基于農用地作物磷養分需求的畜禽養殖廢棄物消納區域空間劃分

閻波杰, 潘瑜春

(1.閩江學院 地理科學系, 福建 福州350108; 2.福建省測繪工程技術研究中心,

福建 福州350108; 3.國家農業信息化工程技術研究中心, 北京 100097)

基于農用地作物磷養分需求的畜禽養殖廢棄物消納區域空間劃分

閻波杰1,2, 潘瑜春3

(1.閩江學院 地理科學系, 福建 福州350108; 2.福建省測繪工程技術研究中心,

福建 福州350108; 3.國家農業信息化工程技術研究中心, 北京 100097)

摘要：[目的] 根據區域農用地作物養分需求，從區域空間集聚現象對北京市大興區進行規模畜禽養殖廢棄物消納區域劃分研究，以期為畜禽養殖廢棄物的處理和環境污染防治、畜禽養殖場空間布局研究等提供依據。[方法] 基于遙感影像獲取農用地空間分布特征，利用空間關聯指數法進行農用地作物磷養分需求空間聚類分析，并利用GIS空間分析技術，基于養分平衡的角度進行計算分析。 [結果] 北京市大興區農用地磷養分需求的空間分布在整體上具有顯著的空間正相關性，整個大興區農用地大部分屬于畜禽養殖廢棄物消納一般區域，高區域主要集中在瀛海鎮、西紅門鎮、龐各莊鎮和魏善莊鎮，低區域主要集中在采育鎮和北藏村鎮。大興區8 481個農用地地塊被劃分成83個區域，其中區域中可消納畜禽養殖廢棄物磷養分平均量、最大量和最小量分別為1.10×105kg，9.75×105kg和2.38×103kg。而大興區各鎮可消納的畜禽養殖廢棄物磷養分量最多和最小分別是龐各莊鎮的13.54×106kg和亦莊鎮的9.54×105kg。 [結論] 提供了一種較快速的劃分畜禽養殖廢棄物消納區域、計算區域畜禽養殖廢棄物消納量及結果可視化表達的方法。

關鍵詞：空間聚類; 消納; 養分; 農用地

隨著畜禽養殖業不斷向規模化、集約化發展，大量的畜禽養殖廢棄物也隨之而來。畜禽養殖廢棄物是一種良好的養分資源，作為有機肥還田施用是主要出路，雖然畜禽養殖廢棄物作為農田作物養分是較理想的處理措施，但是，當一定區域內畜禽養殖數量及其產生的畜禽養殖廢棄物超出農田消納容量，將可能會引起較嚴重的環境污染問題[1]。尤其是在畜禽養殖量增長快速的區域，畜禽養殖廢棄物產生的環境污染風險較高，畜禽養殖密度越高，其產生的環境污染風險就越大，因此，在畜禽養殖數量多而耕地數量少的國家，畜禽養殖數量通常與作物的種植面積相關聯，必須根據耕地面積決定畜禽養殖數量[2]。此外，很多國家規定畜禽養殖場周邊必須有與之配套的農田來進行畜禽養殖廢棄物的消納，也有一些國家制定了養分施用最高限額標準，如歐盟規定農田最大氮和磷養分施用量分別不得超過170和35 kg/hm[3]。然而國內絕大多數規模畜禽養殖場都沒有相配套的農田，而其周邊的農用地大部分又分散在普通農戶手中，且農用田的種植結構隨機性較大，這對農田消納畜禽養殖廢棄物造成了障礙[4]。隨著畜禽養殖所帶來的環境污染問題越來越引起人們的重視，一些研究者已開始關注農田對畜禽養殖廢棄物的消納量及相關研究。如Médoc等[5]、李帷等[6]利用GIS技術分別對法國Grand-Ilet地區和北京市土地消納畜禽養殖場廢棄物量進行了研究，而閻波杰等[7]從農用地土壤對養分的消納能力和作物養分需求角度出發，研究了農用地土壤—作物系統對畜禽養殖廢棄物養分消納能力。沈根祥等[8]、王振旗等[9]分別從種養平衡的生態模式、作物氮磷養分需求研究了農作物畜禽養殖廢棄物養分的需求。但以上研究均缺乏對作為畜禽養殖廢棄物養分消納的農田區域進行劃分及可視化表達。

目前也很少有關于畜禽養殖廢棄物消納區域研究的相關報道，因此，本研究嘗試根據區域農用地作物養分需求，利用空間關聯分析方法從區域空間集聚現象進行規模畜禽養殖廢棄物消納區域劃分研究，以期為畜禽養殖廢棄物的處理和環境污染防治、畜禽養殖場空間布局研究等提供依據。

1材料與方法

1.1　研究區概況

大興區地處北京市南郊平原，地理坐標為東經116°13′—116°43′，北緯39°26′—39°51′，區位優勢得天獨厚。全境屬永定河沖積平原，地勢自西向東南緩傾，海拔14～52 m之間，土壤類型以砂性土、砂壤土為主。屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候。年平均氣溫為11.6 ℃，年平均降水量556.4 mm。轄區總面積約1 036 km2，轄14個鎮，526個行政村，總人口約57.6萬人，農用地面積約6.83×104hm2。由于區域優勢明顯，養殖業發展較快，主要養殖生豬、肉牛、奶牛、羊和各類家禽，2005年養殖業已占到農業總產值1/2以上。

1.2　資料收集處理

農作物種植相關信息主要來源于2006年《北京市大興區統計年鑒》和《北京市統計年鑒》。利用ArcGIS 9.3軟件和搜狗地圖中的遙感影像，通過目視解譯采用直接在高分辨率遙感影像上進行勾畫，實現2005年大興區土地利用狀況、農用地空間信息的采集。通過屏幕數字化、編輯和拼接完成大興區行政區劃圖、農用地空間分布圖(共獲取了8 481個農用地地塊，主要包括耕地、菜地、園地和設施農業用地)、土地利用狀況圖等的制作。

1.3　農用地作物養分需求估算

1.3.1農用地類別分布由于農用地類別分布含有大量的地理空間信息，因此，為確定農用地不同類別及具體的空間位置需依據資料收集處理中的結果。大興區的畜禽養殖廢棄物施用出處的主要為耕地、菜地、園地及設施農業用地，牧草有機肥的施用量亦相對較少，多施用牧草專用肥，盡管北京市林地量逐年增加，但因施肥習慣和經濟問題，有機肥均無投入，因此，將農用地類別分為耕地(主要種植糧食作物、花生和瓜類)、菜地、園地、設施農業用地(包括日光溫室、大棚等)[10]。相關的數據處理與分析主要經過投影變換、地圖矢量化、屬性數據的輸入等過程。

1.3.2作物類別分布大興區農作物種植業主要分為糧食作物、經濟作物、其他作物，其中糧食作物主要包括玉米、小麥、豆類、薯類，經濟作物主要包括花生、棉花、藥材、煙草等，其他作物包括蔬菜、青飼、瓜類、花卉等[10]。由于農用地種植的作物品種多，而不同品種的作物養分需求不同，因此，要準確確定農用地上具體的作物養分需求量是很難實現。可行的解決辦法是確定相對合理的作物養分需求，在一定程度上能代表各種作物目標產量所需的養分，其實質是對各種作物目標產量養分需求的加權平均值，因此，為便于估算作物養分需求，引入“模擬農作物”的概念[10]。

根據2005年大興區統計年鑒中的信息，冬小麥和玉米種植面積占糧食作物播種面積的91.5%，花生占油料作物的98.7%，番茄、黃瓜、胡蘿卜、菠菜、茄子、生菜、芹菜和大白菜等占全區蔬菜生產面積的80%以上，西瓜占瓜類種植面積的92.06%，果樹種植主要以梨、桃、蘋果和葡萄為主[10]。

基于上述分析，耕地確定以玉米、冬小麥、西瓜和花生為耕地模擬農作物的典型作物，菜地則以番茄、黃瓜、胡蘿卜、菠菜、茄子、生菜、芹菜和大白菜8種蔬菜為菜地模擬農作物的典型作物，園地則確定以梨、桃、蘋果和葡萄為園地模擬農作物的典型作物。

設施農業用地主要種植瓜類和蔬菜為主，其中主要以西瓜和西甜瓜為瓜類模擬農作物的典型作物，而設施農業用地中的蔬菜種植參考菜地模擬農作物的典型作物。

根據統計信息，這些典型作物基本能代表各農用地類別的農作物，以各種作物的播種面積占其所屬農用地類別總面積的比例為各自的權重，確定一種模擬的農作物以代表對應農用地類別上的作物[10]。

“模擬農作物”的單位面積養分需求等于每種主要農作物的單位面積養分需求與各自占播種面積合計的比例之積的總和，其計算公式為[10]：

(1)

式中：MCrop——“模擬農作物”的單位面積養分需求(kg/hm2)；Mi——每種主要農作物的單位面積養分需求(kg/hm2)；Ri——權重系數，表示每種農作物播種面積占所屬農作物種類中總播種面積的比例；i——農用地農作物種類；n——農用地主要農作物種類數。

根據各農用地類別所選擇的代表性農作物，參考《北京市測土配方施肥技術指南》中不同農作物在不同肥力等級下所能達到的目標產量和不同作物形成100 kg經濟產量所需吸收的養分量[11]，按照公式(1)可估算得到不同農用地類別形成目標產量所吸收的養分量(表1)。

表1　不同農用地類別形成目標產量所需

1.3.3農用地作物養分需求農用地作物養分需求與“模擬農作物”的單位面積養分需求及農用地面積的息息相關，其計算公式為[7]：

Nnutrient=MCrop·Sfarmland

(2)

式中：Nnutrient——某農用地作物養分需求(kg)；MCrop——“模擬農作物”的單位面積養分需求(kg/hm2)；Sfarmland——某農用地面積(hm2)。

1.4　空間關聯分析方法

(1) Moran’sI[14]指數計算公式為：

(3)

式中：Wij——空間權重矩陣，同樣空間范圍相鄰為1，不相鄰為0；Xi，Xj——在空間單元i和j的觀測值；X——觀測量平均值。Moran’sI的期望值E(I)為[15-16]

E(I)=1/(1-n)

(4)

采用z檢驗對Moran'sI結果進行統計檢驗[14]：

(5)

其中Var(I)為變異數。在給定顯著性水平時，若Moran’sI顯著為正，則表示農用地養分需求量較大的區域在空間上顯著集聚。反之，若Moran’sI顯著為負，則表明區域與其周邊區域的農用地養分需求量具有顯著的空間差異。僅當Moran’sI接近期望值1/(1-n)時，觀測值之間才相互獨立，在空間上隨機分布[14]。

(6)

(7)

2結果分析

2.1　大興區農用地作物磷養分需求空間分布特征

表1中氮、磷養分是不同農用地類別從低肥力等級到高肥力等級的一個范圍值，由于農用地在不同肥力等級下作物的目標產量存在一定的差異，參考全國耕地質量數據和相關研究文獻[17]，大興區除了農業設施農業用地，其他農用地基本都屬于中等肥力耕地，因此本文農用地的種植作物的目標產量普遍以中等肥力為估算標準，以表1中單位面積所需吸收的氮、磷養分量的均值計算。由于畜禽養殖廢棄物作為有機肥返田施用時，氮養分和磷養分是最受關注的，而畜禽養殖廢棄物中的氮養分和磷養分含量存在差異，但作物的氮養分的需求量一般是磷養分的3～5倍，因此為避免引起磷養分的過量，畜禽養殖廢棄物的施用量應以磷養分為標準[18]。其次，本文主要是為說明利用本方法實現畜禽養殖廢棄物消納區域空間劃分，因此，僅選擇農用地作物磷養分為參考值開展相關研究。按照公式(2)結合2005年大興區耕地面積，可獲得大興區農用地作物磷養分需求的估算結果(圖1)。圖1顯示農用地作物磷養分需求較大的農用地空間分布基本與設施農業用地空間分布情況相一致，如龐各莊鎮、瀛海鎮、舊宮鎮和黃村鎮等農用地區域，緣于這些區域的農業設施用地所占比例較大。從統計結果分析，大興區農用地作物磷養分2005年共需5 .73×106kg，其中平均值為675.17 kg，最低值為0.53 kg，最高值為1.57×104。大部分的農用地作物磷養分需求低于平均值，約占總農用地數目的65.38%。由于受限于具體的農用地肥力數據，本研究對農用地不同肥力等級下作物的目標產量所需吸收的養分量以均值代替與實際具體的農用地空間分布會存在一定的誤差，但基本滿足進行畜禽養殖廢棄物消納區域劃分研究的需要。

2.2　農用地作物磷養分需求空間聚類分析結果

圖1　大興區農用地作物磷養分需求空間分布

圖2　大興區農用地作物磷養分需求G*指數空間分布

2.3　畜禽養殖廢棄物消納區域劃分

畜禽養殖廢棄物消納區域劃定直接影響區域畜禽養殖場的空間布局。依據農用地作物磷養分需求的空間聚類分析結果，將大興區按農用地平均消納畜禽養殖廢棄物量劃分5類(圖3)：高區域(農用地平均消納磷養分為1 218.19 kg)、較高區域(農用地平均消納磷養分為908.86 kg)、一般區域(農用地平均消納磷養分為648.74 kg)、較低區域(農用地平均消納磷養分為489.00 kg)和低區域(農用地平均消納磷養分為415.03 kg)，其中各類型區域對應的總面積依次為7 990.49，3 145.09，44 819.96，6 874.95和4 171.56 hm2。

圖3　大興區畜禽養殖廢棄物消納區域空間劃分結果

結果表明大興區的農用地區域大部分屬于畜禽養殖廢棄物消納一般區域，高區域主要集中于大興區北部的城鄉結合帶和中部區域(主要包括魏善莊鎮和龐各莊鎮)，而城鄉結合帶由于距離市場較近往往也是畜禽養殖用地集中分布區域。閻波杰等[19]的研究表明大興區北部靠近北京市市郊區域、魏善莊鎮等的農用地畜禽養殖廢棄物氮負荷量都明顯高于其他鄉鎮。較低區域和低區域主要分布在大興區的東部，尤其是采育鎮，幾乎全鎮都屬于畜禽養殖廢棄物消納量較低區域和低區域，借鑒于歐盟標準，農田最大磷養分施用量一般不得超過35 kg/hm2，因此，在該地區需要嚴格控制農用地畜禽養殖廢棄物平均施用量，否則易引起環境污染問題。根據以上研究結果的基礎上，將大興區8 481個農用地地塊劃分成83個區域，并計算每個區域可消納畜禽養殖廢棄物磷養分量(圖4)，其中83個區域中可消納畜禽養殖廢棄物磷養分平均量、最大量和最小量分別為1.10×105kg，9.75×105kg和2 384.28 kg。獲得的83個區域可消納畜禽養殖廢棄物磷養分量是基于區域農用地消納畜禽養殖的能力，而不是基于各行政區域基礎上，但畜禽養殖量的統計幾乎都是基于行政區域開展的。因此，利用GIS空間分析技術將鎮級行政單元與該結果進行疊加分析可獲得大興區各鎮可消納畜禽養殖廢棄物磷養分量。結果表明龐各莊鎮可消納畜禽養殖廢棄物磷養分的最多，達到了1.35×107kg，可消納畜禽養殖廢棄物磷養分最少的是亦莊鎮，只有9.49×105kg。基于養分平衡的角度，參照李帷等[19]的研究表明低于10 kg/hm2的養分平衡水平表示農用地養分未剩余，超過10 kg/hm2，養分開始盈余，且盈余的養分有可能通過地表徑流、揮發等形式間接流失而對環境產生影響。因此基于上述分析，大興區各鎮最大可消納的畜禽養殖廢棄物磷養分量除農用地作物磷養分需求計算的結果外，還可消納基于農用地面積和10 kg/hm2的養分平衡水平的磷養分量，因此，各鎮最大可消納的畜禽養殖廢棄物磷養分量是上述兩者之和，結果顯示可消納的畜禽養殖廢棄物磷養分量最多和最小的仍是龐各莊鎮和亦莊鎮，分別為1.35×107kg和亦莊鎮的9.54×105kg。在最大可消納畜禽養殖廢棄物磷養分量結果的基礎上，利用畜禽養殖排泄系數法可進行各鎮畜禽養殖廢棄物可消納量及不同品種、規模的畜禽養殖量估算，從畜禽養殖的源頭控制由于畜禽養殖的過度集中或缺乏足夠的農用地進行消納畜禽養殖廢棄物所引起的一系列環境污染問題。

目前，出于減低養殖、運輸和銷售成本以及便于加工的需要，畜禽養殖不斷向交通發達、市場便利的大中城市周邊集中，有研究表明畜禽養殖的70%以上分布在對畜禽產品需求較大的東部地區及大中城市的城郊。因此，城市郊區環境承受壓力將越來越大，而本文的結果可作為這些區域快速確定畜禽養殖廢棄物消納處理的一個重要依據。尤其隨著遙感影像產品越來越多，如Quick bird，WorldView，GeoEye等高分辨率的遙感影像及多時相遙感影像的出現，可通過遙感影像快速獲取研究區域農用地種類空間分布圖，并依據研究區域的測土配方施肥技術指南中不同農作物在不同肥力等級下所能達到的目標產量和不同作物形成100 kg經濟產量所需吸收的養分量，可快速確定農用地的作物養分需求量，并以農用地的作物養分需求量作為消納畜禽養殖廢棄物的空間區域劃分及相關行政區域畜禽養殖廢棄物產生量及養殖規模控制的重要參照依據。因此，本方法在不同區域可以進一步的推廣應用，除了如本研究一樣計算可消納畜禽養殖廢棄物磷養分量，同樣也可計算消納畜禽養殖廢棄物氮、鉀養分量。但該方法也存在一定的限制性因素，譬如農用地不同作物的復種指數，復種指數越高對結果的估算會更加偏小。

圖4　大興區各劃分區域可消納的畜禽養殖

3結 論

但由于無法完全準確確定農用地上農作物的具體分布情況及精確的養分需求量，在研究中用占絕大部分播種面積的農作物進行代替及不同作物的復種指數的難以明確，因此農用地作物養分估算還存在著一定的誤差。另外，畜禽養殖廢棄物處理方式多樣，如外運、有機肥加工等，而本文只考慮了農用地的消納處理，研究結果與實際情況也會存在一定的差異，有待于以后進一步進行相關研究。

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Space Division of Absorbing Livestock Manure Areas Based on Phosphorus Nutrient Demand of Crops in Farmlands

YAN Bojie1,2, PAN Yuchun3

(1.DepartmentofGeography,MinjiangUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China; 2.SurveyingEngineeringandTechnologyResearchCenterofFujianProvince,Fuzhou,Fujian350108,China; 3.NationalEngineeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100089,China)

Abstract：[Objective] This paper tries to analyze the spatial division of absorbing capacity areas of livestock manure based on the nutrient demand of crops in Daxing district of Bejing City in order to provide supports for the treatment of livestock manure, the control of regional livestock feeding and spatial layout of livestock and poultry breeding. [Methods] The remote sensing technology was used to extract the spatial information of farmland, the space association index was used to analyze the spatial clustering of phosphorus nutrient demand of crops, and GIS spatial analysis technology was used to calculate and analyze the nutrient balance. [Results] In Daxing District of Bejing City, the spatial distribution of phosphorus demands of crops had significant spatial positive correlation on the whole. The most of farmlands belonged to the average level of absorbing capacity of livestock manure. The areas of high absorbing capacity of livestock manure mainly concentrated in towns of Yinghai, Xihong-men, Penggezhuang, and Weishanzhuang. The regions of low absorbing capacity of livestock manure mainly concentrated in towns of Caiyu and Beizangcun. The total of 8 481 farmlands was divided into 83 regions, of which the average, maximum and minimum absorbing phosphorus nutrient of livestock manure is 1.10×106kg, 9.75×105kg and 2.38×103kg respectively. The maximum and minimum absorbing phosphorus nutrient of livestock manure is 13.54×106kg in Penggezhuang town and 9.54×105kg in Yizhuang town. [Conclusion] This paper provides a method to quickly divide absorbing capacity areas of livestock manure and to calculate absorbing amount of livestock manure and visual expression.

Keywords:spatial clustering; absorb; nutrient; farmland

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0316-06

中圖分類號：X713， P208

收稿日期：2014-10-28修回日期：2014-12-03

資助項目：國家自然科學基金項目“基于MODIS BRDF產品的葉片聚集度系數遙感反演與驗證研究” (41271354); 福建省中青年教師教育項目(JA13259); 福州市科技項目 (2013-S-109); 閩江學院育苗項目(YKY1105); 閩江學院科技項目(MYK14012)

第一作者：閻波杰(1981—),男(漢族),浙江省寧波市人,博士,副教授,主要從事地理信息系統應用及農業信息化研究。E-mail:bnunercita@163.com。