城市食物磷足跡研究
——以龍巖市為例

許 肅,黃云鳳,高 兵,黃 葳,崔勝輝,*

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 廈門市城市代謝重點實驗室,廈門 361021 4 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,廈門 361021

城市食物磷足跡研究
——以龍巖市為例

許 肅1,2,3,黃云鳳4,高 兵1,2,3,黃 葳1,2,3,崔勝輝1,2,3,*

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 廈門市城市代謝重點實驗室,廈門 361021 4 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,廈門 361021

運用物質(zhì)流分析法,以龍巖市為例,分析了1985—2010年城市食物磷代謝的變化,估算了食物磷足跡。研究表明,龍巖市總磷輸入和總磷輸出都有明顯的增長(總磷輸入從4110 t增加到12102 t,總磷輸出從3855 t增加到11315 t)；總磷足跡從6482 t增加到20473 t,直接磷足跡的比例從53%下降到42%；而間接磷足跡的增速明顯高于直接磷足跡；龍巖市在城市尺度上是重要的磷匯,在流域尺度上則是重要的磷源。磷足跡的研究有助于全面理解和評估城市磷代謝的特征；將磷足跡與磷流動分析結(jié)合,對我國磷資源和區(qū)域磷素管理調(diào)控具有指導(dǎo)意義。

食物；磷足跡；城市代謝；物質(zhì)流分析；龍巖市

磷是所有生命必需的營養(yǎng)元素,同時也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵要素[1]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中,人類通過開采磷礦石,生產(chǎn)出無機磷肥,并施用到農(nóng)田土壤中,從而獲得農(nóng)作物的高產(chǎn)[2-3],以滿足自身對食物的需求。但是,隨著無機磷肥投入的不斷增加,有限的磷資源正逐漸被消耗殆盡[4]；而磷肥的大量施用,也帶來了水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[5-6]。中國擁有世界第二大的磷礦石資源,同時也是最大的磷肥生產(chǎn)者和消費者[7]。在我國經(jīng)濟不斷增長和城市化進程的背景下,一方面城市生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為了主要的磷代謝區(qū)域,另一方面城市也面臨著食物安全和水體環(huán)境日益惡化的雙重挑戰(zhàn)[8],而是否能夠合理利用磷資源,是解決以上兩大問題的關(guān)鍵。因此,分析研究磷在我國城市食物生產(chǎn)和消費等過程中的流動,對于磷資源的保護、糧食安全問題和水體環(huán)境治理都具有重要意義。

以往的研究表明,磷礦石被開采出來后,經(jīng)過篩選、加工等過程后,大約有90%的磷被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(化肥、農(nóng)藥等),只有10%被用于工業(yè)制造(制藥、紡織等)[9],又由于各種工業(yè)活動較為復(fù)雜,難以準(zhǔn)確計算工業(yè)品的磷含量,因此食物磷的研究一直被作為磷物質(zhì)流研究的主要方面。例如,Cordell等通過估算,認(rèn)為全球每年有1.75×107t磷礦石被開采,而其中57%的磷在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食物供應(yīng)過程中流失[9]；Cordell等還研究了澳大利亞的食物系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)占到了當(dāng)?shù)?0%的磷需求[10]；在城市尺度上,Metson等運用空間分析的方法定量地確定了美國鳳凰城地區(qū)的磷流和磷匯,發(fā)現(xiàn)在城市內(nèi)部,磷流由食物和飼料以及人畜糞尿的轉(zhuǎn)移來決定[8]。在我國磷代謝研究方面,劉毅運用物質(zhì)流分析和產(chǎn)業(yè)理論,建立了靜態(tài)物質(zhì)流分析模型,分別從國家和區(qū)域兩個層次識別了我國磷代謝的主要特征及其發(fā)展趨勢,深入地分析了我國水體富營養(yǎng)化的控制策略[11]。除了國家尺度,一些典型的農(nóng)業(yè)型城鎮(zhèn)的磷代謝,如龍巖[12]、肥西[13]等,也受到學(xué)者的關(guān)注。另外,由于我國湖泊富營養(yǎng)化較為嚴(yán)重,因此流域?qū)哟蔚牧状x也逐步受到重視,如學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)巢湖流域農(nóng)業(yè)輸入磷在35年間增長了5倍[14]。

然而,大多數(shù)磷素的研究只是關(guān)注生產(chǎn)食物或者產(chǎn)品本身需要投入多少磷,卻忽略了除了直接投入磷素以外,其它“看不見”的磷素投入。本文通過研究食物生產(chǎn)和消費等過程的磷流動,運用磷足跡的概念,以福建省龍巖市為例,全面地分析食物生產(chǎn)和消費等過程中的磷素利用情況,從而回答以下3個科學(xué)問題,期望能夠?qū)ξ覈踪Y源的利用和管理起到指導(dǎo)作用：(1)如何定義磷足跡,并進行估算？(2)城市化進程中龍巖市食物磷足跡是如何變化的？(3)龍巖食物磷足跡的結(jié)果對我國城市磷調(diào)控和管理有何啟發(fā)？

1 材料與方法

1.1 磷物質(zhì)流分析模型和計算過程

為了考察龍巖市食物磷的源、匯和過程,在綜合考慮龍巖市的實際情況,數(shù)據(jù)的可獲得和理論假設(shè)下,參考已有的城市磷代謝研究模型[12,15],首先建立龍巖市食物磷物質(zhì)流模型(圖1),將龍巖市社會經(jīng)濟系統(tǒng)中涉及食物生產(chǎn)和消費的部分劃分為作物種植子系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)和人類消費子系統(tǒng),然后采用物質(zhì)流分析法(Substance flow analysis),以統(tǒng)計年鑒和相關(guān)文獻作為基礎(chǔ),計算各子系統(tǒng)之間的磷流和存量。其中,作物種植系統(tǒng)包括作物和農(nóng)田土壤；畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)包括牲畜和家禽；人類消費系統(tǒng)包括研究區(qū)內(nèi)的城市人口和農(nóng)村人口。模型的理論假設(shè)為：(1)本地生產(chǎn)的食物首先滿足本地居民對食物的需求,多余的部分才通過貿(mào)易供給其它城市；(2)由于龍巖是一個處于沿海地區(qū)與內(nèi)陸腹地結(jié)合部的城市,因此居民消費的水產(chǎn)品大部分是海產(chǎn)品,假定海產(chǎn)品全部通過貿(mào)易進口；(3)因為在社會經(jīng)濟系統(tǒng)中,磷代謝主要是由人為磷流作為主導(dǎo),所以一些流量小的自然過程磷流就不予以考慮(例如大氣磷沉降)；(4)人類消費系統(tǒng)的磷輸入和輸出基本達到平衡,人體內(nèi)的磷累積不予以考慮。

圖1 龍巖市食物磷代謝概念模型Fig.1 Concept model of Food phosphorus metabolism in Longyan City

本研究的數(shù)據(jù)主要來自官方的統(tǒng)計年鑒,公開發(fā)表的文獻和實地調(diào)查。官方統(tǒng)計年鑒包括龍巖統(tǒng)計年鑒1986—2011年和福建統(tǒng)計年鑒1986—2011年。還采訪了約30名農(nóng)民從事家禽養(yǎng)殖,獲得當(dāng)?shù)匦笄莸姆敝持芷诘葏?shù),另外還咨詢了5家當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S的工作人員,獲得污水排放相關(guān)磷數(shù)據(jù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律。本文用下面的輸入和輸出公式來計算了龍巖社會經(jīng)濟系統(tǒng)食物磷流動：

Pf=M×Pc

Pa=∑Pi-∑Po

式中,Pf為磷流量；M為磷流對應(yīng)的物品質(zhì)量；Pc為物品中的磷含量；Pa為系統(tǒng)中的累積磷量；∑Pi為系統(tǒng)磷的總輸入量；∑Po為系統(tǒng)磷的總輸出量。

對于龍巖磷代謝模型,在作物種植子系統(tǒng)中,計算了7種類型的產(chǎn)品(大米、小麥、豆類、塊莖、油料作物、蔬菜和水果)；在畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)中,分別考慮了4類常見的牲畜和家禽(豬、牛、羊和禽類)。在人類消費子系統(tǒng)中,計算時考慮了14種常用的消費食物(谷物、蔬菜、油料、豬肉、牛肉、家禽肉、蛋類、水產(chǎn)品、奶類、糖類、酒類、瓜果類、薯類和豆類),并分別從城市和農(nóng)村兩方面來計算。計算公式為：

式中,qp為年人均磷消費量；γi為i種食物的磷含量；qi表示食物i的消費量；n表示食物的種類數(shù)。

本研究的不確定性主要來自于兩個方面,一方面是參數(shù)的不確定性,由于本文所采用的參數(shù)有些來自其它的城市和國家,因此造成了一些不確定性。例如,計算龍巖人均食物磷消費時,本文用的是中國人均的數(shù)據(jù)；另一方面是數(shù)據(jù)來源的不確定性,如在實地調(diào)研中,由于時間和人手的有限,抽樣的數(shù)據(jù)也有很高的不確定性。本文中,對于食物磷流的計算只考慮主要的過程,忽略了一些比較難以計算的過程,比如植物性食物在食物加工中的磷流失。雖然有以上不確定性的存在,但是本文盡量采用的是權(quán)威的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專業(yè)文獻,大部分的數(shù)據(jù)都具有高的可信度,在整個系統(tǒng)中,不確定的磷流只占很小的一部分。

1.2 磷足跡定義

1992年,William Rees首次提出了“生態(tài)足跡”的概念,以評估人類對自然資本的需求和人類地球系統(tǒng)的可持續(xù)性[16]。隨后“足跡”被廣泛用于表征人類對自然資源的占用,或者用來衡量某種產(chǎn)品或服務(wù)在自然資源維度上的可持續(xù)性,比如已經(jīng)被廣泛接受的水足跡、碳足跡和氮足跡等[17-19]。磷作為一種不可再生的自然資源,用足跡的概念能夠更好地衡量人類對它的利用強度,從而為整個磷管理提供科學(xué)的度量指標(biāo)。當(dāng)前,已經(jīng)有不少學(xué)者提出了磷足跡的概念和計算方法。比如,Meston等人定義人均磷足跡為滿足每人食物消費所需開采的礦石磷的量[20],并計算了1961—2007年世界的人均磷足跡；Shaw等定義區(qū)域磷足跡為某區(qū)域凈輸入或者凈輸出的磷量[21],認(rèn)為經(jīng)過磷循環(huán)沉積到海底的那部分磷就是人類對磷資源的占用。

要全面了解磷足跡,必須對磷的整個循環(huán)過程和人類對磷實際消耗有全面的分析。借鑒水足跡的相關(guān)內(nèi)涵,產(chǎn)品的磷足跡定義為：在整個供應(yīng)鏈上,生產(chǎn)該產(chǎn)品所需投入的所有磷素之和。和產(chǎn)品水足跡[22]的定義相似,而與碳足跡[23]、氮足跡[24]從排放的視角定義不同,該定義主要是從資源性的角度來明確磷足跡,用于理解消費者和生產(chǎn)者與磷資源之間的關(guān)系?？偭鬃阚E可以分為兩部分：直接磷足跡和間接磷足跡。直接磷足跡指生產(chǎn)某產(chǎn)品所投入的來源于礦石的磷量,間接磷足跡指除了礦石磷以外,生產(chǎn)某產(chǎn)品所投入的其它磷量。以食物供應(yīng)鏈(作物生產(chǎn)→畜禽養(yǎng)殖→食物加工→人類消費)為例,直接磷足跡等于在整個供應(yīng)鏈中,所投入的無機磷肥的量；間接磷足跡就是除了無機磷肥,所投入的其它磷的量,包括來自土壤再利用磷,以產(chǎn)品形式投入的磷,通過貿(mào)易輸入的磷以及循環(huán)利用磷(畜禽糞尿還田、秸稈還田和人類糞尿還田等)。上述磷足跡可以用公式表示為：

儀器：JF-2000型智能馬弗爐(江蘇江分電分析儀器有限公司)、pH-2606型多功能高精度酸度計(上海恰森儀器有限公司)、美國FEI Quanta250 型掃描電子顯微鏡。

PF=DPF+IPF

DPF=MFB

IPF=RSP+RP+OP

式中,PF為總磷足跡；DPF為直接磷足跡；IPF為間接磷足跡；MFP為供應(yīng)鏈中投入無機磷肥的量；RSP為土壤累積磷量；RP為循環(huán)磷量；OP為供應(yīng)鏈中其它磷投入量,包括通過貿(mào)易輸入的食物磷和飼料磷等。

1.3 研究區(qū)域和研究邊界

本文研究范圍為龍巖市行政區(qū)(24°23′—26°02′N,115°51′— 117°45′E)。龍巖市位于福建省西部,面積1.9×104km2,其中建成區(qū)面積45km2,常住人口259萬(2014年)。從1985—2010年間,龍巖的GDP有顯著的增長,從約10億元增加到990億元,城鎮(zhèn)化率從27%提高到45%。在龍巖市,有50%以上的人口仍在從事農(nóng)業(yè)活動,農(nóng)業(yè)產(chǎn)值僅占龍巖市GDP的12%。當(dāng)?shù)氐男竽翗I(yè)貢獻了40%的本地農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,并生產(chǎn)了全省26%的生豬。由于龍巖是福建省三大江閩江、九龍和汀江的發(fā)源地,而當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了大量的牲畜排泄物,這些排泄物不合理的排放嚴(yán)重影響到了下游水環(huán)境。因此,以龍巖市為例進行磷代謝研究,不僅有助于改善本區(qū)域的磷管理,對福建省流域環(huán)境的治理也有積極的意義。

本文食物磷代謝和磷足跡的研究邊界是龍巖食物生產(chǎn)和消費系統(tǒng),以化肥→作物生產(chǎn)→畜禽養(yǎng)殖→人類消費→環(huán)境(作物生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖也有磷素輸出到環(huán)境)這條食物鏈作為研究主線,不涉及相關(guān)的工業(yè)系統(tǒng)(如磷礦石加工和生產(chǎn),以及化肥的生產(chǎn)制造等),關(guān)注人為食物生產(chǎn)消費活動對磷資源的利用。貿(mào)易輸入和輸出的邊界為龍巖行政區(qū)邊界；輸出到環(huán)境的邊界也是限定在龍巖境內(nèi)。

圖2 1985年和2010年龍巖市食物磷代謝物質(zhì)流/(t P)Fig.2 Food phosphorus flow of Longyan in 1985 and 2010

2 結(jié)果與分析

2.1 龍巖市磷流動和磷代謝結(jié)構(gòu)

如圖2所示,1985年,龍巖市食物系統(tǒng)總磷輸入為4110 t,其中作物種植子系統(tǒng)占88%,畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)占7%,剩下5%為進口食品磷。在輸出端,總磷輸出為3855 t,以貿(mào)易形式出口的磷占到了總輸出磷的34%；土地填埋占12%；系統(tǒng)存留磷占6%(5%+1%)；剩余48%的磷進入到環(huán)境中,其中土壤累積占34%,水體占14%。到了2010年,龍巖市食物系統(tǒng)總磷輸入猛增至12102 t。作物種植子系統(tǒng)所占磷的比例顯著下降到了71%；畜禽養(yǎng)殖輸入磷提高到了25%；食物進口磷所占比重基本保持不變。在輸出端,總磷輸出也隨之提高到11315 t,其中以貿(mào)易形式出口的磷占到了總輸出磷的比重降低到了26%；土地填埋和土壤累積的比例基本保持不變,但是水體磷負(fù)荷有明顯的增加,從原先的14%增加到了24%。

因此,同1985年相比,2010年龍巖市食物磷代謝特征有明顯的變化。一方面是食物供給結(jié)構(gòu)和貿(mào)易輸出結(jié)構(gòu)的變化。磷素輸入食物生產(chǎn)系統(tǒng)(作物種植和畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)),生產(chǎn)出植物性產(chǎn)品和動物性產(chǎn)品滿足本地居民和貿(mào)易供給的需求。從1985年和2010年的磷流對比可以明顯看出,本地居民食物消費只增加了5%,其中植物性產(chǎn)品消費下降了22%,動物性產(chǎn)品消費增加了242%；同期貿(mào)易供給增加了126%,其中植物性產(chǎn)品輸出增加了98%,動物性產(chǎn)品輸出增加了80倍。另一方面是環(huán)境磷素負(fù)荷的顯著增加。研究期內(nèi)土壤累積磷上升了186%,水體磷負(fù)荷增加了3倍。其中土壤累積磷增加是由于施肥所致,而水體磷負(fù)荷猛增的原因主要是由于畜禽糞尿排放的增加(從243 t升至2373 t,上升了約8倍)。

2.2 龍巖磷輸入輸出的時間變化

從圖3可以看出,在研究期內(nèi),龍巖磷代謝隨著時間的變化在總輸入量和總輸出量上都呈現(xiàn)穩(wěn)步的增長。其中在輸入端,化肥磷和飼料磷分別增加了1.5倍和8.8倍,而農(nóng)藥種子和食物進口輸入在時間上沒有明顯的變化。在輸出方面,土壤累積、土地填埋、水體負(fù)荷和動物性產(chǎn)品輸出都呈現(xiàn)出逐步遞增的趨勢,分別從1378、830、955和5 t增加到3940、3434、2960和410 t。只有植物性產(chǎn)品輸出表現(xiàn)出先增加后減少的時間變化,從1985年到1999年,植物性產(chǎn)品輸出首先從1397 t增加到3790 t,到2010年為止又下降到2765 t。

圖3 龍巖1985—2010年磷代謝輸入和輸出項目和變化趨勢Fig.3 Categories and trends of phosphorus inputs and outputs of Longyan from 1985 to 2010

2.3 龍巖磷足跡

根據(jù)前文2.1所述的定義,結(jié)合龍巖市磷代謝物質(zhì)流分析,可以計算出龍巖市磷足跡(圖4),這里其它磷主要包括飼料進口磷和食物進口磷。1985年,龍巖市直接磷足跡占到總磷足跡的53%(3436 t),間接磷足跡占到47%(3046 t),直接磷足跡的量略超過間接磷足跡。而到了2010年,直接磷足跡的比例降到了42%(8599 t),間接磷足跡比例提高很大,達到了58%(11874 t)。造成這種原因主要是由于在間接磷足跡中,循環(huán)磷和其它磷足跡的比例有明顯的提高。其中循環(huán)磷的提高主要是由于畜禽糞尿回田比例的大幅提升,從6%提高到18%；從圖4可以看出,其它磷足跡的提高主要是由于飼料進口磷的顯著提高。

圖4 1985和2010年龍巖磷足跡(kt)Fig.4 Phosphorus footprint of Longyan in 1985 and 2010

3 討論

從1985年到2010年,隨著龍巖市社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化的推進,整個龍巖市磷代謝的通量大大增加,磷流結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化,主要集中在：(1)涉及到畜禽養(yǎng)殖業(yè)的磷流所占比例均有明顯增加,如飼料進口磷、畜禽糞尿排放磷和畜禽糞尿回田磷；(2)水環(huán)境的負(fù)荷壓力增大；(3)本地居民對動物性產(chǎn)品的消費需求增加,飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；(4)對外食物貿(mào)易對植物性和動物性產(chǎn)品需求均有顯著增長,特別是動物性產(chǎn)品。

在研究期內(nèi),龍巖市人口從230萬人增加到290萬人[25],更多的人口意味著需要生產(chǎn)更多的食物,這無疑是驅(qū)動龍巖市磷流量增加的因素之一。然而,驅(qū)動龍巖市磷流和結(jié)構(gòu)改變的更重要的原因是居民飲食結(jié)構(gòu)的改變和周邊城市對龍巖食物進口需求的增加。研究表明,本地植物性產(chǎn)品消費對動物性產(chǎn)品消費的比例從1985年的8.8∶1降到為2010年的2∶1(圖2),從以植物性食物為主的飲食結(jié)構(gòu)向以動物性食物為主的飲食結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。另一方面,植物性產(chǎn)品出口的比例也從279.4∶1下降到6.7∶1(圖2),意味著龍巖市周邊城市居民飲食結(jié)構(gòu)也有類似的調(diào)整,從而導(dǎo)致貿(mào)易方面,龍巖動物性產(chǎn)品出口量大增。以上這些驅(qū)動因子表明,要實現(xiàn)龍巖市可持續(xù)的磷資源管理,不但要考慮對龍巖市本地居民消費的引導(dǎo),而且要在更大的區(qū)域尺度上進行調(diào)控,才能有效地降低龍巖磷的增長。

圖5 磷足跡和畜禽糞尿回田比例 Fig.5 The proportion of P footprint and livestock manure recycling

將龍巖與其它城市化水平接近或較高的市縣進行比較,如合肥、巢湖和廬江(其中合肥城市化水平比龍巖高,接近60%,而巢湖和廬江城市化水平接近龍巖),磷代謝特點有所不同。例如,在輸入端,合肥等3個市縣磷輸入的主要是以磷礦石的形式,而不是磷肥的形式(合肥。巢湖和廬江的礦石磷輸入分別為3700 t、4748 t和5699 t)[26-28]。主要原因在于：不同于龍巖磷以農(nóng)業(yè)為主的代謝模式,合肥等3個市縣有較多的磷礦加工工廠,而且當(dāng)?shù)匾膊皇侵饕男笄蒺B(yǎng)殖業(yè)基地。但是,將龍巖與其它城市化水平較低的市縣進行比較,如肥西縣和無為縣,卻呈現(xiàn)出較為相似的特征。在肥西和無為,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)同樣占到了較大的比例,在輸入端和龍巖類似,也是以化肥和畜禽飼料為主[13,29]。這些表明,城市磷代謝和當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也有密切的關(guān)系。

雖然從物質(zhì)流的角度,龍巖市磷流的結(jié)構(gòu)并不合理,呈現(xiàn)出不可持續(xù)的特征,但是從磷足跡的角度來看,龍巖磷代謝結(jié)構(gòu)有明顯的調(diào)整。這種調(diào)整主要表現(xiàn)在直接磷足跡,也就是礦石磷比例的降低；循環(huán)磷比例的增加,其中以畜禽糞尿回田貢獻最大。直接磷足跡和間接磷足跡分別表現(xiàn)出波段式上升和下降的趨勢,畜禽糞尿回田比例在研究期內(nèi)持續(xù)升高(圖5)。造成這種現(xiàn)象的原因一方面可能是磷礦石逐漸變得稀缺,價格持續(xù)走高,從而有機肥的利用開始收到重視；另一方面得益于龍巖市政府近年來大力開展龍津河流域綜合整治工作,全面推行“豬—沼—草(竹、國、林)”等生態(tài)養(yǎng)殖模式,有效地將豬糞尿進行回收,作為有機化肥[30]。

龍巖人均總磷足跡從1985年的2.72 kg增加到2010年的6.92 kg,相應(yīng)的,人均直接磷足跡從1.44 kg增加到2.92 kg;人均間接磷足跡從1.28 kg增加到4.00 kg。其中龍巖人均直接磷足跡和中國人均直接磷足跡的數(shù)據(jù)比較接近(從1985年的1.38 kg增加到2007年的3.00 kg)[19],反映出我國居民食物磷的消費情況。然而值得注意的是,龍巖人均直接磷足跡的增長速度要低于中國人均直接磷足跡的增長速度,因此,在小尺度上更能體現(xiàn)出磷調(diào)控的效果。另一方面,在研究期內(nèi),龍巖人均間接磷足跡增加了2倍,而直接磷足跡只增加了約1倍,龍巖人均間接磷足跡的增長速度遠(yuǎn)快于直接磷足跡。所以說,在分析人類對磷資源占用時,不應(yīng)忽略間接磷足跡的作用,可以預(yù)見,隨著磷資源的逐漸稀缺,人類的間接磷足跡將成為影響磷資源可持續(xù)的關(guān)鍵。

圖6 龍巖磷環(huán)境負(fù)荷和產(chǎn)品輸出 Fig.6 The P environemnt load and the P products output of Longyan

綜合來考察龍巖市磷代謝和磷足跡,可以發(fā)現(xiàn)龍巖市在城市尺度上是磷匯。而在區(qū)域或是流域尺度上則是磷源。龍巖市從外部區(qū)域輸入化肥和飼料等大量含磷生產(chǎn)資料,經(jīng)過內(nèi)部社會經(jīng)濟子系統(tǒng)進行生產(chǎn)和加工,最后形成產(chǎn)品,同時有大量磷滯留在當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境中,環(huán)境磷負(fù)荷持續(xù)增加,本身起到一個磷匯的作用；而龍巖又將大量的含磷食物產(chǎn)品輸出到周邊城市,并排放含磷的污水進入水體。雖然在2000年以后產(chǎn)品的輸出磷量有所減少,但是在區(qū)域和流域尺度上而言也是一個重要的磷源(圖6)。究其原因,龍巖磷代謝的管理目標(biāo)已經(jīng)不僅是滿足本地居民的消費需求,而更多的是滿足產(chǎn)品輸出的需求。對于我國磷資源和區(qū)域磷管理而言,應(yīng)該首先對類似龍巖這種高投入、高排放、以出口需求為導(dǎo)向的城市進行研究和調(diào)控,才能夠更有針對、更有效的達到磷可持續(xù)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

從1985年到2010年,隨著城市化進程的推進,本文研究表明,龍巖市已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€以磷出口為導(dǎo)向的城市,伴隨著大量的磷輸入和磷產(chǎn)品輸出,以及高的環(huán)境磷負(fù)荷。從磷足跡的角度來看,龍巖市逐步開始減少對于礦石磷的依賴,轉(zhuǎn)而更多的利用循環(huán)磷和其它進口磷。而龍巖市的人均間接磷足跡的增速明顯快于直接磷足跡,反映了本身發(fā)展過程中對磷足跡結(jié)構(gòu)的調(diào)整,未來人類的間接磷足跡將對磷資源的可持續(xù)有重要影響。在城市尺度上,龍巖是重要的磷匯；對區(qū)域或流域尺度上,龍巖又是重要的磷源。本研究認(rèn)為,城市磷調(diào)控和磷的可持續(xù)利用不僅要關(guān)注城市磷代謝本身,更要全面的去考察磷足跡,從多角度、多系統(tǒng)和跨區(qū)域進行研究和分析。

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Study on phosphorus footprint of urban food: a case study in Longyan City

XU Su1,2,3, HUANG Yunfeng4,GAO Bing1,2,3, HUANG Wei1,2,3,CUI Shenghui1,2,3,*

1InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3XiamenKeyLaboratoryofUrbanMetabolism,Xiamen361021,China4SchoolofFoodandBiotechnologyEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China

Phosphorus (P) is an irreplaceable and essential nutrient for all living beings and a critical element for food production. However P is not only an essential and irreplaceable non-renewable resource, but also a potential water pollutant which can cause eutrophication. Phosphorus used in fertilizer for food, accounts for approximately 90% of the total phosphorus consumption. China′s rapid urbanization calls for a better and comprehensive understanding of P management in urban food systems. In this paper, we firstly present a concept model to map the P metabolism of food production and consumption system. And then we analyzed the change of urban food P metabolism and estimated food P footprint from the year 1985 to 2010 based on the method of substance flow analysis and our definition of P footprint, taking Longyan as an example. The result demonstrated that both input P and output P increased significantly (the input P increased from 4110 t to 12102 t, the output P from 3855 t to 11315 t); the total P footprint grew up from 6482 t to 20473 t and the proportion of the direct P footprint decreased from 53% to 42%; the growth of the indirect P footprint was faster than that of the direct P footprint. The P metabolism analysis reflected that Longyan was an important P sink at the city scale and main P source at the watershed scale. Our results of P footprint analysis indicated that the indirect P footprint constituted an important proportion of the total P footprint and should not be neglected. The analysis of P footprint helped to comprehensively understand and evaluate characters of urban P metabolism. Combining the analysis of P footprint and substance flow had guiding significance for national and regional P management and regulation.

food; phosphorus footprint; urban metabolism; substance flow analysis; Longyan City

國家科技支撐計劃項目(2013BAJ04B01)；中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所青年人才領(lǐng)域前沿項目(IUEMS201402)；國家自然科學(xué)基金項目(31500391)

2016- 01- 01;

2016- 04- 18

10.5846/stxb201601010001

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

許肅,黃云鳳,高兵,黃葳,崔勝輝.城市食物磷足跡研究——以龍巖市為例.生態(tài)學(xué)報,2016,36(22):7279- 7287.

Xu S, Huang Y F,Gao B, Huang W,Cui S H.Study on phosphorus footprint of urban food: a case study in Longyan City.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7279- 7287.