食物源CNP的城市代謝特征
——以廈門市為例

王 進，吝 濤

(1. 中國科學院城市環(huán)境與健康重點實驗室，中國科學院城市環(huán)境研究所， 廈門 361021；2. 廈門市城市代謝重點實驗室，廈門 361021)

食物源CNP的城市代謝特征
——以廈門市為例

王 進1,2，吝 濤1, 2,*

(1. 中國科學院城市環(huán)境與健康重點實驗室，中國科學院城市環(huán)境研究所， 廈門 361021；2. 廈門市城市代謝重點實驗室，廈門 361021)

基于元素流分析原理，將食物源碳氮磷3種元素在城市系統(tǒng)中的代謝特征進行耦合分析，追蹤以“食物消費”、“廢物處置”、“人體代謝”為主要環(huán)節(jié)的食物碳氮磷代謝過程，發(fā)掘其中共同的代謝環(huán)節(jié)，明晰3種元素代謝路徑、代謝通量及其影響因素的差異，并對廈門市 1991—2010 年食物源碳氮磷城市代謝進行案例分析。 結果表明，食物源碳氮磷城市代謝中通量最大的代謝路徑是“食物—食物攝入—人體糞尿—未還田糞尿—污水處理—污泥—污泥填埋—土壤”；食物源碳氮磷城市代謝主要引起土壤和水體的環(huán)境負荷加重；廚余垃圾中碳氮磷占食物源的比例分別為13.7%、32.2%、70.3%，在整個代謝過程中具有最大的減量管理潛力。提出優(yōu)化代謝過程、減少碳氮磷環(huán)境負荷的若干對策建議，包括增大食物的有效食用比例、資源化利用污泥和廚余垃圾等。

食物；碳氮磷；城市代謝；廈門

隨著人類社會經濟的發(fā)展，以城市人口增加、城區(qū)建設擴張為代表的城市化進程正在世界范圍內不斷加速[1]。中國在城市化過程中，城市空間范圍不斷擴張，人口、GDP、城市化率不斷提高，物質和能量的消耗量也隨之升高[2- 3]。城市生態(tài)系統(tǒng)不僅涉及自然系統(tǒng)，也涉及人工系統(tǒng)，城市經濟系統(tǒng)和自然環(huán)境通過物質與能量流動相互聯(lián)系[4]。人類社會需要從自然環(huán)境中獲取所需資源，同時盡可能增大其代謝效率[3]。城市環(huán)境問題的本質就是城市系統(tǒng)中代謝途徑或代謝效率出現(xiàn)問題[5]。城市地區(qū)的發(fā)展方向、發(fā)展結構和發(fā)展速度，應該根據(jù)當?shù)厣鐣洕匀粡秃仙鷳B(tài)系統(tǒng)的實際運作機制，作系統(tǒng)性分析與管理。城市代謝這一概念首先由Wolman于1965年提出[6]，其后由其他科學家發(fā)展完善[7- 8]，其研究重點放在城市的輸入和輸出上，將系統(tǒng)視為黑箱，并沒有對物質能量在城市內的代謝過程進行系統(tǒng)研究。本文認為今后城市代謝研究應該進入系統(tǒng)內部，明晰代謝過程中的關鍵環(huán)節(jié)、代謝路徑、代謝通量，以挖掘影響代謝過程的重要影響因素，為將來管理調控作科學支撐。

食物作為城市內物質能量的主要來源之一，對其相關物質能量代謝過程研究是城市代謝研究的重要組成。居民食物消費量伴隨城市發(fā)展和人口增長成倍增加[9]。人們的食物消費量在不斷增長的同時，食物消費模式和營養(yǎng)狀況也隨之發(fā)生改變。中國城市化進程導致生活方式和飲食偏好改變，主要表現(xiàn)在由糧食消費轉向動物性食物消費[10]，且城鄉(xiāng)差異顯著[11- 12]。伴隨食物消費結構改變，營養(yǎng)元素流動也在城市中發(fā)生改變。家庭作為基本的社會單元，其物質能量輸入受食物消費改變的影響巨大，是城市系統(tǒng)研究中最適尺度[13]。有學者計算美國明尼阿波利斯市、中國香港的食物消費情況，發(fā)現(xiàn)食物消費是碳氮磷元素進入城市系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)[14- 16]。

食物經過利用后，需要通過居民生活垃圾處理和污水處理或直接排放的途徑輸出食物碳氮磷輸出城市系統(tǒng)。有學者計算多倫多、曼谷、中國合肥食物源元素流動情況，發(fā)現(xiàn)僅有少量能夠留在城市系統(tǒng)，大量食物碳氮磷元素輸出環(huán)境并造成環(huán)境負荷，如表1所示。從城市代謝角度分析，食物源污水是城市系統(tǒng)營養(yǎng)元素的流失。從城市系統(tǒng)流失到土壤、水體等環(huán)境系統(tǒng)的營養(yǎng)元素可能造成嚴重的環(huán)境負荷。

碳、氮、磷3種元素是食物代謝研究中的關鍵組成，谷類糧食和禽畜肉中碳氮磷總含量分別為34.8%和28.2%。與氫氧元素相比，碳氮磷元素比例在各類食物和人體中的比例相對穩(wěn)定。碳氮磷代謝過程的研究有利于把握城市物質轉移與轉化的特點和規(guī)律，對解決一些重要的環(huán)境問題具有重要意義。碳代謝是應對全球氣候變化的基礎，氮和磷是城市水體污染主要限制因子。以往研究主要以碳氮磷元素中的一種作為研究對象，忽視了3種元素之間的系統(tǒng)聯(lián)系，對于同時涉及多種元素的環(huán)境問題解釋欠佳，例如碳氮磷比例影響植物尤其是藻類的生長過程，當環(huán)境介質中碳氮磷元素接近某一比例時，特定植物進入其最適生長階段大量繁殖并引發(fā)赤潮等系列環(huán)境問題[21]。本文基于對廈門市1991—2010年食物源碳氮磷代謝過程的物質流分析，發(fā)掘其中共同的代謝環(huán)節(jié)，對城市食物碳氮磷代謝的物質流體系結構進行深層分析，追蹤以“食物消費”、“廢物處置”、“人體代謝”為主要過程的食物碳氮磷代謝途徑，提煉食物代謝的主要環(huán)節(jié)以及影響因素，最后提出若干優(yōu)化代謝過程和減少碳氮磷環(huán)境負荷的對策建議。

表1 相關研究結果比較

1 研究區(qū)概況

廈門市位于福建省東南部，是我國東南沿海重要的中心城市、港口及風景旅游城市。市域行政面積為1565 km2。1981年廈門的建成區(qū)面積僅為12 km2，2010年已擴張至230 km2；戶籍人口從1991年的114萬激增至180萬。

在經濟快速增長的同時，廈門市居民食物消費量伴隨人口增長和人均GDP增加而增加，如圖 1所示，從1988年34.2萬t迅速增長至2003年的51.0萬t，其后呈現(xiàn)波動上升趨勢。圖 2顯示廈門市食物消費碳氮磷總量歷史概況，碳氮磷各自的消費量與消費食物總量的變化趨勢基本一致，食物碳消費量在2003年后出現(xiàn)下降，可能與膳食結構中糧食比重下降有關。

2010年廈門市空氣質量總體優(yōu)良，優(yōu)級率為42.7%，優(yōu)良率為97.5%。首要污染物為可吸入顆粒物，其次是二氧化氮，酸雨污染嚴重。2010年廈門市飲用水源地水質達標率為98.4%，飲用水源地水質仍存在氮、磷的超標現(xiàn)象；廈門海域水質呈現(xiàn)富營養(yǎng)化，主要超標污染物依然是無機氮與活性磷酸鹽。2010年廈門市生活垃圾產生量為94.45萬t，生活垃圾無害化處理率96.93%。生活污水排放量1.99億t，占全市廢水排放總量的81.71%。

2 研究方法

2.1 元素流分析原理

元素流分析(Substance Flow Analysis, SFA)是物質流分析(Material Flow Analysis, MFA)中的一種[22]。物質流分析依據(jù)質量守恒定律，定量分析系統(tǒng)的物質輸入與輸出及其背后的隱流問題，主要涉及物質流動的源、路徑及匯，是研究系統(tǒng)代謝過程對自然生態(tài)環(huán)境造成的直接和間接影響的有力工具[23]。由于城市尺度研究中存在城市系統(tǒng)的物質數(shù)據(jù)缺乏且難以統(tǒng)計的特點，有關學者引入面向元素的物質流分析。元素流分析研究在具體經濟系統(tǒng)的特定化學元素或化合物流量的方法[24]。元素流的突出優(yōu)點是解決具體的環(huán)境問題，其開始于具體的環(huán)境污染問題，通過分析元素在系統(tǒng)中的流動過程，探尋主要污染來源和關鍵元素流動環(huán)節(jié)。

圖1 廈門市人口與食物消費歷史概況Fig.1 Dynamics of food consumption and population in Xiamen from 1988 to 2010

圖2 廈門市食物消費碳氮磷總量歷史概況Fig.2 Dynamics of CNP consumption in food in Xiamen from 1988 to 2010

2.2 城市居民食物源碳氮磷代謝路徑分析

完整的食物源碳氮磷元素代謝包括了城市社會生態(tài)系統(tǒng)內的代謝(食物消費、人體代謝、廢棄物處理)和生物地球化學循環(huán)兩部分。本研究主要以食物消費、人體消化吸收和廢棄物處理及再利用等城市社會經濟活動為系統(tǒng)邊界，忽略自然生態(tài)系統(tǒng)中復雜的理化作用。元素流從食物消費開始，經過城市居民的新陳代謝和城市污水和固廢處理系統(tǒng)，最后排放到環(huán)境介質。系統(tǒng)的輸入端，是指城市居民食物消費。系統(tǒng)的輸出端，包括留在城市系統(tǒng)內部并參與構成人體的營養(yǎng)物質和排放進入大氣、水和土壤等環(huán)境介質的物質。構成人體營養(yǎng)物質的主要來源是食物，若人體是食物代謝的唯一元素匯，人體碳氮磷比例應與食物一致，然而實際兩者差異巨大。其主要原因包括兩點:1)部分食物未被居民進食，成為廚余垃圾；2)人體攝食食物經選擇性吸收后形成糞尿等排泄物排出體外。因此，明晰人體新陳代謝及城市污水和廢棄物處理過程中的元素流動特點，是本研究的重點。

(1)食物消費環(huán)節(jié)

食物根據(jù)其是否能被人類食用，可分為可食部分和不可食部分?？墒巢糠滞ㄟ^進食行為進入人體代謝環(huán)節(jié)，不可食部分食物(包括食物的不可食用部分和被丟棄的可食部分)成為城市廚余垃圾進入廢棄物處理環(huán)節(jié)。人體攝取的食物進入人體代謝環(huán)節(jié)，經過人體消化系統(tǒng)消化吸收，合成人體生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質，代謝產物通過排泄物排出體外，進入廢棄物處理環(huán)節(jié)。

(2)人體代謝環(huán)節(jié)

人體代謝環(huán)節(jié)可細分為人體元素構成、呼吸代謝和糞尿代謝3個子環(huán)節(jié)。氧、碳、氫、氮、磷、硫這6種元素是構成人體生命基礎的主要成分，其主要獲取途徑為食物。人體產生的二氧化碳是人體生理代謝的結果。人在生命活動過程中，需要不斷地消耗能量，機體所需要的能量主要來源于食物，營養(yǎng)物質氧化后所產生的二氧化碳通過呼吸作用排出體外。食物中的營養(yǎng)物質進入消化道后被選擇性的消化、吸收，不能消化、吸收的物質變成糞尿排出體外。

(3)廢棄物處理環(huán)節(jié)

由食物源產生的廢棄物主要分為廚余垃圾和居民糞尿兩部分，而兩者的處理方式又因城市化水平的不同而有所差異。一般而言，垃圾處理方式可分為分類回收、填埋、堆肥和焚燒4種。食物源所產生垃圾為廚余垃圾，含大量水分和有機物，分類回收和焚燒處理的難度巨大，因此其主要處理方式為填埋和堆肥，在城鎮(zhèn)地區(qū)以填埋為主，在農村地區(qū)以堆肥為主。對于糞尿處理，城鎮(zhèn)地區(qū)糞尿經過管道收集成為糞尿污水進入污水處理系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)的尾水排出到自然水體，而處理過程產生的副產物污泥又通過填埋和焚燒進行再處理。農村地區(qū)糞尿主要經過堆肥腐熟成為農家肥料，直接施用于農田。在填埋和堆肥、糞尿污水處理、糞尿堆肥的過程中，有機物質在厭氧環(huán)境下發(fā)酵，產生甲烷、一氧化氮等氣體直接進入空氣中。由于氣態(tài)化合物磷化氫在潮濕空氣中不穩(wěn)定，因而空氣中磷可以忽略不計。

2.3 食物源碳氮磷代謝通量分析

本研究在分析食物源碳氮磷元素代謝路徑基礎上，逐一量化各個環(huán)節(jié)元素流，即碳氮磷元素在各路徑中的通量。在元素流計算過程中，分為食物消費、人體代謝和廢棄物處理3個環(huán)節(jié)進行計算，根據(jù)元素守恒定律，整個碳氮磷元素代謝通量可用以下公式表示：

CNP食物=CNP人體+CNP大氣+CNP水體+CNP土壤

(1)

式中，CNP食物是指城市居民食物消費碳氮磷，CNP人體是指食物經居民消化吸收后儲存在體內的部分，CNP大氣、CNP水體、CNP土壤指未被居民攝取和經人體代謝后產生的碳氮磷途經或未經廢棄物處理系統(tǒng)后直接或間接排入環(huán)境介質的部分，包括大氣、水體、土壤3種介質。

食物消費環(huán)節(jié)

(1)食物消費環(huán)節(jié)中的元素守恒公式為：

CNP食物=CNP食用部分+CNP未食用部分

(2)

其中，CNP食物是指城市居民食物消費碳氮磷，CNP食用部分是指居民消費食物中經過居民攝食行為進入居民體內的部分，CNP未食用部分是指居民消費食物中未被居民攝食的部分，包括食物的不可食用部分和被丟棄的可食部分。

食物源碳氮磷總量計算公式為：

(3)

wiC,N,P=wi×αC,N,P

(4)

式中，WC,N,P為消費食物的總碳氮磷量，wiC,N,P為食物類型i的碳氮磷消費總量；wi為食物類型的消費量，αC,N,P為食物類型i的碳氮磷含量。本研究將日常食物分為九類，包括糧食、植物油、蛋制品、水產品、蔬菜、酒及飲料、瓜果、奶制品、禽畜肉。根據(jù)《中國食物成分表》計算各類食物中的碳氮磷元素含量及元素比值，結果如表2所示。

(2)人體代謝環(huán)節(jié)

人體代謝環(huán)節(jié)中的元素守恒公式為：

CNP食用部分=C呼吸+CNP人體+CNP糞尿

(5)

式中，CNP食用部分是指居民消費食物中經過居民攝食行為進入居民體內的部分，C呼吸是指人體通過呼吸作用排放的碳元素，CNP人體是指食物經居民消化吸收后儲存在體內的碳氮磷元素，CNP糞尿是指食物經居民消化吸收后經糞尿排出體外的碳氮磷元素。

本研究假設研究區(qū)人群是由完全相同的“標準人”形成的集合。“標準人”具有固定的體重、元素組成、新陳代謝效率，人口的增加或減少視作“標準人”數(shù)量增加或減少的過程。碳氮磷的累積隨“標準人”的增加而增加。人體元素構成因性別、年齡等因素有所差異。有研究通過化學檢驗的方法計算出70 kg成人體內各種含量(表2)。由于人群中有老人小孩的存在，需根據(jù)研究區(qū)2010年人口普查數(shù)據(jù)計算人均體重。

表2 九類食物與人體中碳氮磷含量比較

在城市生態(tài)學研究中一般以人口數(shù)乘以人均凈呼出碳量計算城市居民二氧化碳產生量，計算公式為[25]：

人體呼吸的碳釋放量(t/a)=人口總數(shù)(人)×0.079(t/a)

人糞和人尿在性質和成分上有很大的區(qū)別。在計算時應分別計算人糞與人尿中碳氮磷元素含量。有關研究通過化學檢驗的方法對人糞和人尿中的碳氮磷含量進行了研究，本研究以文獻中的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)[26- 27]。

(3)廢棄物處理環(huán)節(jié)

廢棄物處理環(huán)節(jié)中的元素守恒公式為：

CNP處理前=CNP產物+CNP副產物

(6)

該公式概括表示污水處理、垃圾填埋、糞尿還田、污泥填埋、污泥焚燒等廢棄物處理過程中的元素轉移過程。式中，CNP處理前是指處理前廢棄物所含碳氮磷元素，CNP產物是指處理后主要產物所含碳氮磷元素，CNP副產物是指處理后氣體副產物所含碳氮磷元素。

由于廢棄物處理環(huán)節(jié)中涉及變量和公式數(shù)量較多，本文以附表形式表示(表3)。廈門對廚余垃圾處理方式主要為衛(wèi)生填埋。根據(jù)《2006年IPCC國家氣體清單指南》，對垃圾填埋產生的氣體需要計算CH4和CO2的排放量，其他氣體含量極少，可忽略不計。污水處理的元素去除率是指廈門市污水處理系統(tǒng)排入廈門海域的污染物元素含量與進入污水處理系統(tǒng)前污水中的污染物元素含量的比值，碳氮磷去除率分別以進水與出水中的COD、氨氮、總磷含量計算。假設污水處理廠當年實行的排放標準全部達標排放以表示出水污染狀況。整個污水處理廠的運行過程中，考慮污水處理廠氣體的直接排放部分，采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的質量平衡方法計算碳氮元素從污泥到CH4、N2O氣體的轉換率?？紤]到IPCC僅提供牛、豬、家禽等牲畜的糞便排放特征，本研究選取食性與人最相似的單胃雜食性動物豬的糞便表示人的糞便特征。

2.4 數(shù)據(jù)來源

本研究居民食物消費環(huán)節(jié)的主要數(shù)據(jù)來自于《廈門經濟特區(qū)年鑒》、《中國食物成分表》；人口數(shù)據(jù)來自于《廈門經濟特區(qū)年鑒》；人體代謝環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)來自于人體生理相關文獻[26- 27]；廢棄物處理環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)來自于《廈門市環(huán)境統(tǒng)計及城考資料匯編》、《廈門市水污染物排放標準》、《2006年IPCC國家氣體清單指南》[28]。

3 結果與討論

3.1 食物源碳氮磷城市代謝路徑的耦合特征

對城市居民食物源碳氮磷元素流分析表明，食物是食物源碳氮磷元素城市代謝的源，系統(tǒng)中的碳氮磷元素通過居民食物消費行為進入系統(tǒng)，然后逐級分配到下一級的路徑，直至進入本研究系統(tǒng)的匯——人體、大氣、水體和土壤，儲存在城市生態(tài)系統(tǒng)或移出城市生態(tài)系統(tǒng)的食物以外的物質形式。圖3顯示食物源碳氮磷城市代謝的系統(tǒng)路徑。本研究不考慮城市范圍內自然生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)過程。

表3 廢棄物處理環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)來源及計算公式

污水處理： CH4Emissions為計算年份污水CH4排放總量； TOW為計算年份污水中有機物含量；EF為排放因子；i為污水來源；R為計算年份回收的CH4量；B0為最大CH4產生能力，缺省值可取0.6 kg CH4/kg BOD或0.25 kg CH4/kg COD； MCF為CH4修正因子； N2OEmissions為計算年份污水N2O排放總量(kg N2O/a)；NWaste為排放到水生環(huán)境的污水中的氮含量(kg N/a)； EFWaste為排放因子(kg N2O-N/kg N)； 44/28為單位從kg N2O-N到kg N的轉化系數(shù)。

污泥填埋：W為污泥質量； DOC為可降解有機碳，取決于產生該污泥的廢水來源、處理工藝，IPCC推薦值為干污泥的40%—50%，按污泥含水率80%計算，則濕污泥DOC含量為8%—10%，按10%計算； DOCf為實際分解的可降解有機碳比例，IPCC推薦取50%； MCF為甲烷修正因子，對于厭氧填埋場，可以選擇為100%；F為填埋氣體中的CH4體積比例，按50%計算； 16/12為CH4/C分子量比率；

垃圾填埋： ECH4為填埋產生的CH4量；ECO2為填埋產生的CO2量； MSW為城市生活垃圾總量；η為垃圾填埋率(本研究取100%)； DOCj為可降解組分j中可降解有機碳的百分比；Wj為可降解組分j的百分比；16/12為從CH4到C的轉化系數(shù)； 44/12為從CO2到C的轉化系數(shù)；50%為填埋氣中CH4和CO2各自所占的比例；R為CH4的回收率，廈門市運行中的垃圾填埋場均未回收CH4，故取0值；OX為CH4的氧化比例，除了覆蓋有氧化材料的填埋場，其他管理或未管理的填埋場的OX缺省值為0。

糞尿還田：EF(T)為牲畜類別T的年CH4排放因子；VS(T)為牲畜類別T的日揮發(fā)固體排泄物； 365為計算年VS產量的基數(shù)；B0(T)為牲畜類別T所產糞便的最大甲烷生產能力； 0.67為m3CH4換算為kg CH4的換算系數(shù)； MCF(S,k)為氣候區(qū)k每種糞便管理系統(tǒng)S的甲烷轉化因子；MS(T,S,k)為使用氣候區(qū)S糞便管理系統(tǒng)T管理牲畜類別T糞便的比例； N2OD(mm)為源自國內糞便管理的N2O直接排放；N(T)為國內牲畜品種/類別T的頭數(shù)；Nex(T)為國內種類/類別T每頭家畜的年均氮排泄量；MS(T,S)為源自國內糞便管理系統(tǒng)S所管理的每一牲畜種類/類別T總年氮排泄的比例；EF3(S)為源自國內家畜糞便管理系統(tǒng)S中的N2O直接排放的排放因子；S為糞便管理系統(tǒng)；T為牲畜的品種/類別； 44/28為(N2O-N)(mm)排放轉化為N2O(mm)排放

居民消費食物首先分為可食部分和不可食部分。可食部分通過進食行為進入人體，不可食部分食物(包括食物的不可食用部分和被丟棄的可食部分)成為城市廚余垃圾進入垃圾處理系統(tǒng)。人體攝取的食物經過人體消化系統(tǒng)消化吸收，合成人體生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質，代謝產物通過排泄物排出體外，進入污水處理系統(tǒng)。城鎮(zhèn)和農村在廚余垃圾和生活污水的處理方式上差異較大。城鎮(zhèn)廚余垃圾進入垃圾處理系統(tǒng)，處理方式主要分為填埋、焚燒、再利用3種；農村廚余垃圾以堆肥還田為主。城鎮(zhèn)糞尿進入污水處理系統(tǒng)；農村糞尿以堆肥還田為主。在垃圾填埋、污水處理、污泥填埋、污泥焚燒、糞尿還田等過程中，碳氮磷元素主要進入水體和土壤，但由于處理過程中在厭氧條件下發(fā)生了復雜的化學反應，部分元素形成氣體排出處理體系進入大氣介質。

圖3 食物源碳氮磷元素流框架Fig.3 The metabolic flow of food-sourced CNP

碳氮磷元素在城市代謝過程中所經歷路徑不盡相同：碳元素在人體代謝過程中以氣體產物二氧化碳形式排出體外，直接進入大氣介質，而氮磷元素均以固體產物為主，以糞尿形式排出體外。磷元素由于其氣體化合物化學性質不穩(wěn)定，在系統(tǒng)中可忽略不計，因此涉及氣體排放的各個環(huán)節(jié)中均不考慮磷元素，而碳氮元素在微生物厭氧發(fā)酵的過程中會以甲烷、二氧化氮等氣體化合物的形式進入大氣介質。

3.2 廈門市食物源碳氮磷城市代謝通量的動態(tài)特征

大氣、土壤和水體3種環(huán)境介質中碳氮磷環(huán)境負荷量如圖4所示。

圖4 廈門市食物源碳氮磷城市代謝通量動態(tài)特征Fig.4 Dynamic of metabolic flux of food-sourced in Xiamen

碳在大氣與土壤的負荷呈現(xiàn)相同的變化趨勢：分別從1991年的74859 t/a和14305 t/a波動上升至2010年的149763 t/a和26404 t/a，年均增幅分別為3.53%和3.11%。而水體碳負荷表現(xiàn)出穩(wěn)定和緩慢上升的趨勢，從1991年的2187 t/a以0.55%的速度增長到2010年的2440 t/a。

氮在3種環(huán)境介質中的負荷呈現(xiàn)不同的變化趨勢。大氣氮負荷增長緩慢，從1991年的427 t/a以3.59%的速度增長到2010年的865 t/a。水體氮負荷2010年前增長速度較快，從1991年的1556 t/a以2.07%的速度增長到2010年的2345 t/a。土壤氮負荷增長迅速，從1991年的3897 t/a以4.46%的速度快速增長到2010年的9323 t/a。

磷在3種環(huán)境介質中的負荷也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。因磷元素并無氣體存在形式，不產生大氣磷負荷。水體磷負荷增長緩慢，從1991年的49 t/a以3.83%的年均增長速度快速增長到2010年的104 t/a。土壤磷負荷呈現(xiàn)直線穩(wěn)定上升趨勢，從1991年的406 t/a以4.86%的年均增長速度快速增長到2010年的1049 t/a。

人均環(huán)境負荷量反映人均食物消費輸出到大氣、水體、土壤3種環(huán)境介質的碳氮磷總量。碳氮磷3種元素均呈現(xiàn)波動上升趨勢，其中人均食物碳輸出到環(huán)境介質的總量最大，從1991年0.071 t 人-1a-1波動上升至2010年的0.072 t 人-1a-1，年均增幅為0.07%。人均食物氮輸出緩慢上升的趨勢，從1991年的0.0045 t 人-1a-1上升至2010年的0.0051 t 人-1a-1，年均增幅為0.63%。人均食物磷輸出緩慢上升的趨勢，從1991年的0.00036 t 人-1a-1上升至2010年的0.00047 t 人-1a-1，年均增幅為1.34%。

3.3 廈門市食物源碳氮磷城市代謝通量的比例特征

圖5表示1991、2000和2010年食物源碳氮磷代謝過程中主要環(huán)節(jié)的碳氮磷元素通量。對各年份代謝通量分析發(fā)現(xiàn)，通量最大的代謝路徑為“食物—食物攝入—人體糞尿—未還田糞尿—污水處理—污泥—污泥填埋—土壤”。隨著時間推移，城市化率增大，人口增多，這一通路呈現(xiàn)增大趨勢。以1991、2000和2010年3a平均值計算，食物源碳氮磷元素最終流向土壤的比例分別為13.1%、69.3%、87.3%。由于碳元素主要通過人體代謝以二氧化碳形式排入大氣，大氣碳占食物源碳的比例為84.5%。

人口增加、食物結構改變和奢侈型消費綜合作用造成的食物源總量增加，食物源碳氮磷消費量分別從1991年的92279、5986、488 t上升至2010年的179140、12593、1173 t。隨著時間推移，流向水體介質的氮磷元素比例逐年降低，食物源氮磷流向水體的比例分別從1991年的26.0%、10.1%下降至2010年的18.6%、8.8%，而食物源氮磷流向土壤的比例分別從1991年的65.1%、83.1%上升至74.0%、89.5%，出現(xiàn)向土壤介質轉移的趨勢。綜合上文氮磷元素在水體和土壤介質的環(huán)境負荷量分析發(fā)現(xiàn)，盡管污水進入城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的比例增加、元素去除率隨技術革新和排放標準提高而提高，水體環(huán)境負荷在總量上并未減少，反而呈現(xiàn)逐年上升趨勢；元素流動路徑發(fā)生了變化，原本流向水體的元素因為處理技術改革轉移到土壤。

食物消費的最終目的是攝取食物中的營養(yǎng)，從結果看出，食物源碳氮磷元素流向新增人口體內的比例下降，食物源碳氮磷轉移到人體以外的匯。新增人口體內碳氮磷占食物源的比例極低，2010年分別為0.3%、0.5%、1.6%。食物有效利用率低與人體是一個開放系統(tǒng)有關，人體必須時刻不停地從外部環(huán)境獲取能量以維持自身體溫和其它正常生理活動，這部分物質和能源的消耗不可避免。由于食物的不可完全利用特點和居民過度消費食物的現(xiàn)象，使得原本可利用的部分食物成為廚余垃圾，2010年廚余垃圾中碳氮磷占食物源比例分別為13.7%、32.2%、70.3%，這部分物質和能源的消耗可以通過節(jié)約消費減少。

4 結論

本研究運用元素流分析法，對廈門市1991—2010年居民食物源碳氮磷元素物質流特征及其環(huán)境負荷進行了綜合分析。從環(huán)境負荷總量上看，大氣、水體、土壤三種介質的環(huán)境負荷總量均隨城市化率和人口增長同步增加，增幅最為明顯的是：大氣碳從1991年的74859 t/a增長至2010年的149763 t/a；土壤氮從1991年的3897 t/a增長至2010年的9323 t/a，土壤磷從1991年的406 t/a增長至2010年的1049 t/a。表 1將本研究結果與相關研究進行比較，由于研究區(qū)域和部分環(huán)節(jié)計算方法的不同，計算結果有所不同，但本研究建立了食物源碳氮磷城市代謝統(tǒng)一研究框架，使得不同區(qū)域、不同元素之間可作橫向比較。

食物源代謝過程中通量最大的代謝路徑為“食物—食物攝入—人體糞尿—未還田糞尿—污水處理—污泥—污泥填埋—土壤”。研究區(qū)的食物源碳氮磷主要引起土壤和水體的環(huán)境負荷，隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，人口和食物消費量的增加，使得進入環(huán)境的碳氮磷元素總量隨之增加，盡管過去十多年里，研究區(qū)污水處理廠規(guī)模增大、污水排放標準提高，但仍無法逆轉土壤和水體中碳氮磷增加的趨勢。從比例上看，進入水體的碳氮磷元素占環(huán)境總負荷量的比例逐年顯著遞減，而進入土壤介質的顯著增加。食物源碳氮磷流向人體的比例極低，2010年比例分別為0.3%、0.5%、1.6%；同時由于食物的不可完全利用特點和居民過度消費食物的現(xiàn)象，食物源流向廚余垃圾的比例過高，2010年比例分別為13.7%、32.2%、70.3%，這使得食物源碳氮磷元素利用率更低。在制定政策減小研究區(qū)食物源碳氮磷的環(huán)境負荷時，可以從以下幾個方面考慮：(1)增大食物的有效食用比例，提倡節(jié)約型消費，使原本進入廚余垃圾途徑的食物碳氮磷流向人體；(2)資源化利用污泥。隨著污水處理率的提高，污泥的產量也越來越大，目前采取的處置方式是污泥堆肥。這種填埋方式的問題是污泥中的富營養(yǎng)物在無防滲情況下進入土壤介質。從經濟的發(fā)展、資源的開發(fā)利用、城市生態(tài)環(huán)境的保護等方面來看，污泥處置的較理想出路是污泥制磚；(3)資源化利用廚余垃圾。城鎮(zhèn)廚余垃圾可通過堆肥、發(fā)酵等方法資源利用，生產肥料和飼料并輸入農村進行二次利用。

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Characterizing the urban metabolism of food-sourced carbon, nitrogen, and phosphorous: a case study of Xiamen

WANG Jin1,2, LIN Tao1,2,*

1KeyLaboratoryofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China2XiamenKeyLaboratoryofUrbanMetabolism，Xiamen361021,China

Under the background of rapid urbanization process, cities need more and more substance and energy to maintain. The direction of material flow changes along with the urban development. Urban metabolism studies the material and energy flows arising from urban socioeconomic activities as well as regional and global biogeochemical processes. Food consumption takes an assignable part of substantial input and continues to grow with rapid urbanization process. The unutilized part of CNP (Carbon, Nitrogen and Phosphorous) in food may cause environment problems. The imbalance of urban metabolism is the root of environment problems. It is urgent to investigate the process of food-sourced CNP and to find out the ways to reduce environmental load.

Substance flow analysis (SFA) method focuses on the flow of a certain chemical element and considers all related transformation and transition of this element. Based on SFA method, food-sourced CNP metabolism processes in urban system were characterized systematically in this paper. We focused on three main metabolic processes (food consumption, waste disposal and human metabolism) to analyze the similarity and difference among the urban metabolism of food-sourced CNP substance. We found that CNP share many links in metabolic path but have its unique characteristic independently. After considering about these, we built up the framework of food-sourced CNP metabolism process and make it possible to study these three elements simultaneously and systematically.

We took Xiamen as a case city to trace the urban metabolism of food-sourced CNP from 1991 to 2010. We calculated the flux of food-sourced CNP metabolism in Xiamen, which starts from food consumption and ends in human body or emission to the environment.

The results showed that: 1) The most increasing environmental load of food-sourced CNP are carbon in air (from 74859 t/a to 149763 t/a), nitrogen in soil (from 3897 t/a to 9323 t/a) and phosphorous in soil (from 406 t/a to 1049 t/a); 2) The path with maximum flux is “food—food eating—human fecaluria—wastewater treatment—sludge—sludge landfill—soil”; 3) The urban metabolism of food-sourced CNP mainly resulted in the increasing of loading in soil and water body; 4) The part of food-sourced CNP that stored in human body is extremely low with the proportions of 0.3%, 0.5% and 1.6% in 2010; 5) The proportions of CNP in kitchen waste to that in food source were 13.7%, 32.2% and 70.3% respectively, which had great potential of reduction management.

Some advices to reduce CNP environment loading and optimize the metabolism process systematically were provided. The advices are: 1) increasing the edible rate of food and encouraging consume food in economy way; 2) utilizing sludge from wastewater treatment to produce bricks; 3) producing fertilizer with urban kitchen waste for rural use.

food; CNP; urban metabolism; Xiamen City

廈門市科技計劃項目(35O2Z20130037); 中國科學院重點部署項目(KZZD-EW- 16); 國家自然科學基金項目(41371540, 41201598)

2013- 02- 06; 網(wǎng)絡出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201302060250

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

王進，吝濤.食物源CNP的城市代謝特征——以廈門市為例.生態(tài)學報,2014,34(21):6366- 6378.

Wang J, Lin T.Characterizing the urban metabolism of food-sourced carbon, nitrogen, and phosphorous: a case study of Xiamen.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6366- 6378.