胡艷霞,鄭瑞倫,周連第,許素梅,楊丹丹

(1.北京市農(nóng)林科學院草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，北京 100097；2.北京市農(nóng)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(chǎn)生任何破壞時的最大負載，現(xiàn)已演變?yōu)閷Πl(fā)展的限制程度進行描述的最常用術(shù)語[1-4]。早在1921年，帕克和伯吉斯就在有關(guān)的人類生態(tài)學研究中，提出了承載能力的概念，認為，根據(jù)某一地區(qū)的食物資源確定區(qū)內(nèi)的人口承載能力[5]。20世紀70年代以后，人口、糧食、資源、環(huán)境等全球性問題發(fā)展，以協(xié)調(diào)人地關(guān)系為中心的綜合承載力研究興起，擴展到整個資源領(lǐng)域[6]。進入20世紀80年代，ECCO模型(Enhancement of Carrying Capacity Options)開始設(shè)計，采用系統(tǒng)動力學方法，綜合考慮人口、資源、環(huán)境與發(fā)展之間的關(guān)系，模擬不同發(fā)展策略下，人口變化與承載力之間的動態(tài)變化[7，8]。目前，國內(nèi)外開展了大量的資源環(huán)境承載力研究工作，特別是在資源環(huán)境承載力評價方面，從定性分析發(fā)展到定性與定量相結(jié)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(huán)境承載力評價未有明顯進展，資源環(huán)境承載力評價模型與指標構(gòu)建、承載閾值界定等有待標準化[11，12]。此外，已經(jīng)開展的資源環(huán)境承載力研究，多是針對大尺度區(qū)域開展的，而在小尺度區(qū)域上開展得相對較晚，成果較少[13-15]。從以往相關(guān)研究來看，評價區(qū)域尺度越小，資源環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取困難度越大。影響到資源環(huán)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(huán)境承載力研究成果基本停留在學術(shù)研究層面，實際應(yīng)用極其不足，僅在經(jīng)濟社會發(fā)展和資源環(huán)境管理中起到較小的參考作用，難以形成承載力對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性制約作用。鑒于此，文章針對北京密云水源保護區(qū)環(huán)境保護和生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展之間的矛盾問題，從生態(tài)用地的最小范圍角度來體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)承載力的底線，獲取區(qū)域生態(tài)用地最小面積值與區(qū)域生態(tài)用地的最優(yōu)布局，提取生態(tài)系統(tǒng)比較敏感或具有關(guān)鍵生態(tài)功能的區(qū)域，確定為水源保護區(qū)的生態(tài)承載力，并提出具有操作性的承載空間分布和產(chǎn)業(yè)規(guī)模控制方案，為這一區(qū)域持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處北京密云區(qū)，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(huán)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(qū)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(shù)2 282.9 h，年均輻射量為135 kcal/cm2，多年平均降雨量507mm。密云區(qū)境內(nèi)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(nóng)作物種植[16]。

密云水庫二級保護區(qū)7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的86個村莊，以種植雜糧、干鮮果品、部分設(shè)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(qū)糧食單產(chǎn)212.5kg/667m2；干鮮果品單產(chǎn)366.8kg/667m2；密云水庫二級保護區(qū)畜牧養(yǎng)殖業(yè)，以養(yǎng)殖豬、牛、家禽、羊為主。2014—2016年，二級保護區(qū)年出欄牛2 934頭、生豬3萬頭、羊近2.5萬只、家禽188萬只。養(yǎng)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(qū)行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖和密云水庫斷面圖疊加，并根據(jù)已有的地質(zhì)調(diào)查資料，結(jié)合氣候、地形、植被以及土壤和地質(zhì)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(qū)土樣采集點位

2015年10—11月，在水庫二級保護區(qū)范圍內(nèi)進行實地調(diào)研，共采集140個土壤樣本，同時調(diào)查采集樣點的地形坡度、土地利用現(xiàn)狀及其植被類型等。土樣在實驗室經(jīng)雜物分撿、風干處理后，磨碎，過2mm 篩(分析測定時再過不同規(guī)格的篩)待測。分別測定土壤有機質(zhì)、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(qū)生態(tài)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(jīng)濟生態(tài)環(huán)境現(xiàn)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(chǔ)，在GIS的支持下，對庫區(qū)的生態(tài)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(zhì)地、全氮、全磷等6個因子，進行綜合評價，構(gòu)建密云水庫護區(qū)生態(tài)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(jīng)濟地理專家張百平先生就提出區(qū)域生態(tài)安全的地帶性指標“原生態(tài)值”[22]的概念，意旨生態(tài)背景值或本底值以反映生態(tài)景觀的原始屬性。其所采用的指標為生態(tài)景觀的植被(植被層片結(jié)構(gòu)、高度、蓋度等)和土壤(土壤有機質(zhì)、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(guān)鍵性綜合自然因子。該研究中的生態(tài)承載力與此類似，用以揭示自然因素和人類活動對區(qū)域生態(tài)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(zhì)地4個指標可反映土壤侵蝕等自然因素在生態(tài)空間分布上的復雜性。根據(jù)“基于非點源污染的密云水源保護區(qū)水環(huán)境容量核算及其分配”研究[23]，畜禽養(yǎng)殖、生活污水、民俗旅游、水土流失是密云水庫保護區(qū)內(nèi)主要的污染來源，其中畜禽養(yǎng)殖和水土流失主要引起了氨氮和總磷污染，是庫區(qū)內(nèi)重點削減和控制的關(guān)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(jù)前期多點位土壤測試數(shù)據(jù)研究并結(jié)合土地利用調(diào)研結(jié)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(chǎn)生沖擊而引起土壤沖蝕。由于與土壤侵蝕關(guān)系比較密切的降雨特征參數(shù)較多，在實際工作中采用綜合的參數(shù)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(yīng)用海河流域太行山區(qū)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(wù)局2015年度 6～9月雨季集中分布月份的人工雨量測報數(shù)據(jù)p為年降雨量(mm)。得到R值，再根據(jù)<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(jù)點位的坡度不同進行賦值。

植被根據(jù)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(jù)采樣點的實測數(shù)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(tǒng)軟件中的空間疊加分析功能，采用幾何平均數(shù)法計算方法，生成密云庫區(qū)生態(tài)承載力綜合敏感性分析圖，以及庫區(qū)7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同生態(tài)承載力敏感程度的面積，見圖2～3。

幾何平均數(shù)法計算為：

(2)

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

表1 密云水庫保護區(qū)生態(tài)承載與敏感性分析指標分級

1.3.2 密云水庫保護區(qū)畜禽養(yǎng)殖的糞便氮磷產(chǎn)生量

目前該區(qū)域在2015年內(nèi)畜禽養(yǎng)殖的糞便氮磷產(chǎn)生量，采用計算公式為：

(3)

式(3)中，M為某區(qū)域一年畜禽糞便總氮、總磷產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生量數(shù)據(jù)來自于環(huán)保部畜禽污染產(chǎn)生系數(shù)數(shù)據(jù)(2)資料來源：《全國規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策》。禽類系數(shù)是一個飼養(yǎng)周期的產(chǎn)生量，對應(yīng)于年出欄量，見表2。

表2 一單位畜禽一年糞便總氮總磷產(chǎn)生量 kg

圖2 密云庫區(qū)生態(tài)承載力綜合敏感性分布

圖3 密云庫區(qū)生態(tài)承載力綜合敏感性分析柱狀圖

2 結(jié)果與分析

2.1 密云庫區(qū)生態(tài)承載力敏感性分布格局

經(jīng)分析和對各因素的綜合評價，密云庫區(qū)生態(tài)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(qū)域面積為119km2，占總面積的26.3%；中度敏感區(qū)域面積241km2，輕度敏感區(qū)域14km2，占總面積的3.2%。其中以中度敏感區(qū)占總面積的比例最大，占總面積的52.9%。極敏感和不敏感區(qū)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(tài)環(huán)境保護，密云水庫保護區(qū)生態(tài)狀況較優(yōu)，但是由于庫區(qū)周邊承載了86個村莊、8.5萬人，生態(tài)承載能力下降，成為生態(tài)承載中高度敏感區(qū)域。

密云水庫保護區(qū)高度敏感區(qū)域(圖2中深褐色斑塊區(qū)域)的總體格局為：密云水庫西北石城鎮(zhèn)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(zhèn)的石洞子、西莊子、保峪嶺、不老屯鎮(zhèn)的學藝廠、沙峪里等白馬關(guān)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(tài)承載力呈現(xiàn)高度敏感；密云水庫東北部的高嶺鎮(zhèn)芹菜嶺、瑤亭、高齡屯、白河澗，及不老屯鎮(zhèn)的丑山子、兵馬營、柳樹溝、南香玉等村莊，以及太師屯鎮(zhèn)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?zhí)稖系裙?7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(zhì)壤土，風力侵蝕土壤程度較大，農(nóng)事程度較高，生態(tài)承載力呈現(xiàn)高度敏感；除上述27個村莊外的59個村莊，為中度敏感區(qū)域(圖2種淺褐色斑塊區(qū)域)，基本覆蓋了密云水庫保護區(qū)。

2.2 密云庫區(qū)生態(tài)承載力分析

按照《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》要求，二級保護區(qū)內(nèi)不準新建、擴建向水體排放污染物的建設(shè)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(qū)內(nèi)水質(zhì)滿足規(guī)定的水質(zhì)標準；禁止設(shè)立裝卸垃圾、糞便、油類和有毒物品的碼頭。因此，在二級庫區(qū)內(nèi)要在保證不增加排入水體污染物的基礎(chǔ)上，逐漸削減污染負荷。根據(jù)此要求，該項目所核算的生態(tài)承載力，需在劃定最小生態(tài)用地的基礎(chǔ)上，確定區(qū)域承載的人口數(shù)量，種植、養(yǎng)殖規(guī)模，以保證近期內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量不變差，并使中長期階段土壤環(huán)境質(zhì)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(zhì)的影響。

2.2.1 劃定最小生態(tài)用地范圍

根據(jù)密云庫區(qū)生態(tài)承載力綜合敏感性評價結(jié)果，處于高度敏感的區(qū)域為119hm2，包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區(qū)5鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(qū)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(tài)承載力減弱，或由于農(nóng)事活動強度較大，又處于風力較強的緩坡區(qū)域，土壤侵蝕及生態(tài)承載能力減弱，因此，此部分為最小生態(tài)用地。在此27個村的范圍內(nèi)原則上不使用化肥、農(nóng)藥，不進行規(guī)模養(yǎng)殖。

表3 密云水庫保護區(qū)生態(tài)承載高度敏感區(qū)區(qū)域范圍

表4 密云水庫保護區(qū)生態(tài)承載輕、中度敏感區(qū)畜禽糞便總氮、總磷產(chǎn)生量及限額 萬kg

2.2.2 中度、輕度敏感區(qū)內(nèi)的承載產(chǎn)業(yè)特點

根據(jù)密云庫區(qū)生態(tài)承載力綜合敏感性評價結(jié)果，處于中度敏感的區(qū)域為2.4萬km2，輕度敏感區(qū)域為1 467hm2，包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區(qū)7鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(qū)生態(tài)承載輕、中度敏感區(qū)畜禽允許總量

這部分區(qū)域內(nèi)耕地對氮磷的承載力的標準有一定的限度。根據(jù)歐盟農(nóng)業(yè)政策中規(guī)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(qū)內(nèi)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(jù)式(1)、(3)、(2)，該區(qū)域在2015年內(nèi)畜禽養(yǎng)殖的糞便氮磷產(chǎn)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(quán)重，結(jié)合氮磷限額，計算出密云庫區(qū)中輕度敏感區(qū)畜禽養(yǎng)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(qū)畜禽養(yǎng)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(qū)現(xiàn)有養(yǎng)殖總量的32%，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上削減68%。

3 討論

密云水庫于1958年9月1日開工建設(shè)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(nèi)，約6 667hm2，地處庫區(qū)周邊的農(nóng)民開始利用此肥沃地區(qū)進行生產(chǎn)，形象地稱之為“押寶地”。隨著2014年底南調(diào)水入密云水庫，水庫水位不斷上漲，為保障水質(zhì)安全，水庫周邊155m高程以下土地全部退出，與之相對應(yīng)的規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)也全面實行禁養(yǎng)。這些舉措無疑對保護北京水源地生態(tài)環(huán)境起到了舉足輕重的作用；但是，密云水庫二級保護區(qū)內(nèi)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(chǎn)僅212.5kg/667m2，果園單產(chǎn)量不足400kg/667m2，較低的產(chǎn)出不利于當?shù)剞r(nóng)民生存發(fā)展。在不能完全移民的前提下，只能提高土地產(chǎn)出率，若提高土地產(chǎn)出率，須增加有機肥料等投入，若畜禽養(yǎng)殖業(yè)完全退出，有機肥源只能通過外阜調(diào)入，成本提高，因而，當?shù)剞r(nóng)民多施用化肥替代有機肥，長期以來，土壤質(zhì)量降低，水庫周邊面源污染加重，繼而影響水庫水質(zhì)。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(zhì)地、全氮、全磷等反映庫區(qū)土壤、植被、地形、氣候等因子，構(gòu)建密云水庫護區(qū)生態(tài)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(qū)生態(tài)承載力敏感性分布格局，劃定了區(qū)域內(nèi)生態(tài)承載力最小生態(tài)用地范圍之外，根據(jù)區(qū)域內(nèi)耕地對氮磷的承載力的限制標準，核算出密云水源保護區(qū)生態(tài)承載畜禽養(yǎng)殖允許量。

需要強調(diào)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(tǒng)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(yǎng)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(shù)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(fā)酵床養(yǎng)殖中可以避免養(yǎng)殖廢水的產(chǎn)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(chǎn)生的氮磷元素[24]。為此只有從總量上控制畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量，才能有效去除氮磷污染負荷，同時保持一定的允許養(yǎng)殖量，既能保證一定的肥源，提高土壤肥力和質(zhì)量，又能促進農(nóng)民增收，還能保證水質(zhì)安全，是目前庫區(qū)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(jié)論

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

(2)密云水源保護區(qū)生態(tài)承載力最小生態(tài)用地劃定。密云水源保護區(qū)高度敏感的區(qū)域約1.2萬hm2，包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區(qū)5鄉(xiāng)鎮(zhèn)的27個村莊，生態(tài)承載能力極弱，劃定為庫區(qū)最小生態(tài)用地，原則上種植業(yè)不使用化肥、農(nóng)藥，不進行規(guī)模養(yǎng)殖畜牧業(yè)。

(3)密云水源保護區(qū)生態(tài)承載畜禽養(yǎng)殖允許量。密云水源保護區(qū)內(nèi)劃定最小生態(tài)用地之外的所有區(qū)域內(nèi)(一級圈除外)，即包括石城、馮家峪、不老屯、高嶺、太師屯等庫區(qū)7鄉(xiāng)鎮(zhèn)的59個村莊，合計2.5萬hm2，允許養(yǎng)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(qū)現(xiàn)有養(yǎng)殖總量的32%,需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上削減68%，而不是一律退出。