社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素流通及其環(huán)境效應(yīng)研究：以山東省棲霞市為例

王重陽 胡起源 查思含 肖 瀟 劉 明 李 卓 譚 琨 張威儀 孫丹峰 倫 飛

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193)

磷元素在維持生物有機體穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用，是生物體不可缺少的營養(yǎng)元素之一。隨著全球人口的迅速增加，糧食需求量不斷增加，如何保障全球糧食安全已經(jīng)受到全球各界的廣泛關(guān)注。磷肥能夠在一定程度上提高糧食產(chǎn)量，磷肥消耗量不斷提高，全球磷礦的開采速度不斷增加。作為不可再生資源，以目前的開采速度，全球磷礦資源將在未來50～100年內(nèi)枯竭。全球地球化學(xué)磷循環(huán)已經(jīng)從封閉的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向了開放的系統(tǒng)，且已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其可持續(xù)利用的行星邊界，處于高風(fēng)險狀態(tài)；與此同時，磷元素的不合理利用，尤其是磷肥大量且低效的利用，使大量的磷元素進(jìn)入環(huán)境之中，造成了一系列的生態(tài)環(huán)境問題(如水體富營養(yǎng)化、土壤酸化等)，嚴(yán)重地干擾了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素流通及其環(huán)境效應(yīng)，對于更好地實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前對社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通的研究主要是利用物質(zhì)流分析的方法分析其磷流動過程、利用效率及其環(huán)境效應(yīng)問題。磷流動過程是由社會經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)外物質(zhì)流動所引起的，主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活消費的磷流動過程。Roy等分析了2000—2016年孟加拉國食物生產(chǎn)和消費過程磷的流向，研究表明農(nóng)業(yè)用地擴張和集約化利用是造成孟加拉國食物生產(chǎn)和消費過程中磷流動的變化的主要原因；Esculier等通過分析巴黎“水-農(nóng)業(yè)-糧食”系統(tǒng)中磷流動過程，發(fā)現(xiàn)巴黎十分依賴國際農(nóng)業(yè)糧食系統(tǒng)，需要高水平的化肥投入，并且廢水和廢物管理與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)嚴(yán)重脫節(jié)。此外，也有研究探討了磷元素在不同尺度下的流動情況：在全球尺度上，Lun等主要針對全球農(nóng)業(yè)系統(tǒng)磷流通情況進(jìn)行了探討，并分析了全球不同國家的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)磷流動情況及其使用效率情況；在國家尺度上，Liu等發(fā)現(xiàn)中國淡水磷損失量在過去4個世紀(jì)增加了3倍，人類活動對環(huán)境磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)由17世紀(jì)的20%增加到2012年的83%；在城市尺度上，Huang等以漳州為例發(fā)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖快速發(fā)展和城市化是漳州磷損失的主要驅(qū)動因素。隨著工業(yè)化進(jìn)程加快和城鎮(zhèn)化水平提高，生活污水、工業(yè)廢水、生活垃圾等排放量顯著增加，因此磷流動產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)逐漸得到廣泛關(guān)注。將灰水足跡、基于安全閾值的環(huán)境風(fēng)險評價法等與社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流動研究相結(jié)合來闡明區(qū)域磷流動所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，趙旸等針對中國蘋果種植情況，探討了中國蘋果主產(chǎn)區(qū)磷元素流動情況，并分析了其所產(chǎn)生的環(huán)境壓力問題，盡管目前對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的磷流動研究已經(jīng)取得了一定成果，但對于在較小尺度對整個社會經(jīng)濟系統(tǒng)的磷流動及其環(huán)境問題的研究相對較少，故需要對此開展進(jìn)一步討論。

棲霞市位于山東省煙臺市五龍河流域，是中國著名的蘋果主產(chǎn)區(qū)。近年來由于人口的快速增加和蘋果種植面積的不斷擴大，當(dāng)?shù)孛媾R著一定的環(huán)境問題(例如水體富營養(yǎng)化和土壤酸化等)，而厘清地區(qū)社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素的流動過程并協(xié)調(diào)磷元素的輸入與排放，對于更好的推動社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護具有重要意義。因此，本研究擬以山東省棲霞市為例，基于物質(zhì)流分析與灰水足跡的理論框架與方法，構(gòu)建棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素流通模型，重點探討磷元素在各個子系統(tǒng)的流動特征、利用效率、環(huán)境排放等內(nèi)容，識別出系統(tǒng)內(nèi)造成區(qū)域環(huán)境風(fēng)險的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出提高磷利用效率和減少環(huán)境污染的相關(guān)對策建議，以期為棲霞市磷元素管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

棲霞市位于山東省煙臺市的中心位置，位于北緯37°05′05″—37°29′46″，東經(jīng)120°32′45″—121°15′58″，總面積約1 793 km，總?cè)丝?9.4萬。棲霞市地處丘陵山區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，四季分明，典型土壤為棕壤，自然條件適宜種植蘋果。圖1為棲霞市土地利用現(xiàn)狀。近年來蘋果產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，棲霞市被譽為“中國蘋果之都”和“中國蘋果第一市”，2018年其果園種植面積為49 058 hm，蘋果產(chǎn)量達(dá)到1.91×10t；糧食作物以玉米、花生為主，其種植面積分別為9 446和11 733 hm。根據(jù)調(diào)研問卷結(jié)果，棲霞市不同種類農(nóng)用地化肥施用量有顯著差異，果園(蘋果)單位面積磷肥投入量為194.00 kg/hm，一熟作物(以玉米為主)單位面積磷肥投入量相對較低，僅為59.46 kg/hm，而兩熟作物(秋收小麥)磷肥投入量相對較高，其投入量達(dá)到76.83 kg/hm。棲霞市2018年居民人均可支配收入為22 062元。棲霞市境內(nèi)沒有規(guī)模以上磷礦開采和加工企業(yè)，磷元素的相關(guān)產(chǎn)品主要從系統(tǒng)外流入。近年來棲霞市基礎(chǔ)設(shè)施條件不斷完善，2018年棲霞市城鎮(zhèn)污水處理率達(dá)97.38%，生活垃圾無害化處理率達(dá)100%。

圖1 棲霞市土地利用現(xiàn)狀

1.2 社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通模型研究

物質(zhì)流分析方法是一種定量刻畫特定物質(zhì)在特定時間和空間范圍內(nèi)的遷移流動狀況的重要分析工具之一，能夠識別物質(zhì)的循環(huán)流動特征，定量分析人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)與自然環(huán)境之間的物質(zhì)交換。近年來，越來越多的研究運用物質(zhì)流分析的方法定量研究養(yǎng)分的流動特征，其中以氮、磷為主。磷元素是生物體不可或缺的營養(yǎng)元素，在人類的生產(chǎn)、生活中也發(fā)揮巨大的作用，以食物、飼料、化肥等形式沿“化肥投入-作物種植-畜禽生產(chǎn)-人類消費-環(huán)境排放”循環(huán)流動，研究的內(nèi)容主體不同，模型所包含的磷流動過程也不同。社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通主要包括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、磷廢物的排放等4個環(huán)節(jié)。由于棲霞市沒有規(guī)模以上的磷礦開采和磷產(chǎn)品加工企業(yè)，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的可得性，本研究構(gòu)建的棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流動模型框架(圖2)包括含磷產(chǎn)品消費及磷廢物排放2個環(huán)節(jié)，含磷產(chǎn)品的消費過程主要包括畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植、農(nóng)村和城鎮(zhèn)居民生活消費，而磷廢物排放為直接或經(jīng)由廢物污水處理系統(tǒng)間接進(jìn)入水體和土壤，其中土壤包括進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植活動的農(nóng)用地土壤及磷石膏等堆放的非農(nóng)土壤。由于本研究涉及區(qū)域內(nèi)外的貿(mào)易，系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)的農(nóng)作物及畜禽產(chǎn)品優(yōu)先滿足研究區(qū)本身的消費，若有剩余則為其他地區(qū)提供。

因此，棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通模型主要包括畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)及城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的磷輸入、輸出情況主要為：1)畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)。磷輸入包括秸稈、飼料、廚余垃圾，磷輸出項包括動物性產(chǎn)品、畜禽糞尿，畜禽糞尿還田部分以農(nóng)家肥形式進(jìn)入農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)，動物性產(chǎn)品進(jìn)入城鄉(xiāng)居民消費系統(tǒng)供飲食消費。畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)中消費的磷元素量難以獲得，其主要根據(jù)養(yǎng)殖系統(tǒng)輸入系統(tǒng)與其輸出系統(tǒng)處于平衡的狀態(tài)下進(jìn)行估算；2)農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)。磷輸入包括化肥、農(nóng)藥、種子、秸稈、糞尿還田，其中化肥是農(nóng)業(yè)種植中最主要的磷輸入項。進(jìn)入農(nóng)作物的磷元素則通過農(nóng)產(chǎn)品消費、人類糞尿利用等與畜禽養(yǎng)殖、城鄉(xiāng)居民消費產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。利用地表徑流、地表滲漏計算出流入水體的磷，環(huán)境盈余的其余部分累積到土壤中；3)城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)。輸入的磷包括植物性產(chǎn)品、動物性產(chǎn)品、含磷產(chǎn)品(煤炭、洗滌用品)，系統(tǒng)磷輸出主要為人類糞尿、生活污水、生活垃圾。城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民消費的磷元素最終去向有所不同。城鎮(zhèn)居民產(chǎn)生的人體糞尿少部分還田，其他則經(jīng)由污水處理廠和垃圾處理廠處理后排放到環(huán)境中，農(nóng)村缺少對污水的集中收集和處理，未還田的人類糞尿及生活污水直接排入環(huán)境中。棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通模型構(gòu)建的理論依據(jù)是物質(zhì)守恒定律，即在各子系統(tǒng)中磷元素的輸入總量等于其輸出總量與積累總量之和。

根據(jù)棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通模型，其各個子系統(tǒng)的核算方法可以分為3 種方式：1)定值計算。根據(jù)確定參數(shù)及確定變量計算出固定的磷物質(zhì)流；2)比例系數(shù)估算：主要是根據(jù)各個子系統(tǒng)的磷流通的比例進(jìn)行估算，如農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)中人類糞尿回田部分的磷輸入量；3)基于物質(zhì)守恒定律估算，由于部分磷流動環(huán)節(jié)難以直接進(jìn)行估算，故對根據(jù)物質(zhì)守恒定律進(jìn)行估算，如農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中進(jìn)入水體的磷流。棲霞市各子系統(tǒng)主要磷流具體計算方法見表1。

表1 主要磷流計算公式

Table 1 Main calculation formulas of phosphorus flows

子系統(tǒng)Subsystem磷流計算公式Calculationformulaofphosphorusflow系數(shù)描述Descriptionofcoefficient畜禽養(yǎng)殖LivestockbreedingLma=∑iQma,i×αma,i×βma,iLma為畜禽糞尿磷輸出;Qma,i、αma,i、βma,i分別為2018年棲霞市畜禽出欄量、畜禽質(zhì)量和畜禽糞尿磷含量(i=豬、牛、羊、禽類)Lan=∑i,jQma,i×αma,i×βan,j×γan,jLan為動物性產(chǎn)品磷輸出;βan,j、γan,j分別為畜禽產(chǎn)品磷含量、畜禽產(chǎn)品所占比例(j=肉、骨、其他副產(chǎn)品)Linfe=∑Lout-∑LinLinfe為進(jìn)口飼料磷含量;∑Lout、∑Lin分別為畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)各輸出項輸出磷之和、各輸入項輸入磷之和農(nóng)業(yè)種植AgricultureplantingAfer=∑kQfer,k×αfer,kAfer為化肥磷輸入;Qfer,k、αfer,k、分別為2018年作物播種面積、單位面積化肥磷投入量(k=一熟作物、兩熟作物、果園)Ama,m=∑mQma,m×γma,mAma,m為糞尿磷輸入;Qma,m(Lma、Hma)、γma,m分別是糞尿磷輸出量、回田系數(shù)(m=畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村)Apl=∑nQpl,n×αpl,nApl為植物性產(chǎn)品磷輸出;Qpl,n、αpl,n分別為2018年作物產(chǎn)量、作物磷含量(n=小麥、玉米、大豆、薯類、花生、蔬菜、瓜果)Aoutwa=Prunoff+PleachAoutwa為輸出到水體中的磷流;Prunoff、Pleach分別是地表徑流、地下滲漏的磷輸出量Prunoff=∑Qfer,k×αfer,k×αpkαpk為磷肥徑流流失系數(shù),%Pleach=∑Qfer,k×αfer,k×βpkβpk為磷肥淋溶流失系數(shù),%Aoutsl=∑Ain-∑AoutAoutsl為累積到土壤中的磷元素;∑Ain、∑Aout分別為農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)各輸入項輸入磷之和、各輸出項輸出磷之和

表1(續(xù))

子系統(tǒng)Subsystem磷流計算公式Calculationformulaofphosphorusflow系數(shù)描述Descriptionofcoefficient城鄉(xiāng)居民消費UrbanandruralconsumptionHfd=∑p,qQp×αfd,q×βfd,qHfd為食物輸入量,包括動物性產(chǎn)品和植物性產(chǎn)品;Qp、αfd,q、βfd,q分別是人口數(shù)量、人均食物消費量、食物磷含量(p=城鎮(zhèn)、農(nóng)村;q=谷物、豆類、薯類、食用植物油、蔬菜、水果、豬肉、牛肉、羊肉、禽類、水產(chǎn)品、蛋、奶)Hru=Qru×αru,r×βh,rHru為農(nóng)村生活用品磷輸入量/污水廢物磷輸出量;Qru、αru,r、βh,r分別為農(nóng)村人口數(shù)量、農(nóng)村人均生活用品/垃圾產(chǎn)生量、生活用品/垃圾磷含量(r=洗滌劑、生活垃圾)Hur=Qur×αur,r×βh,rHur為城鎮(zhèn)生活用品磷輸入量/污水廢物磷輸出量;Qur、αur,r分別為城鎮(zhèn)人口數(shù)量、城鎮(zhèn)人均生活用品/垃圾產(chǎn)生量(r=洗滌劑、生活垃圾)Hma=Qp×αma,uHma為人類糞尿磷輸出量;αma,u為人均糞尿磷排泄量

1.3 社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷環(huán)境效應(yīng)研究

在本研究中，棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷環(huán)境效應(yīng)研究主要探討了各個子系統(tǒng)磷元素的利用效率及排放所產(chǎn)生的環(huán)境壓力。

1

.

3

.

1

磷利用效率

根據(jù)相關(guān)研究，本研究將磷利用效率(PUE)定義為系統(tǒng)的經(jīng)濟磷產(chǎn)出量除以磷輸入總量。在農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中是指磷元素養(yǎng)分被作物吸收占總磷輸入的比例，在畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)是指畜禽肉、骨、蛋、奶磷產(chǎn)量占畜禽養(yǎng)殖總磷輸入的比例。在居民消費系統(tǒng)中是指被人體吸收的磷占總磷輸入的比例。

式中：PUE、PUE、PUE分別為農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)的磷利用效率；

A

為秸稈磷輸出量。

1

.

3

.

2

磷排放環(huán)境壓力

本研究中社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷排放環(huán)境壓力主要包括磷元素進(jìn)入水體所產(chǎn)生的污染和積累在土壤中產(chǎn)生的污染，其中前者主要是根據(jù)灰水足跡方法進(jìn)行討論，而后者則主要根據(jù)前人研究的磷元素積累環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行討論，本研究在劉欽普提出的基于化肥環(huán)境安全閾值的環(huán)境風(fēng)險評價法的基礎(chǔ)上對農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)的土壤環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價，具體計算公式如下：

式中：

R

為土壤磷資源污染環(huán)境風(fēng)險指數(shù)；

T

為磷元素環(huán)境安全閾值(kg/hm)，取值為62.5 kg/hm；

F

為磷資源使用強度，是指本年內(nèi)單位面積耕地實際用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的磷資源輸入量(kg/hm)；

M

表示當(dāng)年磷輸入量(kg)，

A

表示耕地面積(hm)。

表2 農(nóng)業(yè)土壤磷投入環(huán)境風(fēng)險指數(shù)()

Table 2 Environmental risk index()of P input in agricultural soil

等級Grade環(huán)境風(fēng)險指數(shù)范圍Environmentalriskindexrange環(huán)境風(fēng)險類型Environmentalrisktype分類依據(jù)Classificationbasis5>0.8嚴(yán)重風(fēng)險施肥量超過安全閾值4倍以上4(0.75,0.80]重度風(fēng)險施肥量不超過安全閾值4倍3(0.65,0.75]中度風(fēng)險施肥量不超過安全閾值3倍2(0.50,0.65]低度風(fēng)險施肥量不超過安全閾值2倍1(0.35,0.50]尚安全施肥量不超過安全閾值0<0.35安全施肥量低于安全閾值一半

灰水足跡的概念由Hoekstra 等于2008年首次提出，指稀釋污染物所需要的水資源總量，能夠較為直觀的反映污染物對可用水資源的影響。近年來逐漸引起關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于全球尺度、國家尺度及城市尺度上社會經(jīng)濟系統(tǒng)中產(chǎn)生的磷的灰水足跡的定量研究。因此，本研究基于灰水足跡的方法，結(jié)合前人研究與社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通模型，得到各子系統(tǒng)磷元素的灰水足跡，即各個子系統(tǒng)磷排放的環(huán)境壓力，具體計算公式如下：

式中：GWF為磷元素的灰水足跡；W為排入水體的磷元素總量；

C

為水體中磷的最大容許濃度，取值為0.2 mg/L(Ⅲ類)；

C

為水體中磷的自然本底濃度，取值為0 mg/L。

GWF=GWFpla-TP+GWF+

GWF+GWF+GWF

式中：GWF為社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素的灰水足跡；GWF、GWF、GWF、GWF分別為種植業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)村生活、城鎮(zhèn)生活等各子系統(tǒng)磷元素的灰水足跡。

1.4 數(shù)據(jù)來源

本研究所利用的主要數(shù)據(jù)包括調(diào)研問卷數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，其中：農(nóng)作物播種面積及產(chǎn)量、畜牧業(yè)生產(chǎn)情況、農(nóng)村及城鎮(zhèn)人口數(shù)量、城鄉(xiāng)人均食物消費量等數(shù)據(jù)來源于棲霞市統(tǒng)計年鑒及煙臺市統(tǒng)計年鑒；化肥農(nóng)藥施用量、灌溉次數(shù)、灌水量等來源于調(diào)研問卷數(shù)據(jù)，本課題組分別于2018年7—8月和2019年7—8月赴棲霞市開展了2次調(diào)查問卷，共收集有效問卷445份，調(diào)查結(jié)果如表3所示。系數(shù)及物質(zhì)的含磷率主要來源于參考文獻(xiàn)資料并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，如畜禽糞尿的含磷系數(shù)、作物的含磷率、食物的含磷率、糞便還田率等，本研究用到的主要系數(shù)及其來源見下表4。

表3 問卷數(shù)據(jù)取值

Table 3 Values of survey questionnaire data kg/hm

問卷數(shù)據(jù)Surveydata取值Value農(nóng)藥磷施用量Consumptionofpesticide1.82果園磷肥施用量Consumptionoffertilizers194.00一熟用地磷肥施用量Consumptionoffertilizersinsinglecropping59.46兩熟用地磷肥施用量Consumptionoffertilizersindoublecropping76.83單位面積灌溉水磷含量Phosphorusinirrigationwaterperunitarea0.12

表4 主要系數(shù)取值及其來源

Table 4 Main coefficients and their sources

系數(shù)Coefficient描述Description取值Value來源Sourceαma,i(i)(i=1,2,3,4)i為豬、牛、羊、禽類100,450,50,2[28]βma,i(i)(i=1,2,3,4)i為豬、牛、羊、禽類1.69,10.22,1.31,0.03[28]αpk(k)(k=1,2,3)k為一熟用地、兩熟用地、果園0.350,0.375,0.360[29]βpk(k)(k=1,2,3)k為一熟用地、兩熟用地、果園0,0,0[29]αfer,k(k)(k=1,2,3)k為一熟用地、兩熟用地、果園59.46,76.83,194.00農(nóng)村問卷調(diào)查獲得γma,m(m)(m=1,2)m為農(nóng)村人口、畜禽50,58[8,30]αpl,n(n)(n=1,2,3,…,7)n為小麥、玉米、大豆、薯類、花生、蔬菜、瓜果0.50,0.40,0.60,0.10,0.50,0.10,0.07[32]βfd,q(q)(q=1,2,3,…,13)q為谷物、豆類、薯類、食用植物油、蔬菜、水果、豬肉、牛肉、羊肉、禽類、水產(chǎn)品、蛋、奶0.2,0.48,0.063,0.009,0.05,0.021,0.17,0.19,0.16,0.17,0.21,0.196,0.073[33]αru,r(r)(r=1,2)r為洗滌劑、生活垃圾2.5,153.3[34,35]αur,r(r)(r=1,2)r為洗滌劑、生活垃圾2.5,292.0[34,35]βh,r(r)(r=1,2,3,4)r為洗滌劑、生活垃圾0.9,0.05[34,35]αma,uαma,u為人均每年糞尿磷排泄量,kg/(人·年)0.3[13]

2 結(jié)果與分析

2.1 棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流動特征

圖2為2018年棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間具體的磷物質(zhì)流。由圖2可知2018年棲霞市外源磷輸入量達(dá)到了11 304.24 t，其中進(jìn)入農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)的為化肥、農(nóng)藥、種子，共計10 831.83 t；進(jìn)入畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的主要為飼料，共449.54 t；剩余以洗滌劑的形式進(jìn)入居民消費子系統(tǒng)，進(jìn)入城鎮(zhèn)消費和農(nóng)村消費的磷元素分別為5.30和33.76 t。2018年棲霞市所生產(chǎn)的動物性和植物性產(chǎn)品所含磷元素分別為275.97和1 873.14 t，其中城鎮(zhèn)和農(nóng)村所消費的動物性產(chǎn)品含磷量分別為44.13和30.15 t，剩余磷元素全部以出口形式至系統(tǒng)外；城鎮(zhèn)和農(nóng)村所消費的植物性產(chǎn)品含磷量分別為71.43和123.71 t，剩余磷元素同樣以出口形式至系統(tǒng)外。此外以沼氣、化肥制造等資源化方式所利用的畜禽糞尿中所含磷元素為200.04 t，剩余部分則進(jìn)入到當(dāng)?shù)丨h(huán)境之中，其中進(jìn)入水體中的磷元素為226.51 t，積累在農(nóng)業(yè)土壤中的磷元素高達(dá)8 882.05 t。圖3為棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)中磷輸入和輸出的結(jié)構(gòu)?？芍?外源磷輸入絕大部分進(jìn)入農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中，所占比例為95.9%；畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)所占比例為4.0%，剩余部分主要以洗滌劑等含磷產(chǎn)品的形式進(jìn)入城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)。在磷元素的輸出中，有78.6%的磷元素進(jìn)入到農(nóng)業(yè)土壤中；所生產(chǎn)的動物性和植物性產(chǎn)品中所含的磷元素所占比例為16.6%；進(jìn)入水體中的磷元素占總量的2.0%；剩余磷元素則積累在非農(nóng)土壤中以及被資源化的畜禽糞尿中。棲霞市社會經(jīng)濟各子系統(tǒng)的磷元素輸入和輸出情況存在較大的差異，具體而言：

圖2 2018年棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)的磷物質(zhì)流(單位:t)

圖3 2018年棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷輸入(a)和輸出結(jié)構(gòu)(b)

1)農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)磷元素輸入量達(dá)到了11 494.03 t，而10 677.84 t的磷元素來自于化肥，其中果園所消耗的比重占84.0%。棲霞市生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品中所含磷元素量達(dá)到了1 873.14 t，其中生產(chǎn)的蘋果所含的磷元素占60.7%。此外，棲霞市農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)排放到當(dāng)?shù)厮w的磷元素總量達(dá)到了40.88 t，而積累在當(dāng)?shù)赝寥懒自貏t為8 882.05 t；

2)畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)子系統(tǒng)47.7%的磷輸入是通過外界飼料形式進(jìn)入，剩余的部分則是來自系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的流動。作為重要的農(nóng)家肥，畜禽糞便進(jìn)入種植子系統(tǒng)的量達(dá)到了387.43 t，占其總排放量的58.1%，由于其資源化利用程度較高，僅有79.34 t畜禽糞便進(jìn)入到當(dāng)?shù)厮w之中。棲霞生產(chǎn)的畜禽產(chǎn)品所含的磷元素總量達(dá)到了275.97 t；

3)棲霞市87.3%的城鄉(xiāng)居民消費的磷元素來自于食物，剩余則是居民日常消費的含磷洗滌劑。當(dāng)?shù)匚鬯幚砟芰屠幚砟芰ο鄬^高，使得城鎮(zhèn)居民消費子系統(tǒng)向水體排放的磷元素僅為11.53 t，而農(nóng)村居民消費子系統(tǒng)有94.76 t進(jìn)入到當(dāng)?shù)厮w之中。此外，棲霞市城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民的人均食物消費含磷量分別達(dá)到了0.43和0.47 kg/人。

2.2 棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷利用效率研究

棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)整體磷利用效率為各子系統(tǒng)有效利用的磷之和與各子系統(tǒng)磷投入之和的比值，故棲霞市整個社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷效率為23.8%，即棲霞市生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品中所含的磷元素僅為其投入量的23.8%；此外，棲霞市社會經(jīng)濟各子系統(tǒng)的磷利用效率均相對較低，但各個子系統(tǒng)的磷利用效率存在較大的差異(表5)。具體而言：1)農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)：棲霞市果園種植單位面積化肥施用量相對較高，但其產(chǎn)品中所含的磷元素量相對較少，使得果園種植的PUE遠(yuǎn)低于其他農(nóng)作物種植磷利用效率，僅為其他作物的1/3左右，而一熟作物的磷利用效率也低于兩熟作物；與此同時，2018年棲霞市果園種植面積為49 058 hm，是一熟作物與兩熟作物種植面積的1.88倍，使得棲霞市農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)磷利用效率相對較低，僅為22.4%。2)畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)：棲霞市畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)的磷利用效率也相對較低，僅為29.3%，且不同家畜養(yǎng)殖系統(tǒng)存在一定的差異，其中家禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的磷利用效率最高，達(dá)到了32.0%，而羊養(yǎng)殖系統(tǒng)的磷利用效率最低，僅為17.8%。3)城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)：棲霞市城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)的磷吸收利用效率較高，達(dá)到63.0%，其中城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民消費系統(tǒng)磷吸收利用效率分別為66.2%和61.1%。

表5 不同子系統(tǒng)單位磷元素輸入、輸出及利用效率

Table 5 Pinputs, outputs and use efficiency per unit in different subsystems

子系統(tǒng)Subsystem種類Type磷投入Phosphorusinput磷輸出Phosphorusoutput磷利用效率/%Useefficiency果園Orchard195.9428.3414.5農(nóng)業(yè)種植Agricultureplanting一熟作物Singlecropping61.6622.7036.8兩熟作物Doublecropping79.9331.6639.6豬Pig2.150.4621.4畜禽養(yǎng)殖Livestockbreeding牛Beefcattle13.383.1623.6羊Meatgoats1.590.2817.8家禽Poultry0.040.0132.0城鄉(xiāng)居民消費Urbanandruralconsumption城鎮(zhèn)居民消費Urbanconsumption0.450.3066.2農(nóng)村居民消費Ruralconsumption0.490.3061.1社會經(jīng)濟系統(tǒng)Socio-economicsystem — — —23.8

注：磷輸入、磷輸出在農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)中，其單位分別為kg/hm、kg/只、kg/人。

Note: The units of phosphorus input and phosphorus output in the subsystems of agriculture, livestock breeding, urban and rural consumption are kg/hm, kg/piece and kg/person, respectively.

由上述可知，適當(dāng)減少種植業(yè)的化肥量，提高種植業(yè)和畜牧養(yǎng)殖生產(chǎn)效率，減少城鄉(xiāng)居民的食物浪費，能夠有效地提高棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)的磷元素利用效率，從而能夠更好地減少磷元素的排放，進(jìn)而促進(jìn)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)文明建設(shè)。

2.3 棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷環(huán)境效應(yīng)研究

棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素利用效率相對較低，其進(jìn)入到當(dāng)?shù)厮w之中的磷元素總量達(dá)到了226.51 t，故共需要1.1×10m的水資源來消納該污染物，即其灰水足跡總量達(dá)到了1.1×10m，相當(dāng)于煙臺水資源總量(2019年)的1.50倍(表6)，由此可見，棲霞市面臨著較為嚴(yán)重的污染性水資源短缺問題。近年來對畜禽糞尿資源化利用率不斷提高，由畜禽糞尿無序排放產(chǎn)生的水環(huán)境效應(yīng)得到緩解，2018年棲霞市畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)向水體排放磷元素79.34 t，其灰水足跡量達(dá)到了4.0×10m，占當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟系統(tǒng)總磷灰水足跡的35.0%。由于當(dāng)?shù)匚鬯幚砟芰ο鄬^高，使得城鎮(zhèn)居民消費子系統(tǒng)排入水體的磷元素較少，而農(nóng)村居民排放磷元素較多，使城鄉(xiāng)居民消費子系統(tǒng)成為水體磷負(fù)荷的主要來源，其造成的灰水足跡總量為5.3×10m，其中城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民分別占10.8%和89.2%。作為重要的農(nóng)作物生產(chǎn)基地，棲霞市農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)也產(chǎn)生較大的水環(huán)境壓力，其所產(chǎn)生的灰水足跡總量達(dá)到了2.0×10m，其中83.8%來自于果園種植系統(tǒng)，且果園種植的單位面積灰水足跡遠(yuǎn)高于其他農(nóng)作物種植系統(tǒng)。

表6 各子系統(tǒng)水土環(huán)境風(fēng)險

Table 6 Soil and water environment risk of each subsystem

子系統(tǒng)Subsystem種類Type灰水足跡/m3Greywaterfootprint單位面積灰水足跡/(103m3/hm2)GreywaterfootprintperunitareaRp畜禽養(yǎng)殖Livestockbreeding —4.0×108——果園Orchard1.7×1083.490.76農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖Agriculture一熟作物Singlecropping2.6×1071.080.50兩熟作物Doublecropping1.6×1061.440.56城鄉(xiāng)居民消費Urbanandruralconsumption城鎮(zhèn)居民消費Urbanconsumption5.8×107——農(nóng)村居民消費Ruralconsumption4.7×108——社會經(jīng)濟系統(tǒng)Socio-economicsystem —1.1×109——

與此同時，棲霞市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中有大量的磷元素積累于土壤中，使得當(dāng)?shù)赝寥烂媾R著嚴(yán)峻的土壤酸化的問題，其中果園種植土壤中積累的磷元素達(dá)到了8 197.72 t，

R

為0.76，磷輸入量超過安全閾值的3倍，遠(yuǎn)高于一熟作物與兩熟作物的土壤環(huán)境風(fēng)險；此外，一熟作物則處于尚安全的狀態(tài)，而兩熟作物仍面臨著一定的磷元素積累風(fēng)險問題。

由上述可知，棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)面臨著較為嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險壓力，尤其是農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)。如何更好地提高農(nóng)業(yè)種植磷利用效率，尤其是果園種植的磷利用效率，對于更好地改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要的作用與意義。

3 討 論

棲霞市化肥磷輸入量占社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷輸入量的比例超過90%，高于中國其他地區(qū)，是因為棲霞市農(nóng)業(yè)種植以果園為主，而果園單位面積磷投入量遠(yuǎn)高于一熟作物和兩熟作物，使得農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)磷輸入量較多。同時，在高磷投入條件下，2018年棲霞市單位農(nóng)地面積土壤磷元素盈余量為112.11 kg/hm，其數(shù)值低于海南省，但遠(yuǎn)高于歐盟20世紀(jì)90年代初農(nóng)場磷元素盈余水平(19.5 kg/hm)。此外，減少化肥投入量、提高資源利用效率能有效減少棲霞市的水土環(huán)境效應(yīng)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)化肥投入量減少25%時，土壤磷累積量減少2 822.41 t，徑流、淋溶方式損失到水體中的磷元素減少10.22 t，同時農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)產(chǎn)生的灰水足跡將會減少5.1×10m；當(dāng)畜禽糞尿利用率提高10%時，畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)排入水體的磷元素減少66.68 t，相應(yīng)產(chǎn)生的灰水足跡也將減少3.3×10m。

本研究探討了社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的主要磷元素流動情況，但對于不同子系統(tǒng)之間差異性原因探討相對較少；此外，本研究中對于土壤磷積累的環(huán)境風(fēng)險探討不夠深入，而其所導(dǎo)致的具體環(huán)境問題需要進(jìn)一步分析。因此，有必要進(jìn)一步對棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷流通及其環(huán)境效應(yīng)開展長時間的研究，并需要進(jìn)一步與其他地區(qū)進(jìn)行對比分析；未來的研究中還需要對如何更好地提高磷元素利用效率、減少磷元素排放產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險、社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素流動時空差異性等方面開展進(jìn)一步研究，從而為更好地開展區(qū)域磷元素管理和環(huán)境保護提供建議。

4 結(jié) 論

本研究基于物質(zhì)流分析與灰水足跡的理論框架與方法，研究了棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素流通模型，并探討了磷元素利用效率及其環(huán)境風(fēng)險壓力情況，主要結(jié)論如下：1)棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)磷元素輸入量相對較高，其中絕大多數(shù)外源磷輸入是以化肥投入到農(nóng)業(yè)種植子系統(tǒng)之中；2)棲霞市輸入的磷元素大部分儲存在當(dāng)?shù)氐乃w和土壤之中，而生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品及畜禽產(chǎn)品中所含的磷元素僅占16.6%；3)棲霞市當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟系統(tǒng)磷元素利用效率相對較低，且不同子系統(tǒng)存在較大的差異；4)棲霞市社會經(jīng)濟系統(tǒng)面臨著較大的水體和土壤磷環(huán)境風(fēng)險壓力，尤其是果園種植子系統(tǒng)；5)減少化肥投入量、提高資源利用效率有助于提高磷利用效率，同時降低棲霞市的水土環(huán)境風(fēng)險。