謝 臻，張鳳榮※，張?zhí)熘崄嗛?，?建，高 陽(yáng)

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基于養(yǎng)分平衡的北京市人口-土地-環(huán)境問(wèn)題探討

謝 臻1,2，張鳳榮1,2※，張?zhí)熘?,2，鄭亞楠1,2，周 建3，高 陽(yáng)1,2

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2. 國(guó)土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193； 3. 陜西師范大學(xué)西北國(guó)土資源研究中心，西安 710119）

人口集聚于城市，大量食物輸入的同時(shí)，代謝物也不斷產(chǎn)生，消納不充分或不及時(shí)就會(huì)累積并產(chǎn)生環(huán)境污染的隱患。該文以北京市平原區(qū)為例，利用遙感技術(shù)分析2004—2014年間研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化；基于養(yǎng)分平衡原理，估算、比較人口與耕地變化對(duì)城市養(yǎng)分排放和吸納能力的影響；使用景觀形狀指數(shù)度量城市建設(shè)用地與外界環(huán)境的接觸面變化情況。結(jié)果表明：1）研究期內(nèi)因人口增加、食物輸入導(dǎo)致人類排泄物及其氮（N）、磷（P）、鉀（K）養(yǎng)分增加約0.34×105t，經(jīng)污水處理后所得污泥中氮磷鉀養(yǎng)分增加約282.17 t；2）耕地?cái)?shù)量的減少使城市對(duì)養(yǎng)分吸納能力下降約1.17×105t；3）建設(shè)用地形狀指數(shù)由1.48下降至1.37，接觸界面的減小使城市代謝物疏散效率下降。研究認(rèn)為：人口增長(zhǎng)-食物消費(fèi)提高-人類糞尿增加與耕地減少-建設(shè)用地界面減小-養(yǎng)分消納能力降低的“此消彼長(zhǎng)”態(tài)勢(shì)無(wú)形中造成城市養(yǎng)分富集，增加了對(duì)區(qū)域水環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，而城市結(jié)構(gòu)無(wú)法重構(gòu)，應(yīng)積極謀求養(yǎng)分的內(nèi)部消納?；诒本┦修r(nóng)田化肥依賴性強(qiáng)、林地增加的現(xiàn)狀，該文建議北京市積極推廣糞便處理殘?jiān)€田、再生水城市綠化灌溉利用，通過(guò)耕地與林地植被消納新增的養(yǎng)分。

養(yǎng)分；遙感；污染；養(yǎng)分平衡；排泄物；多中心城市；水環(huán)境；北京市平原區(qū)

0 引 言

城市發(fā)展相伴環(huán)境惡化的“大都市病”現(xiàn)象在世界各國(guó)發(fā)展史中屢現(xiàn)不止[1]。其癥結(jié)在于，人口密度增加而廢棄物排放嚴(yán)重，但生態(tài)用地減少而凈化能力銳減[2-3]。城市規(guī)?；l(fā)展到一定階段，當(dāng)集聚的廢棄物排放量超過(guò)環(huán)境的凈化能力，環(huán)境污染問(wèn)題便激化并顯現(xiàn)。國(guó)外不少學(xué)者試圖從城市發(fā)展空間形態(tài)的轉(zhuǎn)變上謀求解決方案。1898年，霍華德在《明天——一條引向改革的和平道路》一書中提出了建設(shè)“田園城市”的構(gòu)想，在其概念中“田園城市”兼?zhèn)涑鞘鞋F(xiàn)代化和鄉(xiāng)村自然景觀的優(yōu)點(diǎn)，功能上，既可享受城市的便捷和福利又不會(huì)失去鄉(xiāng)村的美麗景色；結(jié)構(gòu)方面，中心城區(qū)占地比例約1/6，多個(gè)田園城市圍繞在其周邊，城市周邊由農(nóng)田環(huán)抱[4]。芬蘭學(xué)者沙·里寧在《城市：它的發(fā)展、衰敗和未來(lái)》中就工業(yè)革命之后城市出現(xiàn)的“大都市病”提出有機(jī)疏散理論，他認(rèn)為城市交通擁擠、環(huán)境污染等問(wèn)題是由城市過(guò)分集中造成的，主張城市應(yīng)像“有機(jī)生命體式”分散發(fā)展，其基本思想是保持城市空間上低密度，使城市生活回歸綠色自然[5]。兩者思想的共同點(diǎn)在于皆從城市空間格局角度謀求城市生產(chǎn)-生活-生態(tài)空間的平衡，即從數(shù)量上保有一定數(shù)量的農(nóng)田、森林等綠地，從空間結(jié)構(gòu)上形成低密度、鑲嵌式的建設(shè)用地-綠地的配套模式。

經(jīng)過(guò)近三十年來(lái)的發(fā)展，中國(guó)城市化可謂是日新月異，以城市群、城市圈、城市帶為主形態(tài)的各類大都市區(qū)逐漸形成。然而，當(dāng)傳統(tǒng)單中心城市發(fā)展到一定規(guī)模后，便出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性集聚不經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)象[6]。大城市發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)始逐漸從“規(guī)模擴(kuò)張”轉(zhuǎn)向“結(jié)構(gòu)調(diào)整”，為此，多中心城市（polycentricity）的理念被廣泛應(yīng)用于空間規(guī)劃策略之中[7]，以求緩解其中存在的區(qū)域性經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境不持續(xù)。Zhang等認(rèn)為城市化采取“分散集團(tuán)”的空間發(fā)展模式將更有利于城市人畜排泄物處理和環(huán)境保護(hù)[8]。

城市作為一個(gè)以人類生存為主的有機(jī)系統(tǒng)，其發(fā)展必然會(huì)形成代謝物，其中人類尿糞排泄物最為主要，截止2015年中國(guó)城市人口達(dá)7.33億人，若按每人每年790 kg尿糞排泄量計(jì)算，城市排泄總量將達(dá)5.79×108t。自然農(nóng)業(yè)時(shí)期，人糞尿是最優(yōu)質(zhì)的肥料而被利用，就是在化肥已經(jīng)成為主要肥料的今天，仍然有不少農(nóng)村利用人糞尿肥田。但是，在城市，沖水馬桶將人糞尿沖入下水管道不再作為有機(jī)肥利用。城市越大，污水處理設(shè)施越完善，人糞尿的資源化利用越低，給環(huán)境帶來(lái)的“污染負(fù)荷”越大。

目前，對(duì)于多中心城市的研究視角主要集中在區(qū)域平衡發(fā)展[9-10]、城市形態(tài)與功能的耦合[11-12]以及形態(tài)模式發(fā)展與構(gòu)建[13-14]等方面，關(guān)于城市代謝物養(yǎng)分消納視角的多中心城市土地利用的研究成果不多，本文試圖揭示因人口集聚、耕地減少導(dǎo)致城市周邊農(nóng)田土壤養(yǎng)分富營(yíng)，進(jìn)而增加對(duì)地表、地下水源的污染風(fēng)險(xiǎn)；并借鑒細(xì)胞仿生學(xué)思想佐證分散集團(tuán)式的城市格局更有利于人類代謝物的疏散，建議北京市從耕地保護(hù)和城市形態(tài)角度謀求解決方法。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原西北隅，地理坐標(biāo)介于115°25′E～117°30′E，39°26′N～41°03′N之間，平原地區(qū)位于其東南部，高程在100 m以下，約占北京市總面積的40%，是人口和城市的主要聚集地。作為首都，北京市城市化發(fā)展在1986年以后出現(xiàn)了迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尤其是1994—2005年城市化發(fā)展程度顯著提高[15]。土地利用類型變化主要表現(xiàn)為農(nóng)用地向非農(nóng)用地的轉(zhuǎn)變，1973—2005年北京市建成區(qū)面積凈增加超過(guò)1 000 km2，2005年建成區(qū)總面積達(dá)到1 209.97 km2，相當(dāng)于1973年的6.58倍；土地利用格局變化表現(xiàn)為外城蔓延、軸向擴(kuò)展和郊區(qū)城市化等3種發(fā)展模式，建成區(qū)的擴(kuò)展基本上呈現(xiàn)出以舊城區(qū)為中心向四周擴(kuò)展的方式[16-17]；2004—2014年間北京平原區(qū)土地結(jié)構(gòu)調(diào)整主要趨勢(shì)又表現(xiàn)為糧田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值豙18]。這就形成了發(fā)展前期建設(shè)用地與耕地爭(zhēng)地、發(fā)展后期林地與耕地爭(zhēng)地的土地利用態(tài)勢(shì)。

城市的擴(kuò)大，使水污染、空氣污染、熱島效應(yīng)、土壤重金屬超標(biāo)等一系列環(huán)境問(wèn)題相繼出現(xiàn)[19-20]。隨著人口及農(nóng)業(yè)活動(dòng)不斷增加，由過(guò)量施用化肥、生活污水及糞便等不當(dāng)處理造成的水體硝酸鹽污染持續(xù)存在，2013年北京市地表水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為0.74～7.58 mg/L[21]；地下水硝態(tài)氮濃度以密云水庫(kù)小流域?yàn)槔昙竞秃导酒骄鶟舛确謩e為15.86和14.67 mg/L，均超過(guò)世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)(10 mg/L)[22]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

北京市平原區(qū)是北京市城市發(fā)展的聚集地，也是人地養(yǎng)分平衡問(wèn)題最為突顯的地區(qū)。因此本研究選擇高程小于100 m且坡度在3°～5°以下的區(qū)域作為研究區(qū)，包括山前臺(tái)地和沖積平原區(qū)內(nèi)的區(qū)域（考慮到空間連片性，研究區(qū)不包括延慶盆地的平原區(qū)）。2004年Landsat TM5影像和2014年Landsat OLI影像數(shù)據(jù)（行列索引幅：123/32和123/33）均來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）官方網(wǎng)站（http://glovis.usgs. gov/），數(shù)據(jù)平均云量均在1%以下，空間分辨率利用3次卷積內(nèi)插法重采樣為15m×15m后進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、影像鑲嵌和影像裁剪等步驟完成影像預(yù)處理。

本文所用北京市人口、糞便清運(yùn)量及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等數(shù)據(jù)來(lái)源于《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》與《北京農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》；人均年排泄量及其養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)參考《中國(guó)肥料》[23]中相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用遙感解譯與精度驗(yàn)證

本研究通過(guò)外業(yè)調(diào)研并結(jié)合研究區(qū)土地利用方式建立土地分類體系（表1），借助ENVI5.1軟件，結(jié)合使用面向?qū)ο蠓诸惙椒?、基于極大似然法的監(jiān)督分類方法及目視解譯法對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯，獲得北京市平原區(qū)建設(shè)用地、耕地（又細(xì)分為糧田、菜地）、林地、草地、水域、其他用地等土地利用圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。解譯精度驗(yàn)證方面，2004年解譯數(shù)據(jù)主要是結(jié)合使用Google Earth高分辨率影像和北京市國(guó)土資源局提供的2004年土地利用數(shù)據(jù)，挑選300個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)；2014年解譯數(shù)據(jù)則是在實(shí)地采集GPS樣本點(diǎn)（125個(gè)）基礎(chǔ)上結(jié)合Google Earth高分辨率遙感影像選取175個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，共計(jì)300個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果是：2004年與2014年分別為87.23%和85.11%，均滿足遙感土地利用解譯精度要求。

表1 北京市平原區(qū)土地利用/土地覆被分類體系

2.2.2 景觀形狀指數(shù)

景觀生態(tài)學(xué)上使用景觀形狀指數(shù)以定量反映斑塊形狀的復(fù)雜程度，是通過(guò)計(jì)算區(qū)域內(nèi)某斑塊形狀與相同面積的圓形或者正方形之間的偏離程度來(lái)獲得的。研究應(yīng)用Fragstats 3.3軟件對(duì)研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地斑塊偏離正方形的景觀形狀指數(shù)（mean shape index, MSI）進(jìn)行分析，公式如下：

式中MSI代表平均斑塊形狀指數(shù)；a為第個(gè)斑塊的面積，hm2；P為第個(gè)斑塊的周長(zhǎng)，m；為建設(shè)用地斑塊總數(shù)目。MSI的值越大，表示區(qū)域內(nèi)該景觀地塊的形狀越復(fù)雜，其外圍接觸界面周長(zhǎng)越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 人口聚集及其排泄物養(yǎng)分排放能力

自改革開(kāi)放以來(lái)，北京市的常住人口呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尤其是2000年后的增長(zhǎng)速度更是飛快，2004年北京市常住人口為1 493萬(wàn)人，人口密度為937人/km2，到2014年達(dá)2 152萬(wàn)人，人口密度為1 311人/km2。增長(zhǎng)的人口及膳食標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高消費(fèi)了大量食物，導(dǎo)致更多的人類排泄物產(chǎn)生。

據(jù)統(tǒng)計(jì)[23]，中國(guó)成年人平均每年糞尿排泄量約為790 kg，折含氮素（N）4.4 kg，磷素（P2O5）1.36 kg，鉀素（K2O）1.67 kg，若按照人類尿糞收集系數(shù)70%計(jì)算[8]，則每個(gè)成年人每年的糞便提供氮素3.08 kg，磷素0.952 kg，鉀素1.169 kg，共計(jì)5.20 kg的氮磷鉀養(yǎng)分。若北京市常住人口全部按成年人算，則2004年和2014年全北京市一年的糞便可分別提供的氮磷鉀養(yǎng)分0.78×105、1.12×105t。因此，隨著人口的不斷增加，2004—2014年人類排泄物提供的氮磷鉀養(yǎng)分增加了0.34×105t，增加幅度為43.59%。而目前北京市污水處理廠每處理1萬(wàn)m3污水（主要為糞便、洗滌液等生活廢水）約產(chǎn)生10 t泥餅，其中N、P、K養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.1%、1.9%、4 200 mg/kg[24]。經(jīng)過(guò)化糞池預(yù)處理后進(jìn)入污水處理廠的生活污水密度與水相當(dāng)，約為103kg/m3；若按污水的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，北京市2004年、2014年人體尿糞排泄物處理后分別產(chǎn)生11 794.7、17 000.8 t泥餅，其氮磷鉀養(yǎng)分含量分別為639.27、921.44 t，增加了282.17 t，增加幅度為44.14%。

而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（圖1）顯示，自2004年以來(lái)北京市糞便清運(yùn)量的增加速度并未與常住人口的增長(zhǎng)速度同步，這實(shí)際上說(shuō)明更多的糞便滯留在排放地，未被清運(yùn)到污水處理廠處理。另一方面，隨著《北京市加快污水處理和再生水利用設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)方案（2013—2015年）》實(shí)施推進(jìn)，北京市大中型污水處理廠已由2012年底的41座增至目前的68座，糞便經(jīng)處理后產(chǎn)生的大量污泥殘?jiān)奶幹脝?wèn)題又隨之產(chǎn)生。2015年北京市生活污水處理量達(dá)14.4億m3，產(chǎn)生污泥117.4萬(wàn)t，其中中心城區(qū)產(chǎn)生92萬(wàn)t，占總量的78.36%[25]。然而，目前北京市僅有昌平區(qū)堆肥廠、大興區(qū)龐各莊堆肥廠、方莊石灰干化廠、清河熱干化廠、北京市水泥廠、琉璃河水泥廠等6座污泥處理廠，仍有50%的污泥無(wú)法進(jìn)行有效的無(wú)害處理[25]。大量未經(jīng)無(wú)害化處理的污泥以“點(diǎn)狀”的形式堆放或填埋在遠(yuǎn)郊區(qū)縣，這些“點(diǎn)狀”污染源不僅會(huì)產(chǎn)生CH4、CO2、H2S及致癌的有機(jī)揮發(fā)性氣體，經(jīng)雨水淋洗發(fā)酵后的滲濾液更是會(huì)對(duì)水環(huán)境造成極大的威脅。

圖1 北京市1978—2014年糞便清運(yùn)量與常住人口變化圖

3.2 耕地?cái)?shù)量及其對(duì)養(yǎng)分吸納能力

從早期的城市化發(fā)展建設(shè)用地占用耕地，到后來(lái)生態(tài)文明建設(shè)林地與糧田爭(zhēng)地，在北京市的城市發(fā)展中，耕地一直扮演著犧牲品的角色。通過(guò)土地利用圖斑數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)獲得關(guān)于研究區(qū)地類變化的具體情況（如表2），分析結(jié)果顯示：2004—2014年期間，耕地總面積減少1 496.07 km2，減少幅度為51%，其中，菜地增加156.82 km2，糧田減少1 652.89 km2；建設(shè)用地面積增加547.21 km2，增加幅度為25.38%；林地、草地分別增加924.5和73.21 km2。

表2 北京市平原區(qū)2004、2014年土地利用變化

耕地作物生長(zhǎng)、生產(chǎn)都需從土壤中吸納養(yǎng)分，其中以氮（N）、磷（P）、鉀（K）3大元素為主。改革開(kāi)放以來(lái)，雖然北京市的農(nóng)作物播種面積持續(xù)下降，但農(nóng)田化肥施用量卻并未明顯減少（如圖2），單位農(nóng)田化肥施用量由1978年的0.17 t/hm2增加至0.48 t/hm2，作物種植對(duì)化肥的依賴度不降反升。北京市糧食作物實(shí)行冬小麥－夏玉米一年兩熟制；根據(jù)《北京農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》的調(diào)查，蔬菜作物的品種主要包括油菜、卷心菜、菠菜、芹菜、蘿卜、番茄、黃瓜、菜豆、茄子等常見(jiàn)品種。而每生產(chǎn)1 000 kg耕地作物的收獲物需從土壤中吸收養(yǎng)分含量如表3所示[26]。

圖2 北京市1978—2014年化肥施用量與農(nóng)作物播種面積變化圖

畝產(chǎn)1 000 kg糧食作物的耕地就是常說(shuō)的“噸糧田”。根據(jù)表3，北京市糧食作物冬小麥－夏玉米一年兩熟制的種植制度，如果實(shí)現(xiàn)畝產(chǎn)噸糧，并按冬小麥畝產(chǎn)400 kg、春玉米畝產(chǎn)600 kg計(jì)算，1 hm2耕地則大約可以吸收820 kg的氮磷鉀養(yǎng)分。根據(jù)《北京農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》的調(diào)查，2014年北京市單位面積蔬菜平均產(chǎn)量為41 400 kg/hm2，蔬菜作物中，以養(yǎng)分需求量最大的油菜代表蔬菜作物，則1 hm2耕地大約吸收1 148 kg的氮磷鉀養(yǎng)分?？梢?jiàn)，耕地具有很強(qiáng)的養(yǎng)分吸納功能。

表3 耕地作物每生產(chǎn)1 000 kg收獲物需要吸收的氮磷鉀養(yǎng)分

2004年和2014年北京市平原區(qū)分別有菜地14 272、29 954 hm2，糧田279 083 hm2、113 794 hm2，按上述標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，2004年和2014年北京市平原區(qū)耕地每年吸納氮磷鉀養(yǎng)分分別為2.45×105、1.28×105t。雖然養(yǎng)分吸納能力更強(qiáng)的菜地面積增加，但由于耕地總量的明顯減少，10 a間耕地吸納氮磷鉀養(yǎng)分的能力下降了1.17×105t，下降幅度為47.76%。

因此，北京市人口集聚造成的糞便排放量增加與糞便清運(yùn)量、耕地面積減少造成的糞便消納量減少，導(dǎo)致城市每年糞便凈產(chǎn)生量的上升。加之仍有50%未經(jīng)無(wú)害處理的污泥殘?jiān)锏木偷囟逊?、掩埋，必然增加城市因養(yǎng)分聚集造成水環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 多中心城市格局與養(yǎng)分消納關(guān)系分析

生物細(xì)胞的代謝原理告訴我們，細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞壁進(jìn)行跨膜的能量與物質(zhì)運(yùn)輸，無(wú)論是吸收還是排放，其對(duì)于能量與物質(zhì)的輸送效率都直接受細(xì)胞壁表面積的影響，在其他條件相同的情況下，較大的表面積，能夠進(jìn)行更多更快的物質(zhì)能量交流。運(yùn)用仿生學(xué)思想我們可以發(fā)現(xiàn)，城市與外界環(huán)境的物質(zhì)能量交流與細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝具有相似性，其本質(zhì)都是能量和物質(zhì)通過(guò)界面與開(kāi)放系統(tǒng)間的交換與傳輸。因此，城市邊界的形態(tài)決定了其與外界環(huán)境溝通的效率。

從景觀生態(tài)學(xué)角度分析，不同景觀或生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用與交界面的接觸面積及景觀的分布格局緊密相關(guān)。周長(zhǎng)與面積之比越大，有機(jī)體與外界環(huán)境的物質(zhì)能量交換面就越大，交換效率就越高。城市亦是一個(gè)在開(kāi)放系統(tǒng)中的有機(jī)體，在進(jìn)行物質(zhì)能量更新代謝方面，多中心、分散集團(tuán)式的城市格局相比于單一、超大規(guī)模組團(tuán)式的城市格局（圖3）增加了建設(shè)用地與農(nóng)田、林地等景觀之間的接觸面，具有更高的物質(zhì)流通性和生態(tài)穩(wěn)定性[27]。

注：圖標(biāo)旁能量格“”表示圖標(biāo)物在此區(qū)域內(nèi)的聚集度，格數(shù)越多圖標(biāo)物聚集度則越高。

通過(guò)地圖化獲得2004年和2014年北京市平原地區(qū)土地利用/覆被現(xiàn)狀圖（如圖4），并基于此計(jì)算建設(shè)用地景觀形態(tài)指數(shù)（MSI）分別為1.48、1.37，指數(shù)下降0.11。換句話說(shuō)，10 a間研究區(qū)建設(shè)用地形狀復(fù)雜程度下降，城市趨于超大規(guī)模組團(tuán)式發(fā)展，與外界環(huán)境的接觸面積下降，代謝物疏散效率降低。因此，北京市城市結(jié)構(gòu)的發(fā)展并未能提高養(yǎng)分的疏導(dǎo)能力，增加的養(yǎng)分無(wú)法及時(shí)疏解加劇了對(duì)環(huán)境帶來(lái)污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 北京平原區(qū)2004年、2014年土地利用/覆被情況

4 討 論

大都市化雖然有集聚效益為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)一定便利，但在空氣、水環(huán)境問(wèn)題上卻不如小城鎮(zhèn)或多中心城市。多中心分散式城市格局能在便捷人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上有效疏解諸如城市熱島效應(yīng)、空氣污染、交通擁堵等“大都市病”問(wèn)題。而對(duì)于高度城市化的北京市而言，由于建設(shè)用地的不可逆性，面對(duì)城市養(yǎng)分不斷富集與疏解效率降低的現(xiàn)狀，企圖重新改造城市結(jié)構(gòu)誠(chéng)然是不現(xiàn)實(shí)的，因此必須積極謀求“內(nèi)部消納”的方式將污染物轉(zhuǎn)化為資源利用。

一方面，耕地具有很強(qiáng)的消納養(yǎng)分的能力，但目前北京市農(nóng)業(yè)過(guò)多依賴化肥，若能促進(jìn)污水處理廠的污泥殘?jiān)鳛榉柿系耐茝V與利用，便能減少污水處理廠“點(diǎn)狀”污染源的堆積。另外，研究結(jié)果表明耕地種植蔬菜作物比種植糧食具有更高的養(yǎng)分吸納能力，且隨著膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，城市對(duì)于蔬菜的需求正不斷加大，因此，從吸納養(yǎng)分和市民蔬菜需求角度應(yīng)該多種植蔬菜作物；然而，糧食作物在生長(zhǎng)旺盛期的生物量遠(yuǎn)大于蔬菜作物，具有更強(qiáng)的生態(tài)功能，因此，若從生態(tài)景觀環(huán)境角度出發(fā)，可在城市中更多種植服務(wù)于景觀的小麥、玉米等作物。

另一方面，10a間研究區(qū)林地面積增加了924.5×102km2，增加幅度為106.96%，其主要是由于迎接2008年奧運(yùn)及2011年后的“百萬(wàn)畝平原造林”等市政綠化工程所種植的大面積林地。然而，新增人工林地樹(shù)齡短、未郁蔽，其生態(tài)功能和景觀功能尚未發(fā)揮出來(lái)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為綠化林地因不產(chǎn)出食物，故缺乏有效施肥投入與管理，苗木存活率偏低。但實(shí)際上，只有枝繁葉茂才能更好地發(fā)揮林地的生態(tài)與綠化功能，因此對(duì)人工林地施肥管護(hù)是有必要的。北京地區(qū)森林植被以落葉闊葉林為主，楊樹(shù)占比最大，占森林資源總面積的60%以上[28]。以楊樹(shù)人工林為例，Hector研究表明，適時(shí)補(bǔ)充因樹(shù)體生長(zhǎng)帶走的養(yǎng)分，除土壤pH值因長(zhǎng)期施用NH4NO3而有所降低外，其他土壤性質(zhì)并沒(méi)有顯著變化。相反，長(zhǎng)期種植但不施肥，土壤物理性質(zhì)變差，土壤有機(jī)質(zhì)、總氮磷鉀等含量均明顯下降，代謝活性降低[29]。朱光權(quán)等對(duì)2年生I-69楊的研究表明，每年每公頃I-69楊樹(shù)林可吸收N、P、K分別為262.16、31.51、0.79kg[30]，若以此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，北京平原區(qū)林地每年共吸收N、P、K分別為0.47×105、0.06×105、140 t，共計(jì)吸收氮磷鉀養(yǎng)分0.5×105t，因此林地也具有較強(qiáng)的養(yǎng)分吸納能力。此外，林地的生物量大，蒸散發(fā)量高，要維持綠化林生長(zhǎng)需消耗大量水源。因此綜合林地對(duì)水源和養(yǎng)分的需求，為挽回耕地減少導(dǎo)致的養(yǎng)分吸納功能的滅失，市政部門在進(jìn)行綠化灌溉時(shí)應(yīng)充分利用再生水，即廢水或雨水經(jīng)適當(dāng)處理后，達(dá)到一定的水質(zhì)指標(biāo)，可滿足特殊需求利用的水。

需要指出，北京市平原區(qū)已基本不存在大規(guī)模牲畜養(yǎng)殖，目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是基于北京市“總部經(jīng)濟(jì)”的結(jié)果，即北京市在外埠投資的養(yǎng)殖數(shù)，所以本研究并未考慮牲畜排泄物。另一方面，耕地養(yǎng)分供給存在本身作物的根莖葉歸還，如秸稈、蔬菜廢棄物還田，但由于本研究旨在探討耕地養(yǎng)分吸納能力的變化情況，因此未對(duì)其進(jìn)行考慮。

5 結(jié) 論

2004—2014年間，北京市人口集聚、食物輸入導(dǎo)致城市人類糞便排放的氮磷鉀養(yǎng)分增加0.34×105t，耕地減少致使氮磷鉀養(yǎng)分吸納能力下降1.17×105t，“此消彼長(zhǎng)”之下城市養(yǎng)分呈凈增加狀態(tài)，并以“點(diǎn)狀”形式就地堆積、填埋；加之建設(shè)用地圖斑形狀指數(shù)由1.48下降至1.37，其與外界環(huán)境的接觸面下降又減慢了自然狀態(tài)下過(guò)剩養(yǎng)分的疏散效率。“點(diǎn)狀”污染源養(yǎng)分無(wú)法及時(shí)消納必然會(huì)增加城市水環(huán)境生態(tài)污染的風(fēng)險(xiǎn)。

糞便具有資源與污染物的兩面性，若能夠合理疏散并均質(zhì)化分解，污染源便能轉(zhuǎn)而成為提高土壤肥力、改善耕地質(zhì)量的資源。為此，一方面，北京市政府應(yīng)注重耕地的保有量，減輕化肥施用，適當(dāng)增加處理后的糞便殘?jiān)倪€田；并積極發(fā)揮新增林地的養(yǎng)分消納能力，利用再生水進(jìn)行綠化灌溉；使養(yǎng)分能被耕地、林地的植被充分吸納。另一方面，隨著人口不斷向大城市聚集，各種資源、污染源匯集在主城區(qū)必然會(huì)造成城市養(yǎng)分富集，以核心區(qū)為中心、大區(qū)小城鎮(zhèn)集團(tuán)式的網(wǎng)絡(luò)型“田園城市”能夠提高城市代謝物消納效率，并改善城市景觀生態(tài)環(huán)境，是其他城市未來(lái)發(fā)展值得借鑒的一種建設(shè)模式。

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Discussion on population-land-environment problem of Beijing based on nutrient balance

Xie Zhen1,2, Zhang Fengrong1,2※, Zhang Tianzhu1,2, Zheng Ya’nan1,2, Zhou Jian3, Gao Yang1,2

(1.100193,; 2.100193,; 3.710119,)

More and more people immigrated into metropolises, resulting in the increase of food consumption and waste production. Human waste contains a lot of nutrients, and above all, excreta is the most representative. If the excreta does not be treated well timely, it could bring some serious environmental problems within city, especially for the water environment. Taking the plain area in Beijing as the example, we focused on its land use change between 2004 and 2014 by the method of remote sensing; besides, we also estimated nutrient balance in farmlands due to the changes of population and land use; finally, we also researched the change of interface between urban construction land and outside environment by mean shape index. The results were as follows: 1) Compared with 2004, the increase of population and food consumption caused an increase of about 0.34×105t nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) nutrients from human excrement in 2014, and there was a nutrient increment of 282.17 t in excreta sludge after water treatment; 2) Farmland had a strong capacity for nutrient absorption in Beijing, for instance, the grain crop field of winter wheat and spring maize could absorb 820 kg/hm2per year, and the vegetable filed of rape could absorb 1148 kg/hm2per year; the decreased farmland area resulted in an about 1.17×105t loss of nutrient treatment capacity; 3) The decline of mean shape index from 1.48 to 1.37 demonstrated the shrink of construction land contacting boundary, which made the evacuation efficiency of metabolic flow decline. Urban nutrient surplus and resultant serious water pollution were mainly due to the increase of population, food consumption and human metabolites, as well as the decrease of farmland area, construction land contacting boundary extent, and resultant metabolites absorption capacity. According to statistics, there is still half of excreta sludge stacked or buried in suburb areas without harmless disposal, which increases the risk of regional water environment pollution. City is an open system, in terms of the circulation of matter and energy in city with external environment, we reckon that, compared with mononuclear mega-city, polycentric city with more farmland and forest land interlaced with construction land has a higher nutrient liquidity and ecological stability. Therefore, the multi-center urban structure can avoid the accumulation of nutrients in the city in the process of urban development, and it is worth learning from other cities. However, it is very hard to rebuild the urban construction of Beijing, and thus it is of importance to treat the nutrient within the urban area. In order to better treat the ever-increasing nutrient of human metabolites in the urban area, on the one hand, we suggest to recycle and reuse livestock manure and wasted water into farmlands instead of stacking or burying it, which can help to develop green agriculture; on the other hand, given the increase of forest land due to afforestation of city, the use of reclaimed water in green area irrigation can not only decompose the redundant nutrients, but also save water resource.

nutrients; remote sensing; pollution; nutritious balance method; excreta; polycentricity; water environment; plain area of Beijing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.001

F301.24

A

1002-6819(2017)-23-0001-07

2017-08-08

2017-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“華北平原集約化農(nóng)區(qū)耕作單元形成機(jī)制和農(nóng)田規(guī)模經(jīng)營(yíng)效率測(cè)算研究”（項(xiàng)目編號(hào)：41301614）；國(guó)家社科基金面上項(xiàng)目“京津冀區(qū)域生態(tài)位異質(zhì)化作用下農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈空間協(xié)同效應(yīng)與發(fā)展策略研究”（16BGL204）。

謝 臻，福建連江人，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥恋乩靡?guī)劃與可持續(xù)利用。Email：xiezhen369683450@qq.com

張鳳榮，河北滄縣人，博士，教授。主要研究方向?yàn)橥恋卦u(píng)價(jià)、規(guī)劃與可持續(xù)利用。Email：frzhang@cau.edu.cn