密云水库二级保护区生态承载力研究与分析*

胡艳霞,郑瑞伦,周连第,许素梅,杨丹丹

(1.北京市农林科学院草业与环境研究发展中心，北京 100097；2.北京市农林科学院推广处，北京 100097)

0 引言

承载力(carrying capacity)原为力学中的概念，指物体在不产生任何破坏时的最大负载，现已演变为对发展的限制程度进行描述的最常用术语[1-4]。早在1921年，帕克和伯吉斯就在有关的人类生态学研究中，提出了承载能力的概念，认为，根据某一地区的食物资源确定区内的人口承载能力[5]。20世纪70年代以后，人口、粮食、资源、环境等全球性问题发展，以协调人地关系为中心的综合承载力研究兴起，扩展到整个资源领域[6]。进入20世纪80年代，ECCO模型(Enhancement of Carrying Capacity Options)开始设计，采用系统动力学方法，综合考虑人口、资源、环境与发展之间的关系，模拟不同发展策略下，人口变化与承载力之间的动态变化[7，8]。目前，国内外开展了大量的资源环境承载力研究工作，特别是在资源环境承载力评价方面，从定性分析发展到定性与定量相结合，从单一要素承载力拓展到综合承载力[9，10]。然而，受到种种因素限制，当前基于综合计量的资源环境承载力评价未有明显进展，资源环境承载力评价模型与指标构建、承载阈值界定等有待标准化[11，12]。此外，已经开展的资源环境承载力研究，多是针对大尺度区域开展的，而在小尺度区域上开展得相对较晚，成果较少[13-15]。从以往相关研究来看，评价区域尺度越小，资源环境基础数据的获取困难度越大。影响到资源环境承载力评价的精准性和承载力管理的可操作性。由于这些问题的存在，目前资源环境承载力研究成果基本停留在学术研究层面，实际应用极其不足，仅在经济社会发展和资源环境管理中起到较小的参考作用，难以形成承载力对区域可持续发展的基础性制约作用。鉴于此，文章针对北京密云水源保护区环境保护和生态产业发展之间的矛盾问题，从生态用地的最小范围角度来体现区域生态承载力的底线，获取区域生态用地最小面积值与区域生态用地的最优布局，提取生态系统比较敏感或具有关键生态功能的区域，确定为水源保护区的生态承载力，并提出具有操作性的承载空间分布和产业规模控制方案，为这一区域持续发展提供决策支持。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

研究区地处北京密云区，位于北京市东北部，地理位置为116°41′E～117°30′E，40°14′N～40°48′N。海拔高度在451～735m，地形处于华北平原与蒙古高原过度地带，为三面群山环绕、中部低缓、西南开口的簸箕形地形；中部是碧波荡漾的密云水库，西南是洪积冲积平原。密云区为暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候。四季分明，干湿冷暖变化明显。年均温为10.8℃，无霜期在175 d左右。日照时数2 282.9 h，年均辐射量为135 kcal/cm2，多年平均降雨量507mm。密云区境内有大小河流14条，潮白河纵贯全境。土壤类型以褐土为主，适宜多种农作物种植[16]。

密云水库二级保护区7个乡镇的86个村庄，以种植杂粮、干鲜果品、部分设施蔬菜为主。共有耕地3 000hm2、果园3 867hm2、蔬菜500hm2。人均耕地0.035hm2、果园0.045hm2、蔬菜0.006hm2。2015年度，库区粮食单产212.5kg/667m2；干鲜果品单产366.8kg/667m2；密云水库二级保护区畜牧养殖业，以养殖猪、牛、家禽、羊为主。2014—2016年，二级保护区年出栏牛2 934头、生猪3万头、羊近2.5万只、家禽188万只。养殖奶牛近1 000头、蛋鸡45万只[17]。

1.2 样品采集与分析

将密云水库保护区行政区划图、土地利用现状图和密云水库断面图叠加，并根据已有的地质调查资料，结合气候、地形、植被以及土壤和地质类型，初步确定采样点位置，如图1。

图1 密云水库二级保护区土样采集点位

2015年10—11月，在水库二级保护区范围内进行实地调研，共采集140个土壤样本，同时调查采集样点的地形坡度、土地利用现状及其植被类型等。土样在实验室经杂物分捡、风干处理后，磨碎，过2mm 筛(分析测定时再过不同规格的筛)待测。分别测定土壤有机质、全氮、全磷、粒径分级等指标。

1.3 研究方法

1.3.1 密云水库保护区生态承载与敏感性分析指标、模型及分级标准

参照孟翔飞的“基于GIS与Vensim软件的土地综合承载力研究”[18，19]、林京浩的“延边经济生态环境现状、存在问题及其对策研究”[20]，及陈建军等“吉林省土壤侵蚀敏感性评价”等[21]，以通用土壤流失方程(USLE)为理论基础，在GIS的支持下，对库区的生态承载敏感性进行影响因子的综合评价。选择降雨侵蚀力、地形起伏度、植被类型和土壤质地、全氮、全磷等6个因子，进行综合评价，构建密云水库护区生态承载与敏感性分析指标、模型及分级标准(表1)。

早在2005年，中国科学院地理科学与资源研究所经济地理专家张百平先生就提出区域生态安全的地带性指标“原生态值”[22]的概念，意旨生态背景值或本底值以反映生态景观的原始属性。其所采用的指标为生态景观的植被(植被层片结构、高度、盖度等)和土壤(土壤有机质、土层厚度等)等指标，以一定的土类/植被群系纲为主要特征，来认识地表关键性综合自然因子。该研究中的生态承载力与此类似，用以揭示自然因素和人类活动对区域生态属性的影响程度。降雨侵蚀力、地形起伏度、植被类型和土壤质地4个指标可反映土壤侵蚀等自然因素在生态空间分布上的复杂性。根据“基于非点源污染的密云水源保护区水环境容量核算及其分配”研究[23]，畜禽养殖、生活污水、民俗旅游、水土流失是密云水库保护区内主要的污染来源，其中畜禽养殖和水土流失主要引起了氨氮和总磷污染，是库区内重点削减和控制的关键因子。为此，该研究中增加全氮、全磷指标。在指标分级标准中，前4个指标借鉴和参照了“土地综合承载力研究和土壤侵蚀敏感性评价”[18-21]，全氮和全磷的分级则是根据前期多点位土壤测试数据研究并结合土地利用调研结果[24]，进行分级。

降雨是引起土壤侵蚀的最重要因子，主要是由降雨雨滴所携带的动能对土粒产生冲击而引起土壤冲蚀。由于与土壤侵蚀关系比较密切的降雨特征参数较多，在实际工作中采用综合的参数R值—降雨冲蚀潜力来反映降雨对土壤流失的影响。采用马志尊[22]应用海河流域太行山区的计算公式为：

(1)

式(1)中：pi月降雨量(mm);(1)月降雨量取自密云水务局2015年度 6～9月雨季集中分布月份的人工雨量测报数据p为年降雨量(mm)。得到R值，再根据<25，25～100，100～400，400～600，>600不同的分级指标范围进行赋值。

地形起伏度以地形坡度为主。根据点位的坡度不同进行赋值。

植被根据采样点的种植作物、果树及地表覆盖情况进行分级赋值。

土壤全氮、全磷含量根据采样点的实测数值进行分级赋值。

在各单项影响因子的分析前提下，利用地理信息系统软件中的空间叠加分析功能，采用几何平均数法计算方法，生成密云库区生态承载力综合敏感性分析图，以及库区7个乡镇不同生态承载力敏感程度的面积，见图2～3。

几何平均数法计算为：

(2)

式(2)中，SSj为j空间单元生态承载力敏感性指数；Ci为i因素敏感性等级值。

表1 密云水库保护区生态承载与敏感性分析指标分级

1.3.2 密云水库保护区畜禽养殖的粪便氮磷产生量

目前该区域在2015年内畜禽养殖的粪便氮磷产生量，采用计算公式为：

(3)

式(3)中，M为某区域一年畜禽粪便总氮、总磷产生量(kg);Qi为第i种畜禽的年平均出栏量;ai是一单位第i种畜禽一年产生的粪便总氮(或总磷)量;n为畜禽种类。其中，一单位畜禽一年粪便总氮(或总磷)产生量数据来自于环保部畜禽污染产生系数数据(2)资料来源：《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》。禽类系数是一个饲养周期的产生量，对应于年出栏量，见表2。

表2 一单位畜禽一年粪便总氮总磷产生量 kg

图2 密云库区生态承载力综合敏感性分布

图3 密云库区生态承载力综合敏感性分析柱状图

2 结果与分析

2.1 密云库区生态承载力敏感性分布格局

经分析和对各因素的综合评价，密云库区生态承载力敏感性分3个等级，即高度敏感、中度敏感、轻度敏感。高度敏感区域面积为119km2，占总面积的26.3%；中度敏感区域面积241km2，轻度敏感区域14km2，占总面积的3.2%。其中以中度敏感区占总面积的比例最大，占总面积的52.9%。极敏感和不敏感区所占比例相对比较小，而不敏感和极敏感面积都为零。说明由于30年的生态环境保护，密云水库保护区生态状况较优，但是由于库区周边承载了86个村庄、8.5万人，生态承载能力下降，成为生态承载中高度敏感区域。

密云水库保护区高度敏感区域(图2中深褐色斑块区域)的总体格局为：密云水库西北石城镇的二平台、捧河沿、张家坟、赶河厂、西湾子等密云水库入库白河流域的村庄、及冯家峪镇的石洞子、西庄子、保峪岭、不老屯镇的学艺厂、沙峪里等白马关河流域的共10个村庄，由于地形起伏较大，夏季降雨较大，土壤氮磷的流失较大，土壤侵蚀的敏感度较高，生态承载力呈现高度敏感；密云水库东北部的高岭镇芹菜岭、瑶亭、高龄屯、白河涧，及不老屯镇的丑山子、兵马营、柳树沟、南香玉等村庄，以及太师屯镇的城子村、桑园、松树峪、松树掌、东田各庄、流河沟、上庄子、流河峪、龙潭沟等共17个村庄，处于密云水库入库河流潮河流域，地形起伏较小，春季多大风、土壤多为砂质壤土，风力侵蚀土壤程度较大，农事程度较高，生态承载力呈现高度敏感；除上述27个村庄外的59个村庄，为中度敏感区域(图2种浅褐色斑块区域)，基本覆盖了密云水库保护区。

2.2 密云库区生态承载力分析

按照《饮用水水源保护区划分技术规范》要求，二级保护区内不准新建、扩建向水体排放污染物的建设项目。改建项目必须削减污染物排放量；原有排污口必须削减污水排放量，保证保护区内水质满足规定的水质标准；禁止设立装卸垃圾、粪便、油类和有毒物品的码头。因此，在二级库区内要在保证不增加排入水体污染物的基础上，逐渐削减污染负荷。根据此要求，该项目所核算的生态承载力，需在划定最小生态用地的基础上，确定区域承载的人口数量，种植、养殖规模，以保证近期内土壤环境质量不变差，并使中长期阶段土壤环境质量逐渐改善，以削减地表径流和土壤侵蚀等面源污染对密云水库水质的影响。

2.2.1 划定最小生态用地范围

根据密云库区生态承载力综合敏感性评价结果，处于高度敏感的区域为119hm2，包括石城、冯家峪、不老屯、高岭、太师屯等库区5乡镇的27个村庄，涉及人口2.285 4万人，如图2中的深褐色部分，详细见表3。这个区域由于位于潮河、白河流域，或由于山势陡峻，降雨量大，土壤侵蚀力强，生态承载力减弱，或由于农事活动强度较大，又处于风力较强的缓坡区域，土壤侵蚀及生态承载能力减弱，因此，此部分为最小生态用地。在此27个村的范围内原则上不使用化肥、农药，不进行规模养殖。

表3 密云水库保护区生态承载高度敏感区区域范围

表4 密云水库保护区生态承载轻、中度敏感区畜禽粪便总氮、总磷产生量及限额 万kg

2.2.2 中度、轻度敏感区内的承载产业特点

根据密云库区生态承载力综合敏感性评价结果，处于中度敏感的区域为2.4万km2，轻度敏感区域为1 467hm2，包括石城、冯家峪、不老屯、高岭、太师屯等库区7乡镇的59个村庄，涉及人口6.208 5万人，如图2中的浅褐色部分。

表5 密云水库保护区生态承载轻、中度敏感区畜禽允许总量

这部分区域内耕地对氮磷的承载力的标准有一定的限度。根据欧盟农业政策中规定的年施氮量170kg/hm2(以氮计)作为土地粪肥总氮承载力的标准[23]，年施磷量35kg/hm2(以磷计)作为土地粪肥总磷承载力的标准。那么，中轻度敏感区内承载的氮磷限度为725.5t和149.4 t(耕地与果园面积之和为4 267.5hm2)。根据式(1)、(3)、(2)，该区域在2015年内畜禽养殖的粪便氮磷产生总量为1 113t(以总氮为标准)和467t(以总磷为标准)，见表4。由此计算出不同畜禽种类的权重，结合氮磷限额，计算出密云库区中轻度敏感区畜禽养殖允许总量，见表5。以总磷为标准的允许量小于以总氮为标准的允许量，因此在轻度、中度敏感区畜禽养殖允许量为939头牛、9 599头猪、7 999只羊、60万只鸡，折合羊单位为3.6万只，占库区现有养殖总量的32%，需要在现有基础上削减68%。

3 讨论

密云水库于1958年9月1日开工建设以来，最大库容量43亿m3。2000年以后的十几年，水库水位不断下降，一直在10亿m3以下。部分土地逐渐露出水面，在138～155m高程的范围内，约6 667hm2，地处库区周边的农民开始利用此肥沃地区进行生产，形象地称之为“押宝地”。随着2014年底南调水入密云水库，水库水位不断上涨，为保障水质安全，水库周边155m高程以下土地全部退出，与之相对应的规模化养殖业也全面实行禁养。这些举措无疑对保护北京水源地生态环境起到了举足轻重的作用；但是，密云水库二级保护区内仍然承载了8.6万人，耕地及果园面积7 000hm2，耕地中谷物杂粮单产仅212.5kg/667m2，果园单产量不足400kg/667m2，较低的产出不利于当地农民生存发展。在不能完全移民的前提下，只能提高土地产出率，若提高土地产出率，须增加有机肥料等投入，若畜禽养殖业完全退出，有机肥源只能通过外阜调入，成本提高，因而，当地农民多施用化肥替代有机肥，长期以来，土壤质量降低，水库周边面源污染加重，继而影响水库水质。该文从解决该问题入手，选择降雨侵蚀力、地形起伏度、植被类型和土壤质地、全氮、全磷等反映库区土壤、植被、地形、气候等因子，构建密云水库护区生态承载与敏感性分析指标、模型及分级标准，通过综合评价，得出密云库区生态承载力敏感性分布格局，划定了区域内生态承载力最小生态用地范围之外，根据区域内耕地对氮磷的承载力的限制标准，核算出密云水源保护区生态承载畜禽养殖允许量。

需要强调的是目前畜禽氮磷污染负荷的削减采取的措施主要还是总量控制。传统的畜禽粪便处理方式主要包括直接还田、堆肥等，堆肥的氮、磷去除率分别仅30%和10%左右，对氮磷的去除作用非常有限。集中养殖畜禽粪便的主要处理方式是“固液分离—资源化—沼气化—沉淀”等处理工艺，该技术可较好去除畜禽粪便中的COD等污染物，对氮磷的去除效果仅10%。发酵床养殖中可以避免养殖废水的产生，但却将更大比例的氮留在了垫料中，仍难以有效去除粪便产生的氮磷元素[24]。为此只有从总量上控制畜禽养殖的数量，才能有效去除氮磷污染负荷，同时保持一定的允许养殖量，既能保证一定的肥源，提高土壤肥力和质量，又能促进农民增收，还能保证水质安全，是目前库区采取的“一刀切”政策的改善和提高，为进一步科学合理制定政策提供有力的决策支持。

4 结论

(1)密云水源保护区生态承载力敏感性分区。密云库区30年来生态环境保护政策措施实施较好，密云水库保护区生态状况较优，生态承载力极度敏感区为零，但是由于库区周边承载了86个村庄、8.5万人，生态承载能力下降，不敏感区为零，轻度敏感区只占总面积的3%，中高度敏感区域占库区总面积的80%。

(2)密云水源保护区生态承载力最小生态用地划定。密云水源保护区高度敏感的区域约1.2万hm2，包括石城、冯家峪、不老屯、高岭、太师屯等库区5乡镇的27个村庄，生态承载能力极弱，划定为库区最小生态用地，原则上种植业不使用化肥、农药，不进行规模养殖畜牧业。

(3)密云水源保护区生态承载畜禽养殖允许量。密云水源保护区内划定最小生态用地之外的所有区域内(一级圈除外)，即包括石城、冯家峪、不老屯、高岭、太师屯等库区7乡镇的59个村庄，合计2.5万hm2，允许养殖牛939头、生猪9 599头、羊7 999只、鸡60万只，折合羊单位为3.6万只，占库区现有养殖总量的32%,需要在现有基础上削减68%，而不是一律退出。