許 肅,黃云鳳,高 兵,黃 葳,崔勝輝,*

1 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 廈門市城市代謝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021 4 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,廈門 361021

城市食物磷足跡研究
——以龍巖市為例

許 肅1,2,3,黃云鳳4,高 兵1,2,3,黃 葳1,2,3,崔勝輝1,2,3,*

1 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 廈門市城市代謝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021 4 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,廈門 361021

運(yùn)用物質(zhì)流分析法,以龍巖市為例,分析了1985—2010年城市食物磷代謝的變化,估算了食物磷足跡。研究表明,龍巖市總磷輸入和總磷輸出都有明顯的增長(zhǎng)(總磷輸入從4110 t增加到12102 t,總磷輸出從3855 t增加到11315 t)；總磷足跡從6482 t增加到20473 t,直接磷足跡的比例從53%下降到42%；而間接磷足跡的增速明顯高于直接磷足跡；龍巖市在城市尺度上是重要的磷匯,在流域尺度上則是重要的磷源。磷足跡的研究有助于全面理解和評(píng)估城市磷代謝的特征；將磷足跡與磷流動(dòng)分析結(jié)合,對(duì)我國(guó)磷資源和區(qū)域磷素管理調(diào)控具有指導(dǎo)意義。

食物；磷足跡；城市代謝；物質(zhì)流分析；龍巖市

磷是所有生命必需的營(yíng)養(yǎng)元素,同時(shí)也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵要素[1]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中,人類通過(guò)開(kāi)采磷礦石,生產(chǎn)出無(wú)機(jī)磷肥,并施用到農(nóng)田土壤中,從而獲得農(nóng)作物的高產(chǎn)[2-3],以滿足自身對(duì)食物的需求。但是,隨著無(wú)機(jī)磷肥投入的不斷增加,有限的磷資源正逐漸被消耗殆盡[4]；而磷肥的大量施用,也帶來(lái)了水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題[5-6]。中國(guó)擁有世界第二大的磷礦石資源,同時(shí)也是最大的磷肥生產(chǎn)者和消費(fèi)者[7]。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的背景下,一方面城市生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為了主要的磷代謝區(qū)域,另一方面城市也面臨著食物安全和水體環(huán)境日益惡化的雙重挑戰(zhàn)[8],而是否能夠合理利用磷資源,是解決以上兩大問(wèn)題的關(guān)鍵。因此,分析研究磷在我國(guó)城市食物生產(chǎn)和消費(fèi)等過(guò)程中的流動(dòng),對(duì)于磷資源的保護(hù)、糧食安全問(wèn)題和水體環(huán)境治理都具有重要意義。

以往的研究表明,磷礦石被開(kāi)采出來(lái)后,經(jīng)過(guò)篩選、加工等過(guò)程后,大約有90%的磷被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(化肥、農(nóng)藥等),只有10%被用于工業(yè)制造(制藥、紡織等)[9],又由于各種工業(yè)活動(dòng)較為復(fù)雜,難以準(zhǔn)確計(jì)算工業(yè)品的磷含量,因此食物磷的研究一直被作為磷物質(zhì)流研究的主要方面。例如,Cordell等通過(guò)估算,認(rèn)為全球每年有1.75×107t磷礦石被開(kāi)采,而其中57%的磷在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食物供應(yīng)過(guò)程中流失[9]；Cordell等還研究了澳大利亞的食物系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)占到了當(dāng)?shù)?0%的磷需求[10]；在城市尺度上,Metson等運(yùn)用空間分析的方法定量地確定了美國(guó)鳳凰城地區(qū)的磷流和磷匯,發(fā)現(xiàn)在城市內(nèi)部,磷流由食物和飼料以及人畜糞尿的轉(zhuǎn)移來(lái)決定[8]。在我國(guó)磷代謝研究方面,劉毅運(yùn)用物質(zhì)流分析和產(chǎn)業(yè)理論,建立了靜態(tài)物質(zhì)流分析模型,分別從國(guó)家和區(qū)域兩個(gè)層次識(shí)別了我國(guó)磷代謝的主要特征及其發(fā)展趨勢(shì),深入地分析了我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制策略[11]。除了國(guó)家尺度,一些典型的農(nóng)業(yè)型城鎮(zhèn)的磷代謝,如龍巖[12]、肥西[13]等,也受到學(xué)者的關(guān)注。另外,由于我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重,因此流域?qū)哟蔚牧状x也逐步受到重視,如學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)巢湖流域農(nóng)業(yè)輸入磷在35年間增長(zhǎng)了5倍[14]。

然而,大多數(shù)磷素的研究只是關(guān)注生產(chǎn)食物或者產(chǎn)品本身需要投入多少磷,卻忽略了除了直接投入磷素以外,其它“看不見(jiàn)”的磷素投入。本文通過(guò)研究食物生產(chǎn)和消費(fèi)等過(guò)程的磷流動(dòng),運(yùn)用磷足跡的概念,以福建省龍巖市為例,全面地分析食物生產(chǎn)和消費(fèi)等過(guò)程中的磷素利用情況,從而回答以下3個(gè)科學(xué)問(wèn)題,期望能夠?qū)ξ覈?guó)磷資源的利用和管理起到指導(dǎo)作用：(1)如何定義磷足跡,并進(jìn)行估算？(2)城市化進(jìn)程中龍巖市食物磷足跡是如何變化的？(3)龍巖食物磷足跡的結(jié)果對(duì)我國(guó)城市磷調(diào)控和管理有何啟發(fā)？

1 材料與方法

1.1 磷物質(zhì)流分析模型和計(jì)算過(guò)程

為了考察龍巖市食物磷的源、匯和過(guò)程,在綜合考慮龍巖市的實(shí)際情況,數(shù)據(jù)的可獲得和理論假設(shè)下,參考已有的城市磷代謝研究模型[12,15],首先建立龍巖市食物磷物質(zhì)流模型(圖1),將龍巖市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中涉及食物生產(chǎn)和消費(fèi)的部分劃分為作物種植子系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)和人類消費(fèi)子系統(tǒng),然后采用物質(zhì)流分析法(Substance flow analysis),以統(tǒng)計(jì)年鑒和相關(guān)文獻(xiàn)作為基礎(chǔ),計(jì)算各子系統(tǒng)之間的磷流和存量。其中,作物種植系統(tǒng)包括作物和農(nóng)田土壤；畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)包括牲畜和家禽；人類消費(fèi)系統(tǒng)包括研究區(qū)內(nèi)的城市人口和農(nóng)村人口。模型的理論假設(shè)為：(1)本地生產(chǎn)的食物首先滿足本地居民對(duì)食物的需求,多余的部分才通過(guò)貿(mào)易供給其它城市；(2)由于龍巖是一個(gè)處于沿海地區(qū)與內(nèi)陸腹地結(jié)合部的城市,因此居民消費(fèi)的水產(chǎn)品大部分是海產(chǎn)品,假定海產(chǎn)品全部通過(guò)貿(mào)易進(jìn)口；(3)因?yàn)樵谏鐣?huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中,磷代謝主要是由人為磷流作為主導(dǎo),所以一些流量小的自然過(guò)程磷流就不予以考慮(例如大氣磷沉降)；(4)人類消費(fèi)系統(tǒng)的磷輸入和輸出基本達(dá)到平衡,人體內(nèi)的磷累積不予以考慮。

圖1 龍巖市食物磷代謝概念模型Fig.1 Concept model of Food phosphorus metabolism in Longyan City

本研究的數(shù)據(jù)主要來(lái)自官方的統(tǒng)計(jì)年鑒,公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)查。官方統(tǒng)計(jì)年鑒包括龍巖統(tǒng)計(jì)年鑒1986—2011年和福建統(tǒng)計(jì)年鑒1986—2011年。還采訪了約30名農(nóng)民從事家禽養(yǎng)殖,獲得當(dāng)?shù)匦笄莸姆敝持芷诘葏?shù),另外還咨詢了5家當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S的工作人員,獲得污水排放相關(guān)磷數(shù)據(jù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律。本文用下面的輸入和輸出公式來(lái)計(jì)算了龍巖社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)食物磷流動(dòng)：

Pf=M×Pc

Pa=∑Pi-∑Po

式中,Pf為磷流量；M為磷流對(duì)應(yīng)的物品質(zhì)量；Pc為物品中的磷含量；Pa為系統(tǒng)中的累積磷量；∑Pi為系統(tǒng)磷的總輸入量；∑Po為系統(tǒng)磷的總輸出量。

對(duì)于龍巖磷代謝模型,在作物種植子系統(tǒng)中,計(jì)算了7種類型的產(chǎn)品(大米、小麥、豆類、塊莖、油料作物、蔬菜和水果)；在畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)中,分別考慮了4類常見(jiàn)的牲畜和家禽(豬、牛、羊和禽類)。在人類消費(fèi)子系統(tǒng)中,計(jì)算時(shí)考慮了14種常用的消費(fèi)食物(谷物、蔬菜、油料、豬肉、牛肉、家禽肉、蛋類、水產(chǎn)品、奶類、糖類、酒類、瓜果類、薯類和豆類),并分別從城市和農(nóng)村兩方面來(lái)計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中,qp為年人均磷消費(fèi)量；γi為i種食物的磷含量；qi表示食物i的消費(fèi)量；n表示食物的種類數(shù)。

本研究的不確定性主要來(lái)自于兩個(gè)方面,一方面是參數(shù)的不確定性,由于本文所采用的參數(shù)有些來(lái)自其它的城市和國(guó)家,因此造成了一些不確定性。例如,計(jì)算龍巖人均食物磷消費(fèi)時(shí),本文用的是中國(guó)人均的數(shù)據(jù)；另一方面是數(shù)據(jù)來(lái)源的不確定性,如在實(shí)地調(diào)研中,由于時(shí)間和人手的有限,抽樣的數(shù)據(jù)也有很高的不確定性。本文中,對(duì)于食物磷流的計(jì)算只考慮主要的過(guò)程,忽略了一些比較難以計(jì)算的過(guò)程,比如植物性食物在食物加工中的磷流失。雖然有以上不確定性的存在,但是本文盡量采用的是權(quán)威的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和專業(yè)文獻(xiàn),大部分的數(shù)據(jù)都具有高的可信度,在整個(gè)系統(tǒng)中,不確定的磷流只占很小的一部分。

1.2 磷足跡定義

1992年,William Rees首次提出了“生態(tài)足跡”的概念,以評(píng)估人類對(duì)自然資本的需求和人類地球系統(tǒng)的可持續(xù)性[16]。隨后“足跡”被廣泛用于表征人類對(duì)自然資源的占用,或者用來(lái)衡量某種產(chǎn)品或服務(wù)在自然資源維度上的可持續(xù)性,比如已經(jīng)被廣泛接受的水足跡、碳足跡和氮足跡等[17-19]。磷作為一種不可再生的自然資源,用足跡的概念能夠更好地衡量人類對(duì)它的利用強(qiáng)度,從而為整個(gè)磷管理提供科學(xué)的度量指標(biāo)。當(dāng)前,已經(jīng)有不少學(xué)者提出了磷足跡的概念和計(jì)算方法。比如,Meston等人定義人均磷足跡為滿足每人食物消費(fèi)所需開(kāi)采的礦石磷的量[20],并計(jì)算了1961—2007年世界的人均磷足跡；Shaw等定義區(qū)域磷足跡為某區(qū)域凈輸入或者凈輸出的磷量[21],認(rèn)為經(jīng)過(guò)磷循環(huán)沉積到海底的那部分磷就是人類對(duì)磷資源的占用。

要全面了解磷足跡,必須對(duì)磷的整個(gè)循環(huán)過(guò)程和人類對(duì)磷實(shí)際消耗有全面的分析。借鑒水足跡的相關(guān)內(nèi)涵,產(chǎn)品的磷足跡定義為：在整個(gè)供應(yīng)鏈上,生產(chǎn)該產(chǎn)品所需投入的所有磷素之和。和產(chǎn)品水足跡[22]的定義相似,而與碳足跡[23]、氮足跡[24]從排放的視角定義不同,該定義主要是從資源性的角度來(lái)明確磷足跡,用于理解消費(fèi)者和生產(chǎn)者與磷資源之間的關(guān)系?？偭鬃阚E可以分為兩部分：直接磷足跡和間接磷足跡。直接磷足跡指生產(chǎn)某產(chǎn)品所投入的來(lái)源于礦石的磷量,間接磷足跡指除了礦石磷以外,生產(chǎn)某產(chǎn)品所投入的其它磷量。以食物供應(yīng)鏈(作物生產(chǎn)→畜禽養(yǎng)殖→食物加工→人類消費(fèi))為例,直接磷足跡等于在整個(gè)供應(yīng)鏈中,所投入的無(wú)機(jī)磷肥的量；間接磷足跡就是除了無(wú)機(jī)磷肥,所投入的其它磷的量,包括來(lái)自土壤再利用磷,以產(chǎn)品形式投入的磷,通過(guò)貿(mào)易輸入的磷以及循環(huán)利用磷(畜禽糞尿還田、秸稈還田和人類糞尿還田等)。上述磷足跡可以用公式表示為：

儀器：JF-2000型智能馬弗爐(江蘇江分電分析儀器有限公司)、pH-2606型多功能高精度酸度計(jì)(上海恰森儀器有限公司)、美國(guó)FEI Quanta250 型掃描電子顯微鏡。

PF=DPF+IPF

DPF=MFB

IPF=RSP+RP+OP

式中,PF為總磷足跡；DPF為直接磷足跡；IPF為間接磷足跡；MFP為供應(yīng)鏈中投入無(wú)機(jī)磷肥的量；RSP為土壤累積磷量；RP為循環(huán)磷量；OP為供應(yīng)鏈中其它磷投入量,包括通過(guò)貿(mào)易輸入的食物磷和飼料磷等。

1.3 研究區(qū)域和研究邊界

本文研究范圍為龍巖市行政區(qū)(24°23′—26°02′N,115°51′— 117°45′E)。龍巖市位于福建省西部,面積1.9×104km2,其中建成區(qū)面積45km2,常住人口259萬(wàn)(2014年)。從1985—2010年間,龍巖的GDP有顯著的增長(zhǎng),從約10億元增加到990億元,城鎮(zhèn)化率從27%提高到45%。在龍巖市,有50%以上的人口仍在從事農(nóng)業(yè)活動(dòng),農(nóng)業(yè)產(chǎn)值僅占龍巖市GDP的12%。當(dāng)?shù)氐男竽翗I(yè)貢獻(xiàn)了40%的本地農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,并生產(chǎn)了全省26%的生豬。由于龍巖是福建省三大江閩江、九龍和汀江的發(fā)源地,而當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了大量的牲畜排泄物,這些排泄物不合理的排放嚴(yán)重影響到了下游水環(huán)境。因此,以龍巖市為例進(jìn)行磷代謝研究,不僅有助于改善本區(qū)域的磷管理,對(duì)福建省流域環(huán)境的治理也有積極的意義。

本文食物磷代謝和磷足跡的研究邊界是龍巖食物生產(chǎn)和消費(fèi)系統(tǒng),以化肥→作物生產(chǎn)→畜禽養(yǎng)殖→人類消費(fèi)→環(huán)境(作物生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖也有磷素輸出到環(huán)境)這條食物鏈作為研究主線,不涉及相關(guān)的工業(yè)系統(tǒng)(如磷礦石加工和生產(chǎn),以及化肥的生產(chǎn)制造等),關(guān)注人為食物生產(chǎn)消費(fèi)活動(dòng)對(duì)磷資源的利用。貿(mào)易輸入和輸出的邊界為龍巖行政區(qū)邊界；輸出到環(huán)境的邊界也是限定在龍巖境內(nèi)。

圖2 1985年和2010年龍巖市食物磷代謝物質(zhì)流/(t P)Fig.2 Food phosphorus flow of Longyan in 1985 and 2010

2 結(jié)果與分析

2.1 龍巖市磷流動(dòng)和磷代謝結(jié)構(gòu)

如圖2所示,1985年,龍巖市食物系統(tǒng)總磷輸入為4110 t,其中作物種植子系統(tǒng)占88%,畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)占7%,剩下5%為進(jìn)口食品磷。在輸出端,總磷輸出為3855 t,以貿(mào)易形式出口的磷占到了總輸出磷的34%；土地填埋占12%；系統(tǒng)存留磷占6%(5%+1%)；剩余48%的磷進(jìn)入到環(huán)境中,其中土壤累積占34%,水體占14%。到了2010年,龍巖市食物系統(tǒng)總磷輸入猛增至12102 t。作物種植子系統(tǒng)所占磷的比例顯著下降到了71%；畜禽養(yǎng)殖輸入磷提高到了25%；食物進(jìn)口磷所占比重基本保持不變。在輸出端,總磷輸出也隨之提高到11315 t,其中以貿(mào)易形式出口的磷占到了總輸出磷的比重降低到了26%；土地填埋和土壤累積的比例基本保持不變,但是水體磷負(fù)荷有明顯的增加,從原先的14%增加到了24%。

因此,同1985年相比,2010年龍巖市食物磷代謝特征有明顯的變化。一方面是食物供給結(jié)構(gòu)和貿(mào)易輸出結(jié)構(gòu)的變化。磷素輸入食物生產(chǎn)系統(tǒng)(作物種植和畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)),生產(chǎn)出植物性產(chǎn)品和動(dòng)物性產(chǎn)品滿足本地居民和貿(mào)易供給的需求。從1985年和2010年的磷流對(duì)比可以明顯看出,本地居民食物消費(fèi)只增加了5%,其中植物性產(chǎn)品消費(fèi)下降了22%,動(dòng)物性產(chǎn)品消費(fèi)增加了242%；同期貿(mào)易供給增加了126%,其中植物性產(chǎn)品輸出增加了98%,動(dòng)物性產(chǎn)品輸出增加了80倍。另一方面是環(huán)境磷素負(fù)荷的顯著增加。研究期內(nèi)土壤累積磷上升了186%,水體磷負(fù)荷增加了3倍。其中土壤累積磷增加是由于施肥所致,而水體磷負(fù)荷猛增的原因主要是由于畜禽糞尿排放的增加(從243 t升至2373 t,上升了約8倍)。

2.2 龍巖磷輸入輸出的時(shí)間變化

從圖3可以看出,在研究期內(nèi),龍巖磷代謝隨著時(shí)間的變化在總輸入量和總輸出量上都呈現(xiàn)穩(wěn)步的增長(zhǎng)。其中在輸入端,化肥磷和飼料磷分別增加了1.5倍和8.8倍,而農(nóng)藥種子和食物進(jìn)口輸入在時(shí)間上沒(méi)有明顯的變化。在輸出方面,土壤累積、土地填埋、水體負(fù)荷和動(dòng)物性產(chǎn)品輸出都呈現(xiàn)出逐步遞增的趨勢(shì),分別從1378、830、955和5 t增加到3940、3434、2960和410 t。只有植物性產(chǎn)品輸出表現(xiàn)出先增加后減少的時(shí)間變化,從1985年到1999年,植物性產(chǎn)品輸出首先從1397 t增加到3790 t,到2010年為止又下降到2765 t。

圖3 龍巖1985—2010年磷代謝輸入和輸出項(xiàng)目和變化趨勢(shì)Fig.3 Categories and trends of phosphorus inputs and outputs of Longyan from 1985 to 2010

2.3 龍巖磷足跡

根據(jù)前文2.1所述的定義,結(jié)合龍巖市磷代謝物質(zhì)流分析,可以計(jì)算出龍巖市磷足跡(圖4),這里其它磷主要包括飼料進(jìn)口磷和食物進(jìn)口磷。1985年,龍巖市直接磷足跡占到總磷足跡的53%(3436 t),間接磷足跡占到47%(3046 t),直接磷足跡的量略超過(guò)間接磷足跡。而到了2010年,直接磷足跡的比例降到了42%(8599 t),間接磷足跡比例提高很大,達(dá)到了58%(11874 t)。造成這種原因主要是由于在間接磷足跡中,循環(huán)磷和其它磷足跡的比例有明顯的提高。其中循環(huán)磷的提高主要是由于畜禽糞尿回田比例的大幅提升,從6%提高到18%；從圖4可以看出,其它磷足跡的提高主要是由于飼料進(jìn)口磷的顯著提高。

圖4 1985和2010年龍巖磷足跡(kt)Fig.4 Phosphorus footprint of Longyan in 1985 and 2010

3 討論

從1985年到2010年,隨著龍巖市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的推進(jìn),整個(gè)龍巖市磷代謝的通量大大增加,磷流結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化,主要集中在：(1)涉及到畜禽養(yǎng)殖業(yè)的磷流所占比例均有明顯增加,如飼料進(jìn)口磷、畜禽糞尿排放磷和畜禽糞尿回田磷；(2)水環(huán)境的負(fù)荷壓力增大；(3)本地居民對(duì)動(dòng)物性產(chǎn)品的消費(fèi)需求增加,飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；(4)對(duì)外食物貿(mào)易對(duì)植物性和動(dòng)物性產(chǎn)品需求均有顯著增長(zhǎng),特別是動(dòng)物性產(chǎn)品。

在研究期內(nèi),龍巖市人口從230萬(wàn)人增加到290萬(wàn)人[25],更多的人口意味著需要生產(chǎn)更多的食物,這無(wú)疑是驅(qū)動(dòng)龍巖市磷流量增加的因素之一。然而,驅(qū)動(dòng)龍巖市磷流和結(jié)構(gòu)改變的更重要的原因是居民飲食結(jié)構(gòu)的改變和周邊城市對(duì)龍巖食物進(jìn)口需求的增加。研究表明,本地植物性產(chǎn)品消費(fèi)對(duì)動(dòng)物性產(chǎn)品消費(fèi)的比例從1985年的8.8∶1降到為2010年的2∶1(圖2),從以植物性食物為主的飲食結(jié)構(gòu)向以動(dòng)物性食物為主的飲食結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。另一方面,植物性產(chǎn)品出口的比例也從279.4∶1下降到6.7∶1(圖2),意味著龍巖市周邊城市居民飲食結(jié)構(gòu)也有類似的調(diào)整,從而導(dǎo)致貿(mào)易方面,龍巖動(dòng)物性產(chǎn)品出口量大增。以上這些驅(qū)動(dòng)因子表明,要實(shí)現(xiàn)龍巖市可持續(xù)的磷資源管理,不但要考慮對(duì)龍巖市本地居民消費(fèi)的引導(dǎo),而且要在更大的區(qū)域尺度上進(jìn)行調(diào)控,才能有效地降低龍巖磷的增長(zhǎng)。

圖5 磷足跡和畜禽糞尿回田比例 Fig.5 The proportion of P footprint and livestock manure recycling

將龍巖與其它城市化水平接近或較高的市縣進(jìn)行比較,如合肥、巢湖和廬江(其中合肥城市化水平比龍巖高,接近60%,而巢湖和廬江城市化水平接近龍巖),磷代謝特點(diǎn)有所不同。例如,在輸入端,合肥等3個(gè)市縣磷輸入的主要是以磷礦石的形式,而不是磷肥的形式(合肥。巢湖和廬江的礦石磷輸入分別為3700 t、4748 t和5699 t)[26-28]。主要原因在于：不同于龍巖磷以農(nóng)業(yè)為主的代謝模式,合肥等3個(gè)市縣有較多的磷礦加工工廠,而且當(dāng)?shù)匾膊皇侵饕男笄蒺B(yǎng)殖業(yè)基地。但是,將龍巖與其它城市化水平較低的市縣進(jìn)行比較,如肥西縣和無(wú)為縣,卻呈現(xiàn)出較為相似的特征。在肥西和無(wú)為,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)同樣占到了較大的比例,在輸入端和龍巖類似,也是以化肥和畜禽飼料為主[13,29]。這些表明,城市磷代謝和當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也有密切的關(guān)系。

雖然從物質(zhì)流的角度,龍巖市磷流的結(jié)構(gòu)并不合理,呈現(xiàn)出不可持續(xù)的特征,但是從磷足跡的角度來(lái)看,龍巖磷代謝結(jié)構(gòu)有明顯的調(diào)整。這種調(diào)整主要表現(xiàn)在直接磷足跡,也就是礦石磷比例的降低；循環(huán)磷比例的增加,其中以畜禽糞尿回田貢獻(xiàn)最大。直接磷足跡和間接磷足跡分別表現(xiàn)出波段式上升和下降的趨勢(shì),畜禽糞尿回田比例在研究期內(nèi)持續(xù)升高(圖5)。造成這種現(xiàn)象的原因一方面可能是磷礦石逐漸變得稀缺,價(jià)格持續(xù)走高,從而有機(jī)肥的利用開(kāi)始收到重視；另一方面得益于龍巖市政府近年來(lái)大力開(kāi)展龍津河流域綜合整治工作,全面推行“豬—沼—草(竹、國(guó)、林)”等生態(tài)養(yǎng)殖模式,有效地將豬糞尿進(jìn)行回收,作為有機(jī)化肥[30]。

龍巖人均總磷足跡從1985年的2.72 kg增加到2010年的6.92 kg,相應(yīng)的,人均直接磷足跡從1.44 kg增加到2.92 kg;人均間接磷足跡從1.28 kg增加到4.00 kg。其中龍巖人均直接磷足跡和中國(guó)人均直接磷足跡的數(shù)據(jù)比較接近(從1985年的1.38 kg增加到2007年的3.00 kg)[19],反映出我國(guó)居民食物磷的消費(fèi)情況。然而值得注意的是,龍巖人均直接磷足跡的增長(zhǎng)速度要低于中國(guó)人均直接磷足跡的增長(zhǎng)速度,因此,在小尺度上更能體現(xiàn)出磷調(diào)控的效果。另一方面,在研究期內(nèi),龍巖人均間接磷足跡增加了2倍,而直接磷足跡只增加了約1倍,龍巖人均間接磷足跡的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)快于直接磷足跡。所以說(shuō),在分析人類對(duì)磷資源占用時(shí),不應(yīng)忽略間接磷足跡的作用,可以預(yù)見(jiàn),隨著磷資源的逐漸稀缺,人類的間接磷足跡將成為影響磷資源可持續(xù)的關(guān)鍵。

圖6 龍巖磷環(huán)境負(fù)荷和產(chǎn)品輸出 Fig.6 The P environemnt load and the P products output of Longyan

綜合來(lái)考察龍巖市磷代謝和磷足跡,可以發(fā)現(xiàn)龍巖市在城市尺度上是磷匯。而在區(qū)域或是流域尺度上則是磷源。龍巖市從外部區(qū)域輸入化肥和飼料等大量含磷生產(chǎn)資料,經(jīng)過(guò)內(nèi)部社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)和加工,最后形成產(chǎn)品,同時(shí)有大量磷滯留在當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境中,環(huán)境磷負(fù)荷持續(xù)增加,本身起到一個(gè)磷匯的作用；而龍巖又將大量的含磷食物產(chǎn)品輸出到周邊城市,并排放含磷的污水進(jìn)入水體。雖然在2000年以后產(chǎn)品的輸出磷量有所減少,但是在區(qū)域和流域尺度上而言也是一個(gè)重要的磷源(圖6)。究其原因,龍巖磷代謝的管理目標(biāo)已經(jīng)不僅是滿足本地居民的消費(fèi)需求,而更多的是滿足產(chǎn)品輸出的需求。對(duì)于我國(guó)磷資源和區(qū)域磷管理而言,應(yīng)該首先對(duì)類似龍巖這種高投入、高排放、以出口需求為導(dǎo)向的城市進(jìn)行研究和調(diào)控,才能夠更有針對(duì)、更有效的達(dá)到磷可持續(xù)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

從1985年到2010年,隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn),本文研究表明,龍巖市已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)以磷出口為導(dǎo)向的城市,伴隨著大量的磷輸入和磷產(chǎn)品輸出,以及高的環(huán)境磷負(fù)荷。從磷足跡的角度來(lái)看,龍巖市逐步開(kāi)始減少對(duì)于礦石磷的依賴,轉(zhuǎn)而更多的利用循環(huán)磷和其它進(jìn)口磷。而龍巖市的人均間接磷足跡的增速明顯快于直接磷足跡,反映了本身發(fā)展過(guò)程中對(duì)磷足跡結(jié)構(gòu)的調(diào)整,未來(lái)人類的間接磷足跡將對(duì)磷資源的可持續(xù)有重要影響。在城市尺度上,龍巖是重要的磷匯；對(duì)區(qū)域或流域尺度上,龍巖又是重要的磷源。本研究認(rèn)為,城市磷調(diào)控和磷的可持續(xù)利用不僅要關(guān)注城市磷代謝本身,更要全面的去考察磷足跡,從多角度、多系統(tǒng)和跨區(qū)域進(jìn)行研究和分析。

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Study on phosphorus footprint of urban food: a case study in Longyan City

XU Su1,2,3, HUANG Yunfeng4,GAO Bing1,2,3, HUANG Wei1,2,3,CUI Shenghui1,2,3,*

1InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3XiamenKeyLaboratoryofUrbanMetabolism,Xiamen361021,China4SchoolofFoodandBiotechnologyEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China

Phosphorus (P) is an irreplaceable and essential nutrient for all living beings and a critical element for food production. However P is not only an essential and irreplaceable non-renewable resource, but also a potential water pollutant which can cause eutrophication. Phosphorus used in fertilizer for food, accounts for approximately 90% of the total phosphorus consumption. China′s rapid urbanization calls for a better and comprehensive understanding of P management in urban food systems. In this paper, we firstly present a concept model to map the P metabolism of food production and consumption system. And then we analyzed the change of urban food P metabolism and estimated food P footprint from the year 1985 to 2010 based on the method of substance flow analysis and our definition of P footprint, taking Longyan as an example. The result demonstrated that both input P and output P increased significantly (the input P increased from 4110 t to 12102 t, the output P from 3855 t to 11315 t); the total P footprint grew up from 6482 t to 20473 t and the proportion of the direct P footprint decreased from 53% to 42%; the growth of the indirect P footprint was faster than that of the direct P footprint. The P metabolism analysis reflected that Longyan was an important P sink at the city scale and main P source at the watershed scale. Our results of P footprint analysis indicated that the indirect P footprint constituted an important proportion of the total P footprint and should not be neglected. The analysis of P footprint helped to comprehensively understand and evaluate characters of urban P metabolism. Combining the analysis of P footprint and substance flow had guiding significance for national and regional P management and regulation.

food; phosphorus footprint; urban metabolism; substance flow analysis; Longyan City

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ04B01)；中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目(IUEMS201402)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31500391)

2016- 01- 01;

2016- 04- 18

10.5846/stxb201601010001

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shcui@iue.ac.cn

許肅,黃云鳳,高兵,黃葳,崔勝輝.城市食物磷足跡研究——以龍巖市為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7279- 7287.

Xu S, Huang Y F,Gao B, Huang W,Cui S H.Study on phosphorus footprint of urban food: a case study in Longyan City.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7279- 7287.