河北省縣域農田畜禽承載量與畜禽養殖量時空耦合

孫 超 劉 玉 潘瑜春

(1.北京農業信息技術研究中心， 北京 100097； 2.國家農業信息化工程技術研究中心， 北京 100097)

河北省縣域農田畜禽承載量與畜禽養殖量時空耦合

孫 超1，2劉 玉1，2潘瑜春1，2

(1.北京農業信息技術研究中心， 北京 100097； 2.國家農業信息化工程技術研究中心， 北京 100097)

通過農作物種植面積計算農田畜禽承載量，并利用各類畜禽產排污系數估算區域畜禽理論養殖量，分析1994、2003、2013年河北省縣域農田畜禽承載量與畜禽實際養殖量的變化態勢及其耦合關系。研究表明：農作物播種面積呈現小幅波動態勢，總量增加了83 663 hm2，以氮元素計的畜禽承載能力提高了108.7萬頭(豬當量)；畜禽實際養殖量先增后減，總量增加了1 102萬頭(豬當量)。在僅考慮農作物種植面積消納畜禽糞便的情境下，1994—2003年河北省有69個縣市屬于畜禽超載狀態，有94.24%的縣市生態持續衰退；2003—2013年農作物畜禽承載狀況改善明顯，超載的縣市有26個，只占全省的18.7%。基于Ward聚類分析方法，將1994—2013年畜禽養殖量與農作物播種面積變化的耦合類型特征劃分為9大區，提出了不同調控對策。

農田； 畜禽承載量； 畜禽養殖量； 時空耦合； 河北省

引言

《第一次全國污染源普查公報》顯示，農業面源污染已經成為地表水污染的主要來源，其中畜禽養殖業化學需氧量、總氮排放量、總磷排放量分別為1 268.26萬t、102.48萬t和16.04萬t[1]，其危害超過了工業污染[2]。2015年農業部印發《到2020年化肥使用量零增長行動方案推進落實方案》和《全國農業可持續發展規劃(2015—2030年)》，提出到2020年實現化肥施用量零增長和養殖廢棄物綜合利用率達到75%，京津冀、長三角、珠三角等區域要提前一年完成，畜禽廢棄物治理與資源化利用已經刻不容緩。歐洲許多國家根據耕地面積確定畜禽養殖數量[3]，既降低了畜禽污染風險，又實現了養殖廢棄物和作物秸稈的循環利用。但我國種植業和養殖業脫節的現象普遍，局地畜禽養殖密度過低或過高的現象并存，養殖密度過高會導致硝酸鹽淋洗進而造成環境污染[4-5]，過低則不利于作物秸稈的消納。因此，通過農作物播種面積確定畜禽養殖數量，以地定畜，實現土壤污染風險的最小化和畜禽廢棄物利用最大化顯得尤為重要。

區域農田面積承載的畜禽數量應有一個適宜的范圍。特別是在城鄉轉型發展過程中，大多數地區的農田面積將減少，而畜禽產品需求量的增加需要畜禽養殖量的快速增長。未來一段時間內，養殖數量能否在滿足人們需求的同時，控制在土地承載力的范圍內，成為保障區域生態安全的重要前提。現有研究側重國家、省市[6-9]等宏觀尺度以及縣、鄉[10-11]等微觀尺度單一年份的土地承載力分析；或深入開展對畜禽污染物含量[12]、糞便耕地施用可達性[13]、農作物面積估算[14]等單一因素分析；以及通過多時間序列分析耕地的畜禽污染負荷[15]等，而基于種養循環的縣域農作物播種面積與畜禽養殖量耦合關系的定量研究較少，難以為畜禽養殖業布局提供有效支撐。

京津冀協同發展已經上升為國家戰略，河北省被定位為產業轉型升級試驗區、新型城鎮化與城鄉統籌示范區、京津冀生態環境支撐區，并要求在生態環境保護領域要率先取得突破。1994—2013年河北省農作物播種面積呈現波動中小幅增加趨勢，畜禽業發展迅速，豬、羊、家禽數量分別增加了19.35%、69.84%和167.37%；到2020年，河北省畜禽排放總氮量將位列全國第3位，畜禽污染風險加大[16]。因此，本文從縣域尺度探討近20 a來河北省農田畜禽承載量與畜禽養殖量的時空格局及耦合關系，并基于Ward聚類分析方法根據耦合特征劃分類型區進而提出不同調控對策，為河北省開展種養循環和畜禽生態養殖提供參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

畜禽養殖數量、農作物播種面積數據來源于《河北農村統計年鑒(1995、2004、2014年)》。在《河北農村統計年鑒》中，畜禽種類主要包括豬、大牲畜、羊和家禽，其中大牲畜和家禽排放系數按比重最大的牛和肉雞計算。依據文獻[17]中的華北區畜禽產排污系數，并參照文獻[18-19]確定了豬、大牲畜、家禽的產排污系數。其中，豬產排污系數用1/3保育期產排污系數與2/3育肥期產排污系數之和計算；羊的產排污系數參照相關文獻并取其平均值作為本文的估算參數[20-21]。豬和家禽飼養期小于1 a，以年出欄量為飼養量，大牲畜、羊飼養期大于1 a，以年底存欄量為飼養量[22]。通過氮和磷元素計算河北省縣域畜禽養殖豬當量，發現養殖量變化差異較小，由于篇幅所限，本研究選定變化量較大、限制性因素更強的氮元素作為計算參數，結果如表1所示。

表1 主要畜禽產排污系數Tab.1 Pollutant generation and discharge coefficients of major livestock and poultry

1.2 研究方法

1.2.1 農田承載容量與農田畜禽承載量

農田氮承載容量計算公式為

Tij=AijCN

(1)

式中Tij——i區域j年農田承載容量，kgAij——i區域j年農作物播種面積，hm2CN——單位面積農作物的氮需求量限量標準，kg/hm2

朱兆良[23]研究表明施氮量在150～180 kg/hm2時，作物可達到較高的產量水平，超過這一水平就會引起環境污染。因此確定河北省單位面積農作物的氮限量標準為150 kg/hm2。在評估農田畜禽承載量時，應綜合考慮化肥的施用類型與結構以滿足作物高產的需要。本文在估算縣域畜禽承載力時，假定氮養分50%來自畜禽糞便的施用。50%比例與實際管理需求更為接近[6]，更具有參考價值。

農田畜禽承載量計算公式為

(2)

式中PNij——i區域j年農田畜禽承載量(豬當量)，萬頭

r——單位豬年糞污總氮排放量，kg

1.2.2 畜禽養殖總量與畜禽承載狀態

為便于計算，根據各類畜禽產排污系數和飼養期確定折算系數。以氮元素計算，牛、羊、家禽折算成豬當量的系數分別為7.769、0.136和0.013，將其養殖量統一換算成豬當量。畜禽養殖總量計算公式為

(3)

式中PEij——i區域j年畜禽養殖總量(豬當量)，萬頭

Lijn——i區域j年各類畜禽數量，萬頭

Cijn——i區域j年各類畜禽折算豬當量系數

n——畜禽種類(牛、羊、家禽)

畜禽承載容量計算公式為

Iij=PNij-PEij

(4)

式中Iij——i區域j年畜禽承載容量

當Iij>0時，表示i區域j年處于畜禽未超載狀態，當Iij<0時，表示i區域j年處于畜禽超載狀態。

1.2.3 農畜彈性系數

彈性系數是指一定時期內相互聯系的2個指標變化速度的比率，可衡量一個變量的變化幅度對另一個相關變量變化幅度的依存關系。從循環利用角度考慮，畜禽糞尿含有大量的氮磷鉀資源，如果能夠合理返還農田將大幅度減少化肥施用量。種養循環是控制畜禽糞尿養分污染的重要途徑[24]。本文通過分析農田畜禽理論承載量與畜禽實際養殖量變化的方向及相對速度，揭示其變化的時空耦合特征。

農畜彈性系數計算公式為

(5)

式中CLECij——i區域j年農畜彈性系數CCRij——i區域j年農田畜禽理論承載量的變化率

LCRij——i區域j年畜禽實際養殖量的變化率

PNi0——i區域基期年農田畜禽理論承載量(豬當量)，萬頭

PEi0——i區域基期年畜禽實際養殖量(豬當量)，萬頭

1.2.4 農畜變化耦合類型分區

選取農田畜禽理論承載量變化率、畜禽實際養殖量變化率、農畜彈性系數、縣市經緯度坐標5項指標，在ArcGIS和SPSS軟件支持下，采用Ward聚類分析法進行農田畜禽養殖承載狀況分區。結果如表2所示。

表2 農田畜禽承載能力與畜禽養殖量耦合狀況分區Tab.2 Zoning of coupling status between breeding capacity and volume of livestock and poultry

2 結果與分析

2.1 農作物播種面積時空變化

由圖1可知，1994—2013年農作物播種面積總體呈現波動態勢，2003年以前呈現先增后減的態勢，2003年達到最低，面積為8 628 500 hm2，之后10年呈波動增加趨勢。由圖2可知，1994—2003年，農作物播種面積增加的縣市有75個，主要集中在平原區，在農村勞動力減少的背景下，地勢平坦便于農機等設備工作，且有充足的宜耕后備土地資源，這是該地區面積增加的主要原因；受退耕還林工程以及勞動力遷移等因素影響，燕山—太行山山區的農作物播種面積明顯減少[25]。2003—2013年間，農作物播種面積增加的縣市有74個，相比上一時期，承德農作物播種面積顯著增加，保定山區也呈增加態勢；張家口農作物播種面積延續上一時期減少態勢，其他縣市變化不大。1994—2013年，農作物播種面積快速減少區域主要分布在張家口全境、遷安、霸州以及武安周圍區域，集聚特征明顯；種植面積增加區主要集中在承德和中南部平原區。總體而言，以山區—平原區為分界線，河北省縣域農作物播種面積變化呈現明顯的差異格局，由于山區務農成本會高于平原區，農戶外出意愿更為強烈，在退耕還林、復種指數下降等綜合作用下，山區農作物種植面積呈現下降趨勢[26]；在耕地增加區，多以后備資源開發為主導，其潛在的生態風險亟需引起足夠的重視。

圖2 1994—2013年河北省縣域農作物播種面積變化空間格局Fig.2 Changes of crop planting area at county level in Hebei Province during 1994—2013

圖1 1994—2013年河北省縣域農作物種植面積與 畜禽養殖量變化曲線Fig.1 Changes of crop planting area and livestock and poultry breeding volume at county level in Hebei Province during 1994—2013

2.2 畜禽養殖量時空變化

在區域發展政策等綜合影響下，1994—2013年河北省畜禽養殖量(豬當量)呈現快速增加趨勢后，在2007年大幅減少，之后養殖量變化不大。由圖3可知，1994—2003年，畜禽養殖量快速增加，92%的縣市畜禽養殖量呈增長態勢，帶動全省養殖總量增加43.93%。快速增加區主要集中在中南部地區和唐山周邊縣，其中大部分增幅在50萬頭(豬當量)以上，個別縣域增加100萬頭以上。一方面，畜禽飼料安全、畜禽屠宰安全、畜禽獸藥安全和養殖技術等逐漸成熟、完善，為畜禽養殖業發展提供了充足的物質基礎和技術保障；另一方面，隨著人們生活水平日益提高，畜禽需求量不斷增大，且養殖畜禽收益較好，農民養殖積極性較高。沽源、崇禮等由于地處密云水庫上游，受政策限制其畜禽養殖量減少。2003—2013年，畜禽養殖量相比上一時期顯著減少，88%的縣市養殖量有所減少，帶動養殖總量減少43.57%。從空間分布看，上一時期養殖量增加較多的縣市，近10 a養殖規模有所縮小，主要原因是：一方面由于牛、馬等大牲畜養殖量的大幅減少；另一方面，雖然豬和家禽數量均有不同程度的增加，但以氮折算系數折算成豬當量，1頭牛相當于7.7頭豬和574.1只家禽，豬和家禽所占比重較小，導致畜禽養殖量(豬當量)有所減少；增加區范圍較小，主要集中在承德和張家口。總體上看，1994—2013年，畜禽養殖量增加了1 102萬頭。從空間分布來看，畜禽養殖量增長的縣市主要集中在石家莊、唐山、張家口等市區四周；減少量在50萬頭以上的縣市全部集中在河北省中部，其中新樂減少109.9萬頭，是唯一減少量在100萬頭以上的縣市。

圖3 1994—2013年河北省縣域畜禽養殖量變化格局Fig.3 Changes of livestock and poultry breeding volume at county level in Hebei Province during 1994—2013

2.3 農田畜禽理論承載量與畜禽實際養殖量變化的耦合特征

圖4 1994—2003年河北省縣域農畜彈性系數變化格局Fig.4 Changes of elastic coefficient between breeding capacity and volume of livestock and poultry in Hebei Province during 1994—2003

按照承載狀態超載和未超載2種情形，進一步分析各時段河北省縣域農田畜禽理論承載量和畜禽實際養殖量變化的耦合特征。由圖4可知，在1994—2003年間，畜禽養殖超載的縣市有69個，主要分布在燕山、太行山和沿海地區，在承德、唐山、秦皇島和石家莊等市較為集中。67個縣市屬于生態持續衰退型，其中39個縣市屬于類型Ⅰ，主要分布在平原地區；26個縣市屬于類型Ⅱ，大部分分布在燕山—太行山地區；寬城和曲陽屬于類型Ⅲ。僅有新樂和青龍屬于生態轉好趨勢型縣市，這2個縣市畜禽糞便污染風險減小。畜禽養殖未超載的70個縣市主要分布在張家口、保定、滄州、邢臺和邯鄲等市，僅有6個屬于生態持續良好型。在屬于生態轉衰趨勢型的64個縣市中，30個縣市屬于類型Ⅶ，主要分布在河北省中南部；31個縣市屬于類型Ⅷ，主要集中在張家口和保定，邯鄲、衡水等也有零星分布；僅有3個縣市屬于類型Ⅸ。從種養結合角度分析，1994—2003年河北省有49.64%的縣市屬于超載狀態，有94.24%的縣市屬于生態持續衰退型和生態轉衰趨勢型，山區、丘陵區縣市主要是因為農作物播種面積的快速減少，而平原區縣市主要是畜禽養殖量的快速增加導致。

由圖5可知，在2003—2013年間，畜禽養殖超載的縣市有26個，只占全省的18.7%，主要集中在承德、石家莊和唐山等市。有6個屬于生態持續衰退型縣市。在20個屬于生態轉好趨勢型縣市中，圍場和鹽山屬于類型Ⅳ；有10個縣市屬于類型Ⅴ，主要分布在承德和石家莊；其余8個縣市屬于類型Ⅵ，集中在河北省東北部。畜禽養殖未超載的縣市有113個，主要集中在河北省東北部以外的其他地區。有10個縣市屬于生態轉衰趨勢型，其中棗強屬于類型Ⅶ；7個縣市屬于類型Ⅷ，主要集中在張家口；青龍和安平屬于類型Ⅸ。在103個生態持續良好型縣域中，寬城、永清和阜城屬于類型Ⅹ；56個縣市屬于類型Ⅺ，主要分布在河北省中南部平原地區；44個縣市屬于類型Ⅻ，主要集中在保定、邢臺、邯鄲和張家口，除承德外其余各市也有零星分布。比較而言，相比上一時段河北省各縣市畜禽養殖承載狀態明顯改善。在退耕還林政策影響下，承德和唐山的農作物播種面積有所減少，而畜禽養殖量呈現增加態勢，部分縣市仍處于超載狀態，應當引起足夠重視；隨著畜禽需求量的增速減緩和最嚴格的耕地保護政策實施，加之耕地后備資源開墾，除承德和唐山外，其他地區畜禽養殖超載縣市明顯減少。

圖5 2003—2013年河北省縣域農畜彈性系數變化空間格局Fig.5 Changes of elastic coefficient between breeding capacity and volume of livestock and poultry in Hebei Province during 2003—2013

2.4 農畜變化耦合類型分區與調控

采用Ward聚類分析方法，將河北省劃分為9個農畜變化耦合類型區(表3和圖6)。Ⅰ區包括圍場、隆化、曹妃甸和鹽山4個縣市，畜禽養殖處于超載狀態。近20 a，該區養殖業發展迅速，畜禽養殖量占全省比重由1994年的2.49%升至2013年的10.15%，已經超出了該區的農田承載能力，呈現持續衰退趨勢。一方面應控制養殖規模，禁止新增、擴建畜禽養殖基地；另一方面在規模化養殖基礎上，積極引入畜禽污染物處理技術，加工成有機肥，銷往其他地區。Ⅱ區主要集中在石家莊，處于超載狀態，研究期間建設用地侵占耕地等造成農田畜禽理論承載量降低，畜禽需求量增加等導致畜禽實際養殖量增長，呈現持續衰退特征。應積極落實兩個“最嚴格制度”，推進永久性高標準農田建設，引導養殖業向鄰近未超載縣市轉移。Ⅲ區主要集中在唐山、秦皇島北部和承德南部，屬于超載區域。近20 a，該區域農用地快速減少，面臨較大的畜禽污染風險。要推進廢棄工礦土地復墾并嚴格劃定生態保育區，控制畜禽養殖業規模。Ⅳ區主要包括承德大部分地區，唐山、秦皇島和廊坊部分縣市屬于超載區域，是超載區唯一一個有轉好趨勢的區域，需進一步按照京津冀水源涵養功能區和全國首批生態文明先行示范區要求，在水源地附近優先退出畜禽養殖產業，此外區域內應有計劃的縮減養殖規模。Ⅶ區主要分布在唐山、秦皇島和滄州沿海地區，屬于未超載區域，其農用地畜禽理論承載力增長慢于畜禽實際養殖量增長，呈現轉衰趨勢。這一區域受北京、天津大城市畜禽產品需求量的影響，養殖量快速增長，但較大規模的農作物播種面積緩解了畜禽污染風險。然而，按此趨勢發展將會超出區域畜禽承載能力，造成土壤、水體的污染。因此要按照“農畜結合、合理布局、標準化養殖、設施化處理”的思路，重點建設生豬和奶牛等標準化規模養殖場和大中型畜禽養殖場沼氣工程等。Ⅷ區全部分布在張家口，屬于未超載地區，呈轉衰趨勢。張家口市是京津冀生態涵養區，也是2022年冬奧會舉辦地，從種養循環角度存在畜禽污染風險，應加強山區生態建設，嚴格控制畜禽養殖規模，尤其在水源地附近區域禁止養殖畜禽。Ⅹ區主要分布在保定和衡水境內，該區域農作物播種面積和畜禽養殖量分別占全省的12.72%和4.98%。這些區域主要分布在糧食主產區，遠離大都市區，農田面積呈現增長態勢。畜禽承載狀態處于較低水平，養殖規模有較大提升空間。因此可適當承接相鄰區域養殖業轉移，并在此區域推廣種養結合模式，建立生態循環農業示范區。Ⅺ區面積最大，轄36個縣市，河北省中部地市均有分布，屬于未超載地區，其農用地畜禽承載力增長，畜禽養殖量減少，呈良好態勢。該區后備資源開墾和農村土地整治促進耕地增加，畜禽養殖方式從農戶散養逐漸過渡到規模化養殖，役用牛、馬、騾、驢大幅減少，豬、羊、雞等數量逐漸上升。該區畜禽養殖數量占河北省的20.64%，雖然屬于未超載地區，但人口眾多、鄉村發展落后，人們生態環境保護意識還比較淡薄，政府應借助建設河北省環首都現代農業科技示范帶契機重點發展生態養殖、有機雜糧等特色產業，并深入推廣生態文明理念。Ⅻ區主要分布在邯鄲市和邢臺市，屬于未超載區域。該區農作物播種面積占全省的16.76%，養殖量只有9.14%，使得該區域的畜禽污染風險較小，應嚴格保護耕地，并適當承接相鄰地區畜禽養殖產業或擴大養殖規模。

表3 1994—2013年河北省類型區的基本特征Tab.3 Characteristics of zones in Hebei Province during 1994—2013

注：農作物播種面積比重和養殖量比重分別表示2013年該區占河北省的百分比。

圖6 河北省縣域農畜變化耦合類型分區Fig.6 Zoning of coupling types between carrying capacity and output of livestock and poultry at county level in Hebei Province

3 討論

由于數據獲取有限，且研究時間跨度較大，《河北農村統計年鑒》部分年份統計數據存在缺失；沒有計算果園面積，導致各地承載能力偏小；將各類畜禽折算成豬當量可以直接反應縣域畜禽養殖總量，但其內部各類畜禽的增減無法得知，會影響針對不同畜禽處理措施的制定；此外，農田承載畜禽污染物總量還受地形地貌、土壤理化特性、利用方式(裸露和保護地)、施肥習慣等多因素影響。隨著社會經濟和自然地理數據的豐富、完善，有必要針對上述問題開展深入研究。

4 結論

(1)1994—2013年河北省農作物播種面積總量呈現波動態勢，其中，1994—2003年山區縣市農作物播種面積有所減少，平原區縣市則普遍增加；2003—2013年張家口、唐山和秦皇島農作物播種面積減少，其余各市仍呈現增加態勢。

(2)畜禽養殖總量呈現先增加后減少的態勢，南北差異顯著，其中1994—2003年河北省中南部縣市養殖量增長較快；2003—2013年南部大部分縣市呈減少態勢，增長的縣市主要集中在北部。

(3)2個時段農田畜禽承載狀況存在明顯差異。1994—2003年，49.64%的縣市處于超載狀態，94.24%的縣市屬于生態持續衰退型和生態轉衰趨勢型；2003—2013年，僅18.7%的縣市處于超載狀態，且僅11.5%的縣市屬于生態持續衰退型和生態轉衰趨勢型。

(4)選取農田畜禽理論承載量變化率、畜禽實際養殖量變化率等5項指標，采用Ward聚類分析方法，將河北省劃分為9個類型區。各類型區應當結合耦合特征、自然地理條件、地域系統功能和經濟發展態勢等主導因素，科學協調農用地與畜禽養殖規模，發展生態循環農業，促進養殖業可持續發展。

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Spatio-temporal Coupling between Livestock Carrying Capacity of Farmland and Livestock Breeding at County Level in Hebei Province

SUN Chao1,2LIU Yu1,2PAN Yuchun1,2

(1.BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China2.NationalEngineeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China)

Actual livestock and poultry breeding capacity was calculated by using area under crops and amount of breeding livestock based on GIS technology and modulation, the changes and spatio-temporal coupling relationship of the livestock and poultry breeding capacity and its volume in Hebei Province in 1994, 2003 and 2013 were analyzed by using crops planting area to calculate the capacity and using polluting coefficient to calculate the volume. The research result revealed that the acreage of crops was increased to 83 663 hm2, and the areas were mainly concentrated in Chengde and south central plain. The livestock and poultry breeding capacity was increased to 1.087 million in counting of pigs, and the areas were mainly concentrated in Shijiazhuang, Tangshan, Zhangjiakou and other urban areas. The livestock and poultry breeding volume showed a trend of firstly increase and then decrease, which was increased by 11.02 million in counting of pigs. Considering the crops planting area as the only factor absorbing feces, following results could be deduced: there were 69 counties which were overloaded in Hebei Province between 1994 and 2003; 94.24% of the counties in Hebei Province were under ecological sustainable redline; overloaded situation was improved between 2003 and 2013, total number of overloaded counties was decreased to 26, which accounted about 18.7% of all counties in Hebei Province, except for Chengde and Tangshan, other areas of livestock and poultry over loaded counties were significantly reduced. Using Ward cluster analysis, coupling features were classified into nine regional types by its volume and changes of crops planting area in Hebei Province from 1994 to 2013. The research results provided decision support for development of livestock and poultry breeding industry and improvement on Beijing-Tianjin-Hebei eco-environment.

farmland; livestock and poultry breeding capacity; livestock and poultry breeding volume; spatio-temporal coupling; Hebei Province

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.022

2016-06-27

2016-08-29

國家重點研發計劃項目(2016YFD0800900)

孫超(1989—)，男，工程師，主要從事區域農業與鄉村發展研究，E-mail: sunc@nercita.org.cn

潘瑜春(1971—)，男，研究員，主要從事GIS空間分析與空間信息系統集成研究，E-mail: panyc@nercita.org.cn

X713

A

1000-1298(2017)03-0173-08