珠江三角洲地區(qū)磷收支估算研究

謝麗純， 陳建耀， 薛積彬

(1.廣東財(cái)經(jīng)大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，廣州 510320；2.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣州 510275； 3.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣州 510631)

在自然界中，磷沒(méi)有穩(wěn)定的氣態(tài)存在形式，它主要靠吸附于顆粒進(jìn)行擴(kuò)散、傳播，限制了其在大氣中的存留時(shí)間和全球性擴(kuò)散[1].與磷循環(huán)有關(guān)的一些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題(諸如水體富營(yíng)養(yǎng)化等)進(jìn)一步加劇，全球約60%左右的人口都生活在近海岸帶地區(qū)(<100 km)，由于接受過(guò)量營(yíng)養(yǎng)元素而導(dǎo)致的海岸帶地區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前區(qū)域性乃至全球性的重要議題[2-3].

近年來(lái)，在估算區(qū)域性磷收支方面受到廣泛關(guān)注[1,4-8]，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城市化過(guò)程顯著、人口密集的珠江三角洲地區(qū)，尚未見(jiàn)有關(guān)于磷收支評(píng)估的報(bào)道.本文以珠江三角洲地區(qū)作為研究區(qū)，選擇了過(guò)去3個(gè)“五年計(jì)劃”的收官之年2000年、2005年和2010年作為特征年份，通過(guò)對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和人口等相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，探討了在過(guò)去10年中城市化進(jìn)程迅速、人類活動(dòng)加強(qiáng)的背景下，該地區(qū)磷收支變化的階段性特征以及區(qū)域內(nèi)部差異，以期增強(qiáng)對(duì)該地區(qū)磷收支的理解與管理.

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文涉及的珠江三角洲地區(qū)包括廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門和肇慶市[9]，國(guó)土總面積約5.5×104km2，約占廣東全省面積的30.4%，總?cè)丝诩s5 600萬(wàn)，約占全省總?cè)丝诘?0.8%(據(jù)2010年數(shù)據(jù)).統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源于歷年《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》，包括國(guó)土面積、人口、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)保等，涉及指標(biāo)共12類，部分指標(biāo)列于表1.

1.2 估算方法

區(qū)域性磷收支過(guò)程主要包括磷的輸入、輸出和盈余3個(gè)環(huán)節(jié). 通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與分析，計(jì)算磷的輸入、輸出.

1.2.1 磷的輸入 區(qū)域內(nèi)磷的輸入主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥施用磷、人畜排泄物磷、大氣干濕沉降磷及部分返田作物殘?bào)w帶來(lái)的磷. 為簡(jiǎn)化處理，不考慮自然狀態(tài)下土壤風(fēng)化釋放以及農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)出口等磷的收支情況，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與計(jì)算方法如下：

(1)化肥磷：根據(jù)廣東省2000年、2005年和2010年施用的磷肥折純量和各市農(nóng)作物播種面積占全省農(nóng)作物播種面積的比例分開(kāi)計(jì)算.其中，農(nóng)作物播種面積為糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和其他農(nóng)作物之和.

(2)人畜排泄物磷：按照年鑒中歷年全省、各市人口和豬、牛存欄量及其各自的固磷轉(zhuǎn)換參數(shù)分開(kāi)計(jì)算.參照Russell等[6]提供的數(shù)據(jù)，人、豬和牛的磷輸入?yún)?shù)分別約為1.00、3.03和16.06 kg·a-1，據(jù)此乘以數(shù)量即人畜排泄物含磷總量，其中成年人口按總?cè)丝诘?5%計(jì)算.

表1 2010年珠三角地區(qū)九市部分情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Selected statistics data of the nine cities in the Pearl River Delta in 2010

(3)大氣干濕沉降磷：珠三角地區(qū)大氣磷的干濕總沉降通量參照樊敏玲等[10]提供的中山橫門地區(qū)大氣磷的干濕總沉降通量(約0.055 g·m-2·a-1)來(lái)計(jì)算.

(4)作物殘?bào)w磷：以殘?bào)w部分/食用部分比值計(jì)算作物殘?bào)w部分的質(zhì)量[11]，在作物收獲部分中，約38%左右的作物殘?bào)w將以肥料的形式返回農(nóng)田[12]，因此在計(jì)算返田作物殘?bào)w的磷輸入量時(shí)僅計(jì)算38%的作物殘?bào)w所包含的磷.不同作物殘?bào)w含磷量參照表2[7,11].

表2各類農(nóng)作物莖葉種子質(zhì)量比及其磷含量

Table 2 The stems/seeds ratio and phosphorus concentration in different crops

作物種類磷含量[7]/%種子(果實(shí))莖葉(秸稈)莖葉/種子質(zhì)量比[11]稻谷類0.360.131.2豆類0.480.201.6油料(花生)0.310.151.7蔬菜0.10-0.5

1.2.2 磷的輸出 磷輸出主要考慮作物收獲部分帶走的磷、畜禽存儲(chǔ)的磷和土壤侵蝕、水土流失等途徑損失的磷. 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與計(jì)算方法如下：

(1)土壤侵蝕、水土流失損失的磷：土壤侵蝕、徑流淋洗和水土流失是區(qū)域內(nèi)磷流失的重要途徑，本文依據(jù)楊勝天等[13]提供的珠江流域因土壤侵蝕、水土流失等所導(dǎo)致的單位面積平均磷流失量(約95 kg·km-2)來(lái)進(jìn)行估算.

(2)作物收獲帶走的磷：作物收獲部分包括食用部分與非食用部分. 根據(jù)各種作物莖葉/種子質(zhì)量比以及不同部位的平均含磷量(表2)，對(duì)作物收獲部分帶走的磷分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算.

(3)畜禽儲(chǔ)存的磷：參照Russell等[6]提供的數(shù)據(jù)，扣除掉以排泄物形式返還到環(huán)境中的磷外，一頭豬和一頭牛每年在其活體內(nèi)儲(chǔ)存的磷分別為0.82和6.02 kg·a-1，乘以數(shù)量即為畜禽活體從環(huán)境中帶走的磷.

(4)徑流輸出磷：根據(jù)不同土地利用類型下磷的徑流遷移系數(shù)(旱地和水田分別為1.65和0.45 kg·hm-2·a-1)[8]，結(jié)合同一時(shí)期種植面積，分別計(jì)算了不同時(shí)期通過(guò)徑流輸出的磷量.

2 結(jié)果與討論

2.1 珠三角地區(qū)磷收支總體情況

根據(jù)珠三角地區(qū)九市2000年、2005年和2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，估算了磷收支的總體變化情況(表3). 磷輸入總量在2005年比2000年稍有下降，2010年比2000年略有增加，變化幅度約6%，然而，磷輸出總量近10來(lái)年則顯著減少，2010年的磷輸出量比2000年縮減了約25%.由于磷輸入、輸出量之間的非協(xié)同變化，導(dǎo)致珠三角地區(qū)的磷盈余量明顯增加，單位面積磷盈余量隨之增加.實(shí)際上，當(dāng)區(qū)域內(nèi)磷的輸入與輸出量出現(xiàn)不均衡時(shí)，造成土壤貧瘠或水體富營(yíng)養(yǎng)化等污染潛勢(shì). 在過(guò)去10年中，珠三角地區(qū)的磷盈余總量及單位面積磷盈余量均出現(xiàn)不同程度的增加，表明磷素污染潛勢(shì)日益加劇，科學(xué)、合理的管理好本地區(qū)的磷收支已經(jīng)成為當(dāng)前珠三角地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù).

表3不同時(shí)期珠三角地區(qū)磷收支總體情況

Table 3 Phosphorus budgets of the Pearl River Delta in the past decade

磷收支年份200020052010輸入磷/t144 506.38138 771.14147 317.40輸出磷/t52 635.8045 584.8139 484.53磷盈余量/t91 870.5893 186.34107 832.88單位面積磷盈余量/(kg·hm-2·a-1)16.7917.0319.70

2.2 珠三角地區(qū)磷輸入量及其地區(qū)差異

圖1表明，在過(guò)去3個(gè)不同時(shí)期，珠三角地區(qū)磷輸入的最大來(lái)源均為人畜排泄物磷，其歷年貢獻(xiàn)量均占輸入磷總量的50%以上，其次為化肥磷，其平均貢獻(xiàn)量約43%，而大氣磷干濕沉降量和作物殘?bào)w磷所占比例甚小，兩者貢獻(xiàn)量之和不足5%.這一結(jié)果同國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的研究[7,8]基本一致，人畜排泄物磷和化肥磷是區(qū)域內(nèi)磷輸入的主要來(lái)源. 其原因在于，珠三角地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展情況良好，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口數(shù)量眾多，以及由此引發(fā)對(duì)肉類、蛋禽、奶類等的需求量巨大，豬、牛等牲畜的畜養(yǎng)量很大，使該地區(qū)人畜排泄物成為磷輸入的重要來(lái)源.化肥磷輸入是珠三角地區(qū)磷輸入量中僅次于人畜排泄物磷的另一重要來(lái)源，主要源于該地區(qū)農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，化肥施用量普遍較高. 土壤侵蝕、水土流失等途徑損失的磷量相應(yīng)增加.另一個(gè)顯著特點(diǎn)是，從不同磷輸入源的數(shù)量變化來(lái)看，人畜排泄物磷的輸入量逐年增大，2000、2005和2010年磷輸入量分別為72 434.87、74 834.97、80 074.78 t；與此相反，作物殘?bào)w磷的輸入量在過(guò)去10年中呈下降趨勢(shì)，分別為2 850.72、1 693.14、1 405.76 t，在10年間總量減少了50%.上述現(xiàn)象在一定程度上反映了近10年來(lái)珠三角地區(qū)人口(特別是大量外來(lái)務(wù)工人員)數(shù)量的大幅度增加，而作物殘?bào)w磷輸入量的減少說(shuō)明城市化發(fā)展較為迅速，農(nóng)業(yè)種植面積有所降低.

圖1 不同時(shí)期珠三角洲地區(qū)磷輸入來(lái)源分布情況

Figure 1 Distribution and comparison of the phosphorus inputs in different periods

珠三角各地區(qū)磷輸入量具有顯著的區(qū)域差異(圖2), 圖中虛線表示珠三角地區(qū)平均狀況，以肇慶地區(qū)磷輸入總量最大，其余依次為廣州、江門、惠州、佛山、東莞、深圳、中山、珠海，說(shuō)明肇慶、江門、惠州等地區(qū)農(nóng)業(yè)種植面積相對(duì)較大，化肥磷施用量大，化肥輸入磷成為這些地區(qū)磷輸入的重要來(lái)源.佛山、東莞、深圳、中山和珠海的農(nóng)業(yè)種植面積較小，化肥的需求量較小，使人畜排泄物磷成為這幾個(gè)城市磷輸入的重要來(lái)源. 廣州市面積較大、人口眾多，且農(nóng)業(yè)種植面積大，使得化肥磷和人畜排泄物磷兩者所占比例基本相當(dāng).

圖2 不同時(shí)期珠三角地區(qū)各市磷輸入總量和單位面積輸入量

從各地區(qū)單位面積磷輸入量(圖2)來(lái)看，除了深圳、東莞和珠海歷年變化較為顯著之外，其余城市總體變化幅度不大. 深圳的單位面積磷輸入量由2000年的37.68 kg·hm-2·a-1持續(xù)上升至2010年的48.86 kg·hm-2·a-1，其中，以人畜排泄物磷的貢獻(xiàn)量為最大并逐年增長(zhǎng)，2000, 2005和2010年磷輸入總量分別為6 837.24、7 417.0和9 130.89 t，在10年間總量增加了約33%. 同2000年相比，東莞和珠海在2010年的單位面積磷輸入量均有顯著降低，而化肥磷輸入量的顯著減少是主要原因. 特別是珠海的化肥磷輸入量從2000年的4 430.55 t下降至2010年的843.08 t，在10年間總量縮減了約80%，反映了珠海市農(nóng)業(yè)種植面積的減少以及快速的城市化發(fā)展過(guò)程.

2.3 珠三角地區(qū)磷輸出量及其地區(qū)差異

不同時(shí)期珠三角地區(qū)磷輸出的計(jì)算結(jié)果(圖3)表明，珠三角地區(qū)磷輸出途徑主要以農(nóng)作物收獲帶走的磷為主，其貢獻(xiàn)量約占全部磷輸出總量的60%以上，其次為畜禽存貯的磷，約占23%左右，經(jīng)土壤侵蝕和水土流失等損失的磷所占份額相對(duì)較小，平均約占11%左右，通過(guò)徑流損失的磷數(shù)量最少，約占2%左右.與王曉燕等[7]、劉京等[8]的研究一致，揭示了農(nóng)作物收獲帶走的磷是區(qū)域內(nèi)磷輸出的最主要途徑. 珠三角地區(qū)平原分布面積較廣，植被覆蓋度較好，水土保持工程和措施較為理想，因此珠三角地區(qū)因土壤侵蝕、水土流失等途徑損失的磷所占份額相對(duì)較少.

圖3 不同時(shí)期珠三角地區(qū)磷輸出途徑的分布

Figure 3 Distribution and comparison of the phosphorus outputs in different periods

圖4是不同時(shí)期珠三角地區(qū)磷輸出總量，虛線表示平均值，磷輸出總量呈逐年降低趨勢(shì)，從2000年的5 848.42 t降至2010年的4 387.16 t. 貢獻(xiàn)量最大的是作物收獲帶走的磷，其輸出量從2000年的36 150.91 t減少至2010年的24 753.81 t，在10年間數(shù)量減少了約1/3，說(shuō)明珠三角地區(qū)作物種植面積有所減少；其次為畜禽存儲(chǔ)的磷，2010年磷輸出量較2000年時(shí)減少了約1 800 t.在磷輸出的地區(qū)分布上，磷輸出量最多的是肇慶，其余依次是江門、惠州、廣州、佛山、中山、東莞、珠海、深圳，說(shuō)明與農(nóng)業(yè)種植面積、畜禽飼養(yǎng)量以及水土保持情況具有重要關(guān)系.特別是肇慶、江門和惠州3個(gè)地區(qū)，每年都會(huì)因農(nóng)作物收獲而帶走大量的磷.此外，珠三角地區(qū)單位面積磷輸出量顯著降低.佛山、廣州、江門、肇慶、中山等城市的單位面積磷輸出量仍然偏高.

圖4 不同時(shí)期珠三角地區(qū)各市磷輸出總量和單位面積輸出量

2.4 珠三角地區(qū)磷盈余變化

對(duì)珠三角地區(qū)磷盈余量的計(jì)算結(jié)果(表3，圖5)發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去10年中，珠三角地區(qū)的磷盈余總量逐年增加，由2000年的91 870.58 t增加到2010年的107 832.88 t. 從整個(gè)珠三角地區(qū)單位面積磷盈余量的階段變化來(lái)看，2000、2005和2010年分別為16.79、17.03和19.70 kg·hm-2·a-1，呈增長(zhǎng)趨勢(shì).同國(guó)內(nèi)其他小流域[8]的磷盈余量相比，珠三角地區(qū)的單位面積磷盈余量尚偏低，略低于全國(guó)平均水平[14]. 從地區(qū)分布來(lái)看，珠三角地區(qū)磷盈余總量變化具有顯著的區(qū)域差異，尤以肇慶磷盈余總量最大，其余依次為廣州、江門、惠州、佛山、東莞、深圳、中山、珠海.從單位面積磷盈余量的平均狀況來(lái)看，最高的是深圳，其余依次是東莞、佛山、廣州、中山、珠海、江門、肇慶、惠州，特別是對(duì)于深圳、東莞、佛山、廣州和中山等城市而言，其單位面積磷盈余量明顯高于珠三角地區(qū)的平均水平，意味著上述5個(gè)城市的環(huán)境中潛在的磷素污染形勢(shì)更為嚴(yán)峻.

圖5 不同時(shí)期珠三角地區(qū)各市磷盈余總量和單位面積盈余量

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2000年、2005年和2010年特征時(shí)段，珠三角地區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、自然條件和人口分布等相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，探討了該地區(qū)在過(guò)去10年中的磷收支演變情勢(shì)及其區(qū)域內(nèi)部差異.結(jié)果表明，在過(guò)去的3個(gè)不同時(shí)段：

(1)珠三角地區(qū)磷的輸入、輸出總量變化不同步. 導(dǎo)致珠三角地區(qū)的磷盈余量呈現(xiàn)出較為明顯的增加趨勢(shì)，單位面積磷盈余量也隨之增加.

(2)在珠三角地區(qū)，人畜排泄物磷和化肥磷是磷輸入的主要來(lái)源，作物收獲帶走的磷是區(qū)域內(nèi)磷損失的主要途徑.反映了近10年來(lái)人口(特別是外來(lái)人口)數(shù)量增加，城市化快速發(fā)展、農(nóng)業(yè)種植面積及糧食產(chǎn)量等下降.

(3)珠三角地區(qū)磷收支變化具有顯著的內(nèi)部區(qū)域差異.特別是深圳、東莞、佛山、廣州和中山等城市潛在的磷素污染形勢(shì)較為嚴(yán)峻.

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