陳敏鵬, 郭寶玲, 劉 昱, 夏 旭, 陳吉寧

1 中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081 2 農業(yè)部農業(yè)環(huán)境重點實驗室, 北京 100081 3 清華大學環(huán)境學院, 北京 100084

磷元素物質流分析研究進展

陳敏鵬1,2,*, 郭寶玲1,2,3, 劉 昱3, 夏 旭1,2, 陳吉寧3

1 中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081 2 農業(yè)部農業(yè)環(huán)境重點實驗室, 北京 100081 3 清華大學環(huán)境學院, 北京 100084

磷是重要的營養(yǎng)元素，也是不可再生的重要非金屬礦物資源。為了分析人類活動對磷流動的擾動，國內外開展了大量磷元素的物質流分析和模擬。綜述了磷元素物質流分析的最新研究進展，分析了國內外磷元素物質流研究的特點和不足，并展望了未來相關研究的研究熱點和發(fā)展方向。從研究尺度看，現(xiàn)有磷元素的物質流研究以全球尺度和國家尺度為主，區(qū)域和城市尺度以及企業(yè)和產品尺度的研究較少。從研究問題看，現(xiàn)階段研究主要關注農業(yè)或者食品生產和消費對磷流動的影響，對林業(yè)、鋼鐵和能源部門略有涉及。從模型特征看，現(xiàn)有研究以分析流量變化的靜態(tài)模型為主，考慮存量變化的動態(tài)模擬較少。從研究的發(fā)展方向看，未來磷物質流的相關分析將關注五大問題：(1)考慮不同驅動力和存量變化的動態(tài)模擬；(2)不同層次和尺度的磷足跡研究；(3)磷與其他元素相比對社會經濟的重要性；(4)全球變化背景下不同部門磷依賴的脆弱性；(5)磷和其他元素的耦合研究。為了適應未來的研究需求，磷的物質流模擬重點在于開發(fā)動態(tài)模型，并將物質流分析與多種手段結合，以預測全球變化、社會經濟發(fā)展、技術變化以及其他重要變化對磷流動的擾動及其相應的環(huán)境影響。

物質流分析; 元素流分析; 磷流動; 磷足跡

磷(P)是維持生物體基本機能不可或缺的重要營養(yǎng)元素，其在自然界中主要的存在形式——磷礦石則是重要的、難以再生的非金屬礦物資源。人們通過磷礦開采、磷化工生產、農業(yè)種植和動物養(yǎng)殖等過程，將礦物磷轉化為植物磷和動物磷，以滿足人類生存和社會運轉的磷需求。除了制造磷肥，磷礦石還可以用來制造黃磷、磷酸、有機磷及磷酸鹽等各種產品，廣泛地用于醫(yī)藥、食品、火柴、染料、制糖、陶瓷、國防等工業(yè)部門。隨著人口增長、飲食結構的變化以及經濟的高速發(fā)展，磷資源的需求量不斷增加，磷礦的開采和消費量逐年增長，磷短缺也與氣候變化、水短缺、氮管理一起并列成為21世紀重要的全球問題[1]。根據(jù)美國地質勘探局(United States Geological Survey，USGS)的最新數(shù)據(jù)顯示，全球2013 年的磷礦石儲量約為670 億t[2]，折合80—90 億t磷，樂觀估計可以支持全球200—300a的需求，但是如果考慮開采成本，經濟儲量則僅能夠支持全球約50—100年的需求[3-6]。中國查明的磷礦資源儲量約186.3 億t(折標礦)，居世界第二位，但是中國的磷礦資源平均品位低(僅為17%，世界平均為30%)，80%以上為中低品位磷礦，經濟儲量僅能維持國內50—70a的消費需求，形勢十分嚴峻[7-8]。另一方面，磷礦開采、磷化工、以及各種含磷產品消費過程產生的含磷廢水和廢物的排放也帶來了一系列的環(huán)境問題，包括地表水的富營養(yǎng)化和含磷固體廢棄物的核輻射污染問題，磷資源的可持續(xù)利用及其環(huán)境影響已成為國內外學者廣泛關注的重要科學問題。

物質流分析(MFA)通過定量分析特定時間和空間范圍內物質(或元素)的遷移轉化路徑，識別其循環(huán)流動特征和回收利用的路徑，定量分析人類社會經濟系統(tǒng)與自然環(huán)境之間的物質交換，測度物質使用的環(huán)境影響，揭示不同時間和空間尺度內資源的流動特征和轉換效率，可以為資源的高效利用和管理提供定量的決策信息，是經濟、產業(yè)和資源管理等部門可持續(xù)發(fā)展評估相關研究中的重要分析工具之一[9-11]。為了應對磷短缺、促進磷資源的可持續(xù)利用和管理，國內外廣泛開展了針對磷元素的物質流分析，以分析不同尺度磷元素從開采、生產、加工、消費到最終處置、排放環(huán)節(jié)的環(huán)境影響和資源利用效率，促進農業(yè)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本研究綜述了磷元素物質流分析的最新研究進展，分析了現(xiàn)有磷元素物質流研究的特點和不足，以展望未來磷元素物質流分析及其相關研究的發(fā)展趨勢，為國內可持續(xù)的磷資源管理提供方法學和信息基礎。

1 物質流分析概述

物質流分析(MFA)指按照質量守恒定律，以實物的物理質量為單位，在一定的時間范圍和空間邊界內，對預先定義的社會經濟系統(tǒng)進行的從物質采掘、生產、轉換、消費、循環(huán)使用直至最終處置過程中流量和存量的系統(tǒng)性定量評估，它從早期的社會代謝、工業(yè)代謝的相關研究發(fā)展而來，已成為包括過程控制、資源管理、廢物處理、環(huán)境管理、產品設計及生命周期評價等各個領域最常用的決策支持工具之一[9-11]。當物質流分析的對象為特定元素(例如氮、磷、硫、鋁等等)或者單一物質時，也稱為元素流分析(SFA)，目前元素周期表中已經有約95種元素在不同尺度上進行了元素流分析，其中進行物質流分析的大多數(shù)元素為金屬元素[12-13]。

物質流分析模型主要包括只考慮流量變化的靜態(tài)模型和考慮存量變化的動態(tài)模型兩大類，其中前者主要用于判別自然環(huán)境退化和污染物的來源、預測不同社會經濟因素導致的環(huán)境影響，后者主要用于分析支撐社會經濟發(fā)展的資源總需求、發(fā)展模式和長期變化趨勢[11,13]。隨著相關研究的不斷深入，除了傳統(tǒng)的包括總物質需求和輸出(TMRO)和元素流分析(SFA)分析方法，物質流分析現(xiàn)在已經衍生出或者與多種研究手段和工具結合，包括實物投入產出表(PIOT)、生態(tài)足跡分析(EFA)、網絡分析、和生命周期分析(LCA)、局部均衡模型等等，其分析問題的深度廣度和對決策政策的支持功能也因此在逐漸強化[14]。

2 磷的物質流分析

由于其對人類社會的重要支持作用以及利用過程中的重要環(huán)境影響，磷元素一直物質流分析相關研究關注的熱點元素之一[12]。目前世界各國在不同尺度、針對不同問題開展了大量磷元素的物質流分析[15]，根據(jù)研究尺度的不同，現(xiàn)有磷元素的物質流分析可以劃分全球尺度、國家尺度、區(qū)域與城市尺度、企業(yè)及產品尺度四個層次，其中國家尺度的研究是目前磷物質流分析研究的主流。

2.1 全球尺度

從全球尺度看，現(xiàn)有研究主要集中于核算人為活動導致的磷流動，以及這些人為活動導致的磷流動對磷資源的耗竭速度和環(huán)境影響的加速和擾動效應(表1)。Smil[16]最早分析了全球磷的自然及人為循環(huán)，認為化肥的施用、生活和工業(yè)廢水的排放、持續(xù)的土壤腐蝕與流失以及作物秸稈和糞便的排放和利用加速了全球人為磷代謝(P metabolism)強度，并估算到2000 年全球人為活動導致的磷代謝強度將是其自然循環(huán)過程的3倍。Villalba等[17]和Liu等[18]分別從生產和消費的角度量化了全球磷代謝過程，提出全球開采80%的磷資源用于生產磷酸和生產磷肥，但是全球耕地總體仍然面臨著磷虧損問題。Cornell等[4, 19-20]分析了全球食品生產和消費體系的磷流動，比較了不同飲食偏好(diet preference)的磷需求，斷言全球的磷峰值(P peak)將于2030 年左右達到，現(xiàn)有磷資源僅能滿足全球50—100 年的需求，世界各國將普遍面臨著“磷短缺(P scarcity)”問題。van Vuuren等其它學者[21-23]卻認為現(xiàn)有磷資源至少可滿足21世紀的全球磷需求，全球磷生產的峰值可能出現(xiàn)在21世紀末期，到24世紀緩慢下降60%。Scholz[24]認為現(xiàn)有評估都基于靜態(tài)指標，如靜態(tài)使用壽命(Static Lifetime)、哈伯特曲線(Hubbert Curve)及赫芬達爾-赫希曼指數(shù)(Herfindahl-Hirschman Index)等等，而這些靜態(tài)指標實際上無法預測磷資源的物理性稀缺，因此必須構建考慮技術變革、生產鏈潛力、資源耗散特征、存量變化、效率提升和循環(huán)利用的磷流動的動態(tài)模型來分析長期磷稀缺問題。Koppelaar和Weikard[25]利用2009年的全球磷流動模型和局部均衡模型模擬分析了不同磷循環(huán)的技術和措施對全球磷資源耗竭速度的影響，結果表明現(xiàn)有的磷礦資源可以維持至少到22世紀磷資源的高消費使用，循環(huán)利用和減少磷資源使用的技術措施將大幅提高磷資源儲量的壽命，并將磷資源(包括潛在的磷資源儲量)耗竭時間延長至23世紀以后。

2.2 國家尺度

從國家尺度看，目前已經有10余個國家(包括跨國區(qū)域)開展了磷流動研究，包括歐盟[26]、美國[27-28]、澳大利亞[29]、英國[30]、法國[31-32]、芬蘭[33-35]、瑞典[36-37]、荷蘭[38]、奧地利[12,39]、土耳其[12]、日本[40-41]、韓國[42]、馬來西亞[43]和中國[44-56](表2)。從研究問題看，國家尺度的研究更多關注農業(yè)行業(yè)或者食品生產和消費活動對磷流動的擾動及其造成的環(huán)境影響，例如Suh和Yee[27]、Cordell 等[29]、Senthilkumar 等[31-32]、Chen 等[45]等。其他的熱點問題還包括社會經濟系統(tǒng)的內涵(embodied P demand)、虛擬磷需求(virtual P requirement)和磷足跡(P footprint)[28,37,41]；以及其他部門，例如林業(yè)部門[33]、能源部門[35]和鋼鐵行業(yè)[40,42]的磷流動特征以及不同社會經濟驅動力(經濟發(fā)展、人口增長、飲食偏好的變化等等)對磷代謝的影響[44]。從模型的特征看，國家尺度的磷流動模型以靜態(tài)模型為主，但是也有一些模型開始考慮磷的相關存量變化和動態(tài)特征[12,39,55]。

表1 全球尺度磷元素的物質流分析及比較

表2 國家和區(qū)域尺度磷元素的物質流分析及比較

2.3 區(qū)域和城市尺度

區(qū)域和城市尺度的研究包括在流域、城市和小區(qū)域(不跨國，例如省、縣、區(qū)等等)水平進行的磷元素物質流動研究。與全球和國家層次的研究相比，該層次的研究比較少見。目前開展了磷流動研究的流域包括中國的滇池流域[57-58]，巢湖流域[59-63]和北京密云水庫[64]；城市包括美國鳳凰城[65]，澳大利亞悉尼市[66]、瑞典Linkoping市[67-68]，瑞典的Gothenburg市[69]，越南的Haiphong市[70]，中國的北京[71]、天津[71]和合肥市[72]。另外Wu 等[73]還針對安徽省開展了省水平磷利用效率的研究。從模型特征來看，現(xiàn)有區(qū)域和城市尺度的磷流動研究相對簡單，以靜態(tài)模型為主，主要關注農業(yè)和食品消費對水體的影響，尤其是對水體富營養(yǎng)化的影響。

2.4 企業(yè)和產品尺度

企業(yè)和產品尺度即針對具體企業(yè)、產品或者技術系統(tǒng)的磷物質流研究，目前相關研究很少，但是這類能夠傳遞的信息也最為具體，比較成熟的研究多與生命周期分析結合。例如，Bai 等[74]研究了2010年典型城市排水系統(tǒng)不同技術選擇對磷流動的影響，Asmala和Saikku研究了[75]虹鱒魚生產和消費體系的磷流動，分析水產養(yǎng)殖業(yè)對水體富營養(yǎng)化的貢獻。Ridoutt 等[76]評估了具有磷高效利用特征的水稻系統(tǒng)的環(huán)境影響，表明該水稻可以減少68%的磷肥投入并大大減少磷肥向水體的流失。

3 現(xiàn)有磷物質流分析研究的評述和展望

一般而言，現(xiàn)有研究將磷元素的流動途徑區(qū)分為自然流動和人為流動，其中自然流動主要考慮大氣沉降、侵蝕、徑流和淋失等過程，人為流動則按照研究尺度、研究問題、研究目的的不同區(qū)別為不同的子系統(tǒng)之間的投入和支出。然而，盡管研究尺度、問題和目的有所不同，現(xiàn)有磷的物質流動模型的結構有著很大的相似性，其人為流動模塊包括的子系統(tǒng)不外乎磷礦開采、磷肥生產、農業(yè)生產(作物種植、畜禽養(yǎng)殖、漁業(yè)、林業(yè)等)、其他工業(yè)生產(例如洗滌劑、食品添加劑、飼料、飼料添加劑)、居民消費(包括食品和其他相關磷產品)以及廢水廢物處理處置和排放。由于更多關注人為活動對磷元素流動的擾動及其相應帶來的環(huán)境影響，現(xiàn)有研究對自然活動的磷流動過程(例如風蝕、水蝕、大氣沉降、地表揮發(fā)、底泥釋放等)的關注和描述較少，更無法考慮其他元素流動對磷元素流動的影響。因此，自然活動和人為活動的耦合研究，尤其是磷元素與其他重要元素的耦合研究和比較將成為今后研究的重點。

從研究方法來看，現(xiàn)有的模型多數(shù)都是靜態(tài)或者比較靜態(tài)模型，同時考慮流量和存量變化的動態(tài)研究非常少，與產業(yè)生態(tài)學中的其他方法，例如投入產出、生命周期分析和生態(tài)足跡等，結合也較少，但是模型的動態(tài)化和與其他方法結合的相關研究正在增加。例如Suh和Yee[27]，Matsubae-Yokoyama 等[40]分別將物質流分析與生命周期分析、投入產出結合，分析了美國和日本食品生產和消費過程的磷利用效率和回收潛力。Metson等[77]和Straat[78]分別針對全球和瑞典養(yǎng)殖業(yè)構建了磷足跡模型。因此，今后磷的物質流分析必須更多與產業(yè)經濟學及其他領域的各種模型和方法結合。例如經濟模型、生命周期分析、投入產出分析、生態(tài)足跡分析、網絡分析、可計算的一般均衡模型、個體行為模型等等結合，發(fā)展考慮存量變化的動態(tài)模型工具，以預測全球變化、社會經濟發(fā)展、技術變革、政策發(fā)展等長期變化對磷流動的擾動及其相應的環(huán)境影響。

從研究問題看，現(xiàn)有研究主要關注磷資源管理的六大問題：(1)磷資源需求峰值、耗竭時間(depletion time)和對社會經濟發(fā)展的關鍵作用；(2)農業(yè)、食品生產和消費對磷元素循環(huán)的擾動及其環(huán)境影響；(3)社會經濟系統(tǒng)的磷資源利用效率和總需求；(4)含磷廢物廢水的排放及其環(huán)境影響，尤其是對地表水體富營養(yǎng)化的影響；(5)含磷廢物廢水的處理處置和回收潛力；以及(6)不同的管理和技術選擇對磷資源可持續(xù)利用及其向環(huán)境排放的影響。其中研究最多的是第二類和第三類問題，研究最多的經濟部門為農業(yè)部門。然而，由于不同國家和區(qū)域具有不同的磷資源稟賦，其關注的部門和磷管理問題也有很大差異。例如日本和韓國作為磷資源的進口國，格外關注從不同途徑回收和利用各種磷資源，并開展了鋼鐵爐渣磷回收的潛力研究，結果表明鋼鐵爐渣中的磷存量可以達到兩個國家磷消費量的10%以上，是兩國最具回收潛力的磷資源[40,42]。隨著生物燃料的發(fā)展加速，美國[28]和瑞典[36]在磷流動模型中區(qū)分生物燃料部門，以特別考慮生物燃料發(fā)展對磷流動的影響。但是在全球“磷短缺”和環(huán)境劇烈變化的背景下，如何分析磷物質流動的長期變化、不同社會驅動力對磷需求的影響以及全球變化對磷流量和存量的影響變得尤為重要。

綜上所述，磷物質流分析及其相關研究未來關注的主要問題包括五大方面：(1)考慮社會驅動力(人口增長、經濟發(fā)展、技術變革和消費偏好)和存量變化的磷物質流動的長期動態(tài)模擬，以分析人類社會磷素需求的峰值和拐點及其相應的環(huán)境影響。(2)不同層次的磷足跡研究，包括社會經濟發(fā)展的磷足跡以及不同產品的磷足跡[78]，以分析不同社會經濟發(fā)展模式和不同產品對磷素總需求的影響，從而能夠從磷素管理的角度分析不同經濟發(fā)展模式或者不同產品的優(yōu)先性。(3)磷元素與其他元素和物質相比(包括氮、碳、金屬、水等)，對于人類社會經濟發(fā)展的重要性[79-80]，即分析在現(xiàn)有的需求和資源儲量格局下，哪一種元素的供給必須優(yōu)先保障，一般而言元素的不可替代的作用越強，其供給越應該得到優(yōu)先保障。(4)全球變化(例如氣候變化)背景下，食品體系磷依賴的脆弱性[1]，即分析全球變化是否會影響食品體系磷需求及其環(huán)境影響，例如溫度升高是否會降低磷肥的肥效從而導致磷肥的用量增加？降雨空間格局和時間格局(極端降雨的增加)的變化是否會增加磷的流失？(5)磷和其他元素的耦合流動研究，包括其他的重要營養(yǎng)元素(氮、碳、鉀、硫)和金屬元素(鐵、鈾[81]、稀土金屬等)，以分析不同政策和戰(zhàn)略對多種污染物或者多種資源管理的共生效益或者權衡。

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Research on phosphorus flow analysis:Progress and perspectives

CHEN Minpeng1,2,*, GUO Baoling1,2,3, LIU Yu3, XIA Xu1,2, CHEN Jining3

1InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,Beijing100081,China2KeyLaboratoryofAgriculturalEnvironment,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China3SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

Phosphorus (P) is one of three nutrients (together with nitrogen and potassium) essential for plant growth. It is also an important non-renewable, non-metal mineral resource. With economic development and population increases, phosphorus scarcity has become an important global challenge to the sustainability of agriculture, the economy, and the environment. To analyze human influences on phosphorus flow, research has simulated anthropogenic-centered phosphorus flows within socioeconomic systems and sub-systems. This paper reviewed recent progress in phosphorus flow analysis, identified the characteristics and insufficiencies of existing studies, and projected future avenues of development for phosphorus flow analysis. Existing studies may be categorized according to the scale of the socioeconomic system (or sub-system) into four levels—global, national (including multi-national), regional, or city level—as well as either enterprise or product level. Presently, most studies have been conducted at the global or national (or multi-national) levels, while few has been performed at regional or city levels, or at enterprise or product levels. So far, more than 15 countries and multi-national regions have carried out phosphorus flow analyses, most of which focused on disturbances due to agriculture and food production and consumption. A few studies have examined disturbances due to forestry, iron and steel production, and energy sector activities, and the potential for increasing phosphorus use efficiencies in these sectors. In addition, most current studies use static models, and few employ dynamic models that consider long-term changes in phosphorus stocks. Fewer studies combines classical methods and tools, such as life-cycle analysis or input-output analysis, with material flow analysis or substance flow analysis (MFA or SFA). We identified five topics for future researches:(1) dynamic simulations of phosphorus flow with consideration of long-term changes in important driving forces (population, diet, bio-energy development, etc.) and in phosphorus stocks, (2) phosphorus footprint analyses at various scales or for various sectors of economic development, (3) the critical need for phosphorus for social and economic development, compared to that of other elements (such as metals or rare earth elements), (4) the vulnerability of phosphorus to global changes (particularly climate change), and (5) the relationship between phosphorus and other important elements (such as carbon, nitrogen, or metal elements). To meet future research demands, it is necessary to develop a dynamic model of phosphorus flow and to combine traditional material flow analyses with current tools and models, both from industrial ecology and from other disciplines. These may include economic models, input-output analyses, life-cycle analyses, network analyses, and computable general equilibrium models, and agent-based models, all required to project the effects of global changes, socio-economic development, and technological innovation on phosphorus flow and the resulting environmental impacts.

material flow analysis; substance flow analysis; phosphorus flow; phosphorus footprint

國家自然科學基金(71103186); 國家科技支撐計劃資助項目(2013BAD11B03); 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資助項目(BSRF201311)

2014-04-21; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2014-12-18

10.5846/stxb201404210793

*通訊作者Corresponding author.E-mail: chenmp@ami.ac.cn

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