基于GIS的規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，尤其是規(guī)模化、集約化的養(yǎng)殖場不斷增加，使養(yǎng)殖業(yè)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(yǎng)殖場附近，若局部區(qū)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(fā)嚴重的環(huán)境問題[1-2]，尤其是養(yǎng)殖業(yè)的不合理布局，已引起嚴重的環(huán)境污染問題[3]。另外，畜禽養(yǎng)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(huán)境壓力[4-5]。如何在畜牧業(yè)現(xiàn)代化養(yǎng)殖發(fā)展中，合理發(fā)展規(guī)模養(yǎng)殖、調整養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)殖空間分布格局的合理性，提出并運用畜禽養(yǎng)殖當量計算縣域環(huán)境承載力及其分布格局。GERBER等[7]則通過養(yǎng)殖場生產經濟效益、環(huán)境影響、公共和動物衛(wèi)生保護、農村發(fā)展和減少貧困等4個目標，對養(yǎng)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(huán)境污染影響指標，對北京市大興區(qū)畜禽養(yǎng)殖場空間布局進行了研究。也有學者研究分析了影響?zhàn)B殖場空間布局的因素，如劉巧芹等[9]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖場與消費市場的距離是影響畜禽養(yǎng)殖場布局的一個重要因素，且畜禽養(yǎng)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(huán)境規(guī)章制度與養(yǎng)殖場空間分布位置的潛在聯(lián)系及養(yǎng)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(huán)境規(guī)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(yǎng)殖場的調查，從微觀層面驗證環(huán)境規(guī)章制度對養(yǎng)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(yǎng)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(wèi)生與防疫安全、環(huán)境等影響因素。而畜禽養(yǎng)殖廢棄物含有豐富的養(yǎng)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(yǎng)殖生產的可持續(xù)發(fā)展，在進行規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局時應考慮畜禽養(yǎng)殖廢棄物返田施用。

本研究利用地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析技術，著重考慮畜禽養(yǎng)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(huán)境污染、土地利用等因素構建了規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性評價體系，以期為相關部門在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的科學合理規(guī)劃布局提供管理決策支持，也為畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速、健康、可持續(xù)發(fā)展提供借鑒作用。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)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(fā)展，閩侯縣畜禽養(yǎng)殖業(yè)的生產規(guī)模日漸擴大，正朝著規(guī)模化、集約化、現(xiàn)代化等方向迅速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖業(yè)已成為閩侯縣農業(yè)發(fā)展的一大支柱產業(yè)。目前，畜禽養(yǎng)殖業(yè)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(yǎng)殖業(yè)持續(xù)、健康的發(fā)展，迫切需要對畜禽養(yǎng)殖場進行科學、合理的空間布局規(guī)劃。

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

圖1 閩侯縣規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性評價數(shù)據(jù)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(yǎng)殖多用途空間數(shù)據(jù)庫構建

1.3.1 畜禽養(yǎng)殖多用途空間數(shù)據(jù)整合和共享

由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)資源數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)精度等存在較大的差異及系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織的復雜性引起養(yǎng)殖業(yè)數(shù)據(jù)的存儲方式和結構、數(shù)據(jù)尺度、數(shù)據(jù)組織等方面的多樣性[14]。要整合這些數(shù)據(jù)，首先，需要對畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，主要包括空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)在空間、時間、度量單位及數(shù)據(jù)分類標準的一致性等[15]。其次，將多源多尺度的數(shù)據(jù)資源經過數(shù)據(jù)提取、清洗、轉換、集成和裝載后，建立各尺度、各專題層次的養(yǎng)殖業(yè)資源數(shù)據(jù)庫、基礎地理數(shù)據(jù)庫、遙感影像庫、統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫和各種文檔多媒體數(shù)據(jù)庫[16]。同時，建立畜禽養(yǎng)殖信息的元數(shù)據(jù)目錄數(shù)據(jù)庫，主要包括畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的來源、采集方式、時間、內容、數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(yǎng)殖信息涉及到大量的復雜空間信息，而畜禽養(yǎng)殖空間信息資源的共享與互操作是畜禽養(yǎng)殖多用途空間數(shù)據(jù)庫設計實現(xiàn)的難點。面向對象的GIS數(shù)據(jù)模型則可以將畜禽養(yǎng)殖的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有效地融合在一起，對于處理畜禽養(yǎng)殖信息涉及到的復雜地理對象具有極大優(yōu)越性。

1.3.2 畜禽養(yǎng)殖多用途空間數(shù)據(jù)庫構成

畜禽養(yǎng)殖多用途空間數(shù)據(jù)庫主要包含基礎地理數(shù)據(jù)庫、遙感/航空影像數(shù)據(jù)庫、畜禽養(yǎng)殖地理編碼數(shù)據(jù)庫、畜禽養(yǎng)殖專題數(shù)據(jù)庫及元數(shù)據(jù)庫。而畜禽養(yǎng)殖專題數(shù)據(jù)庫包括文檔資料庫、畜禽養(yǎng)殖空間數(shù)據(jù)庫、畜禽養(yǎng)殖屬性數(shù)據(jù)庫、畜禽養(yǎng)殖多媒體數(shù)據(jù)庫等。具體的數(shù)據(jù)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(zhèn)信息表、道路信息表)、規(guī)模養(yǎng)殖品種信息表、散養(yǎng)信息表、生產資料信息表、散養(yǎng)品種信息表、養(yǎng)殖廢棄物管理信息表(養(yǎng)殖糞便排放系數(shù)表、養(yǎng)殖尿排放系數(shù)表和廢棄物沼氣產量系數(shù)表)、養(yǎng)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(yǎng)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(guī)模化畜禽養(yǎng)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(guī)模化畜禽養(yǎng)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(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場出于降低養(yǎng)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(fā)達國家規(guī)定畜禽養(yǎng)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(huán)[18-19]。近年來，畜禽養(yǎng)殖場帶來的各種環(huán)境污染越來越突出，而畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖廢棄物成為環(huán)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(tǒng)籌考慮，通過廣泛收集研究區(qū)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(qū)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(guī)模化畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖生產及居民生活的影響，規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(shù)，采用因子量化方法對規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(shù)再乘以100即因子的標準化值[21-22]。對閩侯縣規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖場空間布局適宜性影響衰減程度賦予不同分值。規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(xiàn)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(shù)據(jù)庫的主鍵，作為與其他表格關聯(lián)的依據(jù)。圖2 多用途空間數(shù)據(jù)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(qū)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(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性等級評定

根據(jù)規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性評價模型(見式(1))。

(1)

式中：S為規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(shù)。

3 結果分析

利用上述評價方法獲得閩侯縣規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(jù)分級方案將適宜性評價結果劃分為禁養(yǎng)區(qū)、不適宜區(qū)、比較適宜區(qū)和適宜區(qū)4個等級，結果見圖3。考慮到規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場的可持續(xù)發(fā)展，規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場會產生有毒有害氣體，從環(huán)境污染的角度出發(fā)，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場位置需要考慮當?shù)氐娘L向變化，根據(jù)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(guī)模化畜禽養(yǎng)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(jù)閩侯縣東南風的氣候風向條件，結合規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性評價結果，獲得閩侯縣規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局最適宜區(qū)域，結果見圖4。綜合考慮后，閩侯縣規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性評價結果劃分為由居民區(qū)、道路、各種水體和農田保護區(qū)等組成的禁養(yǎng)區(qū)以及不適宜區(qū)和適宜區(qū)(細分為一般適宜區(qū)、比較適宜區(qū)和最適宜區(qū))構成。

(1) 禁養(yǎng)區(qū)：主要在閩侯縣的東南區(qū)域，包括區(qū)域內現(xiàn)有的居民地、道路、水體等。具體主要包括上街鎮(zhèn)大學城、南通鎮(zhèn)北部、南嶼鎮(zhèn)南部及尚干鎮(zhèn)、祥謙鎮(zhèn)、青口鎮(zhèn)北部等區(qū)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(zhèn)的大學城區(qū)域，是政府嚴格劃定的畜禽禁養(yǎng)區(qū)。

(2) 不適宜區(qū)：除了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)用于農業(yè)發(fā)展的耕地區(qū)域，不適宜區(qū)域主要包括南嶼鎮(zhèn)西部、洋里鄉(xiāng)北部、大湖鄉(xiāng)北部、鴻尾鄉(xiāng)及延坪鄉(xiāng)西北部等區(qū)域，面積為1 114.07 km2，占總面積的52.36%。其中大湖鄉(xiāng)、延坪鄉(xiāng)、洋里鄉(xiāng)和鴻尾鄉(xiāng)等群山環(huán)抱，海拔較高，交通不便，尤其是大湖鄉(xiāng)和延坪鄉(xiāng)靠近鰲江(塘坂)水源地，屬于閩江流域中游，且部分區(qū)域位于下風口。若建設規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(qū)域不適合建設規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場。

(3) 適宜區(qū)：閩侯縣適宜區(qū)主要分布于南嶼鎮(zhèn)北部、南通鎮(zhèn)東部、青口鎮(zhèn)和小箬鄉(xiāng)的部分區(qū)域，占閩侯縣總面積的31.37%。一般適宜區(qū)面積約占總面積的25.33%，比較適宜區(qū)面積占總面積的5.23%，而最適宜區(qū)主要位于上街鎮(zhèn)北部、南通鎮(zhèn)東北部及荊溪鎮(zhèn)除禁養(yǎng)區(qū)和不適宜區(qū)之外的其他區(qū)域，總面積為17.38 km2，占閩侯縣總面積的0.47%。由于這些區(qū)域與下風口尚有一定的距離，因此可降低由規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場產生的有毒、有害臭氣對周邊環(huán)境空氣的污染風險。此外，這些區(qū)域周邊分布著大量的耕地資源，畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖廢棄物造成環(huán)境污染的風險。同時，以上區(qū)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(qū)域緊靠市場，不僅能節(jié)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(qū)域很適合發(fā)展規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)快速發(fā)展。

圖3 閩侯縣規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局最適宜區(qū)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(yǎng)殖多用途空間數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫滿足了規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性評價的需要，實現(xiàn)了養(yǎng)殖規(guī)模量、畜禽品種及畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分的轉換等一系列信息的共享。

(2) 基于畜禽養(yǎng)殖多用途空間數(shù)據(jù)庫，并利用GIS空間分析技術，著重考慮畜禽養(yǎng)殖廢棄物作為有機肥返田施用這一因素，綜合自然、經濟、環(huán)境污染、土地利用等因素構建了規(guī)模化畜禽養(yǎng)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(xiàn)有的土地面積中，大部分不適宜建設規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場，占閩侯縣總面積的68.63%，一般適宜區(qū)面積約占總面積的25.33%，比較適宜區(qū)面積占總面積的5.23%，而最適宜區(qū)主要分布在上街鎮(zhèn)北部、南通鎮(zhèn)東北部、荊溪鎮(zhèn)等區(qū)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(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場空間布局適宜性評價結果存在一定程度的主觀性。

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