基于物質(zhì)流分析的我國磷資源開發(fā)利用研究

孫靜亞 ，韓厚鋒 ，張 萍 ，劉俊稚，王攀峰

（1.浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山316022；2.岱山縣環(huán)境保護監(jiān)測站，浙江舟山316200）

引言

磷是生物體細胞核的重要組分，是一切生物必需的基礎(chǔ)物質(zhì)。自然界中磷的循環(huán)周期很長，被認為是不可再生的礦產(chǎn)資源。在目前人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)中，磷從磷礦中被開采出來進入磷化工業(yè)，用于制造磷肥、農(nóng)藥、洗滌劑等產(chǎn)品，生產(chǎn)的含磷產(chǎn)品通過買賣消費在社會各個部門流通，最終以含磷廢物進入水體或累積在土壤中。磷素利用效率的有限，不僅加速磷礦資源耗竭，也帶來嚴重水體污染。因此，從資源節(jié)約和環(huán)境保護的角度出發(fā)，探討磷資源在社會經(jīng)濟體系中的循環(huán)代謝過程，查找磷資源代謝存在的生態(tài)缺陷并對其進行調(diào)整完善，對人類合理開發(fā)利用磷資源具有積極意義。

物質(zhì)流分析是指對定義在一定時空的系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)流動和存儲進行系統(tǒng)評價[1]。主要是在遵循質(zhì)量守恒定理（“輸入=輸出+累積- 釋放”）的基礎(chǔ)上，對某一物質(zhì)從開采、生產(chǎn)、消費、循環(huán)利用等一系列流動過程進行追蹤，核算該物質(zhì)在源、匯各個節(jié)點的流入和流出量，分析其在各個部門的流通量、累積量以及最終歸宿[1-3]。物質(zhì)流分析研究從整體和全局出發(fā)，同時關(guān)注物質(zhì)流動的局部特征，能夠為政策決策者提供政策導(dǎo)向，近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[4]。

國外學(xué)者較早關(guān)注開展磷素的物質(zhì)流分析，開展了大量相關(guān)研究，內(nèi)容涉及全球[5-7]、國家[8，9]、城市[10]、企業(yè)[7]等多個層面。如，2000 年Smil[5]就通過全球尺度的磷物質(zhì)流分析，指出人類活動使全球磷物質(zhì)流強度約增強三倍；Cordell 和White[7]則在2011 年回顧了全球磷資源短缺的最新信息，認為磷對糧食生產(chǎn)至關(guān)重要。我國物質(zhì)流研究起步較晚。關(guān)于磷素物質(zhì)流研究，最早是2004 年清華大學(xué)劉毅引入并先后建立了以1999 和2000 年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的全國磷素物質(zhì)流分析模型，確定我國磷循環(huán)整體呈單向、開放式物質(zhì)流結(jié)構(gòu)[1，11]。此后，不少學(xué)者運用物質(zhì)流模型從不同時期、不同尺度等對我國磷素代謝進行了應(yīng)用分析[12-14]。但總體來講，國內(nèi)目前關(guān)于社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷循環(huán)的總體研究進展較為遲緩，大量基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究亟待開展。

本文以磷元素為研究對象，以2014 年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了國家水平上的磷物質(zhì)流分析模型，分析磷在整個社會經(jīng)濟系統(tǒng)的流向和流量，衡量最終對資源消耗和環(huán)境污染產(chǎn)生的影響。在此基礎(chǔ)上，尋求改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法，探討分析現(xiàn)有相關(guān)政策，提出我國磷資源合理開發(fā)利用的一些建議。

1 我國磷素物質(zhì)流分析框架及指標體系構(gòu)建

經(jīng)比較分析和文獻參考[1-3，11]，構(gòu)建我國經(jīng)濟社會磷循環(huán)的物質(zhì)流分析框架如圖1 所示。該框架的中間環(huán)節(jié)由四部分組成，分別為磷資源的開采和加工、磷化工產(chǎn)品的生產(chǎn)、含磷產(chǎn)品的消費以及含磷廢物的排放。首先，磷礦石開采與加工階段，原生磷礦石被開采并加工成標準磷礦石備用。接著，磷化工產(chǎn)品生產(chǎn)階段，主要考慮磷肥、黃磷和飼鈣的生產(chǎn)。其中，磷肥包括磷銨、氮磷鉀復(fù)合肥等高濃度磷肥及鈣鎂磷肥和過磷酸鈣等低濃度磷肥，黃磷主要包括濕法磷酸及其下游產(chǎn)業(yè)的洗滌劑、農(nóng)藥等各種工業(yè)磷酸，飼鈣主要指飼料級磷酸氫鈣。第三，含磷產(chǎn)品消費階段，主要包括6 個節(jié)點，分別為規(guī)模養(yǎng)殖、家庭養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、城市生活、農(nóng)業(yè)種植和農(nóng)田土壤，這些節(jié)點是磷流的主要中間途徑。最后，含磷廢物排放階段，包括自然水體和土壤，其中土壤包括磷肥施用的耕地土壤和主要考慮磷石膏等堆放的非耕地土壤。

圖1 我國磷資源代謝的物質(zhì)流分析框架

借鑒國內(nèi)外相關(guān)文獻[4，6，11，15]，結(jié)合我國磷素物質(zhì)流代謝特點，提出我國磷素物質(zhì)流分析的指標體系，主要包括輸入指標、輸出指標、消耗指標、平衡指標、強度和效率指標、綜合指數(shù)六大類。

2 我國磷物質(zhì)流模型構(gòu)建與分析

2.1 磷素物質(zhì)流模型構(gòu)建

在前文我國社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷代謝物質(zhì)流框架和指標體系的基礎(chǔ)上，以我國大陸地理疆域為邊界（不包括臺灣、香港和澳門地區(qū)），通過查找《中國統(tǒng)計年鑒》、國家數(shù)據(jù)網(wǎng)及其他公開數(shù)據(jù)資料確定具體參數(shù)值，構(gòu)建了以2014 年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的我國磷素物質(zhì)流分析模型（圖2）。圖中方框表示磷物質(zhì)流來源、路徑和歸宿中的各主要節(jié)點，節(jié)點之間連接線的箭頭方向表征磷物質(zhì)流流向，連接線上的數(shù)字表示相應(yīng)的物質(zhì)流通量強度。

2.2 模型結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)上述模型和數(shù)據(jù)計算的我國磷素物質(zhì)流分析結(jié)果如圖3 所示，下面分別從輸入結(jié)構(gòu)、輸出結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)控制等方面分別進行分析討論。

2.2.1 磷輸入結(jié)構(gòu)特征。如圖3 所示，2014 年我國磷素直接物質(zhì)投入量（DMI）為996.41 萬噸，其中國內(nèi)磷礦消費、磷化肥進口、農(nóng)產(chǎn)品進口分別為950.56 萬噸、12.31 萬噸、33.54 萬噸，分別占總量的95.4%、1.2%、3.4%。理論上，直接物質(zhì)投入并不能表征支撐社會經(jīng)濟體系運行的物質(zhì)需求總量（TMR），而其中那些不進入國內(nèi)經(jīng)濟系統(tǒng)但仍影響生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)流過程，被稱為所謂“隱流”過程[1]。由于我國磷礦資源平均品位較低，加上開采水平的參差不齊，常造成開采效率不高。就全國而言，僅有幾家大型露天磷礦回采率達到95%以上，其他中型磷礦回采率大多在50%左右，有些小型磷礦回采率只有30%甚至更低[16]。據(jù)此估計，磷礦開采不當構(gòu)成的國內(nèi)隱流強度可能較為顯著，需引起關(guān)注。

圖2 2014 年中國磷物質(zhì)流分析模型 單位：萬噸

圖3 基于物質(zhì)流分析的我國2014 年磷資源循環(huán)結(jié)構(gòu) 單位：萬噸

2.2.2 磷輸出結(jié)構(gòu)特征。由圖3 可見，2014 年我國磷出口總量為202.84 萬噸，其中，磷化工產(chǎn)品、磷礦石和農(nóng)產(chǎn)品分別為198.24 萬噸、4.38 萬噸和0.22 萬噸，分別占總量的97.7%、2.2%和0.1%；同時，我國生產(chǎn)性輸出強度為792.82 萬噸，其中，進入地表水體、耕地土壤、非耕地土壤分別為166.83 萬噸、468.83 萬噸、157.16 萬噸，分別占總量的21.0%、59.1%、19.8%。進入地表水體的磷將直接增加水體富營養(yǎng)化風(fēng)險，累積在耕地土壤的磷會隨雨水沖刷進入地表水體，而進入非耕地土壤的磷通常難以回用且也有再次進入地表水體的風(fēng)險。出口磷流進入國外經(jīng)濟系統(tǒng)，其后續(xù)消費引起的含磷廢物一般不會排入國內(nèi)環(huán)境，但其生產(chǎn)過程產(chǎn)生的生態(tài)包袱會對我國生態(tài)環(huán)境帶來不利影響。

2.2.3 生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)的磷流特征。各類生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)中，流入磷量最多的是磷化工業(yè)，磷流量達946.18 萬噸，該環(huán)節(jié)的磷流失主要以磷石膏廢渣形式進入到非耕地土壤，流失強度為83.39 萬噸。其次是農(nóng)業(yè)種植業(yè)，作為肥料施入耕地土壤的磷總量達762.4萬噸。其中，35.8%的磷被植物吸收，剩余61.5%留在耕地土壤中成為無效磷，這部分磷會隨雨水沖刷進入地表水體增加水體磷負荷。再次是畜禽養(yǎng)殖業(yè)，作為飼料等投入的磷總量為227.22 萬噸，其中規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)和家庭養(yǎng)殖業(yè)投入的磷分別為134.89 萬噸和92.33萬噸，分別占59.4%和40.6%。值得關(guān)注的是，家庭養(yǎng)殖業(yè)中，93.9%的磷能以農(nóng)家有機肥的形式進入農(nóng)業(yè)種植業(yè)循環(huán)利用，僅有4.2%流入地表水體；相比之下，規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)中僅有26.3%的磷進入農(nóng)業(yè)種植業(yè)回用，而有高達70.9%流入地表水體增加水體磷負荷。最后，作為洗滌劑和各類種養(yǎng)農(nóng)產(chǎn)品等用于城鄉(xiāng)居民生活，并最終流入生活污水的磷為30.45 萬噸，總量相對較低，這應(yīng)該得益于近年無磷洗衣粉的提倡使用及國民整體環(huán)境素質(zhì)的提高。

3 基于物質(zhì)流分析結(jié)果的磷素合理利用建議

3.1 農(nóng)業(yè)種植業(yè)發(fā)展

由以上物質(zhì)流模型分析結(jié)果可知，目前我國磷肥農(nóng)用的有效利用率僅為35.8%，遠低于2000 年時的49.7%[16]，這可能是由于近年來農(nóng)田土壤高強度施用磷肥所致。高強度施用磷肥不僅會降低磷養(yǎng)分的吸收效率，而且會增加磷素隨農(nóng)田排水進入到地表水體污染地表水的風(fēng)險。因此，建議相關(guān)部門注意加強耕地土壤磷養(yǎng)分平衡管理等技術(shù)，將生態(tài)環(huán)境保護有機融入中長期農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展戰(zhàn)略。

3.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展

根據(jù)磷物質(zhì)流模型結(jié)果可知，家庭養(yǎng)殖業(yè)磷循環(huán)率達93.9%，而規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)磷循環(huán)率僅為26.3%、排污率達70.9%。這個相對規(guī)律與2000 年結(jié)果一致[16]，且家庭養(yǎng)殖業(yè)磷循環(huán)率更高，比14 年前高出28.4 個百分點，這應(yīng)該得益于我國民眾整體環(huán)保意識的提高和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。而規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)磷循環(huán)率略有降低，反應(yīng)了我國當前規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)可能遇到的環(huán)保瓶頸，其部分業(yè)主存在只顧經(jīng)濟利益而忽視環(huán)境保護問題。因此，建議相關(guān)部門在繼續(xù)加強對中小型畜禽養(yǎng)殖場監(jiān)管的同時，技術(shù)、管理兩方兼顧，著力加強對大型養(yǎng)殖場的監(jiān)管，引導(dǎo)其健康綠色發(fā)展。

3.3 固體廢棄物處理處置

作為固體廢棄物處理處置結(jié)果，2014 年累積在非耕地土壤的磷總量為157.16 萬噸，其來源廢棄物主要包括磷化工業(yè)產(chǎn)生的磷石膏渣、城市生活垃圾、農(nóng)村生活垃圾和田間未能回用的秸稈，分別為83.39 萬噸、25.04 萬噸、5.41 萬噸、31.53 萬噸，占總量的 53.1%、15.9%、3.4%、20.1%?？梢姡渲辛资鄰U棄導(dǎo)致的磷流失量最大，建議加強磷石膏資源化研究與實踐，加大對磷石膏磷的回收利用，減少磷資源浪費，降低磷污染風(fēng)險。

3.4 生活和工業(yè)污水排放

由圖2 計算可得，流進地表水體的磷主要來自城市居民、農(nóng)村居民和磷化工業(yè)，分別為25.04 萬噸、5.41 萬噸、16.56 萬噸。與 2000 年相比[11]，農(nóng)村居民生活污水磷排放量減少了35.6%，這應(yīng)該得益于十幾年來農(nóng)村居民環(huán)保意識的提高和農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的改善；而城鎮(zhèn)居民生活污水和磷化工工業(yè)污水磷排放總量分別增加了4.94 萬噸和8.56 萬噸，這應(yīng)該是隨著我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，生產(chǎn)生活用磷量持續(xù)增加，同時污水處理中磷素較難去除有關(guān)。因此，建議一方面優(yōu)化生態(tài)產(chǎn)業(yè)布局，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，推動經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，從源頭上減少污染物產(chǎn)生；同時，加大污水處理設(shè)施投入，加大“科技攻關(guān)”，提升污水除磷效率。

4 結(jié)論與展望

本文運用物質(zhì)流模型分析方法，以2014 年相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從輸入、輸出、生產(chǎn)消費中間環(huán)節(jié)等角度分析了我國社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷循環(huán)的結(jié)構(gòu)特征，并據(jù)此從農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、生活和工業(yè)污水排放、固體廢物處理處置等方面提出了我國磷資源合理開發(fā)利用的一些建議。此外，由于缺少數(shù)據(jù)支持，本文未能算出模型中的國內(nèi)磷礦開采損失等隱流強度，建議相關(guān)部分應(yīng)加強對該部分數(shù)據(jù)的關(guān)注收集，以便后續(xù)研究能進一步完善，為我國磷資源開發(fā)利用決策提供更可靠的科學(xué)指導(dǎo)。