谢 臻，张凤荣※，张天柱，郑亚楠，周 建，高 阳



基于养分平衡的北京市人口-土地-环境问题探讨

谢 臻1,2，张凤荣1,2※，张天柱1,2，郑亚楠1,2，周 建3，高 阳1,2

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2. 国土资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193； 3. 陕西师范大学西北国土资源研究中心，西安 710119）

人口集聚于城市，大量食物输入的同时，代谢物也不断产生，消纳不充分或不及时就会累积并产生环境污染的隐患。该文以北京市平原区为例，利用遥感技术分析2004—2014年间研究区土地利用结构变化；基于养分平衡原理，估算、比较人口与耕地变化对城市养分排放和吸纳能力的影响；使用景观形状指数度量城市建设用地与外界环境的接触面变化情况。结果表明：1）研究期内因人口增加、食物输入导致人类排泄物及其氮（N）、磷（P）、钾（K）养分增加约0.34×105t，经污水处理后所得污泥中氮磷钾养分增加约282.17 t；2）耕地数量的减少使城市对养分吸纳能力下降约1.17×105t；3）建设用地形状指数由1.48下降至1.37，接触界面的减小使城市代谢物疏散效率下降。研究认为：人口增长-食物消费提高-人类粪尿增加与耕地减少-建设用地界面减小-养分消纳能力降低的“此消彼长”态势无形中造成城市养分富集，增加了对区域水环境污染的风险，而城市结构无法重构，应积极谋求养分的内部消纳。基于北京市农田化肥依赖性强、林地增加的现状，该文建议北京市积极推广粪便处理残渣还田、再生水城市绿化灌溉利用，通过耕地与林地植被消纳新增的养分。

养分；遥感；污染；养分平衡；排泄物；多中心城市；水环境；北京市平原区

0 引 言

城市发展相伴环境恶化的“大都市病”现象在世界各国发展史中屡现不止[1]。其症结在于，人口密度增加而废弃物排放严重，但生态用地减少而净化能力锐减[2-3]。城市规模化发展到一定阶段，当集聚的废弃物排放量超过环境的净化能力，环境污染问题便激化并显现。国外不少学者试图从城市发展空间形态的转变上谋求解决方案。1898年，霍华德在《明天——一条引向改革的和平道路》一书中提出了建设“田园城市”的构想，在其概念中“田园城市”兼备城市现代化和乡村自然景观的优点，功能上，既可享受城市的便捷和福利又不会失去乡村的美丽景色；结构方面，中心城区占地比例约1/6，多个田园城市围绕在其周边，城市周边由农田环抱[4]。芬兰学者沙·里宁在《城市：它的发展、衰败和未来》中就工业革命之后城市出现的“大都市病”提出有机疏散理论，他认为城市交通拥挤、环境污染等问题是由城市过分集中造成的，主张城市应像“有机生命体式”分散发展，其基本思想是保持城市空间上低密度，使城市生活回归绿色自然[5]。两者思想的共同点在于皆从城市空间格局角度谋求城市生产-生活-生态空间的平衡，即从数量上保有一定数量的农田、森林等绿地，从空间结构上形成低密度、镶嵌式的建设用地-绿地的配套模式。

经过近三十年来的发展，中国城市化可谓是日新月异，以城市群、城市圈、城市带为主形态的各类大都市区逐渐形成。然而，当传统单中心城市发展到一定规模后，便出现结构性集聚不经济的现象[6]。大城市发展趋势开始逐渐从“规模扩张”转向“结构调整”，为此，多中心城市（polycentricity）的理念被广泛应用于空间规划策略之中[7]，以求缓解其中存在的区域性经济、生态环境不持续。Zhang等认为城市化采取“分散集团”的空间发展模式将更有利于城市人畜排泄物处理和环境保护[8]。

城市作为一个以人类生存为主的有机系统，其发展必然会形成代谢物，其中人类尿粪排泄物最为主要，截止2015年中国城市人口达7.33亿人，若按每人每年790 kg尿粪排泄量计算，城市排泄总量将达5.79×108t。自然农业时期，人粪尿是最优质的肥料而被利用，就是在化肥已经成为主要肥料的今天，仍然有不少农村利用人粪尿肥田。但是，在城市，冲水马桶将人粪尿冲入下水管道不再作为有机肥利用。城市越大，污水处理设施越完善，人粪尿的资源化利用越低，给环境带来的“污染负荷”越大。

目前，对于多中心城市的研究视角主要集中在区域平衡发展[9-10]、城市形态与功能的耦合[11-12]以及形态模式发展与构建[13-14]等方面，关于城市代谢物养分消纳视角的多中心城市土地利用的研究成果不多，本文试图揭示因人口集聚、耕地减少导致城市周边农田土壤养分富营，进而增加对地表、地下水源的污染风险；并借鉴细胞仿生学思想佐证分散集团式的城市格局更有利于人类代谢物的疏散，建议北京市从耕地保护和城市形态角度谋求解决方法。

1 研究区概况

北京市位于华北平原西北隅，地理坐标介于115°25′E～117°30′E，39°26′N～41°03′N之间，平原地区位于其东南部，高程在100 m以下，约占北京市总面积的40%，是人口和城市的主要聚集地。作为首都，北京市城市化发展在1986年以后出现了迅速增长的趋势，尤其是1994—2005年城市化发展程度显著提高[15]。土地利用类型变化主要表现为农用地向非农用地的转变，1973—2005年北京市建成区面积净增加超过1 000 km2，2005年建成区总面积达到1 209.97 km2，相当于1973年的6.58倍；土地利用格局变化表现为外城蔓延、轴向扩展和郊区城市化等3种发展模式，建成区的扩展基本上呈现出以旧城区为中心向四周扩展的方式[16-17]；2004—2014年间北京平原区土地结构调整主要趋势又表现为粮田转变为林地[18]。这就形成了发展前期建设用地与耕地争地、发展后期林地与耕地争地的土地利用态势。

城市的扩大，使水污染、空气污染、热岛效应、土壤重金属超标等一系列环境问题相继出现[19-20]。随着人口及农业活动不断增加，由过量施用化肥、生活污水及粪便等不当处理造成的水体硝酸盐污染持续存在，2013年北京市地表水硝态氮质量浓度为0.74～7.58 mg/L[21]；地下水硝态氮浓度以密云水库小流域为例，雨季和旱季平均浓度分别为15.86和14.67 mg/L，均超过世界卫生组织饮用水标准(10 mg/L)[22]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

北京市平原区是北京市城市发展的聚集地，也是人地养分平衡问题最为突显的地区。因此本研究选择高程小于100 m且坡度在3°～5°以下的区域作为研究区，包括山前台地和冲积平原区内的区域（考虑到空间连片性，研究区不包括延庆盆地的平原区）。2004年Landsat TM5影像和2014年Landsat OLI影像数据（行列索引幅：123/32和123/33）均来源于美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）官方网站（http://glovis.usgs. gov/），数据平均云量均在1%以下，空间分辨率利用3次卷积内插法重采样为15m×15m后进行辐射定标、大气校正、影像镶嵌和影像裁剪等步骤完成影像预处理。

本文所用北京市人口、粪便清运量及农业生产等数据来源于《北京市统计年鉴》与《北京农村统计年鉴》；人均年排泄量及其养分含量数据参考《中国肥料》[23]中相关数据。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用遥感解译与精度验证

本研究通过外业调研并结合研究区土地利用方式建立土地分类体系（表1），借助ENVI5.1软件，结合使用面向对象分类方法、基于极大似然法的监督分类方法及目视解译法对遥感影像进行解译，获得北京市平原区建设用地、耕地（又细分为粮田、菜地）、林地、草地、水域、其他用地等土地利用图斑数据库和属性数据库。解译精度验证方面，2004年解译数据主要是结合使用Google Earth高分辨率影像和北京市国土资源局提供的2004年土地利用数据，挑选300个验证点进行检验；2014年解译数据则是在实地采集GPS样本点（125个）基础上结合Google Earth高分辨率遥感影像选取175个验证点，共计300个验证点进行检验。检验结果是：2004年与2014年分别为87.23%和85.11%，均满足遥感土地利用解译精度要求。

表1 北京市平原区土地利用/土地覆被分类体系

2.2.2 景观形状指数

景观生态学上使用景观形状指数以定量反映斑块形状的复杂程度，是通过计算区域内某斑块形状与相同面积的圆形或者正方形之间的偏离程度来获得的。研究应用Fragstats 3.3软件对研究区内建设用地斑块偏离正方形的景观形状指数（mean shape index, MSI）进行分析，公式如下：

式中MSI代表平均斑块形状指数；a为第个斑块的面积，hm2；P为第个斑块的周长，m；为建设用地斑块总数目。MSI的值越大，表示区域内该景观地块的形状越复杂，其外围接触界面周长越大。

3 结果与分析

3.1 人口聚集及其排泄物养分排放能力

自改革开放以来，北京市的常住人口呈现逐年增长的趋势，尤其是2000年后的增长速度更是飞快，2004年北京市常住人口为1 493万人，人口密度为937人/km2，到2014年达2 152万人，人口密度为1 311人/km2。增长的人口及膳食标准的不断提高消费了大量食物，导致更多的人类排泄物产生。

据统计[23]，中国成年人平均每年粪尿排泄量约为790 kg，折含氮素（N）4.4 kg，磷素（P2O5）1.36 kg，钾素（K2O）1.67 kg，若按照人类尿粪收集系数70%计算[8]，则每个成年人每年的粪便提供氮素3.08 kg，磷素0.952 kg，钾素1.169 kg，共计5.20 kg的氮磷钾养分。若北京市常住人口全部按成年人算，则2004年和2014年全北京市一年的粪便可分别提供的氮磷钾养分0.78×105、1.12×105t。因此，随着人口的不断增加，2004—2014年人类排泄物提供的氮磷钾养分增加了0.34×105t，增加幅度为43.59%。而目前北京市污水处理厂每处理1万m3污水（主要为粪便、洗涤液等生活废水）约产生10 t泥饼，其中N、P、K养分质量分数分别为3.1%、1.9%、4 200 mg/kg[24]。经过化粪池预处理后进入污水处理厂的生活污水密度与水相当，约为103kg/m3；若按污水的标准计算，北京市2004年、2014年人体尿粪排泄物处理后分别产生11 794.7、17 000.8 t泥饼，其氮磷钾养分含量分别为639.27、921.44 t，增加了282.17 t，增加幅度为44.14%。

而统计数据（图1）显示，自2004年以来北京市粪便清运量的增加速度并未与常住人口的增长速度同步，这实际上说明更多的粪便滞留在排放地，未被清运到污水处理厂处理。另一方面，随着《北京市加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案（2013—2015年）》实施推进，北京市大中型污水处理厂已由2012年底的41座增至目前的68座，粪便经处理后产生的大量污泥残渣的处置问题又随之产生。2015年北京市生活污水处理量达14.4亿m3，产生污泥117.4万t，其中中心城区产生92万t，占总量的78.36%[25]。然而，目前北京市仅有昌平区堆肥厂、大兴区庞各庄堆肥厂、方庄石灰干化厂、清河热干化厂、北京市水泥厂、琉璃河水泥厂等6座污泥处理厂，仍有50%的污泥无法进行有效的无害处理[25]。大量未经无害化处理的污泥以“点状”的形式堆放或填埋在远郊区县，这些“点状”污染源不仅会产生CH4、CO2、H2S及致癌的有机挥发性气体，经雨水淋洗发酵后的渗滤液更是会对水环境造成极大的威胁。

图1 北京市1978—2014年粪便清运量与常住人口变化图

3.2 耕地数量及其对养分吸纳能力

从早期的城市化发展建设用地占用耕地，到后来生态文明建设林地与粮田争地，在北京市的城市发展中，耕地一直扮演着牺牲品的角色。通过土地利用图斑数据库和属性数据库获得关于研究区地类变化的具体情况（如表2），分析结果显示：2004—2014年期间，耕地总面积减少1 496.07 km2，减少幅度为51%，其中，菜地增加156.82 km2，粮田减少1 652.89 km2；建设用地面积增加547.21 km2，增加幅度为25.38%；林地、草地分别增加924.5和73.21 km2。

表2 北京市平原区2004、2014年土地利用变化

耕地作物生长、生产都需从土壤中吸纳养分，其中以氮（N）、磷（P）、钾（K）3大元素为主。改革开放以来，虽然北京市的农作物播种面积持续下降，但农田化肥施用量却并未明显减少（如图2），单位农田化肥施用量由1978年的0.17 t/hm2增加至0.48 t/hm2，作物种植对化肥的依赖度不降反升。北京市粮食作物实行冬小麦－夏玉米一年两熟制；根据《北京农村统计年鉴》的调查，蔬菜作物的品种主要包括油菜、卷心菜、菠菜、芹菜、萝卜、番茄、黄瓜、菜豆、茄子等常见品种。而每生产1 000 kg耕地作物的收获物需从土壤中吸收养分含量如表3所示[26]。

图2 北京市1978—2014年化肥施用量与农作物播种面积变化图

亩产1 000 kg粮食作物的耕地就是常说的“吨粮田”。根据表3，北京市粮食作物冬小麦－夏玉米一年两熟制的种植制度，如果实现亩产吨粮，并按冬小麦亩产400 kg、春玉米亩产600 kg计算，1 hm2耕地则大约可以吸收820 kg的氮磷钾养分。根据《北京农村统计年鉴》的调查，2014年北京市单位面积蔬菜平均产量为41 400 kg/hm2，蔬菜作物中，以养分需求量最大的油菜代表蔬菜作物，则1 hm2耕地大约吸收1 148 kg的氮磷钾养分。可见，耕地具有很强的养分吸纳功能。

表3 耕地作物每生产1 000 kg收获物需要吸收的氮磷钾养分

2004年和2014年北京市平原区分别有菜地14 272、29 954 hm2，粮田279 083 hm2、113 794 hm2，按上述标准计算，2004年和2014年北京市平原区耕地每年吸纳氮磷钾养分分别为2.45×105、1.28×105t。虽然养分吸纳能力更强的菜地面积增加，但由于耕地总量的明显减少，10 a间耕地吸纳氮磷钾养分的能力下降了1.17×105t，下降幅度为47.76%。

因此，北京市人口集聚造成的粪便排放量增加与粪便清运量、耕地面积减少造成的粪便消纳量减少，导致城市每年粪便净产生量的上升。加之仍有50%未经无害处理的污泥残渣物的就地堆放、掩埋，必然增加城市因养分聚集造成水环境污染的风险。

3.3 多中心城市格局与养分消纳关系分析

生物细胞的代谢原理告诉我们，细胞通过细胞壁进行跨膜的能量与物质运输，无论是吸收还是排放，其对于能量与物质的输送效率都直接受细胞壁表面积的影响，在其他条件相同的情况下，较大的表面积，能够进行更多更快的物质能量交流。运用仿生学思想我们可以发现，城市与外界环境的物质能量交流与细胞的生长代谢具有相似性，其本质都是能量和物质通过界面与开放系统间的交换与传输。因此，城市边界的形态决定了其与外界环境沟通的效率。

从景观生态学角度分析，不同景观或生态系统之间的相互作用与交界面的接触面积及景观的分布格局紧密相关。周长与面积之比越大，有机体与外界环境的物质能量交换面就越大，交换效率就越高。城市亦是一个在开放系统中的有机体，在进行物质能量更新代谢方面，多中心、分散集团式的城市格局相比于单一、超大规模组团式的城市格局（图3）增加了建设用地与农田、林地等景观之间的接触面，具有更高的物质流通性和生态稳定性[27]。

注：图标旁能量格“”表示图标物在此区域内的聚集度，格数越多图标物聚集度则越高。

通过地图化获得2004年和2014年北京市平原地区土地利用/覆被现状图（如图4），并基于此计算建设用地景观形态指数（MSI）分别为1.48、1.37，指数下降0.11。换句话说，10 a间研究区建设用地形状复杂程度下降，城市趋于超大规模组团式发展，与外界环境的接触面积下降，代谢物疏散效率降低。因此，北京市城市结构的发展并未能提高养分的疏导能力，增加的养分无法及时疏解加剧了对环境带来污染风险。

图4 北京平原区2004年、2014年土地利用/覆被情况

4 讨 论

大都市化虽然有集聚效益为社会经济发展带来一定便利，但在空气、水环境问题上却不如小城镇或多中心城市。多中心分散式城市格局能在便捷人类社会经济发展的基础上有效疏解诸如城市热岛效应、空气污染、交通拥堵等“大都市病”问题。而对于高度城市化的北京市而言，由于建设用地的不可逆性，面对城市养分不断富集与疏解效率降低的现状，企图重新改造城市结构诚然是不现实的，因此必须积极谋求“内部消纳”的方式将污染物转化为资源利用。

一方面，耕地具有很强的消纳养分的能力，但目前北京市农业过多依赖化肥，若能促进污水处理厂的污泥残渣作为肥料的推广与利用，便能减少污水处理厂“点状”污染源的堆积。另外，研究结果表明耕地种植蔬菜作物比种植粮食具有更高的养分吸纳能力，且随着膳食结构的调整，城市对于蔬菜的需求正不断加大，因此，从吸纳养分和市民蔬菜需求角度应该多种植蔬菜作物；然而，粮食作物在生长旺盛期的生物量远大于蔬菜作物，具有更强的生态功能，因此，若从生态景观环境角度出发，可在城市中更多种植服务于景观的小麦、玉米等作物。

另一方面，10a间研究区林地面积增加了924.5×102km2，增加幅度为106.96%，其主要是由于迎接2008年奥运及2011年后的“百万亩平原造林”等市政绿化工程所种植的大面积林地。然而，新增人工林地树龄短、未郁蔽，其生态功能和景观功能尚未发挥出来。传统观点认为绿化林地因不产出食物，故缺乏有效施肥投入与管理，苗木存活率偏低。但实际上，只有枝繁叶茂才能更好地发挥林地的生态与绿化功能，因此对人工林地施肥管护是有必要的。北京地区森林植被以落叶阔叶林为主，杨树占比最大，占森林资源总面积的60%以上[28]。以杨树人工林为例，Hector研究表明，适时补充因树体生长带走的养分，除土壤pH值因长期施用NH4NO3而有所降低外，其他土壤性质并没有显著变化。相反，长期种植但不施肥，土壤物理性质变差，土壤有机质、总氮磷钾等含量均明显下降，代谢活性降低[29]。朱光权等对2年生I-69杨的研究表明，每年每公顷I-69杨树林可吸收N、P、K分别为262.16、31.51、0.79kg[30]，若以此标准计算，北京平原区林地每年共吸收N、P、K分别为0.47×105、0.06×105、140 t，共计吸收氮磷钾养分0.5×105t，因此林地也具有较强的养分吸纳能力。此外，林地的生物量大，蒸散发量高，要维持绿化林生长需消耗大量水源。因此综合林地对水源和养分的需求，为挽回耕地减少导致的养分吸纳功能的灭失，市政部门在进行绿化灌溉时应充分利用再生水，即废水或雨水经适当处理后，达到一定的水质指标，可满足特殊需求利用的水。

需要指出，北京市平原区已基本不存在大规模牲畜养殖，目前的统计数据是基于北京市“总部经济”的结果，即北京市在外埠投资的养殖数，所以本研究并未考虑牲畜排泄物。另一方面，耕地养分供给存在本身作物的根茎叶归还，如秸秆、蔬菜废弃物还田，但由于本研究旨在探讨耕地养分吸纳能力的变化情况，因此未对其进行考虑。

5 结 论

2004—2014年间，北京市人口集聚、食物输入导致城市人类粪便排放的氮磷钾养分增加0.34×105t，耕地减少致使氮磷钾养分吸纳能力下降1.17×105t，“此消彼长”之下城市养分呈净增加状态，并以“点状”形式就地堆积、填埋；加之建设用地图斑形状指数由1.48下降至1.37，其与外界环境的接触面下降又减慢了自然状态下过剩养分的疏散效率。“点状”污染源养分无法及时消纳必然会增加城市水环境生态污染的风险。

粪便具有资源与污染物的两面性，若能够合理疏散并均质化分解，污染源便能转而成为提高土壤肥力、改善耕地质量的资源。为此，一方面，北京市政府应注重耕地的保有量，减轻化肥施用，适当增加处理后的粪便残渣的还田；并积极发挥新增林地的养分消纳能力，利用再生水进行绿化灌溉；使养分能被耕地、林地的植被充分吸纳。另一方面，随着人口不断向大城市聚集，各种资源、污染源汇集在主城区必然会造成城市养分富集，以核心区为中心、大区小城镇集团式的网络型“田园城市”能够提高城市代谢物消纳效率，并改善城市景观生态环境，是其他城市未来发展值得借鉴的一种建设模式。

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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

国家自然科学基金项目“华北平原集约化农区耕作单元形成机制和农田规模经营效率测算研究”（项目编号：41301614）；国家社科基金面上项目“京津冀区域生态位异质化作用下农业产业链空间协同效应与发展策略研究”（16BGL204）。

谢 臻，福建连江人，博士研究生，主要研究方向为土地利用规划与可持续利用。Email：xiezhen369683450@qq.com

张凤荣，河北沧县人，博士，教授。主要研究方向为土地评价、规划与可持续利用。Email：frzhang@cau.edu.cn