社會經(jīng)濟系統(tǒng)氮素流動及其環(huán)境負荷

賴敏+王偉力

摘要：以長江中下游城市群為例，運用物質流分析方法，定量識別了區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)的氮素流動過程及特征，評估和比較了農業(yè)生產、工業(yè)生產以及生活消費過程造成的環(huán)境氮負荷。研究結果表明，2011年長江中下游城市群社會經(jīng)濟系統(tǒng)的氮素輸入總量為993.56×104 t，氮素輸出總量為732.84×104 t，工業(yè)固氮、飼料進口和能源消費是新增氮素的主要來源，環(huán)境排放是最大的氮輸出方式。2011年整個系統(tǒng)向周圍環(huán)境排放的氮總量為760.99×104 t，其中向大氣、耕地和水體排放的比例分別占47.24%、19.42%和18.60%，6個子系統(tǒng)的環(huán)境氮排放貢獻排序依次為農業(yè)種植（43.83%）>工業(yè)生產（16.59%）>城市生活（16.14%）>畜禽養(yǎng)殖（13.96%）>水產養(yǎng)殖（6.08%）>農村生活（3.40%）。目前，農田施肥過度浪費、畜禽養(yǎng)殖與農業(yè)種植脫節(jié)且廢物處理率低、工業(yè)行業(yè)高耗能高污染以及機動車大量排放是造成長江中下游城市群環(huán)境氮負荷的主要原因。今后，在快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程以及大量農業(yè)活動中，農業(yè)種植子系統(tǒng)重點應減少肥料使用量和優(yōu)化用肥結構，尤其是大幅減少化肥投入；畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)應適當增加規(guī)?；B(yǎng)殖廢物還田比例，提高廢物資源化和綜合利用水平，統(tǒng)籌安排污染治理設施建設；工業(yè)生產子系統(tǒng)應積極推進企業(yè)清潔生產，調整和優(yōu)化工業(yè)能源結構，嚴格執(zhí)行高耗能高污染行業(yè)環(huán)境準入；生活消費子系統(tǒng)應在加強生活污染治理、廢物資源化利用的同時，嚴格控制機動車尾氣排放標準。

關鍵詞：物質流分析；氮；環(huán)境負荷；社會經(jīng)濟系統(tǒng)

中圖分類號：X321 文獻標識碼：A 文章編號：1002-2104（2015）12-0015-10

氮是維持動植物生長和人體健康所必需的營養(yǎng)元素，同時，也是溫室氣體、光化學煙霧、酸雨、營養(yǎng)性污染物等的主要組成元素。20世紀以來，在人類活動的干擾下，全球氮素的生物地球化學循環(huán)過程發(fā)生了深刻變化，一方面促使工農業(yè)產品得到較快增產，另一方面卻對環(huán)境造成水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、大氣污染等諸多負面影響[1-2]。Vitousek等人的研究結果表明，當今世界面臨的十大環(huán)境問題中，一半以上與人類活動對氮循環(huán)的改變有關[3]。隨著人口的增長和工業(yè)化水平的提高，社會經(jīng)濟發(fā)展對全球和區(qū)域氮循環(huán)的擾動日益加劇，許多國家和地區(qū)因氮循環(huán)失衡導致的環(huán)境污染正日趨嚴重[4-5]。在此背景下，近幾十年來，國內外紛紛從各種角度展開了對社會經(jīng)濟系統(tǒng)氮素流動過程、循環(huán)利用以及環(huán)境排放情況的探討，研究涵蓋了全球[6]、國家[7-8]、區(qū)域[9]、城市[10]等多個層面。由于受自然地理、環(huán)境條件和社會經(jīng)濟等因素的影響，不同空間尺度下氮素的輸移路徑、利用水平以及排放方式存在較大差異，而目前的國內研究大都局限于某一特定過程的氮流分析，缺乏對不同氮流過程及其環(huán)境影響的整合考慮[11]，因此，本文以長江中下游城市群為例，運用物質流分析方法，全面分析氮素在區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)的流動過程，識別不同生產、消費過程對環(huán)境氮負荷的貢獻及其產生的根源，進而提出有利于提高資源利用效率、減少污染物排放的區(qū)域氮素調控對策和建議。

1研究區(qū)概況

長江中下游城市群（YRUA）地處我國中部，位于110°24′-119°38′E和26°02′-33°13′N之間，行政區(qū)域涉及湖北、湖南、江西、安徽4省的25個地級市和3個省直轄區(qū)域，涵蓋武漢城市圈、長株潭城市群、鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)和皖江城市帶4個城市群，土地總面積26.34×104 km2。該區(qū)處于亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫14-18℃，年降水量800-1 400 mm，區(qū)內河汊縱橫，湖泊密布，是長江、淮河等重要流域的關鍵區(qū)域，也是我國淡水湖泊分布最集中的地區(qū)。2011年YRUA常住人口1.07億人，其中城鎮(zhèn)人口5 625.79萬人，人口密度429 cap/km2，是全國平均水平的1.6倍。自“促進中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略”實施以來，該區(qū)域經(jīng)濟規(guī)模持續(xù)快速增長，2011年國內生產總值（GDP）突破4 000億元，人均GDP達到37 323元。地區(qū)產業(yè)以能源重化工等初級產品、粗加工生產行業(yè)為主，工業(yè)污染排放效率較低；農業(yè)種植以稻谷、油料為主。

2資料與方法

2.1物質流分析

本文采用物質流分析方法，根據(jù)質量守恒定律（輸入=輸出+累積），定量追蹤YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)氮素的產生、遷移、轉化、釋放和歸宿過程。綜合考慮研究目的、研究區(qū)特點和數(shù)據(jù)可獲取性等因素，將YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)劃分為農業(yè)生產子系統(tǒng)（包括農業(yè)種植子系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)和水產養(yǎng)殖子系統(tǒng)）、工業(yè)生產子系統(tǒng)以及生活消費子系統(tǒng)（包括城市生活子系統(tǒng)和農村生活子系統(tǒng)）。采用文獻調研、專家咨詢和實地考察等方法，全面剖析社會經(jīng)濟子系統(tǒng)內部各要素之間、各社會經(jīng)濟子系統(tǒng)之間以及社會經(jīng)濟系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)之間的氮素輸入輸出關系，從而識別氮素流動和循環(huán)的主要特征。

2.2數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的耕地面積、播種面積、化肥施用量、農產品產量、畜禽養(yǎng)殖量、畜禽產品產量、水產養(yǎng)殖面積、漁業(yè)產品產量、氮肥生產量、工業(yè)產品產量、加工農畜產品產量、燃料消費量、人口數(shù)量以及機動車數(shù)量等基本統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過2012年湖北、湖南、江西、安徽省統(tǒng)計年鑒、市統(tǒng)計年鑒、農村統(tǒng)計年鑒和環(huán)境統(tǒng)計年鑒獲得。同時，通過對文獻資料進行整理匯總，獲得氮流核算所需的相關參數(shù)。

2.3核算方法

2.3.1農業(yè)種植子系統(tǒng)

農業(yè)種植子系統(tǒng)氮素輸入量和輸出量的計算公式如下：

2.3.2畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)

畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)氮素輸入量和輸出量的計算公式如下：

3結果與分析

由于核算過程所需數(shù)據(jù)是以市為最小單元進行匯總、整理和分析，而城市層面上沒有進出口貿易相關的統(tǒng)計資料，因此本文遵循就近原則，對各子系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內外的物質關聯(lián)進行了簡化，即系統(tǒng)內生產的物質優(yōu)先滿足系統(tǒng)內的需求，不足或剩余的產品由系統(tǒng)外輸入或輸出[44]。例如，工業(yè)生產子系統(tǒng)產出的化肥依次優(yōu)先提供給水產養(yǎng)殖子系統(tǒng)和農業(yè)種植子系統(tǒng)，不足的化肥消費量則從系統(tǒng)外購入。據(jù)此，按照前述核算方法，得到2011年YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)的氮物質流情況（圖1）。

3.1輸入輸出特征

2011年YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)氮素輸入總量為993.56×104 t，輸出總量為732.84×104 t。從氮素輸入結構來看，工業(yè)固氮、飼料進口和能源消費分別占氮素輸入總量的39.12%、28.27%和20.46%。從氮素輸出結構來看，物質產品出口僅占氮素總輸出量的31.64%，環(huán)境排放才是最大的氮輸出形式，其中大氣排放、地表水排放分別占氮素輸出總量的49.05%和15.40%。在6個社會經(jīng)濟子系統(tǒng)中，工業(yè)生產氮素輸入量最高（678.23×104 t），其次為農業(yè)種植（471.33×104 t），農村生活氮素輸入量最?。?2.77×104 t），城市生活氮素消費量是農村生活的3.79倍。各子系統(tǒng)氮流的主要源與匯見表5。

3.2環(huán)境負荷特征

由社會經(jīng)濟系統(tǒng)進入環(huán)境的氮排放途徑包括大氣、耕地、非耕地、水體、水體底泥以及人體吸收。2011年YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)向周圍環(huán)境排放的氮總量為760.99×104 t，其中向大氣排放的比例最大，占47.24%，耕地、水體次之，分別占19.42%和18.60%，而向其他環(huán)境排放的比例累積不到15%（圖2a）。在6個社會經(jīng)濟子系統(tǒng)中，農業(yè)種植向環(huán)境排放的比例最大，占43.83%，工業(yè)生產、城市生活次之，分別占16.59%和16.14%，而其他子系統(tǒng)向環(huán)境排放的比例累積23.44%（圖2b）。

通過分析區(qū)域氮排放結構特征發(fā)現(xiàn)（圖2b），大氣環(huán)境潛在污染物的兩大來源依次為農業(yè)種植和工業(yè)生產，大氣氮排放比例分別占30.70%和30.20%。除此之外，農業(yè)種植對水體和耕地污染的貢獻水平也最高，2011年該子系統(tǒng)盈余在耕地的氮負荷量為147.80×104 t，因徑流和淋失向水體輸出氮為75.37×104 t，目前已成為危害該區(qū)域土壤質量和水質健康的首要因素之一。就非耕地環(huán)境而言，2011年全區(qū)累積在非耕地的氮負荷量為100.54×104 t，其中49.57%經(jīng)過填埋、堆肥、焚燒等方式得到技術處理，24.17%為直接廢棄物，可能對人類健康和福利產生負面效應，其余26.26%沒有快速循環(huán)回環(huán)境，而是積累在人類居住區(qū)。

3.3利用效率特征

氮素利用效率指的是在系統(tǒng)內或系統(tǒng)外具有使用價值的氮輸出比率，通?？梢赃x擇氮素生產利用率和氮素循環(huán)利用率兩個重要指標來描述[45]。

在工農業(yè)生產子系統(tǒng)中，氮素生產利用率是指工農業(yè)產品氮收獲量占氮素輸入總量的比率；由于生活消費子系統(tǒng)不具有生產性質，故不考慮其生產利用率。核算結果表明（圖3a），2011年YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)的氮素生產利用率為45.70%，其中工業(yè)生產的氮素生產利用率也較高（81.38%），原因在于該子系統(tǒng)本身屬于加工部門，且技術水平相對較高；農業(yè)生產的氮素生產利用率很低，主要是由于人為氮營養(yǎng)投入量過大，遠遠超出動植物生長需求。

在農業(yè)生產子系統(tǒng)中，氮素循環(huán)利用率是指種養(yǎng)廢物用作飼料、沼氣、還田、堆肥的氮養(yǎng)分量占種養(yǎng)廢物農業(yè)生產氮總量的比率；在生活消費子系統(tǒng)中，氮素循環(huán)利用率是指人體糞尿和生活垃圾用作堆肥、還田的氮養(yǎng)分量占人糞尿、生活垃圾總氮量的比率；這里暫不考慮工業(yè)廢物的循環(huán)利用情況。核算結果表明（圖3b），農業(yè)生產的氮養(yǎng)分循環(huán)利用率較高，其中畜禽養(yǎng)殖的氮養(yǎng)分循環(huán)利用率達到71.50%，主要原因是畜禽廢物的還田比例較高（54.38%），同時還有大量的廢物被用于制作飼料、沼氣及堆肥。在生活消費子系統(tǒng)中，城市生活的氮養(yǎng)分循環(huán)利用率僅為11.16%，比農村生活低約40個百分點。盡管城市生活污水、生活垃圾集中式處理水平較高，但處理方式主要為填埋和焚燒，真正得到循環(huán)利用的比例非常小。

4結論與討論

（1）本文基于物質流分析方法，定量識別了YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)氮素的流動過程，評估和比較了農業(yè)生產、工業(yè)生產以及生活消費過程對環(huán)境氮負荷的影響。研究結果表明，2011年YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)氮素輸入總量為993.56×104 t，氮素輸出總量為732.84×104 t，工農業(yè)生產作為氮素流動的核心，決定了整個系統(tǒng)氮素的投入與輸出。工農業(yè)產品氮收獲量為303.03×104 t，其中76.51%被輸送到系統(tǒng)外，說明系統(tǒng)外產品消費是促進整個系統(tǒng)氮素流動的主要驅動力。綜合前面的分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)外以生產資料的形式向系統(tǒng)內輸送了大量氮流，系統(tǒng)內又以產品的形式將一部分氮流返還到系統(tǒng)外，在這個產品生產、加工過程中，系統(tǒng)外向系統(tǒng)內轉嫁的環(huán)境氮負荷量高達461.17×104 t，占全區(qū)環(huán)境氮負荷總量的60.60%。YRUA作為全國重點開發(fā)區(qū)域和重要糧食生產基地，未來開發(fā)規(guī)模與強度將進一步加大，區(qū)域發(fā)展需求和污染物排放之間的矛盾將進一步加深。在快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程以及大量農業(yè)活動中，如何科學控制生產部門的環(huán)境氮排放將成為該地區(qū)降低氮素污染風險亟待解決的關鍵問題。

（2）2011年YRUA社會經(jīng)濟系統(tǒng)向周圍環(huán)境排放的氮總量為760.99×104 t，其中農業(yè)種植的排放比例最大，占43.83%，是YRUA控制氮排放的關鍵子系統(tǒng)。根據(jù)前文的核算結果，農業(yè)種植的氮素輸入總量為471.33×104 t，肥料投入占了將近90%，而當年農作物生長的氮吸收量為154.94×104 t，僅占該子系統(tǒng)氮素輸入總量的32.87%，其余沒有被吸收利用的氮素均流失到環(huán)境中。由此可見，肥料使用過度浪費、氮素利用效率低下是農業(yè)種植引起環(huán)境氮負荷的根本原因。從肥料的施用水平來看，全區(qū)施氮強度在162.34-729.45 kg/hm2之間，平均值為327.69 kg/hm2，遠遠超過歐盟規(guī)定的農田氮素養(yǎng)分投入標準（275 kg/hm2）[46]。從肥料的施用結構來看，化肥氮投入是有機肥氮投入的1.32倍，化肥氮的施用量為186.79 kg/hm2，超出了朱兆良[47]建議的化肥施氮限量標準（180 kg/hm2），有機糞肥氮的施用量為131.93 kg/hm2，低于發(fā)達國家規(guī)定的糞肥氮最高投入限額（170.00 kg/hm2）[48]。因此，農業(yè)種植控制氮排放的重點在于減少肥料使用量，尤其是大幅減少化肥投入，同時優(yōu)化用肥結構，增施有機肥和高效緩釋肥。具體可以通過測土配方施肥技術，根據(jù)作物的生長特性、需肥規(guī)律、土壤的供肥性能以及農業(yè)生產的區(qū)域特征，有針對性地制定肥料的施用數(shù)量、施用比例、施肥時間以及施用方式，提高肥料利用率，避免盲目施肥造成的氮養(yǎng)分流失。