基于GIS的规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价研究*

阎波杰 王笔钦 李亚星

(1.闽江学院地理科学系，福建 福州 350108；2.福建省测绘工程技术研究中心，福建 福州 350108)

随着畜禽养殖业的快速发展，尤其是规模化、集约化的养殖场不断增加，使养殖业污染愈加严重。研究表明，畜禽粪便的运输距离是有限的，粪便基本施用在养殖场附近，若局部区域施用的畜禽粪便量超出农田消纳容量，将造成水体、土壤等污染，引发严重的环境问题[1-2]，尤其是养殖业的不合理布局，已引起严重的环境污染问题[3]。另外，畜禽养殖场为便于运输，大多建在大中城市近郊，由于城市近郊无足够的土地消纳大量畜禽粪便，给大中城市带来了巨大的环境压力[4-5]。如何在畜牧业现代化养殖发展中，合理发展规模养殖、调整养殖结构与布局，成为各级政府、农牧部门和广大研究者关注的热点。

目前，很多学者开始关注养殖场空间布局及土地适宜性问题。如周爱平[6]采用单位耕地面积污染物排放量这一指标，分析某县畜禽养殖空间分布格局的合理性，提出并运用畜禽养殖当量计算县域环境承载力及其分布格局。GERBER等[7]则通过养殖场生产经济效益、环境影响、公共和动物卫生保护、农村发展和减少贫困等4个目标，对养殖场土地适宜性进行了分析研究。阎波杰等[8]重点考虑耕地土壤环境污染影响指标，对北京市大兴区畜禽养殖场空间布局进行了研究。也有学者研究分析了影响养殖场空间布局的因素，如刘巧芹等[9]发现养殖场与消费市场的距离是影响畜禽养殖场布局的一个重要因素，且畜禽养殖用地分布与居民点和道路的空间相关性都很强。周力[10]研究分析了环境规章制度与养殖场空间分布位置的潜在联系及养殖污染的影响。虞祎[11]从生产和消费两个角度进一步验证环境规章制度在生猪生产布局变动中的作用，并通过对江苏盐城、扬州养殖场的调查，从微观层面验证环境规章制度对养殖场空间布局及相关决策具有重要的影响。但以上研究较少考虑畜禽养殖废弃物还田施用这一因素，更多考虑经济、自然、制度、公共卫生与防疫安全、环境等影响因素。而畜禽养殖废弃物含有丰富的养分资源，自古以来就一直被作为有机肥返还农田[12-13]。因此，为了确保畜禽养殖生产的可持续发展，在进行规模化畜禽养殖场空间布局时应考虑畜禽养殖废弃物返田施用。

本研究利用地理信息系统(GIS)空间分析技术，着重考虑畜禽养殖废弃物作为肥料返田施用方便性这一因素，综合自然、经济、环境污染、土地利用等因素构建了规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价体系，以期为相关部门在畜禽养殖业的科学合理规划布局提供管理决策支持，也为畜禽养殖业快速、健康、可持续发展提供借鉴作用。

1 研究区概况及数据处理

1.1 研究区概况

闽侯县位于福建省东部、福州市西南侧、闽江下游，呈月牙形，是福建省最靠近省会城市的市郊县，地处25°47′～26°37′N，118°51′～119°25′E。全县总面积21.3万hm2，农田占17.37%，其中以水田、旱地和菜地为主。近几年，伴随着经济水平的快速发展，闽侯县畜禽养殖业的生产规模日渐扩大，正朝着规模化、集约化、现代化等方向迅速发展，畜禽养殖业已成为闽侯县农业发展的一大支柱产业。目前，畜禽养殖业带来的污染不断加重，其产生的大量畜禽粪便等废弃物与有限的农田资源形成尖锐矛盾。因此，为了促进闽侯县畜禽养殖业持续、健康的发展，迫切需要对畜禽养殖场进行科学、合理的空间布局规划。

1.2 数据收集与处理

收集闽侯县高分辨率遥感影像图、闽侯县行政区划图、高程、耕地相关信息等原始数据。以闽侯县高分辨率遥感影像图、闽侯县行政区划图与土地利用现状图作为底图，利用ArcGIS10软件进行配准、校正、数字化提取等处理步骤以获取研究区域的道路、居民点、市场、水体等信息(见图1)，并通过统计年鉴、实际现场调查等手段获取畜禽养殖相关属性信息。综合上述信息，建立畜禽养殖多用途空间数据库。

图1 闽侯县规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价数据处理结果Fig.1 Spatial pattern of factors influencing suitability evaluation of industrial livestock and poultry farms in Minhou County

1.3 畜禽养殖多用途空间数据库构建

1.3.1 畜禽养殖多用途空间数据整合和共享

由于畜禽养殖业资源数据采集方式、存储格式和尺度(包括空间尺度和时间尺度)不同，使得数据精度等存在较大的差异及系统或数据库数据组织的复杂性引起养殖业数据的存储方式和结构、数据尺度、数据组织等方面的多样性[14]。要整合这些数据，首先，需要对畜禽养殖数据进行规范化处理，主要包括空间数据与属性数据在空间、时间、度量单位及数据分类标准的一致性等[15]。其次，将多源多尺度的数据资源经过数据提取、清洗、转换、集成和装载后，建立各尺度、各专题层次的养殖业资源数据库、基础地理数据库、遥感影像库、统计数据库和各种文档多媒体数据库[16]。同时，建立畜禽养殖信息的元数据目录数据库，主要包括畜禽养殖数据的来源、采集方式、时间、内容、数据转换方式及相关信息的描述等。

面向对象的技术是当今信息技术领域极具潜力的模型和系统构造方法，是一种分析问题和解决问题的新方法。相比于传统的结构化程序设计，面向对象的技术主要以类和类的实例化对象为中心[17]。由于畜禽养殖信息涉及到大量的复杂空间信息，而畜禽养殖空间信息资源的共享与互操作是畜禽养殖多用途空间数据库设计实现的难点。面向对象的GIS数据模型则可以将畜禽养殖的空间数据和属性数据有效地融合在一起，对于处理畜禽养殖信息涉及到的复杂地理对象具有极大优越性。

1.3.2 畜禽养殖多用途空间数据库构成

畜禽养殖多用途空间数据库主要包含基础地理数据库、遥感/航空影像数据库、畜禽养殖地理编码数据库、畜禽养殖专题数据库及元数据库。而畜禽养殖专题数据库包括文档资料库、畜禽养殖空间数据库、畜禽养殖属性数据库、畜禽养殖多媒体数据库等。具体的数据库主要为基础地理信息表(水系表、土地利用状况信息表、行政村信息表、行政镇信息表、道路信息表)、规模养殖品种信息表、散养信息表、生产资料信息表、散养品种信息表、养殖废弃物管理信息表(养殖粪便排放系数表、养殖尿排放系数表和废弃物沼气产量系数表)、养殖设施信息表、管理人员信息表、生产记录信息表(日产量、物质消耗量等)、养殖消毒信息表等。其中主要信息表之间的相互关系见图2。

2 评价方法与步骤

2.1 评价指标的确定

影响规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价的因素很多，如地形、交通状况以及土地利用状况等因素，且各因素存在较大的差异性。其中有些因素是主要的，决定着规模化畜禽养殖场空间布局适宜性的好坏，而有些因素的作用是次要的，可忽略的。很多规模化畜禽养殖场出于降低养殖、运输、销售成本等需要，往往更多考虑经济方面的影响因素，如与道路、市场的距离等，较少考虑与耕地的距离。而许多发达国家规定畜禽养殖场周围必须有与之配套的农田来消纳畜禽粪便，从而在农场范围内形成农牧良性循环[18-19]。近年来，畜禽养殖场带来的各种环境污染越来越突出，而畜禽养殖废弃物的最好出路是作为肥料返田施用，既可以作为农田作物的肥料，又可避免畜禽养殖废弃物成为环境污染源[20]。基于上述思路，本研究着重考虑与耕地的距离这一指标，并按照定量与定性分析相结合、综合分析与主导因素相结合等原则，统筹考虑，通过广泛收集研究区域资料，并结合实地调研及各有关部门专家的意见，选择坡度、与道路距离、与市场距离、土地利用状况、与居民区距离、与水体距离及与耕地距离作为参评因子。此外，为防止规模化畜禽养殖场产生的大量NH3、硫化物和甲烷等有毒有害气体对畜禽养殖生产及居民生活的影响，规模化畜禽养殖场空间位置还应考虑风向因素。

为获取适宜性评价的指标系数，采用因子量化方法对规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价各指标进行无量纲化变换处理，量化指标系数再乘以100即因子的标准化值[21-22]。对闽侯县规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价因子按100分制标准进行打分，其中最高级别为满分100分，其余各级别分值按照实际指标值对畜禽养殖场空间布局适宜性影响衰减程度赋予不同分值。规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价指标体系如表1所示。

2.2 评价指标权重的确定

评价指标权重体现了各评价因子对评价结果的贡献程度，将德尔菲法和层次分析法相结合确定适宜性评价指标的权重。通过征求专家意见，采用德尔斐法对因子重要性进行排序，建立构造判断矩阵、计算判断矩阵的最大特征根和对应的特征向量，最后检验判断矩阵的一致性，将一致性指标与平均随机一致性指标进行对比，其中判断矩阵的平均随机一致性比例为0.023<0.10，因此判断矩阵具有令人满意的一致性，可将各评价因子的排序权值作为各评价因子的权重，结果见表2。

注：PK指数据库的主键，作为与其他表格关联的依据。图2 多用途空间数据库主要信息表关系Fig.2 The diagram of relation between main information tables of multipurpose spatial database

分值100806040200坡度/(°)<55～<88～<1212～<1616～<25≥25与道路距离/km0.1～<0.50.5～<1.01.0～<2.02.0～<5.0≥5.0<0.1与市场距离/km<11～<22～<33～<43～<5≥5土地利用状况荒地草地沙地林地园地耕地与居民区距离/km0.5～<1.01.0～<2.02.0～<3.03.0～<5.0≥5.0<0.5与水体距离/km0.3～<1.01.0～<2.02.0～<3.03.0～<4.0≥4.0<0.3与耕地距离/km<0.30.3～<0.80.8～<1.51.5～<2.02.0～<3.0≥3.0

2.3 规模化畜禽养殖场空间布局适宜性等级评定

根据规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价指标体系，结合各评价指标的权重及无量纲化变换处理得到的评分结果，采用得分加权法计算总得分，建立规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价模型(见式(1))。

(1)

式中：S为规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价总得分；Xi为第i个评价指标得分；λi为第i个评价指标的权重值；n为评价指标个数。

3 结果分析

利用上述评价方法获得闽侯县规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价结果。结合闽侯县的实际情况，将适宜性评价综合得分通过等距分级法确定适宜性分级方案，并依据分级方案将适宜性评价结果划分为禁养区、不适宜区、比较适宜区和适宜区4个等级，结果见图3。考虑到规模化畜禽养殖场的可持续发展，规模化畜禽养殖场应有足够大的场地面积，一般要求20 000 m2以上[23-24]。另外，由于规模化畜禽养殖场会产生有毒有害气体，从环境污染的角度出发，规模化畜禽养殖场位置需要考虑当地的风向变化，根据对闽侯县气候风向条件分析得出闽侯县的主导风向为东南风。因此，规模化畜禽养殖场最好建设在居民地、水体等的西北方，从而可减少其对周边的空气、土壤和水体造成的污染、家畜传染病、寄生虫病和人畜共患病等的传播。根据闽侯县东南风的气候风向条件，结合规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价结果，获得闽侯县规模化畜禽养殖场空间布局最适宜区域，结果见图4。综合考虑后，闽侯县规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价结果划分为由居民区、道路、各种水体和农田保护区等组成的禁养区以及不适宜区和适宜区(细分为一般适宜区、比较适宜区和最适宜区)构成。

(1) 禁养区：主要在闽侯县的东南区域，包括区域内现有的居民地、道路、水体等。具体主要包括上街镇大学城、南通镇北部、南屿镇南部及尚干镇、祥谦镇、青口镇北部等区域，面积为346.29 km2，占闽侯县总面积的16.27%。尤其是闽侯县上街镇的大学城区域，是政府严格划定的畜禽禁养区。

(2) 不适宜区：除了各乡镇用于农业发展的耕地区域，不适宜区域主要包括南屿镇西部、洋里乡北部、大湖乡北部、鸿尾乡及延坪乡西北部等区域，面积为1 114.07 km2，占总面积的52.36%。其中大湖乡、延坪乡、洋里乡和鸿尾乡等群山环抱，海拔较高，交通不便，尤其是大湖乡和延坪乡靠近鳌江(塘坂)水源地，属于闽江流域中游，且部分区域位于下风口。若建设规模化畜禽养殖场，有可能会引起水体污染。一旦造成水体污染，闽江下游将会受到很大影响，因此这些区域不适合建设规模化畜禽养殖场。

(3) 适宜区：闽侯县适宜区主要分布于南屿镇北部、南通镇东部、青口镇和小箬乡的部分区域，占闽侯县总面积的31.37%。一般适宜区面积约占总面积的25.33%，比较适宜区面积占总面积的5.23%，而最适宜区主要位于上街镇北部、南通镇东北部及荆溪镇除禁养区和不适宜区之外的其他区域，总面积为17.38 km2，占闽侯县总面积的0.47%。由于这些区域与下风口尚有一定的距离，因此可降低由规模化畜禽养殖场产生的有毒、有害臭气对周边环境空气的污染风险。此外，这些区域周边分布着大量的耕地资源，畜禽养殖废弃物还田施用于耕地，不仅可增加耕地的肥力，也可减少畜禽养殖废弃物造成环境污染的风险。同时，以上区域地势平坦且交通便捷，有利于饲料、产品的运输以及畜禽的出入栏。最后，这些区域紧靠市场，不仅能节省大量的运费开支，也可快速将畜禽产品投入市场。综合上述分析，这些区域很适合发展规模化畜禽养殖业，实现畜禽养殖业的可持续快速发展。

图3 闽侯县规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价结果Fig.3 Result of spatial layout suitability evaluation of industrial livestock and poultry farms in Minhou County

图4 规模化畜禽养殖场空间布局最适宜区域Fig.4 Optimum region for spatial layout of industrial livestock and poultry farms

4 结语和展望

(1) 采用面向对象技术建立了畜禽养殖多用途空间数据库，该数据库满足了规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价的需要，实现了养殖规模量、畜禽品种及畜禽养殖废弃物养分的转换等一系列信息的共享。

(2) 基于畜禽养殖多用途空间数据库，并利用GIS空间分析技术，着重考虑畜禽养殖废弃物作为有机肥返田施用这一因素，综合自然、经济、环境污染、土地利用等因素构建了规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价体系，并且以闽侯县为例进行实际的应用研究。从结果分析，闽侯县现有的土地面积中，大部分不适宜建设规模化畜禽养殖场，占闽侯县总面积的68.63%，一般适宜区面积约占总面积的25.33%，比较适宜区面积占总面积的5.23%，而最适宜区主要分布在上街镇北部、南通镇东北部、荆溪镇等区域，只占闽侯县总面积的0.47%。

(3) 在研究过程中，受时间、资料与研究手段等多方面因素的限制，存在一定的不足，如采用德尔菲法和层次分析法确定各评价指标的得分。由于受专家的知识、经验的差异，使得规模化畜禽养殖场空间布局适宜性评价结果存在一定程度的主观性。

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