基于GIS的規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價研究*

閻波杰 王筆欽 李亞星

(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)

隨著畜禽養殖業的快速發展，尤其是規模化、集約化的養殖場不斷增加，使養殖業污染愈加嚴重。研究表明，畜禽糞便的運輸距離是有限的，糞便基本施用在養殖場附近，若局部區域施用的畜禽糞便量超出農田消納容量，將造成水體、土壤等污染，引發嚴重的環境問題[1-2]，尤其是養殖業的不合理布局，已引起嚴重的環境污染問題[3]。另外，畜禽養殖場為便于運輸，大多建在大中城市近郊，由于城市近郊無足夠的土地消納大量畜禽糞便，給大中城市帶來了巨大的環境壓力[4-5]。如何在畜牧業現代化養殖發展中，合理發展規模養殖、調整養殖結構與布局，成為各級政府、農牧部門和廣大研究者關注的熱點。

目前，很多學者開始關注養殖場空間布局及土地適宜性問題。如周愛平[6]采用單位耕地面積污染物排放量這一指標，分析某縣畜禽養殖空間分布格局的合理性，提出并運用畜禽養殖當量計算縣域環境承載力及其分布格局。GERBER等[7]則通過養殖場生產經濟效益、環境影響、公共和動物衛生保護、農村發展和減少貧困等4個目標，對養殖場土地適宜性進行了分析研究。閻波杰等[8]重點考慮耕地土壤環境污染影響指標，對北京市大興區畜禽養殖場空間布局進行了研究。也有學者研究分析了影響養殖場空間布局的因素，如劉巧芹等[9]發現養殖場與消費市場的距離是影響畜禽養殖場布局的一個重要因素，且畜禽養殖用地分布與居民點和道路的空間相關性都很強。周力[10]研究分析了環境規章制度與養殖場空間分布位置的潛在聯系及養殖污染的影響。虞祎[11]從生產和消費兩個角度進一步驗證環境規章制度在生豬生產布局變動中的作用，并通過對江蘇鹽城、揚州養殖場的調查，從微觀層面驗證環境規章制度對養殖場空間布局及相關決策具有重要的影響。但以上研究較少考慮畜禽養殖廢棄物還田施用這一因素，更多考慮經濟、自然、制度、公共衛生與防疫安全、環境等影響因素。而畜禽養殖廢棄物含有豐富的養分資源，自古以來就一直被作為有機肥返還農田[12-13]。因此，為了確保畜禽養殖生產的可持續發展，在進行規模化畜禽養殖場空間布局時應考慮畜禽養殖廢棄物返田施用。

本研究利用地理信息系統(GIS)空間分析技術，著重考慮畜禽養殖廢棄物作為肥料返田施用方便性這一因素，綜合自然、經濟、環境污染、土地利用等因素構建了規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價體系，以期為相關部門在畜禽養殖業的科學合理規劃布局提供管理決策支持，也為畜禽養殖業快速、健康、可持續發展提供借鑒作用。

1 研究區概況及數據處理

1.1 研究區概況

閩侯縣位于福建省東部、福州市西南側、閩江下游，呈月牙形，是福建省最靠近省會城市的市郊縣，地處25°47′～26°37′N，118°51′～119°25′E。全縣總面積21.3萬hm2，農田占17.37%，其中以水田、旱地和菜地為主。近幾年，伴隨著經濟水平的快速發展，閩侯縣畜禽養殖業的生產規模日漸擴大，正朝著規模化、集約化、現代化等方向迅速發展，畜禽養殖業已成為閩侯縣農業發展的一大支柱產業。目前，畜禽養殖業帶來的污染不斷加重，其產生的大量畜禽糞便等廢棄物與有限的農田資源形成尖銳矛盾。因此，為了促進閩侯縣畜禽養殖業持續、健康的發展，迫切需要對畜禽養殖場進行科學、合理的空間布局規劃。

1.2 數據收集與處理

收集閩侯縣高分辨率遙感影像圖、閩侯縣行政區劃圖、高程、耕地相關信息等原始數據。以閩侯縣高分辨率遙感影像圖、閩侯縣行政區劃圖與土地利用現狀圖作為底圖，利用ArcGIS10軟件進行配準、校正、數字化提取等處理步驟以獲取研究區域的道路、居民點、市場、水體等信息(見圖1)，并通過統計年鑒、實際現場調查等手段獲取畜禽養殖相關屬性信息。綜合上述信息，建立畜禽養殖多用途空間數據庫。

圖1 閩侯縣規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價數據處理結果Fig.1 Spatial pattern of factors influencing suitability evaluation of industrial livestock and poultry farms in Minhou County

1.3 畜禽養殖多用途空間數據庫構建

1.3.1 畜禽養殖多用途空間數據整合和共享

由于畜禽養殖業資源數據采集方式、存儲格式和尺度(包括空間尺度和時間尺度)不同，使得數據精度等存在較大的差異及系統或數據庫數據組織的復雜性引起養殖業數據的存儲方式和結構、數據尺度、數據組織等方面的多樣性[14]。要整合這些數據，首先，需要對畜禽養殖數據進行規范化處理，主要包括空間數據與屬性數據在空間、時間、度量單位及數據分類標準的一致性等[15]。其次，將多源多尺度的數據資源經過數據提取、清洗、轉換、集成和裝載后，建立各尺度、各專題層次的養殖業資源數據庫、基礎地理數據庫、遙感影像庫、統計數據庫和各種文檔多媒體數據庫[16]。同時，建立畜禽養殖信息的元數據目錄數據庫，主要包括畜禽養殖數據的來源、采集方式、時間、內容、數據轉換方式及相關信息的描述等。

面向對象的技術是當今信息技術領域極具潛力的模型和系統構造方法，是一種分析問題和解決問題的新方法。相比于傳統的結構化程序設計，面向對象的技術主要以類和類的實例化對象為中心[17]。由于畜禽養殖信息涉及到大量的復雜空間信息，而畜禽養殖空間信息資源的共享與互操作是畜禽養殖多用途空間數據庫設計實現的難點。面向對象的GIS數據模型則可以將畜禽養殖的空間數據和屬性數據有效地融合在一起，對于處理畜禽養殖信息涉及到的復雜地理對象具有極大優越性。

1.3.2 畜禽養殖多用途空間數據庫構成

畜禽養殖多用途空間數據庫主要包含基礎地理數據庫、遙感/航空影像數據庫、畜禽養殖地理編碼數據庫、畜禽養殖專題數據庫及元數據庫。而畜禽養殖專題數據庫包括文檔資料庫、畜禽養殖空間數據庫、畜禽養殖屬性數據庫、畜禽養殖多媒體數據庫等。具體的數據庫主要為基礎地理信息表(水系表、土地利用狀況信息表、行政村信息表、行政鎮信息表、道路信息表)、規模養殖品種信息表、散養信息表、生產資料信息表、散養品種信息表、養殖廢棄物管理信息表(養殖糞便排放系數表、養殖尿排放系數表和廢棄物沼氣產量系數表)、養殖設施信息表、管理人員信息表、生產記錄信息表(日產量、物質消耗量等)、養殖消毒信息表等。其中主要信息表之間的相互關系見圖2。

2 評價方法與步驟

2.1 評價指標的確定

影響規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價的因素很多，如地形、交通狀況以及土地利用狀況等因素，且各因素存在較大的差異性。其中有些因素是主要的，決定著規模化畜禽養殖場空間布局適宜性的好壞，而有些因素的作用是次要的，可忽略的。很多規模化畜禽養殖場出于降低養殖、運輸、銷售成本等需要，往往更多考慮經濟方面的影響因素，如與道路、市場的距離等，較少考慮與耕地的距離。而許多發達國家規定畜禽養殖場周圍必須有與之配套的農田來消納畜禽糞便，從而在農場范圍內形成農牧良性循環[18-19]。近年來，畜禽養殖場帶來的各種環境污染越來越突出，而畜禽養殖廢棄物的最好出路是作為肥料返田施用，既可以作為農田作物的肥料，又可避免畜禽養殖廢棄物成為環境污染源[20]。基于上述思路，本研究著重考慮與耕地的距離這一指標，并按照定量與定性分析相結合、綜合分析與主導因素相結合等原則，統籌考慮，通過廣泛收集研究區域資料，并結合實地調研及各有關部門專家的意見，選擇坡度、與道路距離、與市場距離、土地利用狀況、與居民區距離、與水體距離及與耕地距離作為參評因子。此外，為防止規模化畜禽養殖場產生的大量NH3、硫化物和甲烷等有毒有害氣體對畜禽養殖生產及居民生活的影響，規模化畜禽養殖場空間位置還應考慮風向因素。

為獲取適宜性評價的指標系數，采用因子量化方法對規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價各指標進行無量綱化變換處理，量化指標系數再乘以100即因子的標準化值[21-22]。對閩侯縣規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價因子按100分制標準進行打分，其中最高級別為滿分100分，其余各級別分值按照實際指標值對畜禽養殖場空間布局適宜性影響衰減程度賦予不同分值。規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價指標體系如表1所示。

2.2 評價指標權重的確定

評價指標權重體現了各評價因子對評價結果的貢獻程度，將德爾菲法和層次分析法相結合確定適宜性評價指標的權重。通過征求專家意見，采用德爾斐法對因子重要性進行排序，建立構造判斷矩陣、計算判斷矩陣的最大特征根和對應的特征向量，最后檢驗判斷矩陣的一致性，將一致性指標與平均隨機一致性指標進行對比，其中判斷矩陣的平均隨機一致性比例為0.023<0.10，因此判斷矩陣具有令人滿意的一致性，可將各評價因子的排序權值作為各評價因子的權重，結果見表2。

注：PK指數據庫的主鍵，作為與其他表格關聯的依據。圖2 多用途空間數據庫主要信息表關系Fig.2 The diagram of relation between main information tables of multipurpose spatial database

分值100806040200坡度/(°)<55～<88～<1212～<1616～<25≥25與道路距離/km0.1～<0.50.5～<1.01.0～<2.02.0～<5.0≥5.0<0.1與市場距離/km<11～<22～<33～<43～<5≥5土地利用狀況荒地草地沙地林地園地耕地與居民區距離/km0.5～<1.01.0～<2.02.0～<3.03.0～<5.0≥5.0<0.5與水體距離/km0.3～<1.01.0～<2.02.0～<3.03.0～<4.0≥4.0<0.3與耕地距離/km<0.30.3～<0.80.8～<1.51.5～<2.02.0～<3.0≥3.0

2.3 規模化畜禽養殖場空間布局適宜性等級評定

根據規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價指標體系，結合各評價指標的權重及無量綱化變換處理得到的評分結果，采用得分加權法計算總得分，建立規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價模型(見式(1))。

(1)

式中：S為規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價總得分；Xi為第i個評價指標得分；λi為第i個評價指標的權重值；n為評價指標個數。

3 結果分析

利用上述評價方法獲得閩侯縣規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價結果。結合閩侯縣的實際情況，將適宜性評價綜合得分通過等距分級法確定適宜性分級方案，并依據分級方案將適宜性評價結果劃分為禁養區、不適宜區、比較適宜區和適宜區4個等級，結果見圖3。考慮到規模化畜禽養殖場的可持續發展，規模化畜禽養殖場應有足夠大的場地面積，一般要求20 000 m2以上[23-24]。另外，由于規模化畜禽養殖場會產生有毒有害氣體，從環境污染的角度出發，規模化畜禽養殖場位置需要考慮當地的風向變化，根據對閩侯縣氣候風向條件分析得出閩侯縣的主導風向為東南風。因此，規模化畜禽養殖場最好建設在居民地、水體等的西北方，從而可減少其對周邊的空氣、土壤和水體造成的污染、家畜傳染病、寄生蟲病和人畜共患病等的傳播。根據閩侯縣東南風的氣候風向條件，結合規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價結果，獲得閩侯縣規模化畜禽養殖場空間布局最適宜區域，結果見圖4。綜合考慮后，閩侯縣規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價結果劃分為由居民區、道路、各種水體和農田保護區等組成的禁養區以及不適宜區和適宜區(細分為一般適宜區、比較適宜區和最適宜區)構成。

(1) 禁養區：主要在閩侯縣的東南區域，包括區域內現有的居民地、道路、水體等。具體主要包括上街鎮大學城、南通鎮北部、南嶼鎮南部及尚干鎮、祥謙鎮、青口鎮北部等區域，面積為346.29 km2，占閩侯縣總面積的16.27%。尤其是閩侯縣上街鎮的大學城區域，是政府嚴格劃定的畜禽禁養區。

(2) 不適宜區：除了各鄉鎮用于農業發展的耕地區域，不適宜區域主要包括南嶼鎮西部、洋里鄉北部、大湖鄉北部、鴻尾鄉及延坪鄉西北部等區域，面積為1 114.07 km2，占總面積的52.36%。其中大湖鄉、延坪鄉、洋里鄉和鴻尾鄉等群山環抱，海拔較高，交通不便，尤其是大湖鄉和延坪鄉靠近鰲江(塘坂)水源地，屬于閩江流域中游，且部分區域位于下風口。若建設規模化畜禽養殖場，有可能會引起水體污染。一旦造成水體污染，閩江下游將會受到很大影響，因此這些區域不適合建設規模化畜禽養殖場。

(3) 適宜區：閩侯縣適宜區主要分布于南嶼鎮北部、南通鎮東部、青口鎮和小箬鄉的部分區域，占閩侯縣總面積的31.37%。一般適宜區面積約占總面積的25.33%，比較適宜區面積占總面積的5.23%，而最適宜區主要位于上街鎮北部、南通鎮東北部及荊溪鎮除禁養區和不適宜區之外的其他區域，總面積為17.38 km2，占閩侯縣總面積的0.47%。由于這些區域與下風口尚有一定的距離，因此可降低由規模化畜禽養殖場產生的有毒、有害臭氣對周邊環境空氣的污染風險。此外，這些區域周邊分布著大量的耕地資源，畜禽養殖廢棄物還田施用于耕地，不僅可增加耕地的肥力，也可減少畜禽養殖廢棄物造成環境污染的風險。同時，以上區域地勢平坦且交通便捷，有利于飼料、產品的運輸以及畜禽的出入欄。最后，這些區域緊靠市場，不僅能節省大量的運費開支，也可快速將畜禽產品投入市場。綜合上述分析，這些區域很適合發展規模化畜禽養殖業，實現畜禽養殖業的可持續快速發展。

圖3 閩侯縣規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價結果Fig.3 Result of spatial layout suitability evaluation of industrial livestock and poultry farms in Minhou County

圖4 規模化畜禽養殖場空間布局最適宜區域Fig.4 Optimum region for spatial layout of industrial livestock and poultry farms

4 結語和展望

(1) 采用面向對象技術建立了畜禽養殖多用途空間數據庫，該數據庫滿足了規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價的需要，實現了養殖規模量、畜禽品種及畜禽養殖廢棄物養分的轉換等一系列信息的共享。

(2) 基于畜禽養殖多用途空間數據庫，并利用GIS空間分析技術，著重考慮畜禽養殖廢棄物作為有機肥返田施用這一因素，綜合自然、經濟、環境污染、土地利用等因素構建了規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價體系，并且以閩侯縣為例進行實際的應用研究。從結果分析，閩侯縣現有的土地面積中，大部分不適宜建設規模化畜禽養殖場，占閩侯縣總面積的68.63%，一般適宜區面積約占總面積的25.33%，比較適宜區面積占總面積的5.23%，而最適宜區主要分布在上街鎮北部、南通鎮東北部、荊溪鎮等區域，只占閩侯縣總面積的0.47%。

(3) 在研究過程中，受時間、資料與研究手段等多方面因素的限制，存在一定的不足，如采用德爾菲法和層次分析法確定各評價指標的得分。由于受專家的知識、經驗的差異，使得規模化畜禽養殖場空間布局適宜性評價結果存在一定程度的主觀性。

[1] 王新謀.家畜糞便學[M].上海：上海交通大學出版社，1997.

[2] 閻波杰，潘瑜春，趙春江.畜禽廢棄物養分資源分配方法研究——以北京市大興區為例[J].資源科學，2010，32(5)：951-958.

[3] 侯麟科，仇煥廣，崔永偉，等.環境污染與畜牧業空間布局研究[J].長江流域資源與環境，2011，21(12)：65-69.

[4] 李遠.我國規模化畜禽養殖業存在的環境問題與防治對策[J].上海環境科學，2002，21(10)：597-644.

[5] 宋大平，莊大方，陳巍.安徽省畜禽糞便污染耕地、水體現狀及其風險評價[J].環境科學，2012，33(1)：110-116.

[6] 周愛平.縣域畜禽養殖空間分布格局優化研究——以金溪縣為例[D].南昌：南昌大學，2013.

[7] GERBER P J，CARSJENS G J，PAK UTHAI T，et al.Decision support for spatially targeted livestock policies：diverse examples from Uganda and Thailand[J].Agricultural Systems，2008，96(1/2/3)：37-51.

[8] 閻波杰，潘瑜春，趙春江，等.縣域畜禽養殖場空間布局規劃適宜性評價[J].地理研究，2010，29(7)：1214-1222.

[9] 劉巧芹，潘瑜春，張清軍，等.基于GIS的北京市城郊農村土地利用格局分析[J].農業現代化研究，2009，30(4)：457-460.

[10] 周力.產業集聚、環境規制與畜禽養殖半點源污染[J].中國農村經濟，2011(2)：60-72.

[11] 虞祎.環境約束下生豬生產布局變化研究[D].南京：南京農業大學，2012.

[12] 耿維，胡林，崔建宇，等.中國區域畜禽糞便能源潛力及總量控制研究[J].農業工程學報，2013，29(1)：171-179.

[13] 武蘭芳，歐陽竹.基于農田氮磷收支的區域養殖畜禽容量分析——以山東禹城為例[J].農業環境科學學報，2009，28(11)：2277-2285.

[14] 閻波杰，吳文英，潘瑜春.畜禽養殖管理信息系統[J].江南大學學報(自然科學版)，2011，11(5)：529-533.

[15] 王燕.基于WebGIS的農產品產地管理信息系統設計與實現 [D].北京：北京師范大學，2008.

[16] 肖桂榮，涂平，汪小欽.多尺度空間信息服務技術及其農業應用[J].農業工程學報，2008，24(3)：189-192.

[17] 徐寶文，盧紅敏.UML與軟件建模[M].北京：清華大學出版社，2006.

[18] SONG K Y，LI Y，OUYANG W，et al.Manure nutrients of pig excreta relative to the capacity of cropland to assimilate nutrients in China[J].Procedia Environmental Sciences，2012，13：1846-1855.

[19] 武蘭芳，歐陽竹，謝小立.我國典型農區耕地承載畜禽容量對比分析[J].自然資源學報，2013，28(1)：104-113.

[20] SONG J H.Regional livestock quota system under environmental capacity in Korea[J].Journal of Rural Development，2005，28(1)：65-84.

[21] 俞艷，何建華，袁艷斌.土地生態經濟適宜性評價模型研究[J].武漢大學學報(信息科學版)，2008，33(3)：273-276.

[22] 宗躍光，王蓉，汪成剛，等.城市建設用地生態適宜性評價的潛力—限制性分析——以大連城市化區為例[J].地理研究，2007，26(6)：1117-1126.

[23] 趙小敏，CARSJENS G J，GERBER P.GIS在環保型養豬業區域規劃中的應用[J].農業工程學報，2006，22(9)：184-188.

[24] 崔小年.城郊養殖業發展研究——以北京市為例[D].北京：中國農業大學，2014.