基于地理信息系統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.農旗科技（北京）有限公司，北京 100080）

前言

農業面源污染是指農村地區在農業生產和居民生活過程中產生的，未經合理處置的污染物對水體、土壤和空氣及農產品造成的污染，農業面源污染已嚴重影響到我國的水環境質量、生態環境健康，制約了我國經濟社會的可持續發展。畜禽養殖業污染是農業面源污染的主要來源之一，是農業面源污染研究的重要內容。據我國第一次全國污染普查結果顯示，2007 年我國畜禽養殖業化學需氧量（COD）排放量達到1 268.26萬噸，占農業源總量的 96%，已超過全國工業廢水和生活污水的COD排放量。畜禽養殖污染的產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督管理，因而，實施畜禽養殖污染的源頭控制，合理規劃畜禽養殖區域，是減輕畜禽養殖污染的有效手段。

2016年天津市肉類總產量達到45.51萬噸，其中豬肉產量29.18萬噸，占肉類總產量的64.1%。生豬養殖業是農民增收的重要方式。由于天津市涉農各區具有獨特的自然環境和經濟社會發展環境，生豬養殖地域差異懸殊，造成各區農業面源污染具有不同特征，因此，了解天津市生豬養殖污染空間分異對天津市畜牧業的發展和規劃、糞污綜合利用、生態環境改善、生態循環農業的發展具有重要意義。GIS空間分析的運用，能直觀地反映各區農業面源污染的時空動態變化情況，為有針對性地開展污染治理提供依據，因此，在地理空間分析方面對天津市農業面源污染分布進行時間和空間分區研究，對于天津市農業面源污染的控制具有重要的現實意義。

研究以統計數據及174家規模養殖場采集數據為基礎，結合GIS技術分析天津市生豬產業面源污染的空間分異與評價，旨在為天津市畜牧業面源污染治理、生態循環農業政策制定提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

天津市地處華北平原北部，位于海河下游，地跨海河兩岸，現轄區域在北緯 38°34'—40°15'，東經 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年天津市肉類產量年平均為43.26萬噸，豬肉產量每年平均27.03萬噸，占肉類總產量的62.5%，是我國京津冀地區重要的生豬生產地區，也是城郊型農業集中分布區。

1.2 數據來源

圖1 天津市行政區劃圖

研究使用的天津市基礎產業數據來源于2017年天津統計年鑒。統計數據包括2000年—2016年肉類產量、豬肉產量、土地面積等基礎數據。研究使用的主要數據來源于12316云系統-天津市生豬產業體系平臺載入的174家規模養殖場、養殖小區和合作社等的采集數據。研究使用的GIS圖片數據來源于12316云系統-天津市生豬產業體系平臺中展示的統計圖片。

1.3 研究方法

通過對12316云系統-天津市生豬產業體系平臺載入的174家規模養殖場、養殖小區和合作社等的采集數據利用Excel進行統計分析，并結合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

生豬糞污產生量的計算方法是根據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生量，計算方法參考公式②，系統所用產污系數數據參考表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，負載等級調整為可承載、輕度污染和明顯污染三個等級（如表 2）。

糞污產生量=日排泄系數×飼養天數×飼養數量 ①

生豬糞污負載強度=生豬糞污產生總量/土地面積 ②

1.3.2 生豬碳排放量計算

生豬養殖產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。

標準碳總排放量=[（腸胃發酵產生的CH4＋糞便管理系統產生的CH4）×CH4全球升溫潛能值+糞便管理系統中產生的N2O×N2O全球升溫潛能值]×CO2當量轉化為標準碳轉化系數

注：CO2當量轉化為標準碳轉化系數為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系統可持續運行的條件下，一定區域內耕地、林地和草地等所能承載的最大畜禽存欄量。

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

區域植物養分需求量＝∑[每種植物總產量（總面積）×單位產量（單位面積）養分需求]

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

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

2 結果分析

2.1 天津市生豬養殖產業現狀

調查天津市涉農區174家規模養殖場、養殖小區和合作社等的采集數據，圖2左為調查的天津市養殖場分布圖。如表4所示，天津市養殖場生豬常年存欄量達106.48萬頭，每年糞污產生量達466.38萬噸，在調查的174家生豬養殖場中有50家養殖場采用糞污直排的處理方式，有90家養殖場有采用暗管排污的現象。在當前的生豬生產中部分規模化養殖場沒有糞污處理設施、糞便和污水隨處排放，嚴重污染了周圍的環境。如果再不采用合適的處理方法，將使農村居住和生活環境受到破壞，生態失去平衡，影響居民健康和社會的可持續和諧發展。

表1 主要畜禽產污系數 kg/（d?頭）

表2 土地生豬糞污負載強度評價標準

表3 生豬腸胃發酵和糞便管理系統的溫室氣體排放系數

圖2 天津市規模生豬養殖場分布圖和養殖規模熱力圖

通過將調查的174家規模生豬養殖場的位置數據和養殖規模數據與GIS結合，我們可以直觀的看到天津市各涉農區的養殖場分布和養殖場規模（見圖2右）。從圖2上我們可以清晰地看到養殖場密度最大的三個區依次為寧河區、寶坻區和武清區，養殖場數量分別為66家、32家和29家。其次為薊州區、濱海新區和靜海區，養殖場數量分別為18家、10家和8家。養殖規模最大的三個區依次是寧河區、寶坻區和武清區，生豬常年存欄量達393 776頭、311 269頭和78 024頭。區域間養殖場和養殖規模的差異性造成了區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年天津市各個區域生豬存欄量，計算糞污產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糞污產生量可以發現寧河區的糞污產生量達到最大，為1 724 738.88 t/ 年，其次是寶坻區，為1 363 358.22t/ 年，分別達天津市各區平均糞污產生量的3.3倍和2.6倍。通過計算各行政區生豬糞污負載強度可以發現，2018年寧河區和寶坻區的生豬負載強度達到最大，為12 197.59 kg/hm2和8 951.79 kg/hm2，分別達天津各區平均負載強度的3.0倍和2.2倍。從2018年天津市各行政區生豬養殖數據來看，糞污產生量寧河區＞寶坻區＞武清區＞薊州區；生豬糞污負載強度寧河區＞寶坻區＞西青區＞東麗區。

2.3 生豬糞污負載強度GIS評價

將天津市涉農各行政區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年天津市涉農各行政區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。

通過計算可以發現，寧河區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，生豬養殖環境超過負荷，產生明顯的面源污染，是天津市重點治理的對象。寶坻區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，生豬養殖環境超過負荷，產生輕度污染，也是天津市重點治理的地區。西青區、靜海區、武清區、北辰區、東麗區、薊州區和濱海新區等負載強度都小于5 000 kg/hm2，負載等級為可承載，生豬養殖環境可承載，其中，西青區負載強度達到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殖監管部門重視的地區。

表4 天津市養殖場糞污處理情況統計

表5 2018年天津市涉農各區生豬糞污產生量及負載強度

圖3 天津市涉農各行政區土地生豬糞污負載強度等級

圖4 天津市各行政區生豬碳排放總量（t/年）

2.4 生豬養殖碳排放量GIS評價

碳排放是關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。規模化生豬養殖場的碳排放也是造成環境問題的不可忽視的重要因素，但我國對畜牧業的碳排放量的研究較少。研究中利用采集的規模養殖場基礎數據，通過公式計算，結合GIS進行分析得到天津市各行政區碳排放量圖（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，寧河區和寶坻區的碳排放量最大，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。其次是武清區、薊州區和濱海新區，碳排放量較多，從地圖上看位于第二級別。西青區、靜海區、東麗區和北辰區等的碳排放量較少。

2.5 生豬養殖土地承載力GIS評價

畜禽糞污土地承載力是指在土地生態系統可持續運行的條件下，一定區域內耕地、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，根據植被氮需要量和生豬糞便氮產量來確定單位用地承載的生豬數量。圖5，天津市各行政區土地承載力大小用不同顏色深淺說明各行政區土地承載力的空間分異情況?？梢园l現天津市生豬養殖土地承載力最大的區為濱海新區，土地承載力較大的是薊州區、武清區、寶坻區和靜海區，土地承載力較小的是寧河區、西青區，土地承載力最小的區是北辰區、東麗區、津南區及其他各區。通過分析，濱海新區基于氮的生豬土地承載力是寧河區生豬承載力的1.69倍，是東麗區土地承載力的4.1倍，由此可見，天津市各區土地承載力差異巨大。天津市各區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 結果與討論

根據天津市各行政區的養殖場分布和養殖規模來看，寧河區、寶坻區和武清區三個區的養殖場數量分布較多，養殖場規模較大。結合天津市各行政區生豬養殖數據統計，生豬糞污產生量的趨勢同養殖場分布和養殖規模的趨勢保持一致。從不同區域的生豬糞污負載強度等級GIS評價結果來看寧河區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，生豬養殖環境超過負荷，產生明顯的面源污染是天津市重點治理的對象。寶坻區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，生豬養殖環境超過負荷，產生輕度污染，也是天津市重點治理的地區。根據農業農村部印發的《全國生豬生產發展規劃（2016—2020年）》規定京津滬地區為生豬養殖約束發展區，該區域經濟發展水平和城鎮化率較高，生豬養殖總量小，但規?；潭?、生產水平等均處于全國前列。因此，天津市對生豬養殖造成的環境污染問題不可小覷。生豬養殖負載強度和負載等級是評價養殖面源污染程度的兩個重要的指標，也是環境監管部門重點監測的指標。

圖5 天津市生豬養殖土地承載力（左：基于氮；右：基于磷）

生豬養殖業的發展導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，給環境造成了很大的壓力。合理計算生豬養殖業溫室氣體的排放量，對制定合理的減排措施具有重要的指導意義。通過計算天津市各行政區生豬養殖碳排放總量，并結合GIS進行分析，可以得知寧河區和寶坻區的生豬養殖排放總量達到最大。結合天津市生豬養殖現狀進行分析，在當前的生豬養殖業中，糞污處理設施建設不全，糞污直排和采用暗管排污的養殖場的數量較多，可以采用建設糞污處理設施、并進行合理利用，從源頭上減少糞污對環境造成直接污染的程度。針對生豬養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，可以利用生豬產生的糞污作為能源和肥料等來降低糞污對環境的污染。這些指標綜合分析可以為管理部門提供生豬養殖產業管理建議。

畜禽糞污土地承載力是指在土地生態系統可持續運行的條件下，一定區域內耕地、林地和草地等所能承載的最大畜禽存欄量。區域內水資源、耕地資源、糞污產生量對生豬養殖環境承載力具有直接的影響。通過計算天津市生豬養殖土地承載力，結合當前生豬養殖數量，利用GIS空間技術對區域養殖環境進行預警分析，可以發現天津市生豬養殖土地承載力最大的區為濱海新區，土地承載力較大的是薊州區、武清區、寶坻區和靜海區，這為天津市生豬養殖區域規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

在當前的生豬產業研究中，僅分析了2018年一年的數據，基于這些數據可進行天津市當前空間分布的差異性研究。在經過連續多年不斷的采集數據，將來可以利用GIS實現生豬養殖業乃至整個農業行業造成面源污染的時間和空間分異特征分析。

4.2 利用三區地圖制定養殖規劃布局

根據農業農村部印發的《全國生豬生產發展規劃（2016—2020年）》劃定了畜禽養殖的適養區、限養區和禁養區的界限，天津市屬于限養區。根據《天津市畜禽養殖管理辦法》規定天津市畜禽養殖區域劃分為禁止養殖區、控制養殖區和適度養殖區，可以將養殖區域的劃分范圍利用GIS實現對畜禽養殖的規劃布局，合理的發展和管理畜禽養殖業。

4.3 為農業政策的制定提供依據

通過對全市規模生豬養殖場和散養戶進行全方面的數據采集，并通過數據的痕跡化管理實現數據的真實性，旨在為天津市畜牧業面源污染治理、生態循環農業政策制定提供一定的理論依據。

根據農業農村部印發的《全國生豬生產發展規劃（2016—2020年）》規定了天津市的主要任務是，穩定現有生產規模，優化生豬養殖布局，加強生豬育種能力建設，推行沼氣工程、種養一體化等生豬糞便綜合利用模式，提高集約化養豬水平和豬肉產品質量安全水平，加快信息化建設，構建質量安全可追溯體系，發展現代生豬產業。在利用GIS實現區域化的精細監管的基礎上，結合12316云平臺其他業務模塊，可以實現生豬產業全程監管模式，并可構建豬肉質量安全追溯體系。