基于物质流分析的集约化农业土地利用的环境风险预警研究

发布时间：2018-04-04 13:07

本文选题：农地利用系统　切入点：集约化　出处：《中国农业大学》2016年博士论文

【摘要】：在耕地资源日益减少,粮食需求不断增长的条件下,集约化的农地利用方式成为我国农业增产增收的重要途径,同时,高集约化农地利用方式导致的环境风险问题,已成为影响当前社会经济发展、民生与环境质量的重要问题。本文应用物质流分析理论、风险评价理论、风险预警理论以及情景分析方法等方面成果,以我国重要的粮食主产区洞庭湖区为案例,从农地利用系统分析的视角,沿着“集约化农地利用系统物质流分析——环境风险综合评价及其影响因素分析——未来农地利用集约化情景下的环境风险预警——基于适度集约化农地利用的环境风险防控途径”的研究思路,开展了高集约化农地利用环境风险预警研究,对农地利用过程中的环境风险进行评价与预警,并对合理集约的土地利用模式、环境风险的防控途径进行了探讨。研究成果如下：(1)高集约化农地利用系统的物质流分析本文构建了适用于农地利用系统的物质流分析框架,从物质流输入、输出、和贮存的视角,对农业土地利用系统与外界环境之间的物质流动状况进行了综合分析。其中,物质流输入的分析内容包括农药、肥料、饲料、农药、灌溉水及氧气,物质输出的分析内容包括秸秆焚烧排放污染物、呼吸排放二氧化碳、肥料盈余、农药盈余及牲畜粪便排放污染物,而物质流贮存的分析对象包括主要作物产品和肉类产品。结果表明：1989-2012年间,洞庭湖区物质总投入从18669降为15733百万吨,降幅15.73%,而物质总输出从57.70百万吨增到73.66百万吨,增幅27.66%。在物质流投入中,饲料和氧气消耗分别增加了两倍以上,而肥料、农药总用量分别增加了55.28%、152.77%,仅有农业用水受到种植结构影响,减少了18%；在物质流输出中,秸秆焚烧排放物、呼吸排放CO2、肥料盈余、农药盈余、畜禽粪便污染物的排放量分别增加了9.73%、32.17%、39.63%、147.06%、268.39%。此外,物质流输入和输出存在空间差异,城郊区物质流输入、输出量明显高于其他区域。最后,每单位物质输入和每单位物质输出所带来的经济效益分别增长了近24倍和15倍。农业经济效益的产出对于资源消耗和污染排放的依赖性开始缓慢“解耦”,环境控制潜力大。(2)高集约化农业土地利用系统的环境风险综合评价及影响因素分析以物质流分析结果为基础,将高集约化农业土地利用系统的环境风险分为四大类：温室气体排放,大气污染物,富营养化元素及积累毒性污染。通过熵权法计算洞庭湖区各市县的环境风险综合指数,并选取社会、经济、自然等方面的26个环境风险影响因素,并采取主成分分析方法对影响因素降维,发掘环境风险的关键影响因子。结果表明：温室气体排放(CO2、CH4, N2O)、大气污染物排放(SO2、NOx、NMVOC、CO、BC、OC、NH3、CH4、PM2.5)、富营养化及积累毒性污染(农药、COD)的排放量分别增加了24.77%、8%、31.58%、256.25%,环境风险总体恶化,其中以积累毒性污染的风险最为突出。环境风险综合指数表现出空间差异性,城郊区和传统农业区成为主要的高环境风险区域,而受到城市化进程中产业结构调整的影响,株洲市、湘潭市、长沙市、岳阳市辖区的农业环境风险指数较低且增加幅度较少。最后,通过主成分分析得到对高集约化农区环境风险影响因素的两大主成分,第一主成分为经济水平与消费需求主成分,第二主成分为政府调控与技术干预主成分。这两大主成分通过影响种植结构、养殖规模、土地利用强度、农业环境风险调控力度、农业生产技术水平等途径,显著影响到农业环境综合风险的变化,在未来农业发展情景中将起到重要影响作用。(3)未来农地利用情景下的环境风险预警以2030年为目标年,以环境风险影响因素的两大主成分：经济增长与消费需求、政府调控与技术干预,作为情景分析的不确定性轴线,构建不同经济和技术水平下的未来农地利用情景,对人口及食物需求、物质输入、污染输出及综合环境风险进行预测,结果表明：自然发展情景、生产力发展情景、适度集约情景和当地恢复力情景的农产品产量分别为37.8、40.31、39.48、32.42百万吨；耕地需求分别为2.065、1.86、1.95、1.78百万公顷；单位耕地面积上的物质总投入分别为11.28、12.21、11.15、11.33千吨／公顷；总污染输出分别为113.17、180.23、95.31、64.52百万吨。为满足未来人口及农业发展规划,环境风险将受到更大挑战,以城郊区为主的环境风险显著高于其他区域。虽然农地利用的集约化在一定程度上有利于节约土地,但对环境荷载能力有较大挑战,因此农地利用的“适度集约”至关重要。(4)适度集约农地利用下的环境风险防控途径以适度集约化的农地利用为基础,本文提出三条适度集约化农地利用下的环境风险防控途径：第一条,基于投入减量化和排放减量化的防控。在满足当地食物需求,又承担粮食外调及储备任务的前提下,到2030年,洞庭湖区作物和肉类产量需分别达到32.95和6.53百万吨。在此基础上提出了基于投入减量化和排放减量化的环境风险防控目标：单位面积N肥、P肥、K肥、农药投入投入分别控制在0.14～0.15t/ha、0.10～0.11t/ha、0.20～0.21t/ha、0.012-0.016ta/ha范围内,而N、P、K肥的有效利用率、秸秆有效利用率、农药有效利用率、粪便处理率需分别达到40%、25%、50%、75%、45%、50%以上。第二条,基于农地利用空间优化的防控。通过生产潜力-经济发展-生态安全三方面空间数据的综合评价表明,优质耕地及耕地后备资源分布在以洞庭湖两岸,呈现出东北-西南方向“带状”分布,而劣质耕地及其后备资源分布在西北部石门县的武陵山山地区及炎陵县丘陵区域及经济较为发达、人口密集的市中心及周边区域。中等以上耕地面积在19509 km2以上,表明通过对该部分耕地及后备资源的重点整理,到2030年,洞庭湖区的耕地资源可以在既满足生产需求的前提下,充分提高生产效率,保护生态环境安全。第三条,基于政策保障途径的防控。应从农业土地的数量安全、耕地的规模利用、土地利用总体规划的宏观防控、农业资金保障等方向多元化重点防控,为环境风险的有效控制提供政策保障。总体来说,在对可能的农业土地集约化利用过程中的环境风险变化情况掌握清楚的前提下,从产量合理规划、提高生产效率、完善农地布局和政策推动等途径实现农业土地的适度集约化利用,对于有效规避盲目增产导致的环境风险具有重要指导意义。
[Abstract]:Based on the analysis of material flow analysis theory , risk evaluation theory , risk early warning theory and scenario analysis method , this paper analyzes the environmental risks in agricultural land utilization system .
In the output of material flow , the emissions of straw burning , CO2 , fertilizer surplus , pesticide surplus and livestock and poultry manure pollutants increased by 9.73 % , 32.17 % , 39.63 % , 147.06 % and 268.39 % respectively . The environmental risks of high intensive agricultural land use system are divided into four categories : greenhouse gas emission , atmospheric pollutant , eutrophication element and accumulated toxic pollution . The results show that the emission of greenhouse gases ( CO2 , CH4 , N2O ) , atmospheric pollutant emissions ( SO2 , NOx , NMVOC , CO , BC , OC , NH3 , CH4 , PM2.5 ) , eutrophication and cumulative toxic pollution ( COD ) are the most prominent factors . ( 3 ) The environmental risk early warning in the future agricultural land use situation will play an important role in the future agricultural development . ( 3 ) The future agricultural land utilization situation in the future agricultural land utilization situation is predicted by 2030 . The results show that the yield of agricultural products in the context of natural development , productive forces , moderate intensive and local resilience is 38.8 , 40.31 , 39.48 , 32.42 million tons , respectively .
The cultivated land demand is 2.065 , 1 . 86 , 1 . 95 and 1 . 78 million hectares respectively ;
The total investment in the area of the unit cultivated land is 11.28 , 12.21 , 11.15 and 11.33 thousand tons / ha respectively ;
The total pollution output is 113 . 17 , 180 . 23 , 95.31 and 64 . 52 million tons respectively . In order to meet the future population and agricultural development planning , environmental risk will be higher than that of other regions . Based on the comprehensive evaluation of the spatial data of the productive potential - economic development and ecological safety , the farmland resources in Dongting Lake area need to reach 32.95 and 6.53 million tons respectively . The results show that the cultivated land resources in Dongting Lake area are controlled within the range of 0.14 - 0.15t / ha , 0.10 - 0.11t / ha , 0.20 - 0.21 t / ha , 0.012 - 0.016ta / ha , respectively . Under the premise that the environment risk change in the process of intensive utilization of agricultural land is clear , the reasonable planning of the output , the improvement of production efficiency , the improvement of the agricultural land layout and the policy promotion , etc . , can realize the moderate intensive utilization of the agricultural land , and has important guiding significance for effectively avoiding the environmental risks caused by the blind production increase .

【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：F301.2;S181

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