度等，北京市排在全国省市的前10位，
4、其中，大中型畜禽养殖场的总量排在全国第2位(王凯军，2004)，集约化畜禽养殖水平达到80以上(史光华，2004)本研究以北京市为研究区域，综合考虑区域的自然、环境、社会和经济等多因素，利用GIS手段对北京市畜禽粪便的土地利用适应性进行分析，以期为北京市畜禽粪便的合理利用和畜禽养殖业的可持续发展提供科学依据2材料与方法(Materials and methods)21 研究区概况 北京市总面积164104 km2，2005年底全市耕地面积2310 4hm2，占土地总面积的142(张建军等，2006)地势西北高、东南低，海拔100 m以上的丘陵、山地占62北京属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均
5、降水量为6264 mm境内共有5个主要水系大小河流80多条，大小水库83座，其中密云水库、官厅水库是北京两大主要地表水源研究区域行政区划及地势、水系分布见图122 研究方法221 数据收集和预处理 北京市1：100000土地利用、1：250000耕地坡度、水系、行政区划和1：1000000土壤类型数据库来源于中国科学院环境科学数据中心北京市规模化养殖场资料来自北京市统计年鉴、部分区县养殖数据来自区县统计及调查资料本研究是基于定量化为主的畜禽粪便土地利用适宜性分析，为了便于不同空间数据层的叠加和运算，所有数据都统一为50 m50 m精度的栅格形式222 分析因子的选取及其标准化量化 畜禽粪便土地
6、利用的适宜性受多种因素的影响，国外在这方面开展了许多相关工作(schmitt et al，1997；Ma et al，1998；Koelshch，1999)本研究以我国以及其它国家地区出台的相关法规为依据，综合考虑自然、环境、社会和经济因素，重点选择6个因子作为畜禽粪便土地利用适宜性评价因子(Basnet et al.,2002)，具体因子及评价标准描述见表1 对于不适宜粪便土地利用的因子属性(如坡度大于25。，与水体距离小于100 m，砂质土壤等)需要从输入因子中扣除，其余因子的属性用0到l之间的线性连续数值来度量为了反映分析因子之间的关系及其差异，并使各因子的量值与畜禽粪便土地利用适宜性成
7、正相关，采用如下的归一化法对各个因子的初始值进行标准化处理当分析因子(与水体距离、与居民区距离)的值越大，表示畜禽粪便土地利用适宜程度越高时，采用计算式(1)进行标准化量化 当分析因子(坡度、与道路距离、与集约化养殖场距离)的值越小，表示畜禽粪便土地利用适宜程度越高时，则采用式(2)计算： 式中，Xi是第i个栅格单元的标准量化值；Ri为第i个栅格单元的值；Rmax是所有栅格数值的最大值；Rmin是所有栅格数值的最小值223 分析因子的权重 分析因子的权重是用于确定影响畜禽粪便土地利用适宜性的因素贡献大小本研究的分析方法参考Basnet等的研究成果(Basnet et al，2002)，采用目标
8、定位比较方法(Objective Oriented Comparison，OOC)，各个因子的权重和评价等级见表2224 畜禽粪便土地利用适宜性计算 根据已确定的各项因子的量化值Xi和权重，利用权重线性加和法(Weighted Linear Combination，WLC)来确定畜禽粪便土地利用的适宜性 式中，si为第i个栅格单元畜禽粪便土地利用的适宜值；Xj为第j个分析因子的量化值；Wj为第j个因子的权重；n为评价因子的个数计算得到的适宜值应该在0100范围内，将其等间距划分为5级，即A：低度适宜(适宜值范围020)；B：一般适宜(适宜值范围2140)；c：中度适宜(适宜值范围4160)；D
9、：比较适宜(适宜值范围6180)；E：高度适宜(适宜值范围81100)3结果(Results) 通过各因子的量化处理和计算，得出北京市各区县畜禽粪便土地利用适宜性分布(图2)总体看，北京市10个郊区县适宜施用畜禽粪便的耕地面积较少，仅353的耕地即16053 km2适宜施用畜禽粪便但是，根据适宜性分析发现，耕地施用畜禽粪便的适宜性存在明显的两极分化，647的耕地不适宜施用畜禽粪便，而适宜施用粪便的耕地中99为高度适宜，只有1为比较适宜的区域从图2中可以看出，北京市各区县适宜施用畜禽粪便耕地的分布差异很大全市适合施用畜禽粪便的耕地626分布在北京市东南部的大兴、通州和房山区，北部的昌平和顺义区也
10、占到了193，其它5个郊区县中适宜施用粪便的耕地只有零星的少量分布另外，从各区县适宜施用粪便的耕地占实际耕地的比例看，通州和大兴2个区内耕地适宜施用畜禽粪便的比例最高，分别占各自耕地的615和580门头沟虽然耕地面积最少，但是适宜施用畜禽粪便的耕地比例较高，占其总耕地的47房山和昌平2个区县也超过了30然而，顺义、延庆、怀柔、密云和平谷这5个区县中适宜施用畜禽粪便的耕地都低于30，尤其是密云和平谷，只有10左右的耕地可施用畜禽粪便而不造成环境污染风险 为进一步明确限制北京市各地区耕地施用畜禽粪便的主要因素，并可以有针对性的提出区域畜禽粪便土地利用的合理建议，根据各项因子(土壤质地、坡度、与水体
11、距离、与居民区距离、与道路距离、与养殖场距离)相应评价标准限制的耕地面积，对北京市10个郊区县进行聚类分析，结果如图3所示依据聚类分析可将北京市的10个郊区县分为4组：通州和大兴区为第1组(东南部区县)；平谷、延庆、怀柔和密云4个区县为第组(北部区县)；门头沟和房山为第组(西南部区县)，顺义和昌平为第组(中部区县)表3统计描述了4组区县内各评价因子对其耕地施用畜禽粪便的限制面积从表3中可以看出，6个因子对4个区域内耕地施用畜禽粪便面积的影响有所差异整体上看，F1(土壤质地)和F4(耕地施用粪便对居民区的影响)是限制耕地施用粪便的两个主要因子，但不同区域这两个因子影响面积不同，F1对第1组的东南
12、部2个区县影响很小，但对第、组北部6个区县的影响最大，第组的耕地受F1和F4影响都较大且基本相当相比其它区域，F3(施用粪便耕地与水体的距离)对第组的影响面积较大而耕地坡度(F2)、与道路(F5)和养殖场的运输距离(F6)对耕地施用畜禽粪便的影响不大4 讨论(Discussion) 41 影响各区县畜禽粪便土地利用的关键因子分析 北京市东南部区县(通州和大兴)是郊区县中耕地资源最丰富的地区，拥有的耕地均超过了各自土地面积的70，没有大于25。的坡耕地分布，而且耕地土壤基本为非砂质土，砂质土壤仅占耕地面积的25；因此，该地区适宜施用畜禽粪便的耕地面积最大(图2)，达到两区县总耕地的近60然而，2
13、个区县居民用地分布密集，参照与城镇居民区距离为250 m的畜禽粪便禁施要求，受到此因子限制的耕地面积为4877 km2(表3)，占耕地面积的347可见，避免对居民区的污染影响是东南部区县畜禽粪便耕地施用最主要的限制因子，而与道路的距离也影响了平均266 km2的耕地面积与东南部区县不同，顺义和昌平(中部区县)受土壤质地的影响比较大，其砂质土壤占到耕地总量的近12，面积达510 km2，按照我国畜禽养殖业污染防治技术规范(国家环境保护总局，2001)，这些区域不适宜施用畜禽粪便同时，防止对居民区的干扰也是限制顺义和昌平畜禽粪便耕地施用的一个重要影响因子，250m安全距离范围内的耕地占耕地总面积的
14、374由此可见，土壤质地和与居民区的距离是制约中部区县(顺义和昌平)畜禽粪便耕地利用的主要因素，尤其对于耕地资源非常丰富的顺义区影响更为明显，其可施用畜禽粪便的耕地仅为其耕地总面积的289随着城市化的快速发展，近年来北京郊区的耕地资源日趋减少，其中大部分转化为居民点和工矿用地等建筑用地(孙强等，2004；陈莹等，2007)统计显示，20002006年间建筑用地的974是由耕地转化而来，而大部分分布在昌平、顺义、大兴和通州等中部和东南部居民区用地分布密集的区县(陈莹等，2007)这种土地利用功能的变化必将一定程度地影响中部和东南部地区畜禽粪便的耕地施用北部和西南部区县(平谷、延庆、怀柔，密云和门
15、头沟，房山)是北京市的主要山区屏障(图1)，土地利用类型以林地为主，耕地资源有限，平均仅占各区县土地面积的195这些区县适宜施用畜禽粪便的耕地面积较小，占耕地总面积的216，尤其是北部区县(平谷、延庆、怀柔和密云)，畜禽粪便适宜施用区面积仅为耕地的166从其限制因子分析看，土壤质地是其主要限制因子之一，砂质土占到耕地总面积的727同时研究也显示，这些区县土壤沙化面积在不断发展，1999年和2005年2次土地荒漠化与沙化调查结果表明，北京市北部区县部分区域的沙化面积增加了2322 hm2(程复，2006)，这一趋势也将进一步减少该地区原本有限的畜禽粪便适宜施用区面积，使土壤质地的限制影响更为突出
16、同时，城镇化也是这些区县的主要发展方向，大量居民区的建设对耕地施用畜禽粪便有一定的限制影响，北部区县和西南部区县受限制的平均耕地面积分别达到1049 km2和1137 km2另外值得注意的是，北部的4个区县中距水体安全距离范围内的耕地面积远大于其它区县，4个区县共计1477 km2，占到耕地总面积的近10北部区县河流密集，密云和延庆分布着北京市的2大主要水库，与其它区县比较而言，避免对水体的污染是一个不可忽视的问题因此，从防止土壤侵蚀和水土流失造成的水体面源污染角度看，北京市的北部山区对畜禽粪便的施用应加强管理，配合防止土壤沙化的扩大，同时加强滨岸缓冲带的建立等多种污染控制措施总体讲，土壤质地
17、是影响北京市畜禽粪便土地利用的关键自然因素，与居民区的安全距离是限制畜禽粪便耕地施用的主要社会因素，而与水体的安全距离这一环境因素对耕地施用粪便也有较大的影响相对而言，耕地坡度、与道路距离和与养殖场距离这3个因素对北京市10个郊区县粪便耕地施用的影响不突出42 北京市畜禽养殖可发展水平和粪便施用建议 由以上的影响因子分析可见，北京市10个郊区县可施用畜禽粪便的耕地分布以及面积差异较大为充分了解和掌握这些地区畜禽养殖未来发展的可行性，以各区县现有适宜施用畜禽粪便的耕地面积为上限，以北京市耕地控制施肥量3375 kghm-2(以N计)(徐谦等，2005)为指标，对北京市各郊区县畜禽养殖最大承载量进
18、行估算，最终数据均以猪的标准头数表示(具体计算方法见文献(李帷等，2007)，最大承载量估算结果见表4 从表中看出，以耕地可承载N为评价指标，各区县的最大载畜量存在较大差异，最高与最低承载量之间的差距为136倍因为承载量与粪便适宜施用区的耕地面积和适宜值有关，因此与前面的论述一致，承载量大的区域仍然是东南部和中部区县(大兴、通州、顺义和昌平)，而北部区县(延庆、怀柔、密云和平谷)的最大载畜量较小 但是，最大可载畜量与未来养殖的可发展空间并不完全一致，根据现有的养殖量核算，已经有部分区县的养殖量超过了耕地的最大载畜量以耕地可承载N为依据，顺义、密云和平谷养殖产生的粪便已经超过耕地的承载能力顺义区
19、虽然拥有近200 km2的适宜区耕地面积，但由于其现有的养殖量居全市之首，已经有143万头(猪当量)的超额养殖而大兴和通州区，现有的养殖规模远低于耕地的可承载量，所以还具有较大的发展空间西南部的2个区县中，由于房山区适宜施用粪便的耕地面积较大，而门头沟区的现有养殖规模最小，故这2个区仍然具有发展空间；但是门头沟区的可发展容量较小，需要更好的布局及总量控制北部4区县中，延庆和怀柔现有的养殖量距最大承载量尚有一定距离，还可以适当发展养殖；而密云和平谷适宜施用畜禽粪便的耕地少且适宜值低，因而其可承载的畜禽量较低，现有的养殖量已经超出了耕地N的承载能力，所以需要控制养殖数量或合理布局养殖结构，尤其对于
20、氮排放较高的畜种应该加以限制综上所述，按照N的排放量计算，北京市10个郊区县未来养殖的发展空间差异较大，东南部区县养殖可发展的盈余量最大，北部区县的养殖已超额较多总体讲，以现有耕地承载畜禽粪便的水平，东南部区县的畜禽养殖还有较大的发展空间，而北部区县集约化养殖业进一步发展的空间很小由于不同畜种排放粪便的N量有所差异(Basnet et al，2002)，故可以从养殖类型和数量2个方面进行规划和布局5 结论(Conclusions) 1)综合考虑自然、环境、社会和经济因素，北京市10个郊区县适合施用畜禽粪便的耕地面积为16053 km2，占耕地总面积的353，主要分布在北京市的南部、东南部和中部
21、地区 2)根据各项影响因子分析，土壤质地是限制北部和中部区县畜禽粪便耕地施用的关键因子，与居民区的安全距离则是影响东南部和中部区县耕地施用粪便的主要因素；同时，与水体的安全距离也是北部和西南部山区县耕地施用畜禽粪便需要重点注意的问题 3)基于各项因子评价和现有畜禽养殖水平分析，北京市10个郊区县畜禽养殖可发展空间的差异较大，东南部和中部远郊的平原区(大兴、通州、昌平和房山东部)适合发展养殖业，可采取有效的管理措施以避免畜禽粪便土地利用的污染风险；北部和西南部远郊的低山丘陵区(延庆、怀柔、密云、平谷、门头沟、和房山中西部)应适度控制畜禽养殖业发展，合理布局养殖结构，控制和减少土壤沙化和水土流失，防止粪便可施用耕地的进一步减少；同时，考虑建立滨岸缓冲带来控制畜禽粪便土地利用对水体的污染李帷1，2，李艳霞1，*，林春野1，董云社2，韩杰3，韩伟11北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京1008752中国科学院地理科学与资源研究所，北京1001013北京城市系统工程研究中心，北京100089环境科学学报2009.4
