密云水庫二級保護區生態承載力研究與分析*

胡艷霞,鄭瑞倫,周連第,許素梅,楊丹丹

(1.北京市農林科學院草業與環境研究發展中心，北京 100097；2.北京市農林科學院推廣處，北京 100097)

0 引言

承載力(carrying capacity)原為力學中的概念，指物體在不產生任何破壞時的最大負載，現已演變為對發展的限制程度進行描述的最常用術語[1-4]。早在1921年，帕克和伯吉斯就在有關的人類生態學研究中，提出了承載能力的概念，認為，根據某一地區的食物資源確定區內的人口承載能力[5]。20世紀70年代以后，人口、糧食、資源、環境等全球性問題發展，以協調人地關系為中心的綜合承載力研究興起，擴展到整個資源領域[6]。進入20世紀80年代，ECCO模型(Enhancement of Carrying Capacity Options)開始設計，采用系統動力學方法，綜合考慮人口、資源、環境與發展之間的關系，模擬不同發展策略下，人口變化與承載力之間的動態變化[7，8]。目前，國內外開展了大量的資源環境承載力研究工作，特別是在資源環境承載力評價方面，從定性分析發展到定性與定量相結合，從單一要素承載力拓展到綜合承載力[9，10]。然而，受到種種因素限制，當前基于綜合計量的資源環境承載力評價未有明顯進展，資源環境承載力評價模型與指標構建、承載閾值界定等有待標準化[11，12]。此外，已經開展的資源環境承載力研究，多是針對大尺度區域開展的，而在小尺度區域上開展得相對較晚，成果較少[13-15]。從以往相關研究來看，評價區域尺度越小，資源環境基礎數據的獲取困難度越大。影響到資源環境承載力評價的精準性和承載力管理的可操作性。由于這些問題的存在，目前資源環境承載力研究成果基本停留在學術研究層面，實際應用極其不足，僅在經濟社會發展和資源環境管理中起到較小的參考作用，難以形成承載力對區域可持續發展的基礎性制約作用。鑒于此，文章針對北京密云水源保護區環境保護和生態產業發展之間的矛盾問題，從生態用地的最小范圍角度來體現區域生態承載力的底線，獲取區域生態用地最小面積值與區域生態用地的最優布局，提取生態系統比較敏感或具有關鍵生態功能的區域，確定為水源保護區的生態承載力，并提出具有操作性的承載空間分布和產業規模控制方案，為這一區域持續發展提供決策支持。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

研究區地處北京密云區，位于北京市東北部，地理位置為116°41′E～117°30′E，40°14′N～40°48′N。海拔高度在451～735m，地形處于華北平原與蒙古高原過度地帶，為三面群山環繞、中部低緩、西南開口的簸箕形地形；中部是碧波蕩漾的密云水庫，西南是洪積沖積平原。密云區為暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候。四季分明，干濕冷暖變化明顯。年均溫為10.8℃，無霜期在175 d左右。日照時數2 282.9 h，年均輻射量為135 kcal/cm2，多年平均降雨量507mm。密云區境內有大小河流14條，潮白河縱貫全境。土壤類型以褐土為主，適宜多種農作物種植[16]。

密云水庫二級保護區7個鄉鎮的86個村莊，以種植雜糧、干鮮果品、部分設施蔬菜為主。共有耕地3 000hm2、果園3 867hm2、蔬菜500hm2。人均耕地0.035hm2、果園0.045hm2、蔬菜0.006hm2。2015年度，庫區糧食單產212.5kg/667m2；干鮮果品單產366.8kg/667m2；密云水庫二級保護區畜牧養殖業，以養殖豬、牛、家禽、羊為主。2014—2016年，二級保護區年出欄牛2 934頭、生豬3萬頭、羊近2.5萬只、家禽188萬只。養殖奶牛近1 000頭、蛋雞45萬只[17]。

1.2 樣品采集與分析

將密云水庫保護區行政區劃圖、土地利用現狀圖和密云水庫斷面圖疊加，并根據已有的地質調查資料，結合氣候、地形、植被以及土壤和地質類型，初步確定采樣點位置，如圖1。

圖1 密云水庫二級保護區土樣采集點位

2015年10—11月，在水庫二級保護區范圍內進行實地調研，共采集140個土壤樣本，同時調查采集樣點的地形坡度、土地利用現狀及其植被類型等。土樣在實驗室經雜物分撿、風干處理后，磨碎，過2mm 篩(分析測定時再過不同規格的篩)待測。分別測定土壤有機質、全氮、全磷、粒徑分級等指標。

1.3 研究方法

1.3.1 密云水庫保護區生態承載與敏感性分析指標、模型及分級標準

參照孟翔飛的“基于GIS與Vensim軟件的土地綜合承載力研究”[18，19]、林京浩的“延邊經濟生態環境現狀、存在問題及其對策研究”[20]，及陳建軍等“吉林省土壤侵蝕敏感性評價”等[21]，以通用土壤流失方程(USLE)為理論基礎，在GIS的支持下，對庫區的生態承載敏感性進行影響因子的綜合評價。選擇降雨侵蝕力、地形起伏度、植被類型和土壤質地、全氮、全磷等6個因子，進行綜合評價，構建密云水庫護區生態承載與敏感性分析指標、模型及分級標準(表1)。

早在2005年，中國科學院地理科學與資源研究所經濟地理專家張百平先生就提出區域生態安全的地帶性指標“原生態值”[22]的概念，意旨生態背景值或本底值以反映生態景觀的原始屬性。其所采用的指標為生態景觀的植被(植被層片結構、高度、蓋度等)和土壤(土壤有機質、土層厚度等)等指標，以一定的土類/植被群系綱為主要特征，來認識地表關鍵性綜合自然因子。該研究中的生態承載力與此類似，用以揭示自然因素和人類活動對區域生態屬性的影響程度。降雨侵蝕力、地形起伏度、植被類型和土壤質地4個指標可反映土壤侵蝕等自然因素在生態空間分布上的復雜性。根據“基于非點源污染的密云水源保護區水環境容量核算及其分配”研究[23]，畜禽養殖、生活污水、民俗旅游、水土流失是密云水庫保護區內主要的污染來源，其中畜禽養殖和水土流失主要引起了氨氮和總磷污染，是庫區內重點削減和控制的關鍵因子。為此，該研究中增加全氮、全磷指標。在指標分級標準中，前4個指標借鑒和參照了“土地綜合承載力研究和土壤侵蝕敏感性評價”[18-21]，全氮和全磷的分級則是根據前期多點位土壤測試數據研究并結合土地利用調研結果[24]，進行分級。

降雨是引起土壤侵蝕的最重要因子，主要是由降雨雨滴所攜帶的動能對土粒產生沖擊而引起土壤沖蝕。由于與土壤侵蝕關系比較密切的降雨特征參數較多，在實際工作中采用綜合的參數R值—降雨沖蝕潛力來反映降雨對土壤流失的影響。采用馬志尊[22]應用海河流域太行山區的計算公式為：

(1)

式(1)中：pi月降雨量(mm);(1)月降雨量取自密云水務局2015年度 6～9月雨季集中分布月份的人工雨量測報數據p為年降雨量(mm)。得到R值，再根據<25，25～100，100～400，400～600，>600不同的分級指標范圍進行賦值。

地形起伏度以地形坡度為主。根據點位的坡度不同進行賦值。

植被根據采樣點的種植作物、果樹及地表覆蓋情況進行分級賦值。

土壤全氮、全磷含量根據采樣點的實測數值進行分級賦值。

在各單項影響因子的分析前提下，利用地理信息系統軟件中的空間疊加分析功能，采用幾何平均數法計算方法，生成密云庫區生態承載力綜合敏感性分析圖，以及庫區7個鄉鎮不同生態承載力敏感程度的面積，見圖2～3。

幾何平均數法計算為：

(2)

式(2)中，SSj為j空間單元生態承載力敏感性指數；Ci為i因素敏感性等級值。

表1 密云水庫保護區生態承載與敏感性分析指標分級

1.3.2 密云水庫保護區畜禽養殖的糞便氮磷產生量

目前該區域在2015年內畜禽養殖的糞便氮磷產生量，采用計算公式為：

(3)

式(3)中，M為某區域一年畜禽糞便總氮、總磷產生量(kg);Qi為第i種畜禽的年平均出欄量;ai是一單位第i種畜禽一年產生的糞便總氮(或總磷)量;n為畜禽種類。其中，一單位畜禽一年糞便總氮(或總磷)產生量數據來自于環保部畜禽污染產生系數數據(2)資料來源：《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策》。禽類系數是一個飼養周期的產生量，對應于年出欄量，見表2。

表2 一單位畜禽一年糞便總氮總磷產生量 kg

圖2 密云庫區生態承載力綜合敏感性分布

圖3 密云庫區生態承載力綜合敏感性分析柱狀圖

2 結果與分析

2.1 密云庫區生態承載力敏感性分布格局

經分析和對各因素的綜合評價，密云庫區生態承載力敏感性分3個等級，即高度敏感、中度敏感、輕度敏感。高度敏感區域面積為119km2，占總面積的26.3%；中度敏感區域面積241km2，輕度敏感區域14km2，占總面積的3.2%。其中以中度敏感區占總面積的比例最大，占總面積的52.9%。極敏感和不敏感區所占比例相對比較小，而不敏感和極敏感面積都為零。說明由于30年的生態環境保護，密云水庫保護區生態狀況較優，但是由于庫區周邊承載了86個村莊、8.5萬人，生態承載能力下降，成為生態承載中高度敏感區域。

密云水庫保護區高度敏感區域(圖2中深褐色斑塊區域)的總體格局為：密云水庫西北石城鎮的二平臺、捧河沿、張家墳、趕河廠、西灣子等密云水庫入庫白河流域的村莊、及馮家峪鎮的石洞子、西莊子、保峪嶺、不老屯鎮的學藝廠、沙峪里等白馬關河流域的共10個村莊，由于地形起伏較大，夏季降雨較大，土壤氮磷的流失較大，土壤侵蝕的敏感度較高，生態承載力呈現高度敏感；密云水庫東北部的高嶺鎮芹菜嶺、瑤亭、高齡屯、白河澗，及不老屯鎮的丑山子、兵馬營、柳樹溝、南香玉等村莊，以及太師屯鎮的城子村、桑園、松樹峪、松樹掌、東田各莊、流河溝、上莊子、流河峪、龍潭溝等共17個村莊，處于密云水庫入庫河流潮河流域，地形起伏較小，春季多大風、土壤多為砂質壤土，風力侵蝕土壤程度較大，農事程度較高，生態承載力呈現高度敏感；除上述27個村莊外的59個村莊，為中度敏感區域(圖2種淺褐色斑塊區域)，基本覆蓋了密云水庫保護區。

2.2 密云庫區生態承載力分析

按照《飲用水水源保護區劃分技術規范》要求，二級保護區內不準新建、擴建向水體排放污染物的建設項目。改建項目必須削減污染物排放量；原有排污口必須削減污水排放量，保證保護區內水質滿足規定的水質標準；禁止設立裝卸垃圾、糞便、油類和有毒物品的碼頭。因此，在二級庫區內要在保證不增加排入水體污染物的基礎上，逐漸削減污染負荷。根據此要求，該項目所核算的生態承載力，需在劃定最小生態用地的基礎上，確定區域承載的人口數量，種植、養殖規模，以保證近期內土壤環境質量不變差，并使中長期階段土壤環境質量逐漸改善，以削減地表徑流和土壤侵蝕等面源污染對密云水庫水質的影響。

2.2.1 劃定最小生態用地范圍

根據密云庫區生態承載力綜合敏感性評價結果，處于高度敏感的區域為119hm2，包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區5鄉鎮的27個村莊，涉及人口2.285 4萬人，如圖2中的深褐色部分，詳細見表3。這個區域由于位于潮河、白河流域，或由于山勢陡峻，降雨量大，土壤侵蝕力強，生態承載力減弱，或由于農事活動強度較大，又處于風力較強的緩坡區域，土壤侵蝕及生態承載能力減弱，因此，此部分為最小生態用地。在此27個村的范圍內原則上不使用化肥、農藥，不進行規模養殖。

表3 密云水庫保護區生態承載高度敏感區區域范圍

表4 密云水庫保護區生態承載輕、中度敏感區畜禽糞便總氮、總磷產生量及限額 萬kg

2.2.2 中度、輕度敏感區內的承載產業特點

根據密云庫區生態承載力綜合敏感性評價結果，處于中度敏感的區域為2.4萬km2，輕度敏感區域為1 467hm2，包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區7鄉鎮的59個村莊，涉及人口6.208 5萬人，如圖2中的淺褐色部分。

表5 密云水庫保護區生態承載輕、中度敏感區畜禽允許總量

這部分區域內耕地對氮磷的承載力的標準有一定的限度。根據歐盟農業政策中規定的年施氮量170kg/hm2(以氮計)作為土地糞肥總氮承載力的標準[23]，年施磷量35kg/hm2(以磷計)作為土地糞肥總磷承載力的標準。那么，中輕度敏感區內承載的氮磷限度為725.5t和149.4 t(耕地與果園面積之和為4 267.5hm2)。根據式(1)、(3)、(2)，該區域在2015年內畜禽養殖的糞便氮磷產生總量為1 113t(以總氮為標準)和467t(以總磷為標準)，見表4。由此計算出不同畜禽種類的權重，結合氮磷限額，計算出密云庫區中輕度敏感區畜禽養殖允許總量，見表5。以總磷為標準的允許量小于以總氮為標準的允許量，因此在輕度、中度敏感區畜禽養殖允許量為939頭牛、9 599頭豬、7 999只羊、60萬只雞，折合羊單位為3.6萬只，占庫區現有養殖總量的32%，需要在現有基礎上削減68%。

3 討論

密云水庫于1958年9月1日開工建設以來，最大庫容量43億m3。2000年以后的十幾年，水庫水位不斷下降，一直在10億m3以下。部分土地逐漸露出水面，在138～155m高程的范圍內，約6 667hm2，地處庫區周邊的農民開始利用此肥沃地區進行生產，形象地稱之為“押寶地”。隨著2014年底南調水入密云水庫，水庫水位不斷上漲，為保障水質安全，水庫周邊155m高程以下土地全部退出，與之相對應的規模化養殖業也全面實行禁養。這些舉措無疑對保護北京水源地生態環境起到了舉足輕重的作用；但是，密云水庫二級保護區內仍然承載了8.6萬人，耕地及果園面積7 000hm2，耕地中谷物雜糧單產僅212.5kg/667m2，果園單產量不足400kg/667m2，較低的產出不利于當地農民生存發展。在不能完全移民的前提下，只能提高土地產出率，若提高土地產出率，須增加有機肥料等投入，若畜禽養殖業完全退出，有機肥源只能通過外阜調入，成本提高，因而，當地農民多施用化肥替代有機肥，長期以來，土壤質量降低，水庫周邊面源污染加重，繼而影響水庫水質。該文從解決該問題入手，選擇降雨侵蝕力、地形起伏度、植被類型和土壤質地、全氮、全磷等反映庫區土壤、植被、地形、氣候等因子，構建密云水庫護區生態承載與敏感性分析指標、模型及分級標準，通過綜合評價，得出密云庫區生態承載力敏感性分布格局，劃定了區域內生態承載力最小生態用地范圍之外，根據區域內耕地對氮磷的承載力的限制標準，核算出密云水源保護區生態承載畜禽養殖允許量。

需要強調的是目前畜禽氮磷污染負荷的削減采取的措施主要還是總量控制。傳統的畜禽糞便處理方式主要包括直接還田、堆肥等，堆肥的氮、磷去除率分別僅30%和10%左右，對氮磷的去除作用非常有限。集中養殖畜禽糞便的主要處理方式是“固液分離—資源化—沼氣化—沉淀”等處理工藝，該技術可較好去除畜禽糞便中的COD等污染物，對氮磷的去除效果僅10%。發酵床養殖中可以避免養殖廢水的產生，但卻將更大比例的氮留在了墊料中，仍難以有效去除糞便產生的氮磷元素[24]。為此只有從總量上控制畜禽養殖的數量，才能有效去除氮磷污染負荷，同時保持一定的允許養殖量，既能保證一定的肥源，提高土壤肥力和質量，又能促進農民增收，還能保證水質安全，是目前庫區采取的“一刀切”政策的改善和提高，為進一步科學合理制定政策提供有力的決策支持。

4 結論

(1)密云水源保護區生態承載力敏感性分區。密云庫區30年來生態環境保護政策措施實施較好，密云水庫保護區生態狀況較優，生態承載力極度敏感區為零，但是由于庫區周邊承載了86個村莊、8.5萬人，生態承載能力下降，不敏感區為零，輕度敏感區只占總面積的3%，中高度敏感區域占庫區總面積的80%。

(2)密云水源保護區生態承載力最小生態用地劃定。密云水源保護區高度敏感的區域約1.2萬hm2，包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區5鄉鎮的27個村莊，生態承載能力極弱，劃定為庫區最小生態用地，原則上種植業不使用化肥、農藥，不進行規模養殖畜牧業。

(3)密云水源保護區生態承載畜禽養殖允許量。密云水源保護區內劃定最小生態用地之外的所有區域內(一級圈除外)，即包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區7鄉鎮的59個村莊，合計2.5萬hm2，允許養殖牛939頭、生豬9 599頭、羊7 999只、雞60萬只，折合羊單位為3.6萬只，占庫區現有養殖總量的32%,需要在現有基礎上削減68%，而不是一律退出。