閻波杰, 潘瑜春

(1.閩江學(xué)院 地理科學(xué)系, 福建 福州 350108; 2.福建省測繪工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350108; 3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心, 北京 100097)

基于網(wǎng)格的中國耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷估算

閻波杰1,2, 潘瑜春3

(1.閩江學(xué)院 地理科學(xué)系, 福建 福州 350108; 2.福建省測繪工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350108; 3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心, 北京 100097)

[目的] 估算網(wǎng)格化的中國耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷,以期準(zhǔn)確分析中國畜禽養(yǎng)殖廢棄物對環(huán)境的污染威脅。[方法] 基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行行政區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量的估算,并利用面積權(quán)重內(nèi)插法和GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行中國耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷估算及網(wǎng)格化研究。[結(jié)果] 網(wǎng)格化后的畜禽養(yǎng)殖廢棄物耕地氮負(fù)荷基本保持了以各省區(qū)為單元數(shù)據(jù)的基本特征,不再是以行政邊界為劃分不同畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分負(fù)荷的依據(jù),更接近于實(shí)際情況,并以河南省為例進(jìn)行了驗(yàn)證。 [結(jié)論] 從整體空間分布角度看,2010年中國畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量空間分布其高值范圍與低值范圍的界線近似于中國400 mm等降水量線。從各省域空間分布范圍分析,氮負(fù)荷量高的主要集中在廣東省、北京市、四川省及湖南省范圍,而蒙古、新疆、西藏及青海這4個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的氮負(fù)荷量都較低。

耕地; 氮負(fù)荷; 網(wǎng)格; 空間分析

隨著中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的過快發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖廢棄物越來越多，這些畜禽養(yǎng)殖廢棄物若處置得當(dāng)就可作為一種良好的有機(jī)養(yǎng)分資源，但若處置不當(dāng)，就可能對環(huán)境造成不同程度的污染。目前，畜禽養(yǎng)殖廢棄物作為有機(jī)肥還田施用是最理想的出路，但是，當(dāng)一定區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖廢棄物超過農(nóng)田消納容量，將可能造成較嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[1-2]。

畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境的污染威脅已引起了國內(nèi)外研究的重視，如Provolo[3]以單位面積的氮素負(fù)荷作為指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)糞肥管理實(shí)施進(jìn)行評價(jià)分析。王曉燕等[4]以土壤—植物營養(yǎng)學(xué)原理和科學(xué)施肥理論為指導(dǎo)，根據(jù)作物所需畜禽糞尿肥的最大量，估算了密云縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地的畜禽糞便最大負(fù)荷量，并對密云縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模進(jìn)行潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；張緒美等[5]以農(nóng)田耕地面積作為實(shí)際的畜禽養(yǎng)殖廢棄物負(fù)載面積，分別計(jì)算了1997—2004年江蘇省各地區(qū)和全國各省級的畜禽養(yǎng)殖廢棄物負(fù)荷量。王方浩等[6]、楊飛等[7]也分別對中國區(qū)域的耕地畜禽污染負(fù)荷進(jìn)行研究?；陴B(yǎng)分平衡理論，Song等[8]利用畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以鎮(zhèn)行政區(qū)域?yàn)閱卧芯亢驮u價(jià)了上海地區(qū)畜禽養(yǎng)殖廢棄物中氮、磷養(yǎng)分對環(huán)境的影響。由于畜禽養(yǎng)殖屬于社會經(jīng)濟(jì)活動，數(shù)據(jù)來源及分布是按行政單元進(jìn)行的。因此，目前大部分研究主要集中在以各級行政區(qū)域?yàn)檠芯繂挝贿M(jìn)行的。而畜禽養(yǎng)殖廢棄物還田施用中引起的環(huán)境污染已成為中國農(nóng)村地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染源之一，非點(diǎn)源污染分布及影響范圍不是簡單的按行政單元可以表征，更多的是以流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行表征的，如孟岑等[9]以湖南省長沙縣典型亞熱帶流域?yàn)檠芯繂卧?，分析了亞熱帶丘陵區(qū)的非點(diǎn)源污染分布現(xiàn)狀及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境承載力。高懋芳等[10]利用最新版 Manure—DNDC模型，以山東小清河流域?yàn)槔M分析各主要類型畜禽污染物產(chǎn)生量，以及糞便管理過程中的氮素流失量，并綜合評價(jià)畜禽養(yǎng)殖氮素污染的時(shí)空分布特征。

目前，很多學(xué)者在人口密度、糧食產(chǎn)量等社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)方面進(jìn)行了網(wǎng)格化的研究，但鮮見關(guān)于畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量網(wǎng)格化的相關(guān)報(bào)道。因此，本研究嘗試以行政區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分負(fù)荷的基礎(chǔ)，利用面積權(quán)重內(nèi)插法和GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行基于網(wǎng)格的中國耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷估算研究，以期為網(wǎng)格化多因素(降水、地形、土地利用等)分析和研究畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境污染影響、區(qū)域畜禽養(yǎng)殖規(guī)劃等提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

本研究中相關(guān)的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、耕地及牧草地?cái)?shù)據(jù)來源于《中國畜牧業(yè)年鑒2011》、《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒2011》和《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2011》，河南省相關(guān)的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《河南統(tǒng)計(jì)年鑒2011》，在統(tǒng)計(jì)各種畜禽養(yǎng)殖量的時(shí)候，將家禽、豬和肉牛按年末出欄量統(tǒng)計(jì)，其他的大牲口，包括奶牛、水牛、黃牛、羊、馬、驢、騾等按年末存欄量統(tǒng)計(jì)。參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)確定豬的飼養(yǎng)期為180 d[11]，肉牛的飼養(yǎng)期為300 d，按年末存欄統(tǒng)計(jì)的畜禽飼養(yǎng)期按365 d進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，家禽的飼養(yǎng)期為210 d，兔的飼養(yǎng)期為180 d[6]。由于新疆、內(nèi)蒙古、西藏、青海這4省區(qū)牛、羊和其它大牲畜主要采取草原放養(yǎng)方式，其畜禽養(yǎng)殖廢棄物除了由耕地消納外，主要由牧草地消納，因此計(jì)算這4個(gè)省區(qū)的氮負(fù)荷時(shí)候，除統(tǒng)計(jì)耕地面積外，也統(tǒng)計(jì)牧草地的面積[12]。各種畜禽養(yǎng)殖廢棄物排泄系數(shù)主要參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[13-14](表1)，畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分含量采用《中國有機(jī)肥料養(yǎng)分志》中的數(shù)據(jù)[15]。

表1 畜禽糞便日排泄系數(shù)及其中養(yǎng)分含量

注：D表示養(yǎng)殖周期；U表示畜禽糞便日系數(shù)。

文中涉及到的中國各省區(qū)空間數(shù)據(jù)主要采用ArcGIS 9.3軟件進(jìn)行中國行政區(qū)域地圖數(shù)字化、投影變換、拼接、屬性編輯等處理與分析，并與畜禽養(yǎng)殖相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化。此外，涉及的主要計(jì)算方法如下：

(1) 畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量=飼養(yǎng)量×飼養(yǎng)日期×畜禽養(yǎng)殖廢棄物日排泄系數(shù)×畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分含量。

(2) 耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷=畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量×養(yǎng)分損失量/耕地面積。

注：糞便中氮損失率分別為5%～15%[16]，為降低環(huán)境污染，統(tǒng)一采用最低養(yǎng)分損失進(jìn)行計(jì)算。

(3) 面積權(quán)重內(nèi)插法。面積權(quán)重內(nèi)插法是以面積作為權(quán)重，通過在源數(shù)據(jù)區(qū)域疊加目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)域，利用每個(gè)源數(shù)據(jù)區(qū)域落在某一目標(biāo)區(qū)域的面積比例，根據(jù)面積比例分配屬性值[17]。

(1)

式中：Qtarget——目標(biāo)區(qū)域?qū)傩灾?；Qi——各源區(qū)域?qū)傩灾?；Si——各源區(qū)域的面積(m2)；n——目標(biāo)區(qū)域涉及到的源區(qū)域數(shù)。

(4) 格網(wǎng)大小確定。設(shè)Si為各省區(qū)的面積，定義空間化應(yīng)用中最小的地理單元的面積為Smin，則最小格網(wǎng)大小面積對應(yīng)的圖斑面積Smin=min(Si)，為確保任一研究的地理單元不會完全落入一個(gè)格網(wǎng)，格網(wǎng)大小計(jì)算公式為[18]：

(2)

式中：g——格網(wǎng)大小(m)；Smin——空間化應(yīng)用中最小的地理單元的面積(m2)。

具體的計(jì)算步驟：①網(wǎng)格的大小確定；格網(wǎng)越小精度越高，也更逼近實(shí)際情況，但實(shí)際上只要達(dá)到一定大小就可滿足實(shí)際的需要。本研究的對象是整個(gè)中國區(qū)域，由于各省區(qū)面積最小的是上海市，其面積為6.24×109m2，因此按式(2)可計(jì)算得到的格網(wǎng)邊長大小最小應(yīng)取44 673 m。②網(wǎng)格創(chuàng)建；利用ArcGIS 9.3軟件中Create Fishnet功能創(chuàng)建邊長為44 673 m的格網(wǎng)。產(chǎn)生的格網(wǎng)是屬于Polyline類型(線狀)，并將其轉(zhuǎn)換為Polygen類型(面狀)，并計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的面積；③GIS疊加分析；將生成的面狀網(wǎng)格與中國行政區(qū)域空間數(shù)據(jù)(包含畜禽糞便氮養(yǎng)分量、耕地面積、耕地畜禽糞便氮負(fù)荷量、行政區(qū)域面積等屬性)進(jìn)行疊加分析，進(jìn)行拓?fù)渲亟ê螳@得中國行政區(qū)域空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格化要素圖層，并計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格要素的面積；④面積權(quán)重內(nèi)插法；利用面積權(quán)重內(nèi)插法計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格要素的耕地畜禽糞便氮負(fù)荷量值；⑤將面積權(quán)重內(nèi)插法的結(jié)果與中國行政區(qū)域空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格化圖層通過關(guān)鍵詞段的Join操作，實(shí)現(xiàn)將格網(wǎng)之間耕地畜禽糞便氮負(fù)荷量的連接，可得到每個(gè)網(wǎng)格的耕地畜禽糞便氮負(fù)荷量。

2 結(jié)果與討論

2.1 中國畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分產(chǎn)生量

按照畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分量計(jì)算公式，結(jié)合2010年中國畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲得2010年中國畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分產(chǎn)生量。全國總體來看，2010年中國畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分比較多，全國畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮總產(chǎn)生量已經(jīng)達(dá)1.21×1010kg。其中豬糞氮2.35×109kg；奶牛糞氮4.96×108kg；肉牛糞氮9.91×108kg；黃水牛糞氮6.30×108kg；羊糞氮2.70×109kg；馬糞氮1.05×108kg；驢糞氮9,71×107kg；騾糞氮2.55×107kg；兔糞氮1.17×108kg；家禽糞氮2.29×109kg；豬尿氮1.18×108kg；奶牛尿氮3.37×108kg；肉牛尿氮7.08×108kg；黃水牛氮5×104kg；馬尿氮8.53×107kg。從畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分產(chǎn)生量分析，產(chǎn)生畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分較多的分別為羊糞、豬糞和家禽，約占總數(shù)的60.59%，緣于全國范圍內(nèi)這3種畜禽養(yǎng)殖品種最普遍且數(shù)量大，而其中家禽和羊的廢棄物中氮的含量普遍比較高。

2010年各省區(qū)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分具體產(chǎn)生量見表2。從中國各省區(qū)(除臺灣、香港和澳門)分析，山東、河南、四川和內(nèi)蒙古的所占份額較大，上述4個(gè)省份總額占全國總畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分產(chǎn)生量的32.09%。但畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分產(chǎn)生量估算結(jié)果主要受飼養(yǎng)周期、日排泄量及畜禽養(yǎng)殖廢棄物中的各種養(yǎng)分含量存在一定的差異，因此同樣數(shù)目的畜禽養(yǎng)殖量可能計(jì)算的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分不一致，尤其是日排泄量和畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分含量跟畜禽個(gè)體大小、飼料成分、氣候、管理水平等因素密切相關(guān)[1,6]。因此，本文畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分量估算結(jié)果與實(shí)際情況可能會存在一定的偏差。

2.2 網(wǎng)格化的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量分析

考慮到目前中國對于畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理的主要方式是作為肥料還田，因此單位面積耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物負(fù)荷量可以反映該地區(qū)耕地承擔(dān)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的水平[5]。假設(shè)畜禽養(yǎng)殖廢棄物全部均勻施用于耕地，按照畜禽養(yǎng)殖廢棄物養(yǎng)分量計(jì)算方式可得到2010年中國各省區(qū)畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量。2010年全國的平均單位耕地面積畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量已達(dá)到90.54 kg/hm2，但低于歐盟的限量標(biāo)準(zhǔn)(單位面積耕地氮負(fù)荷為170 kg/hm2)[19]。從全國各省區(qū)看，有17個(gè)省份耕地單位面積畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量超過全國平均值。其中北京市和廣東省分別達(dá)到了260.00 kg/hm2和173.53 kg/hm2，超過了限量標(biāo)準(zhǔn)，四川省也已接近限量標(biāo)準(zhǔn)，其耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量達(dá)到162.35 kg/hm2。以2010年中國各省區(qū)畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量分布圖為基礎(chǔ)，利用面積權(quán)重內(nèi)插法進(jìn)行中國畜禽養(yǎng)殖氮養(yǎng)分負(fù)荷網(wǎng)格化研究，結(jié)果見圖1。從圖1可知，經(jīng)網(wǎng)格化的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量基本保持了基于各省區(qū)為單元數(shù)據(jù)的空間特征，并以網(wǎng)格為單位形成畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷空間梯度，不再是以省區(qū)界為劃分不同畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷值的邊界，使得從一個(gè)省區(qū)變換到另一個(gè)省區(qū)不至于都是突變，尤其是畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷從高值省區(qū)向低值省區(qū)的過渡優(yōu)于基于行政單元的表征結(jié)果。

表2 2010年中國各省區(qū)的主要畜禽養(yǎng)殖廢棄物的氮負(fù)荷量

注：新疆、內(nèi)蒙古、西藏和青海統(tǒng)計(jì)耕地面積加上了牧草地的面積。

圖1 中國各省區(qū)畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷網(wǎng)格化結(jié)果

從空間的角度分析，整體上，2010年中國畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量空間分布其高值范圍與低值范圍的界線近似于中國400 mm等降水量線。從大區(qū)域看，西北地區(qū)氮負(fù)荷量普遍較小，華南地區(qū)氮負(fù)荷量總體偏高，華中區(qū)域的氮負(fù)荷量總體也較高，華北地區(qū)除山西和內(nèi)蒙古外，氮負(fù)荷量總體也偏高。西南地區(qū)除貴州和西藏外，其氮負(fù)荷量也較高。華東地區(qū)，除上海和福建區(qū)域的氮負(fù)荷量較高外，其他區(qū)域相對較低。東北區(qū)域除遼寧外，其他省域范圍也較低。從各省域空間分布范圍分析，氮負(fù)荷量高的主要集中在廣東省、北京市、四川省及湖南省范圍，其值都超過了140 kg/hm2，而北京市和廣東省的氮負(fù)荷量甚至都超過了170 kg/hm2，福建、廣西、遼寧、上海、河南及山東這些省市區(qū)域也較高，氮負(fù)荷量范圍在120～140 kg/hm2，尤其山東和河南區(qū)域，網(wǎng)格化后的氮負(fù)荷量在空間分布上已經(jīng)過渡成一個(gè)整體區(qū)域，內(nèi)蒙古、新疆、西藏及青海4個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)氮負(fù)荷量都較低，整體范圍內(nèi)氮負(fù)荷量未超過20 kg/hm2，除上述區(qū)域 外，其余省份范圍氮負(fù)荷量處于中間范圍，其值都處于20～120 kg/hm2。沿海地區(qū)的各省市域范圍的氮負(fù)荷量普遍較高，究其原因，可能與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，沿海地區(qū)的居民消費(fèi)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，其食物消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級，對肉、蛋、奶等畜禽產(chǎn)品的需求快速增長，導(dǎo)致畜禽飼養(yǎng)量快速增長，相應(yīng)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物排放量增加。

2.3 網(wǎng)格化精度檢驗(yàn)

由于對中國各省區(qū)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量網(wǎng)格化研究是基于各行政區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)格化前后的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)量應(yīng)該是一致的。本文將各網(wǎng)格的氮養(yǎng)分量以各省區(qū)為單位進(jìn)行匯總，并將匯總結(jié)果跟基于各省區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果完全一致，說明網(wǎng)格化后的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量能準(zhǔn)確地還原原始數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證網(wǎng)格化精度及探討其在不同尺度上的可應(yīng)用性，選擇典型的畜禽養(yǎng)殖區(qū)域且在畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)口徑與基于各省區(qū)的基本一致的區(qū)域分析網(wǎng)格化結(jié)果在地級市域上的精度和應(yīng)用性。由于2010年河南省各地級市統(tǒng)計(jì)的畜禽品種與2010年中國畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)的畜禽品種大部分?jǐn)?shù)據(jù)基本一致，其中驢、騾、馬、羊、奶牛、豬(出欄)、肉牛(出欄)的數(shù)據(jù)基本一致。而兔、役牛和家禽的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有差異，相比于中國畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)量，河南省各地級市畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)量中兔的養(yǎng)殖量少了1 295.3萬只，家禽的養(yǎng)殖量少了22 997.26萬只，役牛的養(yǎng)殖量少了90.47萬頭。但在省域尺度上，這些差異不會影響最終的結(jié)果。其具體的檢驗(yàn)步驟如下：首先基于網(wǎng)格化的2010年中國各省區(qū)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量的結(jié)果，進(jìn)行2010年河南省各地級市畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量匯總統(tǒng)計(jì)，獲得河南省18個(gè)地級市的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量；其次，以河南省2010年各地級市畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照本文的計(jì)算方法獲得2010年河南省18個(gè)地級市畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量。以上兩種不同方式計(jì)算河南18個(gè)地級市畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量時(shí)各種參考系數(shù)都一致(包括統(tǒng)計(jì)的畜禽養(yǎng)殖種類，畜禽養(yǎng)殖排泄系數(shù)、畜禽養(yǎng)殖周期等)；最后，以畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的河南省各地級市氮養(yǎng)分量為橫坐標(biāo)，以網(wǎng)格化統(tǒng)計(jì)的河南省各地級市氮養(yǎng)分量為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖(圖2)。從圖中可以看出，網(wǎng)格化統(tǒng)計(jì)的河南省各地級市畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分量較好地反映了以地級市進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，二者呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系。通過相關(guān)分析得到其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.82，為顯著相關(guān)。表明網(wǎng)格化的中國各省區(qū)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量能在地級市域尺度上較好地重現(xiàn)原始地級市的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律。但受限于畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，尤其是小尺度單元的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文對畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量網(wǎng)格化研究使用的行政單元數(shù)據(jù)的空間尺度是基于省域尺度，該數(shù)據(jù)尺度分辨率不夠高，若提高網(wǎng)格單元的分辨率和行政單元數(shù)據(jù)的空間尺度，如鎮(zhèn)、村域尺度，畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量網(wǎng)格化的結(jié)果可獲得更令人滿意的效果。

圖2 基于網(wǎng)格化統(tǒng)計(jì)和畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)的河南省各地級市氮養(yǎng)分量

3 結(jié) 論

雖然耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量能反映畜禽養(yǎng)殖的對環(huán)境污染的影響，尤其是其空間分布更能直觀可視化的顯示中國各省區(qū)的畜禽養(yǎng)殖的對環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)情況。但耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量的空間分布應(yīng)該是漸變而非突變的，不同行政區(qū)單元應(yīng)該有個(gè)漸變的過程，而不是以行政區(qū)邊界為界限進(jìn)行的突變。傳統(tǒng)的把畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量按不同的行政單元進(jìn)行表達(dá)的方式不完全符合實(shí)際情況。因此為了更好地顯示畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量空間漸變分布的規(guī)律，本文在耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷估算的基礎(chǔ)上，以44 673 m為格網(wǎng)邊長利用面積權(quán)重內(nèi)插法和GIS空間分析技術(shù)，進(jìn)行了中國耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷網(wǎng)格化研究。結(jié)果表明網(wǎng)格化后的畜禽養(yǎng)殖廢棄物耕地氮負(fù)荷基本保持了以各省區(qū)為單元數(shù)據(jù)的基本特征，并以網(wǎng)格為單位形成畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷空間梯度，不再是以行政邊界為劃分不同畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分負(fù)荷的依據(jù)， 尤其是畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷從高值省區(qū)向低值省區(qū)的過渡優(yōu)于基于行政單元的表征結(jié)果。并以河南省為例驗(yàn)證了網(wǎng)格化的中國各省區(qū)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量能在地級市域尺度上較好地重現(xiàn)原始地級市的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律。

從整體空間分布角度看，2010年中國畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量空間分布其高值范圍與低值范圍的界線近似于中國400 mm等降水量線。廣東省、北京市、四川省及湖南省范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量較高，尤其是北京市和廣東省的氮負(fù)荷量都超過了170 kg/hm2，福建、廣西、遼寧、上海、河南及山東這些省市區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量也較高，畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量較低的范圍主要集中在蒙古、新疆、西藏及青海這4個(gè)省域范圍。此外，沿海地區(qū)的各省市域范圍的畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量普遍較高，可能與該區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。該研究結(jié)果是進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖多源數(shù)據(jù)的綜合分析、畜禽養(yǎng)殖非點(diǎn)源污染等研究的重要基礎(chǔ)，對于表征畜禽養(yǎng)殖引起的環(huán)境污染時(shí)空分布特征，開展畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境污染影響、區(qū)域畜禽養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展等有重要的意義。但由于受限于小尺度上的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(全國縣域、鎮(zhèn)域及村域等)，以省域尺度研究畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮負(fù)荷量網(wǎng)格化，數(shù)據(jù)精度有待于進(jìn)一步提高。

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Estimation of Nitrogen Pollution Load of Farmland from Livestock Manure in China Based on Grid

YAN Bojie1,2, PAN Yuchun3

(1.DepartmentofGeography,MinjiangUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China;2.SurveyingEngineeringandTechnologyResearchCenterofFujianProvince,Fuzhou,Fujian350108,China; 3.NationalEngineeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100089,China)

[Objective] The paper aims to estimate nitrogen pollution load in farmland in order to analyze environment pollution caused by livestock and poultry in China. [Methods] This paper estimated the amount of nitrogen nutrient of livestock and poultry based on statistical data. Then, the estimation and gridding of nitrogen pollution load of farmland were done using the method of area weighted interpolation and spatial analysis of GIS. [Results] The gridding of nitrogen pollution load of farmland was consistent with the basic characteristics of provincial data and the administrative boundary was no longer used as a basis for the division of nitrogen pollution load. The paper then used He’nan Province as s case study to verify the precision of gridding of nitrogen pollution load of farmland in China. [Conclusion] The dividing line of high value and low value of nitrogen pollution load of farmland coincided with the 400 mm isohyet. Among provinces in China, the higher nitrogen pollution load of farmland mainly occurred in Beijing City, Guangdong, Sichuan and Hu’nan Province. The lower nitrogen pollution load of farmland mainly occurred in Inner Mongolia Autonomous Region, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Tibet Autonomous Region and Qinghai Province.

farmland; nitrogen load; grid; spatial analysis

2014-12-10

2015-01-13

國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目“基于混合地理權(quán)重回歸的土壤性質(zhì)空間預(yù)測模型研究”(41271232),(41271354); 福建省教育廳科技項(xiàng)目(JB11151)； 福建省中青年教師教育項(xiàng)目(JA13259); 福州市科技項(xiàng)目(2013-S-109)； 閩江學(xué)院科技項(xiàng)目(MYK14012)

閻波杰(1981—),男(漢族),浙江省寧波市人,博士,副教授,主要從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用及農(nóng)業(yè)信息化研究。 E-mail:bnunercita@163.com。

B

1000-288X(2015)05-0133-05

X713， P208， S87