基于地理信息系統(tǒng)的天津市生豬面源污染研究

杜淑清，李 志，趙 斌

（1．天津市畜牧總站，天津 300402；2.農(nóng)旗科技（北京）有限公司，北京 100080）

前言

農(nóng)業(yè)面源污染是指農(nóng)村地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活過程中產(chǎn)生的，未經(jīng)合理處置的污染物對水體、土壤和空氣及農(nóng)產(chǎn)品造成的污染，農(nóng)業(yè)面源污染已嚴重影響到我國的水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境健康，制約了我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一，是農(nóng)業(yè)面源污染研究的重要內(nèi)容。據(jù)我國第一次全國污染普查結(jié)果顯示，2007 年我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)化學(xué)需氧量（COD）排放量達到1 268.26萬噸，占農(nóng)業(yè)源總量的 96%，已超過全國工業(yè)廢水和生活污水的COD排放量。畜禽養(yǎng)殖污染的產(chǎn)生和遷移具有分散性、隨機性、隱蔽性、不易確定性和防治難度大等特點，相對于點源污染而言更難于監(jiān)督管理，因而，實施畜禽養(yǎng)殖污染的源頭控制，合理規(guī)劃畜禽養(yǎng)殖區(qū)域，是減輕畜禽養(yǎng)殖污染的有效手段。

2016年天津市肉類總產(chǎn)量達到45.51萬噸，其中豬肉產(chǎn)量29.18萬噸，占肉類總產(chǎn)量的64.1%。生豬養(yǎng)殖業(yè)是農(nóng)民增收的重要方式。由于天津市涉農(nóng)各區(qū)具有獨特的自然環(huán)境和經(jīng)濟社會發(fā)展環(huán)境，生豬養(yǎng)殖地域差異懸殊，造成各區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染具有不同特征，因此，了解天津市生豬養(yǎng)殖污染空間分異對天津市畜牧業(yè)的發(fā)展和規(guī)劃、糞污綜合利用、生態(tài)環(huán)境改善、生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。GIS空間分析的運用，能直觀地反映各區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的時空動態(tài)變化情況，為有針對性地開展污染治理提供依據(jù)，因此，在地理空間分析方面對天津市農(nóng)業(yè)面源污染分布進行時間和空間分區(qū)研究，對于天津市農(nóng)業(yè)面源污染的控制具有重要的現(xiàn)實意義。

研究以統(tǒng)計數(shù)據(jù)及174家規(guī)模養(yǎng)殖場采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS技術(shù)分析天津市生豬產(chǎn)業(yè)面源污染的空間分異與評價，旨在為天津市畜牧業(yè)面源污染治理、生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)政策制定提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

天津市地處華北平原北部，位于海河下游，地跨海河兩岸，現(xiàn)轄區(qū)域在北緯 38°34'—40°15'，東經(jīng) 116°43'—118°04'之間。全市土地面積為1 149 807 hm2，其中耕地面積436 924 hm2，占全市土地總面積的36.7%。2000年—2016年天津市肉類產(chǎn)量年平均為43.26萬噸，豬肉產(chǎn)量每年平均27.03萬噸，占肉類總產(chǎn)量的62.5%，是我國京津冀地區(qū)重要的生豬生產(chǎn)地區(qū)，也是城郊型農(nóng)業(yè)集中分布區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

圖1 天津市行政區(qū)劃圖

研究使用的天津市基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)來源于2017年天津統(tǒng)計年鑒。統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括2000年—2016年肉類產(chǎn)量、豬肉產(chǎn)量、土地面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究使用的主要數(shù)據(jù)來源于12316云系統(tǒng)-天津市生豬產(chǎn)業(yè)體系平臺載入的174家規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖小區(qū)和合作社等的采集數(shù)據(jù)。研究使用的GIS圖片數(shù)據(jù)來源于12316云系統(tǒng)-天津市生豬產(chǎn)業(yè)體系平臺中展示的統(tǒng)計圖片。

1.3 研究方法

通過對12316云系統(tǒng)-天津市生豬產(chǎn)業(yè)體系平臺載入的174家規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖小區(qū)和合作社等的采集數(shù)據(jù)利用Excel進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合GIS進行空間分析，具體計算指標如下面幾個方面。

1.3.1 糞污負載強度計算

生豬糞污產(chǎn)生量的計算方法是根據(jù)劉培芳及李海鵬計算方法參考公式①，生豬糞污負載強度即單位土地面積的生豬糞污產(chǎn)生量，計算方法參考公式②，系統(tǒng)所用產(chǎn)污系數(shù)數(shù)據(jù)參考表1，耕地生豬糞污負載強度分級標準按照李海鵬等的分級標準，負載等級調(diào)整為可承載、輕度污染和明顯污染三個等級（如表 2）。

糞污產(chǎn)生量=日排泄系數(shù)×飼養(yǎng)天數(shù)×飼養(yǎng)數(shù)量 ①

生豬糞污負載強度=生豬糞污產(chǎn)生總量/土地面積 ②

1.3.2 生豬碳排放量計算

生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的溫室氣體主要為CH4和N2O，表3為生豬溫室氣體排放系數(shù)。

標準碳總排放量=[（腸胃發(fā)酵產(chǎn)生的CH4＋糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4）×CH4全球升溫潛能值+糞便管理系統(tǒng)中產(chǎn)生的N2O×N2O全球升溫潛能值]×CO2當量轉(zhuǎn)化為標準碳轉(zhuǎn)化系數(shù)

注：CO2當量轉(zhuǎn)化為標準碳轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.272 8，CH4全球升溫潛能值為21，N2O全球升溫潛能值為310。

1.3.3 糞污土地承載力計算

畜禽糞污土地承載力是指在土地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)運行的條件下，一定區(qū)域內(nèi)耕地、林地和草地等所能承載的最大畜禽存欄量。

區(qū)域畜禽糞污土地承載力＝區(qū)域植物糞肥養(yǎng)分需求量/單位豬當量糞肥養(yǎng)分供給量（以豬當量計）

區(qū)域植物養(yǎng)分需求量＝∑[每種植物總產(chǎn)量（總面積）×單位產(chǎn)量（單位面積）養(yǎng)分需求]

區(qū)域植物糞肥養(yǎng)分需求量＝（區(qū)域植物養(yǎng)分需求量×施肥供給養(yǎng)分占比×糞肥占施）/糞肥當季利用率

單位豬當量糞肥養(yǎng)分供給量綜合考慮畜禽糞污養(yǎng)分在收集、處理和貯存過程中的損失，單位豬當量氮養(yǎng)分供給量為7.0 kg，磷養(yǎng)分供給量為1.2 kg。

2 結(jié)果分析

2.1 天津市生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

調(diào)查天津市涉農(nóng)區(qū)174家規(guī)模養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖小區(qū)和合作社等的采集數(shù)據(jù)，圖2左為調(diào)查的天津市養(yǎng)殖場分布圖。如表4所示，天津市養(yǎng)殖場生豬常年存欄量達106.48萬頭，每年糞污產(chǎn)生量達466.38萬噸，在調(diào)查的174家生豬養(yǎng)殖場中有50家養(yǎng)殖場采用糞污直排的處理方式，有90家養(yǎng)殖場有采用暗管排污的現(xiàn)象。在當前的生豬生產(chǎn)中部分規(guī)模化養(yǎng)殖場沒有糞污處理設(shè)施、糞便和污水隨處排放，嚴重污染了周圍的環(huán)境。如果再不采用合適的處理方法，將使農(nóng)村居住和生活環(huán)境受到破壞，生態(tài)失去平衡，影響居民健康和社會的可持續(xù)和諧發(fā)展。

表1 主要畜禽產(chǎn)污系數(shù) kg/（d?頭）

表2 土地生豬糞污負載強度評價標準

表3 生豬腸胃發(fā)酵和糞便管理系統(tǒng)的溫室氣體排放系數(shù)

圖2 天津市規(guī)模生豬養(yǎng)殖場分布圖和養(yǎng)殖規(guī)模熱力圖

通過將調(diào)查的174家規(guī)模生豬養(yǎng)殖場的位置數(shù)據(jù)和養(yǎng)殖規(guī)模數(shù)據(jù)與GIS結(jié)合，我們可以直觀的看到天津市各涉農(nóng)區(qū)的養(yǎng)殖場分布和養(yǎng)殖場規(guī)模（見圖2右）。從圖2上我們可以清晰地看到養(yǎng)殖場密度最大的三個區(qū)依次為寧河區(qū)、寶坻區(qū)和武清區(qū)，養(yǎng)殖場數(shù)量分別為66家、32家和29家。其次為薊州區(qū)、濱海新區(qū)和靜海區(qū)，養(yǎng)殖場數(shù)量分別為18家、10家和8家。養(yǎng)殖規(guī)模最大的三個區(qū)依次是寧河區(qū)、寶坻區(qū)和武清區(qū)，生豬常年存欄量達393 776頭、311 269頭和78 024頭。區(qū)域間養(yǎng)殖場和養(yǎng)殖規(guī)模的差異性造成了區(qū)域間面源污染的差異性。

2.2 天津市生豬面源污染的空間分異特征

通過分析2018年天津市各個區(qū)域生豬存欄量，計算糞污產(chǎn)生量和生豬糞污負載強度，作為生豬面源污染的評價指標，見表5。通過比較各個行政區(qū)糞污產(chǎn)生量可以發(fā)現(xiàn)寧河區(qū)的糞污產(chǎn)生量達到最大，為1 724 738.88 t/ 年，其次是寶坻區(qū)，為1 363 358.22t/ 年，分別達天津市各區(qū)平均糞污產(chǎn)生量的3.3倍和2.6倍。通過計算各行政區(qū)生豬糞污負載強度可以發(fā)現(xiàn)，2018年寧河區(qū)和寶坻區(qū)的生豬負載強度達到最大，為12 197.59 kg/hm2和8 951.79 kg/hm2，分別達天津各區(qū)平均負載強度的3.0倍和2.2倍。從2018年天津市各行政區(qū)生豬養(yǎng)殖數(shù)據(jù)來看，糞污產(chǎn)生量寧河區(qū)＞寶坻區(qū)＞武清區(qū)＞薊州區(qū)；生豬糞污負載強度寧河區(qū)＞寶坻區(qū)＞西青區(qū)＞東麗區(qū)。

2.3 生豬糞污負載強度GIS評價

將天津市涉農(nóng)各行政區(qū)生豬糞污負載強度與土地生豬糞污負載強度評價標準進行對比，根據(jù)表2的分級標準，將天津市土地生豬糞污負載強度分為可承載、輕度污染和明顯污染三個等級，分別計算2018年天津市涉農(nóng)各行政區(qū)土地生豬糞污負載強度等級，并利用GIS軟件繪制成圖，如圖3。

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，寧河區(qū)生豬糞污負載強度為12 197.59 kg/hm2，大于10 000kg/hm2，負載等級為明顯污染，生豬養(yǎng)殖環(huán)境超過負荷，產(chǎn)生明顯的面源污染，是天津市重點治理的對象。寶坻區(qū)生豬糞污負載強度為8 951.79 kg/hm2， 大 于5 000kg/hm2且小于10 000kg/hm2，負載等級為輕度污染，生豬養(yǎng)殖環(huán)境超過負荷，產(chǎn)生輕度污染，也是天津市重點治理的地區(qū)。西青區(qū)、靜海區(qū)、武清區(qū)、北辰區(qū)、東麗區(qū)、薊州區(qū)和濱海新區(qū)等負載強度都小于5 000 kg/hm2，負載等級為可承載，生豬養(yǎng)殖環(huán)境可承載，其中，西青區(qū)負載強度達到4 358.22kg/hm2，接近可承載等級和輕度污染等級的臨界值，是值得引起天津市生豬養(yǎng)殖監(jiān)管部門重視的地區(qū)。

表4 天津市養(yǎng)殖場糞污處理情況統(tǒng)計

表5 2018年天津市涉農(nóng)各區(qū)生豬糞污產(chǎn)生量及負載強度

圖3 天津市涉農(nóng)各行政區(qū)土地生豬糞污負載強度等級

圖4 天津市各行政區(qū)生豬碳排放總量（t/年）

2.4 生豬養(yǎng)殖碳排放量GIS評價

碳排放是關(guān)于溫室氣體排放的一個總稱或簡稱。溫室氣體中最主要的氣體是二氧化碳，因此用碳（Carbon）一詞作為代表。規(guī)模化生豬養(yǎng)殖場的碳排放也是造成環(huán)境問題的不可忽視的重要因素，但我國對畜牧業(yè)的碳排放量的研究較少。研究中利用采集的規(guī)模養(yǎng)殖場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過公式計算，結(jié)合GIS進行分析得到天津市各行政區(qū)碳排放量圖（見圖4）。由圖4可知，天津市每年碳排放總量達75 174.00 t，其中，寧河區(qū)和寶坻區(qū)的碳排放量最大，分別達27 800.00 t和21 975.00 t，分別占天津市碳排放總量的37.0%和29.2%，是天津市碳排放量最大的兩個行政區(qū)。其次是武清區(qū)、薊州區(qū)和濱海新區(qū)，碳排放量較多，從地圖上看位于第二級別。西青區(qū)、靜海區(qū)、東麗區(qū)和北辰區(qū)等的碳排放量較少。

2.5 生豬養(yǎng)殖土地承載力GIS評價

畜禽糞污土地承載力是指在土地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)運行的條件下，一定區(qū)域內(nèi)耕地、林地和草地等所能承載的最大畜禽存欄量。分別以氮和磷為標準，根據(jù)植被氮需要量和生豬糞便氮產(chǎn)量來確定單位用地承載的生豬數(shù)量。圖5，天津市各行政區(qū)土地承載力大小用不同顏色深淺說明各行政區(qū)土地承載力的空間分異情況。可以發(fā)現(xiàn)天津市生豬養(yǎng)殖土地承載力最大的區(qū)為濱海新區(qū)，土地承載力較大的是薊州區(qū)、武清區(qū)、寶坻區(qū)和靜海區(qū)，土地承載力較小的是寧河區(qū)、西青區(qū)，土地承載力最小的區(qū)是北辰區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)及其他各區(qū)。通過分析，濱海新區(qū)基于氮的生豬土地承載力是寧河區(qū)生豬承載力的1.69倍，是東麗區(qū)土地承載力的4.1倍，由此可見，天津市各區(qū)土地承載力差異巨大。天津市各區(qū)基于磷的土地承載力與基于氮的土地承載力的變化趨勢基本一致。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)天津市各行政區(qū)的養(yǎng)殖場分布和養(yǎng)殖規(guī)模來看，寧河區(qū)、寶坻區(qū)和武清區(qū)三個區(qū)的養(yǎng)殖場數(shù)量分布較多，養(yǎng)殖場規(guī)模較大。結(jié)合天津市各行政區(qū)生豬養(yǎng)殖數(shù)據(jù)統(tǒng)計，生豬糞污產(chǎn)生量的趨勢同養(yǎng)殖場分布和養(yǎng)殖規(guī)模的趨勢保持一致。從不同區(qū)域的生豬糞污負載強度等級GIS評價結(jié)果來看寧河區(qū)生豬糞污負載強度為12 197.59 kg/hm2，大于10 000kg/hm2，負載等級為明顯污染，生豬養(yǎng)殖環(huán)境超過負荷，產(chǎn)生明顯的面源污染是天津市重點治理的對象。寶坻區(qū)生豬糞污負載強度為8 951.79 kg/hm2，大于5 000 kg/hm2且小于10 000 kg/hm2，負載等級為輕度污染，生豬養(yǎng)殖環(huán)境超過負荷，產(chǎn)生輕度污染，也是天津市重點治理的地區(qū)。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《全國生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》規(guī)定京津滬地區(qū)為生豬養(yǎng)殖約束發(fā)展區(qū)，該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化率較高，生豬養(yǎng)殖總量小，但規(guī)模化程度、生產(chǎn)水平等均處于全國前列。因此，天津市對生豬養(yǎng)殖造成的環(huán)境污染問題不可小覷。生豬養(yǎng)殖負載強度和負載等級是評價養(yǎng)殖面源污染程度的兩個重要的指標，也是環(huán)境監(jiān)管部門重點監(jiān)測的指標。

圖5 天津市生豬養(yǎng)殖土地承載力（左：基于氮；右：基于磷）

生豬養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致了大量的糞便排泄物的堆積，造成了大量的溫室氣體的排放，給環(huán)境造成了很大的壓力。合理計算生豬養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體的排放量，對制定合理的減排措施具有重要的指導(dǎo)意義。通過計算天津市各行政區(qū)生豬養(yǎng)殖碳排放總量，并結(jié)合GIS進行分析，可以得知寧河區(qū)和寶坻區(qū)的生豬養(yǎng)殖排放總量達到最大。結(jié)合天津市生豬養(yǎng)殖現(xiàn)狀進行分析，在當前的生豬養(yǎng)殖業(yè)中，糞污處理設(shè)施建設(shè)不全，糞污直排和采用暗管排污的養(yǎng)殖場的數(shù)量較多，可以采用建設(shè)糞污處理設(shè)施、并進行合理利用，從源頭上減少糞污對環(huán)境造成直接污染的程度。針對生豬養(yǎng)殖碳排放的來源分析，可以采用降溫的方式，降低溫室氣體排放因子。針對糞污的合理利用分析，可以利用生豬產(chǎn)生的糞污作為能源和肥料等來降低糞污對環(huán)境的污染。這些指標綜合分析可以為管理部門提供生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)管理建議。

畜禽糞污土地承載力是指在土地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)運行的條件下，一定區(qū)域內(nèi)耕地、林地和草地等所能承載的最大畜禽存欄量。區(qū)域內(nèi)水資源、耕地資源、糞污產(chǎn)生量對生豬養(yǎng)殖環(huán)境承載力具有直接的影響。通過計算天津市生豬養(yǎng)殖土地承載力，結(jié)合當前生豬養(yǎng)殖數(shù)量，利用GIS空間技術(shù)對區(qū)域養(yǎng)殖環(huán)境進行預(yù)警分析，可以發(fā)現(xiàn)天津市生豬養(yǎng)殖土地承載力最大的區(qū)為濱海新區(qū)，土地承載力較大的是薊州區(qū)、武清區(qū)、寶坻區(qū)和靜海區(qū)，這為天津市生豬養(yǎng)殖區(qū)域規(guī)劃進一步提供理論支撐。

4 展望

4.1 生豬面源污染時間分異特征分析

在當前的生豬產(chǎn)業(yè)研究中，僅分析了2018年一年的數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)可進行天津市當前空間分布的差異性研究。在經(jīng)過連續(xù)多年不斷的采集數(shù)據(jù)，將來可以利用GIS實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖業(yè)乃至整個農(nóng)業(yè)行業(yè)造成面源污染的時間和空間分異特征分析。

4.2 利用三區(qū)地圖制定養(yǎng)殖規(guī)劃布局

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《全國生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》劃定了畜禽養(yǎng)殖的適養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)和禁養(yǎng)區(qū)的界限，天津市屬于限養(yǎng)區(qū)。根據(jù)《天津市畜禽養(yǎng)殖管理辦法》規(guī)定天津市畜禽養(yǎng)殖區(qū)域劃分為禁止養(yǎng)殖區(qū)、控制養(yǎng)殖區(qū)和適度養(yǎng)殖區(qū)，可以將養(yǎng)殖區(qū)域的劃分范圍利用GIS實現(xiàn)對畜禽養(yǎng)殖的規(guī)劃布局，合理的發(fā)展和管理畜禽養(yǎng)殖業(yè)。

4.3 為農(nóng)業(yè)政策的制定提供依據(jù)

通過對全市規(guī)模生豬養(yǎng)殖場和散養(yǎng)戶進行全方面的數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)據(jù)的痕跡化管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的真實性，旨在為天津市畜牧業(yè)面源污染治理、生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)政策制定提供一定的理論依據(jù)。

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《全國生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》規(guī)定了天津市的主要任務(wù)是，穩(wěn)定現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模，優(yōu)化生豬養(yǎng)殖布局，加強生豬育種能力建設(shè)，推行沼氣工程、種養(yǎng)一體化等生豬糞便綜合利用模式，提高集約化養(yǎng)豬水平和豬肉產(chǎn)品質(zhì)量安全水平，加快信息化建設(shè)，構(gòu)建質(zhì)量安全可追溯體系，發(fā)展現(xiàn)代生豬產(chǎn)業(yè)。在利用GIS實現(xiàn)區(qū)域化的精細監(jiān)管的基礎(chǔ)上，結(jié)合12316云平臺其他業(yè)務(wù)模塊，可以實現(xiàn)生豬產(chǎn)業(yè)全程監(jiān)管模式，并可構(gòu)建豬肉質(zhì)量安全追溯體系。