基于養(yǎng)分平衡的北京市人口-土地-環(huán)境問題探討

謝 臻，張鳳榮※，張?zhí)熘?，鄭亞楠，?建，高 陽

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基于養(yǎng)分平衡的北京市人口-土地-環(huán)境問題探討

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

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；2. 國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室，北京 100193； 3. 陜西師范大學西北國土資源研究中心，西安 710119）

人口集聚于城市，大量食物輸入的同時，代謝物也不斷產(chǎn)生，消納不充分或不及時就會累積并產(chǎn)生環(huán)境污染的隱患。該文以北京市平原區(qū)為例，利用遙感技術分析2004—2014年間研究區(qū)土地利用結構變化；基于養(yǎng)分平衡原理，估算、比較人口與耕地變化對城市養(yǎng)分排放和吸納能力的影響；使用景觀形狀指數(shù)度量城市建設用地與外界環(huán)境的接觸面變化情況。結果表明：1）研究期內(nèi)因人口增加、食物輸入導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）耕地數(shù)量的減少使城市對養(yǎng)分吸納能力下降約1.17×105t；3）建設用地形狀指數(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。研究認為：人口增長-食物消費提高-人類糞尿增加與耕地減少-建設用地界面減小-養(yǎng)分消納能力降低的“此消彼長”態(tài)勢無形中造成城市養(yǎng)分富集，增加了對區(qū)域水環(huán)境污染的風險，而城市結構無法重構，應積極謀求養(yǎng)分的內(nèi)部消納?；诒本┦修r(nóng)田化肥依賴性強、林地增加的現(xiàn)狀，該文建議北京市積極推廣糞便處理殘渣還田、再生水城市綠化灌溉利用，通過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)象在世界各國發(fā)展史中屢現(xiàn)不止[1]。其癥結在于，人口密度增加而廢棄物排放嚴重，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，當集聚的廢棄物排放量超過環(huán)境的凈化能力，環(huán)境污染問題便激化并顯現(xiàn)。國外不少學者試圖從城市發(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“田園城市”的構想，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，功能上，既可享受城市的便捷和福利又不會失去鄉(xiāng)村的美麗景色；結構方面，中心城區(qū)占地比例約1/6，多個田園城市圍繞在其周邊，城市周邊由農(nóng)田環(huán)抱[4]。芬蘭學者沙·里寧在《城市：它的發(fā)展、衰敗和未來》中就工業(yè)革命之后城市出現(xiàn)的“大都市病”提出有機疏散理論，他認為城市交通擁擠、環(huán)境污染等問題是由城市過分集中造成的，主張城市應像“有機生命體式”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，從空間結構上形成低密度、鑲嵌式的建設用地-綠地的配套模式。

經(jīng)過近三十年來的發(fā)展，中國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，當傳統(tǒng)單中心城市發(fā)展到一定規(guī)模后，便出現(xiàn)結構性集聚不經(jīng)濟的現(xiàn)象[6]。大城市發(fā)展趨勢開始逐漸從“規(guī)模擴張”轉(zhuǎn)向“結構調(diào)整”，為此，多中心城市（polycentricity）的理念被廣泛應用于空間規(guī)劃策略之中[7]，以求緩解其中存在的區(qū)域性經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境不持續(xù)。Zhang等認為城市化采取“分散集團”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[8]。

城市作為一個以人類生存為主的有機系統(tǒng)，其發(fā)展必然會形成代謝物，其中人類尿糞排泄物最為主要，截止2015年中國城市人口達7.33億人，若按每人每年790 kg尿糞排泄量計算，城市排泄總量將達5.79×108t。自然農(nóng)業(yè)時期，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肥利用。城市越大，污水處理設施越完善，人糞尿的資源化利用越低，給環(huán)境帶來的“污染負荷”越大。

目前，對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)展與構建[13-14]等方面，關于城市代謝物養(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、耕地減少導致城市周邊農(nóng)田土壤養(yǎng)分富營，進而增加對地表、地下水源的污染風險；并借鑒細胞仿生學思想佐證分散集團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)了迅速增長的趨勢，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1 000 km2，2005年建成區(qū)總面積達到1 209.97 km2，相當于1973年的6.58倍；土地利用格局變化表現(xiàn)為外城蔓延、軸向擴展和郊區(qū)城市化等3種發(fā)展模式，建成區(qū)的擴展基本上呈現(xiàn)出以舊城區(qū)為中心向四周擴展的方式[16-17]；2004—2014年間北京平原區(qū)土地結構調(diào)整主要趨勢又表現(xiàn)為糧田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值豙18]。這就形成了發(fā)展前期建設用地與耕地爭地、發(fā)展后期林地與耕地爭地的土地利用態(tài)勢。

城市的擴大，使水污染、空氣污染、熱島效應、土壤重金屬超標等一系列環(huán)境問題相繼出現(xiàn)[19-20]。隨著人口及農(nóng)業(yè)活動不斷增加，由過量施用化肥、生活污水及糞便等不當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)氮濃度以密云水庫小流域為例，雨季和旱季平均濃度分別為15.86和14.67 mg/L，均超過世界衛(wèi)生組織飲用水標準(10 mg/L)[22]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

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）均來源于美國地質(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后進行輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌和影像裁剪等步驟完成影像預處理。

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

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用遙感解譯與精度驗證

本研究通過外業(yè)調(diào)研并結合研究區(qū)土地利用方式建立土地分類體系（表1），借助ENVI5.1軟件，結合使用面向?qū)ο蠓诸惙椒ā⒒跇O大似然法的監(jiān)督分類方法及目視解譯法對遙感影像進行解譯，獲得北京市平原區(qū)建設用地、耕地（又細分為糧田、菜地）、林地、草地、水域、其他用地等土地利用圖斑數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。解譯精度驗證方面，2004年解譯數(shù)據(jù)主要是結合使用Google Earth高分辨率影像和北京市國土資源局提供的2004年土地利用數(shù)據(jù)，挑選300個驗證點進行檢驗；2014年解譯數(shù)據(jù)則是在實地采集GPS樣本點（125個）基礎上結合Google Earth高分辨率遙感影像選取175個驗證點，共計300個驗證點進行檢驗。檢驗結果是：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)學上使用景觀形狀指數(shù)以定量反映斑塊形狀的復雜程度，是通過計算區(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獲得的。研究應用Fragstats 3.3軟件對研究區(qū)內(nèi)建設用地斑塊偏離正方形的景觀形狀指數(shù)（mean shape index, MSI）進行分析，公式如下：

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

3 結果與分析

3.1 人口聚集及其排泄物養(yǎng)分排放能力

自改革開放以來，北京市的常住人口呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，尤其是2000年后的增長速度更是飛快，2004年北京市常住人口為1 493萬人，人口密度為937人/km2，到2014年達2 152萬人，人口密度為1 311人/km2。增長的人口及膳食標準的不斷提高消費了大量食物，導致更多的人類排泄物產(chǎn)生。

據(jù)統(tǒng)計[23]，中國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%計算[8]，則每個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)量分數(shù)分別為3.1%、1.9%、4 200 mg/kg[24]。經(jīng)過化糞池預處理后進入污水處理廠的生活污水密度與水相當，約為103kg/m3；若按污水的標準計算，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)計數(shù)據(jù)（圖1）顯示，自2004年以來北京市糞便清運量的增加速度并未與常住人口的增長速度同步，這實際上說明更多的糞便滯留在排放地，未被清運到污水處理廠處理。另一方面，隨著《北京市加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案（2013—2015年）》實施推進，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)生的大量污泥殘渣的處置問題又隨之產(chǎn)生。2015年北京市生活污水處理量達14.4億m3，產(chǎn)生污泥117.4萬t，其中中心城區(qū)產(chǎn)生92萬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%的污泥無法進行有效的無害處理[25]。大量未經(jīng)無害化處理的污泥以“點狀”的形式堆放或填埋在遠郊區(qū)縣，這些“點狀”污染源不僅會產(chǎn)生CH4、CO2、H2S及致癌的有機揮發(fā)性氣體，經(jīng)雨水淋洗發(fā)酵后的滲濾液更是會對水環(huán)境造成極大的威脅。

圖1 北京市1978—2014年糞便清運量與常住人口變化圖

3.2 耕地數(shù)量及其對養(yǎng)分吸納能力

從早期的城市化發(fā)展建設用地占用耕地，到后來生態(tài)文明建設林地與糧田爭地，在北京市的城市發(fā)展中，耕地一直扮演著犧牲品的角色。通過土地利用圖斑數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫獲得關于研究區(qū)地類變化的具體情況（如表2），分析結果顯示：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、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。改革開放以來，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，作物種植對化肥的依賴度不降反升。北京市糧食作物實行冬小麥－夏玉米一年兩熟制；根據(jù)《北京農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》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?，耕地具有很強的養(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，按上述標準計算，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量、耕地面積減少造成的糞便消納量減少，導致城市每年糞便凈產(chǎn)生量的上升。加之仍有50%未經(jīng)無害處理的污泥殘渣物的就地堆放、掩埋，必然增加城市因養(yǎng)分聚集造成水環(huán)境污染的風險。

3.3 多中心城市格局與養(yǎng)分消納關系分析

生物細胞的代謝原理告訴我們，細胞通過細胞壁進行跨膜的能量與物質(zhì)運輸，無論是吸收還是排放，其對于能量與物質(zhì)的輸送效率都直接受細胞壁表面積的影響，在其他條件相同的情況下，較大的表面積，能夠進行更多更快的物質(zhì)能量交流。運用仿生學思想我們可以發(fā)現(xiàn)，城市與外界環(huán)境的物質(zhì)能量交流與細胞的生長代謝具有相似性，其本質(zhì)都是能量和物質(zhì)通過界面與開放系統(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。周長與面積之比越大，有機體與外界環(huán)境的物質(zhì)能量交換面就越大，交換效率就越高。城市亦是一個在開放系統(tǒng)中的有機體，在進行物質(zhì)能量更新代謝方面，多中心、分散集團式的城市格局相比于單一、超大規(guī)模組團式的城市格局（圖3）增加了建設用地與農(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：圖標旁能量格“”表示圖標物在此區(qū)域內(nèi)的聚集度，格數(shù)越多圖標物聚集度則越高。

通過地圖化獲得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），并基于此計算建設用地景觀形態(tài)指數(shù)（MSI）分別為1.48、1.37，指數(shù)下降0.11。換句話說，10 a間研究區(qū)建設用地形狀復雜程度下降，城市趨于超大規(guī)模組團式發(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，北京市城市結構的發(fā)展并未能提高養(yǎng)分的疏導能力，增加的養(yǎng)分無法及時疏解加劇了對環(huán)境帶來污染風險。

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經(jīng)濟發(fā)展帶來一定便利，但在空氣、水環(huán)境問題上卻不如小城鎮(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經(jīng)濟發(fā)展的基礎上有效疏解諸如城市熱島效應、空氣污染、交通擁堵等“大都市病”問題。而對于高度城市化的北京市而言，由于建設用地的不可逆性，面對城市養(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構誠然是不現(xiàn)實的，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，耕地具有很強的消納養(yǎng)分的能力，但目前北京市農(nóng)業(yè)過多依賴化肥，若能促進污水處理廠的污泥殘渣作為肥料的推廣與利用，便能減少污水處理廠“點狀”污染源的堆積。另外，研究結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，且隨著膳食結構的調(diào)整，城市對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該多種植蔬菜作物；然而，糧食作物在生長旺盛期的生物量遠大于蔬菜作物，具有更強的生態(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年奧運及2011年后的“百萬畝平原造林”等市政綠化工程所種植的大面積林地。然而，新增人工林地樹齡短、未郁蔽，其生態(tài)功能和景觀功能尚未發(fā)揮出來。傳統(tǒng)觀點認為綠化林地因不產(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，因此對人工林地施肥管護是有必要的。北京地區(qū)森林植被以落葉闊葉林為主，楊樹占比最大，占森林資源總面積的60%以上[28]。以楊樹人工林為例，Hector研究表明，適時補充因樹體生長帶走的養(yǎng)分，除土壤pH值因長期施用NH4NO3而有所降低外，其他土壤性質(zhì)并沒有顯著變化。相反，長期種植但不施肥，土壤物理性質(zhì)變差，土壤有機質(zhì)、總氮磷鉀等含量均明顯下降，代謝活性降低[29]。朱光權等對2年生I-69楊的研究表明，每年每公頃I-69楊樹林可吸收N、P、K分別為262.16、31.51、0.79kg[30]，若以此標準計算，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，共計吸收氮磷鉀養(yǎng)分0.5×105t，因此林地也具有較強的養(yǎng)分吸納能力。此外，林地的生物量大，蒸散發(fā)量高，要維持綠化林生長需消耗大量水源。因此綜合林地對水源和養(yǎng)分的需求，為挽回耕地減少導致的養(yǎng)分吸納功能的滅失，市政部門在進行綠化灌溉時應充分利用再生水，即廢水或雨水經(jīng)適當處理后，達到一定的水質(zhì)指標，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)計數(shù)據(jù)是基于北京市“總部經(jīng)濟”的結果，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，因此未對其進行考慮。

5 結 論

2004—2014年間，北京市人口集聚、食物輸入導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”之下城市養(yǎng)分呈凈增加狀態(tài)，并以“點狀”形式就地堆積、填埋；加之建設用地圖斑形狀指數(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)下過剩養(yǎng)分的疏散效率。“點狀”污染源養(yǎng)分無法及時消納必然會增加城市水環(huán)境生態(tài)污染的風險。

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，北京市政府應注重耕地的保有量，減輕化肥施用，適當增加處理后的糞便殘渣的還田；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)集團式的網(wǎng)絡型“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，是其他城市未來發(fā)展值得借鑒的一種建設模式。

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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

國家自然科學基金項目“華北平原集約化農(nóng)區(qū)耕作單元形成機制和農(nóng)田規(guī)模經(jīng)營效率測算研究”（項目編號：41301614）；國家社科基金面上項目“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，主要研究方向為土地利用規(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。主要研究方向為土地評價、規(guī)劃與可持續(xù)利用。Email：frzhang@cau.edu.cn