基于地理信息系统的天津市生猪面源污染研究

杜淑清，李 志，赵 斌

（1．天津市畜牧总站，天津 300402；2.农旗科技（北京）有限公司，北京 100080）

前言

农业面源污染是指农村地区在农业生产和居民生活过程中产生的，未经合理处置的污染物对水体、土壤和空气及农产品造成的污染，农业面源污染已严重影响到我国的水环境质量、生态环境健康，制约了我国经济社会的可持续发展。畜禽养殖业污染是农业面源污染的主要来源之一，是农业面源污染研究的重要内容。据我国第一次全国污染普查结果显示，2007 年我国畜禽养殖业化学需氧量（COD）排放量达到1 268.26万吨，占农业源总量的 96%，已超过全国工业废水和生活污水的COD排放量。畜禽养殖污染的产生和迁移具有分散性、随机性、隐蔽性、不易确定性和防治难度大等特点，相对于点源污染而言更难于监督管理，因而，实施畜禽养殖污染的源头控制，合理规划畜禽养殖区域，是减轻畜禽养殖污染的有效手段。

2016年天津市肉类总产量达到45.51万吨，其中猪肉产量29.18万吨，占肉类总产量的64.1%。生猪养殖业是农民增收的重要方式。由于天津市涉农各区具有独特的自然环境和经济社会发展环境，生猪养殖地域差异悬殊，造成各区农业面源污染具有不同特征，因此，了解天津市生猪养殖污染空间分异对天津市畜牧业的发展和规划、粪污综合利用、生态环境改善、生态循环农业的发展具有重要意义。GIS空间分析的运用，能直观地反映各区农业面源污染的时空动态变化情况，为有针对性地开展污染治理提供依据，因此，在地理空间分析方面对天津市农业面源污染分布进行时间和空间分区研究，对于天津市农业面源污染的控制具有重要的现实意义。

研究以统计数据及174家规模养殖场采集数据为基础，结合GIS技术分析天津市生猪产业面源污染的空间分异与评价，旨在为天津市畜牧业面源污染治理、生态循环农业政策制定提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

天津市地处华北平原北部，位于海河下游，地跨海河两岸，现辖区域在北纬 38°34'—40°15'，东经 116°43'—118°04'之间。全市土地面积为1 149 807 hm2，其中耕地面积436 924 hm2，占全市土地总面积的36.7%。2000年—2016年天津市肉类产量年平均为43.26万吨，猪肉产量每年平均27.03万吨，占肉类总产量的62.5%，是我国京津冀地区重要的生猪生产地区，也是城郊型农业集中分布区。

1.2 数据来源

图1 天津市行政区划图

研究使用的天津市基础产业数据来源于2017年天津统计年鉴。统计数据包括2000年—2016年肉类产量、猪肉产量、土地面积等基础数据。研究使用的主要数据来源于12316云系统-天津市生猪产业体系平台载入的174家规模养殖场、养殖小区和合作社等的采集数据。研究使用的GIS图片数据来源于12316云系统-天津市生猪产业体系平台中展示的统计图片。

1.3 研究方法

通过对12316云系统-天津市生猪产业体系平台载入的174家规模养殖场、养殖小区和合作社等的采集数据利用Excel进行统计分析，并结合GIS进行空间分析，具体计算指标如下面几个方面。

1.3.1 粪污负载强度计算

生猪粪污产生量的计算方法是根据刘培芳及李海鹏计算方法参考公式①，生猪粪污负载强度即单位土地面积的生猪粪污产生量，计算方法参考公式②，系统所用产污系数数据参考表1，耕地生猪粪污负载强度分级标准按照李海鹏等的分级标准，负载等级调整为可承载、轻度污染和明显污染三个等级（如表 2）。

粪污产生量=日排泄系数×饲养天数×饲养数量 ①

生猪粪污负载强度=生猪粪污产生总量/土地面积 ②

1.3.2 生猪碳排放量计算

生猪养殖产生的温室气体主要为CH4和N2O，表3为生猪温室气体排放系数。

标准碳总排放量=[（肠胃发酵产生的CH4＋粪便管理系统产生的CH4）×CH4全球升温潜能值+粪便管理系统中产生的N2O×N2O全球升温潜能值]×CO2当量转化为标准碳转化系数

注：CO2当量转化为标准碳转化系数为0.272 8，CH4全球升温潜能值为21，N2O全球升温潜能值为310。

1.3.3 粪污土地承载力计算

畜禽粪污土地承载力是指在土地生态系统可持续运行的条件下，一定区域内耕地、林地和草地等所能承载的最大畜禽存栏量。

区域畜禽粪污土地承载力＝区域植物粪肥养分需求量/单位猪当量粪肥养分供给量（以猪当量计）

区域植物养分需求量＝∑[每种植物总产量（总面积）×单位产量（单位面积）养分需求]

区域植物粪肥养分需求量＝（区域植物养分需求量×施肥供给养分占比×粪肥占施）/粪肥当季利用率

单位猪当量粪肥养分供给量综合考虑畜禽粪污养分在收集、处理和贮存过程中的损失，单位猪当量氮养分供给量为7.0 kg，磷养分供给量为1.2 kg。

2 结果分析

2.1 天津市生猪养殖产业现状

调查天津市涉农区174家规模养殖场、养殖小区和合作社等的采集数据，图2左为调查的天津市养殖场分布图。如表4所示，天津市养殖场生猪常年存栏量达106.48万头，每年粪污产生量达466.38万吨，在调查的174家生猪养殖场中有50家养殖场采用粪污直排的处理方式，有90家养殖场有采用暗管排污的现象。在当前的生猪生产中部分规模化养殖场没有粪污处理设施、粪便和污水随处排放，严重污染了周围的环境。如果再不采用合适的处理方法，将使农村居住和生活环境受到破坏，生态失去平衡，影响居民健康和社会的可持续和谐发展。

表1 主要畜禽产污系数 kg/（d•头）

表2 土地生猪粪污负载强度评价标准

表3 生猪肠胃发酵和粪便管理系统的温室气体排放系数

图2 天津市规模生猪养殖场分布图和养殖规模热力图

通过将调查的174家规模生猪养殖场的位置数据和养殖规模数据与GIS结合，我们可以直观的看到天津市各涉农区的养殖场分布和养殖场规模（见图2右）。从图2上我们可以清晰地看到养殖场密度最大的三个区依次为宁河区、宝坻区和武清区，养殖场数量分别为66家、32家和29家。其次为蓟州区、滨海新区和静海区，养殖场数量分别为18家、10家和8家。养殖规模最大的三个区依次是宁河区、宝坻区和武清区，生猪常年存栏量达393 776头、311 269头和78 024头。区域间养殖场和养殖规模的差异性造成了区域间面源污染的差异性。

2.2 天津市生猪面源污染的空间分异特征

通过分析2018年天津市各个区域生猪存栏量，计算粪污产生量和生猪粪污负载强度，作为生猪面源污染的评价指标，见表5。通过比较各个行政区粪污产生量可以发现宁河区的粪污产生量达到最大，为1 724 738.88 t/ 年，其次是宝坻区，为1 363 358.22t/ 年，分别达天津市各区平均粪污产生量的3.3倍和2.6倍。通过计算各行政区生猪粪污负载强度可以发现，2018年宁河区和宝坻区的生猪负载强度达到最大，为12 197.59 kg/hm2和8 951.79 kg/hm2，分别达天津各区平均负载强度的3.0倍和2.2倍。从2018年天津市各行政区生猪养殖数据来看，粪污产生量宁河区＞宝坻区＞武清区＞蓟州区；生猪粪污负载强度宁河区＞宝坻区＞西青区＞东丽区。

2.3 生猪粪污负载强度GIS评价

将天津市涉农各行政区生猪粪污负载强度与土地生猪粪污负载强度评价标准进行对比，根据表2的分级标准，将天津市土地生猪粪污负载强度分为可承载、轻度污染和明显污染三个等级，分别计算2018年天津市涉农各行政区土地生猪粪污负载强度等级，并利用GIS软件绘制成图，如图3。

通过计算可以发现，宁河区生猪粪污负载强度为12 197.59 kg/hm2，大于10 000kg/hm2，负载等级为明显污染，生猪养殖环境超过负荷，产生明显的面源污染，是天津市重点治理的对象。宝坻区生猪粪污负载强度为8 951.79 kg/hm2， 大 于5 000kg/hm2且小于10 000kg/hm2，负载等级为轻度污染，生猪养殖环境超过负荷，产生轻度污染，也是天津市重点治理的地区。西青区、静海区、武清区、北辰区、东丽区、蓟州区和滨海新区等负载强度都小于5 000 kg/hm2，负载等级为可承载，生猪养殖环境可承载，其中，西青区负载强度达到4 358.22kg/hm2，接近可承载等级和轻度污染等级的临界值，是值得引起天津市生猪养殖监管部门重视的地区。

表4 天津市养殖场粪污处理情况统计

表5 2018年天津市涉农各区生猪粪污产生量及负载强度

图3 天津市涉农各行政区土地生猪粪污负载强度等级

图4 天津市各行政区生猪碳排放总量（t/年）

2.4 生猪养殖碳排放量GIS评价

碳排放是关于温室气体排放的一个总称或简称。温室气体中最主要的气体是二氧化碳，因此用碳（Carbon）一词作为代表。规模化生猪养殖场的碳排放也是造成环境问题的不可忽视的重要因素，但我国对畜牧业的碳排放量的研究较少。研究中利用采集的规模养殖场基础数据，通过公式计算，结合GIS进行分析得到天津市各行政区碳排放量图（见图4）。由图4可知，天津市每年碳排放总量达75 174.00 t，其中，宁河区和宝坻区的碳排放量最大，分别达27 800.00 t和21 975.00 t，分别占天津市碳排放总量的37.0%和29.2%，是天津市碳排放量最大的两个行政区。其次是武清区、蓟州区和滨海新区，碳排放量较多，从地图上看位于第二级别。西青区、静海区、东丽区和北辰区等的碳排放量较少。

2.5 生猪养殖土地承载力GIS评价

畜禽粪污土地承载力是指在土地生态系统可持续运行的条件下，一定区域内耕地、林地和草地等所能承载的最大畜禽存栏量。分别以氮和磷为标准，根据植被氮需要量和生猪粪便氮产量来确定单位用地承载的生猪数量。图5，天津市各行政区土地承载力大小用不同颜色深浅说明各行政区土地承载力的空间分异情况。可以发现天津市生猪养殖土地承载力最大的区为滨海新区，土地承载力较大的是蓟州区、武清区、宝坻区和静海区，土地承载力较小的是宁河区、西青区，土地承载力最小的区是北辰区、东丽区、津南区及其他各区。通过分析，滨海新区基于氮的生猪土地承载力是宁河区生猪承载力的1.69倍，是东丽区土地承载力的4.1倍，由此可见，天津市各区土地承载力差异巨大。天津市各区基于磷的土地承载力与基于氮的土地承载力的变化趋势基本一致。

3 结果与讨论

根据天津市各行政区的养殖场分布和养殖规模来看，宁河区、宝坻区和武清区三个区的养殖场数量分布较多，养殖场规模较大。结合天津市各行政区生猪养殖数据统计，生猪粪污产生量的趋势同养殖场分布和养殖规模的趋势保持一致。从不同区域的生猪粪污负载强度等级GIS评价结果来看宁河区生猪粪污负载强度为12 197.59 kg/hm2，大于10 000kg/hm2，负载等级为明显污染，生猪养殖环境超过负荷，产生明显的面源污染是天津市重点治理的对象。宝坻区生猪粪污负载强度为8 951.79 kg/hm2，大于5 000 kg/hm2且小于10 000 kg/hm2，负载等级为轻度污染，生猪养殖环境超过负荷，产生轻度污染，也是天津市重点治理的地区。根据农业农村部印发的《全国生猪生产发展规划（2016—2020年）》规定京津沪地区为生猪养殖约束发展区，该区域经济发展水平和城镇化率较高，生猪养殖总量小，但规模化程度、生产水平等均处于全国前列。因此，天津市对生猪养殖造成的环境污染问题不可小觑。生猪养殖负载强度和负载等级是评价养殖面源污染程度的两个重要的指标，也是环境监管部门重点监测的指标。

图5 天津市生猪养殖土地承载力（左：基于氮；右：基于磷）

生猪养殖业的发展导致了大量的粪便排泄物的堆积，造成了大量的温室气体的排放，给环境造成了很大的压力。合理计算生猪养殖业温室气体的排放量，对制定合理的减排措施具有重要的指导意义。通过计算天津市各行政区生猪养殖碳排放总量，并结合GIS进行分析，可以得知宁河区和宝坻区的生猪养殖排放总量达到最大。结合天津市生猪养殖现状进行分析，在当前的生猪养殖业中，粪污处理设施建设不全，粪污直排和采用暗管排污的养殖场的数量较多，可以采用建设粪污处理设施、并进行合理利用，从源头上减少粪污对环境造成直接污染的程度。针对生猪养殖碳排放的来源分析，可以采用降温的方式，降低温室气体排放因子。针对粪污的合理利用分析，可以利用生猪产生的粪污作为能源和肥料等来降低粪污对环境的污染。这些指标综合分析可以为管理部门提供生猪养殖产业管理建议。

畜禽粪污土地承载力是指在土地生态系统可持续运行的条件下，一定区域内耕地、林地和草地等所能承载的最大畜禽存栏量。区域内水资源、耕地资源、粪污产生量对生猪养殖环境承载力具有直接的影响。通过计算天津市生猪养殖土地承载力，结合当前生猪养殖数量，利用GIS空间技术对区域养殖环境进行预警分析，可以发现天津市生猪养殖土地承载力最大的区为滨海新区，土地承载力较大的是蓟州区、武清区、宝坻区和静海区，这为天津市生猪养殖区域规划进一步提供理论支撑。

4 展望

4.1 生猪面源污染时间分异特征分析

在当前的生猪产业研究中，仅分析了2018年一年的数据，基于这些数据可进行天津市当前空间分布的差异性研究。在经过连续多年不断的采集数据，将来可以利用GIS实现生猪养殖业乃至整个农业行业造成面源污染的时间和空间分异特征分析。

4.2 利用三区地图制定养殖规划布局

根据农业农村部印发的《全国生猪生产发展规划（2016—2020年）》划定了畜禽养殖的适养区、限养区和禁养区的界限，天津市属于限养区。根据《天津市畜禽养殖管理办法》规定天津市畜禽养殖区域划分为禁止养殖区、控制养殖区和适度养殖区，可以将养殖区域的划分范围利用GIS实现对畜禽养殖的规划布局，合理的发展和管理畜禽养殖业。

4.3 为农业政策的制定提供依据

通过对全市规模生猪养殖场和散养户进行全方面的数据采集，并通过数据的痕迹化管理实现数据的真实性，旨在为天津市畜牧业面源污染治理、生态循环农业政策制定提供一定的理论依据。

根据农业农村部印发的《全国生猪生产发展规划（2016—2020年）》规定了天津市的主要任务是，稳定现有生产规模，优化生猪养殖布局，加强生猪育种能力建设，推行沼气工程、种养一体化等生猪粪便综合利用模式，提高集约化养猪水平和猪肉产品质量安全水平，加快信息化建设，构建质量安全可追溯体系，发展现代生猪产业。在利用GIS实现区域化的精细监管的基础上，结合12316云平台其他业务模块，可以实现生猪产业全程监管模式，并可构建猪肉质量安全追溯体系。