中國食品源氮消費環(huán)境排放及其城鄉(xiāng)差異

趙 宇,吝 濤,*,葛汝冰,施亞嵐,張國欽,葉 紅,李新虎,孫彩歌

1 中國科學院城市環(huán)境與健康重點實驗室,中國科學院城市環(huán)境研究所,廈門 3610212 華僑大學旅游學院,泉州 362021

中國食品源氮消費環(huán)境排放及其城鄉(xiāng)差異

趙 宇1,吝 濤1,*,葛汝冰1,施亞嵐2,張國欽1,葉 紅1,李新虎1,孫彩歌1

1 中國科學院城市環(huán)境與健康重點實驗室,中國科學院城市環(huán)境研究所,廈門 3610212 華僑大學旅游學院,泉州 362021

食品源氮消費是人居環(huán)境養(yǎng)分流動的重要環(huán)節(jié),中國食品源氮消費產(chǎn)生的環(huán)境排放受城鄉(xiāng)二元結構影響在時空變化上呈現(xiàn)顯著分異。基于物質(zhì)流分析方法,從中國城鄉(xiāng)食品消費后產(chǎn)物不同處理過程及其對氮代謝的影響出發(fā),模擬氮物質(zhì)代謝過程,構建了一套氮素環(huán)境排放計算模型,借以研究中國近20年來城鄉(xiāng)食品源氮消費環(huán)境排放趨勢變化及其差異。研究結果發(fā)現(xiàn)1993—2012年間,我國城鄉(xiāng)居民人均食品源氮排變化軌跡迥異。同時,城鄉(xiāng)食品源氮消費在其所造成的水體、土壤、大氣環(huán)境負荷中扮演的角色各不相同：在水體環(huán)境負荷中,農(nóng)村水體氮排占據(jù)主導地位,但城鄉(xiāng)間差異正逐步縮小；在土壤環(huán)境負荷中,城市土壤氮排主導優(yōu)勢明顯；2010年以前全國食品源氮消費大氣環(huán)境負荷主要受農(nóng)村氣體氮排的影響,而2010年以后,城市大氣氮排成為影響全國大氣氮負荷的主導因素。引入社會經(jīng)濟因素分析后發(fā)現(xiàn),城鎮(zhèn)居民人均可支配收入水平對城鎮(zhèn)居民人均食品源氮排起顯著促進作用；而農(nóng)村食品價格指數(shù)對農(nóng)村居民人均食品源環(huán)境氮排呈顯著抑制作用。通過情景預測分析發(fā)現(xiàn)：隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快,未來全國居民人均食品源氮排將以更快速度繼續(xù)增長。

城鎮(zhèn)化；城鄉(xiāng)差異；食品消費；氮素流動；環(huán)境負荷；中國

城鄉(xiāng)之間由于自然、地理、歷史、文化等非經(jīng)濟因素的差異,導致兩者間長期存在著明顯的二元差異,這種差別不僅表現(xiàn)在居民經(jīng)濟收入相差懸殊,還表現(xiàn)在居民消費結構與模式的差異[1- 4]。食品消費是居民消費的重要組成部分[5],隨著社會發(fā)展和經(jīng)濟水平的提高,居民的消費需求不斷增長,導致食品消費模式和營養(yǎng)狀況也隨之發(fā)生改變[6]。自20世紀80年代以來,中國居民飲食偏好等的改變主要表現(xiàn)在主食消費向主副食品替代,以及以植物性食品消費為主轉變?yōu)閯又参镄允称凡⒅氐氖称废M與營養(yǎng)模式[7- 9]。同時,中國居民的食品結構也逐步經(jīng)歷著從生存型到數(shù)量型、再到質(zhì)量型的轉變[10]。伴隨著食物的生產(chǎn)與消費,營養(yǎng)成分也通過食物在城市中流動。氮素作為人體必不可少的營養(yǎng)元素,既是構成蛋白質(zhì)、核酸等重要生命物質(zhì)的基礎,同時也是造成水體富營養(yǎng)化、光化學煙霧、酸雨、溫室效應的元兇之一。相關研究發(fā)現(xiàn),人類消費的絕大部分氮素都排放到環(huán)境中,人類向生態(tài)環(huán)境中排放的過量氮素已成為全球面臨的重大環(huán)境污染問題之一[11- 13]。

目前,國內(nèi)外已有學者從國家、區(qū)域以及城市尺度探討了食品消費中氮素流動情況。Leach等開發(fā)了用于計算個人、家庭以及國家氮足跡的在線模型N-calculator[14],對美國和荷蘭全國尺度的人均氮足跡進行了估算,發(fā)現(xiàn)兩國食品消費氮足跡與食品、能量消費的強度以及廢水處理的效率有關[15]；國內(nèi)有學者探討了氮素區(qū)域之間的流動,以及中國城鎮(zhèn)居民的食品氮素消費變化,得出了我國區(qū)域之間氮素流動不平衡,隨著經(jīng)濟發(fā)展,我國氮素需求量增大[16- 18]；也有學者以廈門市為例,通過長時間尺度食品氮素消費變化情況研究,并對食品氮消費造成環(huán)境負荷進行定量化研究,得出廈門人均食品氮消費所造成的環(huán)境氮負荷將顯著增加,并認為大多數(shù)氮素進入土壤和水體[8,19- 20]。然而卻乏有將視角定位于城鄉(xiāng)食品消費后產(chǎn)物不同的處理過程及其對氮代謝的影響,關注城鄉(xiāng)食品源氮排放趨勢變化差異及原因的研究。本文基于城市和農(nóng)村兩個維度,針對居民家庭食品消費活動,結合現(xiàn)有研究成果,模擬食品源氮物質(zhì)代謝過程,構建了一套氮素環(huán)境排放計算模型?；诖?文章對比分析1993—2012年間中國城鄉(xiāng)人均食品源氮消費環(huán)境排放變化趨勢,探討城市和農(nóng)村食品消費活動在所造成的環(huán)境負荷中扮演的差異性角色,并進一步對于影響城鄉(xiāng)居民食品氮消費變化的主要社會經(jīng)濟因素進行探究,預測我國未來的氮消費環(huán)境負荷的變化趨勢,為積極管控家庭食品消費帶來的不良氮素環(huán)境影響提供科學的建議。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所涉及的1993—2012年間城市和農(nóng)村人均主要食品消費數(shù)據(jù)(本研究中涵蓋的主要人均消費食品包括糧食、豆類、蔬菜、水果、油脂、肉、蛋、奶、水產(chǎn)品九類)、人口數(shù)據(jù)、生活垃圾無害化處理率、城市污水處理率、城市垃圾填埋焚燒比率,以及影響因素分析中相關社會經(jīng)濟參數(shù)均來源于國家統(tǒng)計局年度數(shù)據(jù)(http://data.stats.gov.cn)(《中國統(tǒng)計年鑒》[21])；豆類食品的年均消費量來自農(nóng)業(yè)部《中國食品與營養(yǎng)發(fā)展綱要》[22]；不同食品的氮折算系數(shù)基于《常見食品營養(yǎng)成分表》[23]中蛋白質(zhì)含量推算而得(見表1)；其余計算參數(shù)均來自有關文獻(表2)。由于外出就餐數(shù)據(jù)難以獲取,因此本研究只針對城鄉(xiāng)居民家庭的食品消費,不包括外出就餐。

表1 不同食品的含氮量折算系數(shù)

表2 食物氮環(huán)境負荷的計算參數(shù)

1.2 食品源氮消費的計算方法

食品中含氮量計算公式為：

(1)

Wpi=Wi×Pi

(2)

式中,Wp為人均消費食品的總氮量,Wpi為人均消費食品i中所含的總氮量；Wi為食品i的人均氮消費量,Pi為該食品的氮折算系數(shù),n為主要消費食品種類數(shù)。

1.3 食品源氮消費環(huán)境負荷量計算方法

1.3.1 城鄉(xiāng)食品源氮消費流動過程

完整的食品源氮代謝包括了城市社會生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的代謝(食品消費、人體代謝、廢棄物處理及再循環(huán))和生物地球化學循環(huán)兩部分[20]。本研究以城市社會生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)代謝為系統(tǒng)邊界,食品根據(jù)其能否被人類食用,分為可食部分和不可食部分。可食部分通過進食行為進入人體的代謝環(huán)節(jié)；不可食部分食品(包括食品的不可使用部分和被丟棄的可食部分)成為廚余垃圾,與人體代謝產(chǎn)物一道,進入廢棄物處理環(huán)節(jié)。

對于廚余垃圾的處理,由于垃圾中含有大量的水分和有機物,分類回收和焚燒處理的難度較大,因此現(xiàn)階段城市主要的處理方式為填埋和堆肥；農(nóng)村地區(qū)受家庭禽畜養(yǎng)殖的影響,廚余垃圾很大一部分用作禽畜的食材,被循環(huán)利用[24]。對于糞尿的處理,城鎮(zhèn)地區(qū)的糞尿經(jīng)管道收集成為糞尿污水進入污水處理系統(tǒng),處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物污泥大都未經(jīng)處理(86.21%)[25]直接進入土壤環(huán)境,尾水排出至自然水體。農(nóng)村地區(qū)糞尿主要經(jīng)過堆肥腐熟成為農(nóng)家肥料,施用于農(nóng)田。在填埋和堆肥、污水處理、糞尿腐熟回田的過程中,氮經(jīng)過硝化和反硝化過程,產(chǎn)生氧化亞氮、氮氣等氣體排入空氣中,《2006年IPCC國家氣體清單指南》認為垃圾填埋產(chǎn)生的氣體除CH4和CO2需要計算排放量外,其它氣體含量極少,可忽略不計。綜上,得到城鄉(xiāng)食品源氮素流動過程,如圖1,圖2所示。

圖1 城市食品源氮消費氮素流動過程圖Fig.1 Nitrogen flows in urban food nitrogen consumption

圖2 農(nóng)村食品源氮消費氮素流動過程圖Fig.2 Nitrogen flows in rural food nitrogen consumption

1.3.2 城鄉(xiāng)食品源氮消費環(huán)境負荷量計算方法

本研究以大氣、水體、土壤作為環(huán)境排放的終端,分別分析和匯總城鄉(xiāng)食品消費各環(huán)節(jié)的氮含量以及進入各終端中的氮素環(huán)境負荷量,計算方法分別如表3、表4所示。

表3 城市人均食品源氮環(huán)境負荷計算公式

表4 農(nóng)村人均食品源氮素流動計算公式

1.3.3 城鄉(xiāng)食品源氮消費環(huán)境負荷量影響因子分析與預測

本研究對城鄉(xiāng)人均食品源環(huán)境氮排進行影響因子分析與預測時,首先基于相關研究文獻選取有關社會經(jīng)濟影響因子；在確定所選取的因子與人均城鄉(xiāng)食品源氮消費環(huán)境負荷具有顯著相關關系的前提下,剔除具有多重共線性的因子；并將余下因子值取對數(shù)后引入?yún)f(xié)整檢驗,借以杜絕“偽回歸”。最后將與因變量存在協(xié)整關系的因子引入多元逐步回歸分析,以獲取與人均城鄉(xiāng)食品源氮消費環(huán)境負荷有關的標準化回歸方程。通過統(tǒng)計資料合理估算,獲取2020年城鄉(xiāng)居民相關社會經(jīng)濟因子的預測值,引入標準化回歸方程,預測2020年中國人均食品源氮消費環(huán)境負荷。以上所涉及的分析預測過程基于SPSS 20.0和Eviews 6.0平臺完成。

圖3 1993—2012年中國城鄉(xiāng)居民人均年食品源氮素環(huán)境排放量變化趨勢(kg 人-1 a-1)Fig.3 Nitrogen environmental emissions of food consumption per capita per year of urban and rural residents in China(1993—2012)

2 結果與分析

2.1 中國食品源氮消費環(huán)境排放的變化趨勢與城鄉(xiāng)差異

Spearman秩相關分析(rs為秩相關系數(shù),Wp為0.05置信度水平臨界值)發(fā)現(xiàn),研究期內(nèi)城市和農(nóng)村人均食品源氮消費環(huán)境排放的變化趨勢差異明顯。城市人均食品源氮素環(huán)境排放量呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(rs=0.7278,Wp=0.447)：由1993年3.73 kg 人-1a-1以5.34‰的速度增長到2012年的4.13 kg 人-1a-1；農(nóng)村人均食品源氮素環(huán)境排放量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(rs=-0.8692,Wp=0.447)：由1993年的3.23 kg 人-1a-1以9.25‰的速度下降到2012年的2.63 kg 人-1a-1(圖3)。

圖4 1993—2012年全國食品源氮消費水體環(huán)境負荷總量變化(KT/a)Fig.4 Totals of water nitrogen emissions from food consumption per year in China(1993—2012)

2.2 全國食品源氮消費環(huán)境負荷量變化趨勢及城鄉(xiāng)差異

1993—2012年間全國食品源氮消費水體環(huán)境負荷量呈明顯的下降趨勢(rs=-0.7835,Wp=0.447),如圖4從1993年的2821.72 kt以年均1.30%的速度下降到2012年的2206.05 kt。就各組份而言,農(nóng)村食品消費后的人體代謝產(chǎn)物直接排放量在研究期內(nèi)首先維持穩(wěn)定而后顯著降低,由1993年的2173.01 kt,下降到2012年的1332.39 kt；城市食品消費后的人體代謝產(chǎn)物直接排放糞尿含氮由1993年的541.12 kt波動上升至2003年的776.32 kt,而后以年均3.60%的下降率快速下降至2012年的217.58 kt；城市污水尾水排放的含氮量在研究期內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢,由基期的107.60 kt上升至2012年的656.08 kt,研究期內(nèi)增長了5.10倍。就水體環(huán)境而言,以農(nóng)村居民食品消費水體氮排占主導。但隨著城市污水處理能力的提高,以城市污水尾水排放為代表的城市居民食品消費水體氮排量快速增長,城鄉(xiāng)居民食品消費水體氮排總量上的差距正逐漸縮小。

1993—2012年間食品源氮消費土壤環(huán)境負荷量呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(rs=0.9949,Wp=0.447),圖5從1993年的926.58 kt以4.17%的年均增長率快速上升到2012年的2013.86 kt。就各組份而言,農(nóng)村廚余垃圾的直接排放所含氮量在研究期內(nèi)呈現(xiàn)維持穩(wěn)定而后明顯下降的趨勢,由1993年的352.76 kt下降到2012年的216.30 kt；而城市廚余垃圾的直接排放含氮量,在研究期內(nèi)呈現(xiàn)出先上升后快速下降的變化趨勢,由1993年的222.69 kt首先快速上升至2006年的398.70 kt,而后以年均1.72%的下降率迅速下降至2012年的161.15 kt。城市填埋處理的廚余垃圾含氮量和城市污水處理污泥含氮在研究期內(nèi)都呈現(xiàn)出不同幅度的增長態(tài)勢,分別增長了2.44倍和5.10倍。就土壤環(huán)境而言,該組份氮素環(huán)境負荷快速增長,城市食品消費活動貢獻程度明顯,其中城市廚余垃圾填埋處理以及城市污泥富集是造成全國土壤氮負荷快速增長的主要原因。

如圖6,食品源氮消費大氣環(huán)境負荷量在研究期內(nèi)呈現(xiàn)出快速上升的趨勢(rs=0.9393,Wp=0.477)：以6.15%的年增長率快速上升到2012年的410.01 kt。就其組成而言,農(nóng)村回田處理人體代謝產(chǎn)物中氮素揮發(fā)量逐年遞減,由1993年的228.16 kt減少到2012年的139.90 kt。城市焚燒處理廚余垃圾、城市污水處理過程中氣體排放、城市堆肥處理廚余垃圾揮發(fā)含氮量均有不同程度的增長,其中以城市焚燒處理廚余垃圾含氮量的增長趨勢最為明顯,由基期的13.29 kt上升至2012年的222.39 kt,20年間共計增長16.73倍。就大氣環(huán)境負荷而言,1993—2010年間農(nóng)村回田堆肥腐熟過程中排放的氣體氮素為影響全國食品源氮消費大氣環(huán)境負荷總量的主導因素,而2001年以后,以城市廚余垃圾焚燒處理所代表的城市氮素大氣排放量迅速增長,并于2010年前后在總量上超過農(nóng)村氮素大氣排放量,成為影響全國氮素大氣排放量的最主要因素。

圖5 1993—2012年全國食品源氮消費土壤環(huán)境負荷總量變化Fig.5 Totals of Soil nitrogen emissions from food consumption per year in China(1993—2012)

圖6 1993—2012年全國食品源氮消費大氣環(huán)境負荷總量變化Fig.6 Totals of Atmospheric nitrogen emissions from food consumption per year in China(1993—2012)

2.3 全國城鄉(xiāng)食品源氮消費環(huán)境負荷量的主要影響因素研究

人均食品消費量、消費模式等會隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展而發(fā)生著轉變。根據(jù)相關文獻[8,33- 34],本文分別選取中國城鄉(xiāng)居民消費價格指數(shù)、城鄉(xiāng)居民人均可支配收入水平、城鄉(xiāng)居民恩格爾系數(shù)、城鄉(xiāng)家庭平均規(guī)模、居民人均食品消費價格指數(shù)以及城市化率等6個經(jīng)濟社會因子,探究影響城鄉(xiāng)食品源氮消費環(huán)境負荷量的主要社會經(jīng)濟影響因素間的差異。6個因子與城鄉(xiāng)人均食品源氮素環(huán)境負荷量均呈高度相關,通過SPSS 20.0線性回歸共線性診斷剔除具有多重共線性的因子,最終選擇城鄉(xiāng)人均可支配收入指數(shù)(X1)、城鄉(xiāng)平均家庭規(guī)模(X2)、城鄉(xiāng)教育程度(教育投入強度)(X3)、城鄉(xiāng)食品價格指數(shù)(X4)這4個指標,作為進入變量。為使各變量方差恒定,數(shù)據(jù)波動相對穩(wěn)定,本研究對取對后的指標值進行協(xié)整檢驗(Eviews6.0),發(fā)現(xiàn)城市人均氮環(huán)境排放(Y城市)與上述4個指標存在協(xié)整關系,農(nóng)村人均氮排(Y農(nóng)村)則與除受教育程度外其余3個指標存在協(xié)整關系(附表)。最后利用spss20.0進行多元逐步回歸,得到城鄉(xiāng)標準化回歸方程如下：

lny城市=0.07lnx1(城市)+0.995(R2=0.660，P=0.000)

(3)

lny農(nóng)村=-0.204lnx4(農(nóng)村)+2.367(R2=0.906，P=0.000)

(4)

為進一步驗證所得方程的可靠性,將1993—2012年的城鄉(xiāng)數(shù)據(jù)代入該方程,計算值與實際值的平均相對誤差僅為8.83%和1.86%,方程模擬效果良好。

從回歸方程可知,現(xiàn)階段,城市居民人均可支配收入水平指數(shù)對城市人均食品源氮消費環(huán)境負荷量具有顯著的正效應(公式3),由于中國城市居民的食品消費模式已經(jīng)完成了生存型到數(shù)量型的轉變,在可支配收入水平容許的情況下,相對于谷物、薯類食品,城市居民更傾向于禽畜產(chǎn)品的高氮食品消費。影響農(nóng)村人均食品源氮消費環(huán)境負荷量與農(nóng)村居民消費價格指數(shù)呈負相關關系(公式4)?？梢娹r(nóng)村居民食品消費模式還處于植物性食品為主的生存型階段,食品價格因素仍舊是制約居民選擇消費食品的瓶頸。

2.4 全國食品源氮消費環(huán)境負荷量的趨勢預測

利用《中國食品與營養(yǎng)發(fā)展綱要(2014—2020)》[22](表5)和其他規(guī)劃數(shù)據(jù),以及本研究中計算人均食品源氮消費環(huán)境負荷量的方法,得到2020年全國人均食品源氮消費環(huán)境負荷量將達到4.30 kg 人-1a-1。而應用回歸方程進行預測,估測2020年中國城市人均可支配收入水平指數(shù)將達到1930.40(《中共十八大報告》),預測當年產(chǎn)生的城市人均食品源氮消費環(huán)境負荷量4.59 kg 人-1a-1；以研究期內(nèi)居民消費價格指數(shù)增長率趨勢外推,預測2020年農(nóng)村人均食品源氮消費環(huán)境負荷2.41 kg 人-1a-1；以城市化率為60.34%[35]計算,預測2020年全國人均食品源氮消費環(huán)境負荷量將達到3.73 kg 人-1a-1,并未達到最優(yōu)食品消費結構產(chǎn)生的人均食品消費氮環(huán)境負荷量。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快,受居民對營養(yǎng)均衡和膳食結構合理需求的影響,未來全國居民人均食品源氮消費環(huán)境負荷量將以快于現(xiàn)有趨勢的速度繼續(xù)增長。

表5 2020年最優(yōu)營養(yǎng)膳食結構

3 討論

我國城鄉(xiāng)人均食品源氮消費環(huán)境排放量的變化趨勢迥異,一方面是由于城鄉(xiāng)居民食品消費結構的變化,致使兩者供給氮素環(huán)境排放的能力差距逐步縮小。城市中,快速增長的高含氮率肉蛋禽奶食品逐步成為影響城市居民人均氮消費量變化的主要因素；農(nóng)村中,消費量逐年下降的低含氮率植物性食物仍舊在居民人均食品消費結構中占主導。盡管農(nóng)村人均食品源氮消費量在總量上仍舊存在優(yōu)勢,但由于城市化和人民生活水平的提高,兩者供給氮素環(huán)境排放能力的差距正逐步縮小(如圖7)。另一方面,城鄉(xiāng)居民對于食品消費后產(chǎn)物資源化利用程度的差異,使農(nóng)村人均居民食品源消費造成環(huán)境負荷僅約為城市居民相應排放的1/2。就廚余垃圾處理而言,城市2012年處理的廚余垃圾中僅有22.66%[21]經(jīng)堆肥處理被循環(huán)利用,而農(nóng)村則因居民家庭中的禽畜養(yǎng)殖80%的廚余垃圾以飼料的形式參與到物質(zhì)循環(huán)利用中,人均環(huán)境氮排的城鄉(xiāng)差距由1993年的3.11倍逐年擴大至2012年的4.49倍(如圖8)；對于人體代謝產(chǎn)物的處理,農(nóng)村約有30%的人體代謝產(chǎn)物經(jīng)過堆肥腐熟成為農(nóng)家肥料重新參與物質(zhì)循環(huán),在農(nóng)村食品消費氮量逐年遞減的背景下,該組份農(nóng)村環(huán)境氮排也在研究期內(nèi)呈現(xiàn)顯著下降趨勢(rs=-0.8692,Wp=0.447)；城市處理人體代謝產(chǎn)物過程則因缺乏資源化再利用機制,使得人均環(huán)境氮排逐年波動上升(rs=0.6375Wp=0.447),并于2009年前后超越農(nóng)村,達到2012年的2.62 kg 人-1a-1(如圖9)。

圖7 1993—2012年中國城鄉(xiāng)居民人均年主要食品氮消費量變化Fig.7 Totals of nitrogen consumption per capita per year of urban and rural residents in China(1993—2012)

圖8 1993—2012年中國城鄉(xiāng)居民處理廚余垃圾人均年環(huán)境排放量Fig.8 Totals of nitrogen environmental emissions of dealing with kitchen waste per capita per year of urban and rural residents in China(1993—2012)

圖9 1993—2012年中國城鄉(xiāng)居民處理人體代謝產(chǎn)物人均年環(huán)境排放量Fig.9 Totals of nitrogen environmental emissions of dealing with human manure per capita per year of urban and rural residents in China(1993—2012)

從食品消費活動引起的環(huán)境氮負荷總量上來看,土壤、水體是氮素輸出的最主要的匯,而以城市消費產(chǎn)物為主的環(huán)境氮排是造成全國氮環(huán)境負荷增加的最主要因素,主要體現(xiàn)在城市餐廚垃圾填埋、焚燒、城市污水污泥堆積,以及城市污水尾水排放過程中。因此,減少餐廚垃圾量和資源化利用消費后產(chǎn)物是降低城市環(huán)境氮排乃至降低全國環(huán)境氮負荷的首要任務。據(jù)不完全統(tǒng)計,截止2012年,全國污泥處理率僅為13.79%,直接棄置的比例達到50%或更多[25]；而被處理的廚余垃圾中也僅有22.66%[21]被堆肥處理,其余城市食品消費產(chǎn)物中含氮則以不同形式最終進入到自然環(huán)境,如此這般,不僅造成了嚴重的氮環(huán)境負荷,也導致了嚴重食品氮素流失問題。以2012年為例,城市人均消費產(chǎn)物最終造成環(huán)境負荷量為4.13 kg 人-1a-1,占到人均消耗食物中含氮的90%。食品中所含的氮素大都來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中氮肥的輸入,而氮肥主要源于工業(yè)固氮行為,即通過化學方法將空氣中的氮轉化為氨。據(jù)統(tǒng)計,工業(yè)固氮產(chǎn)量的80%用于農(nóng)業(yè)[36],這就導致了食品氮素供需間的矛盾：一方面城市的食品消費需求導致自然固氮供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能力遠遠不足,使得人們不得不求助于工業(yè)固氮手段；另一方面城市的食品消費機制造成了大量的氮素在自然環(huán)境中堆積,無法重新參與循環(huán)。與此同時,快速城市化進程,使得城市人口更為依賴外界物質(zhì)能量特別是食品氮素的輸入,這不僅對城市邊界以外的區(qū)域帶來更大的環(huán)境壓力,也加劇了氮素供需間的矛盾?？紤]到農(nóng)村有效的食品消費后產(chǎn)物資源化利用的機制以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氮素的需求,促使城鄉(xiāng)發(fā)展都市農(nóng)業(yè)(近郊農(nóng)業(yè))[37],實現(xiàn)城鄉(xiāng)優(yōu)勢互補,將是管控全國食品源氮排,促進城鄉(xiāng)一體可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

城市發(fā)展的可持續(xù)性除了受到外部自然環(huán)境、社會經(jīng)濟水平、國家政策的影響,還與居民的個人選擇息息相關。在科學研究的基礎上，對居民食品消費活動進行科學的引導,改變居民的消費觀念,形成合理營養(yǎng)的消費結構,減少食物浪費,對城市可持續(xù)發(fā)展意義重大。

4 結論

(1)1993—2012年,城鄉(xiāng)食品源氮消費對水體、土壤、大氣環(huán)境造成的負荷具有顯著差異：農(nóng)村水體氮排占據(jù)主導地位,但城鄉(xiāng)間差異正逐步縮??；城市食品消費活動對土壤環(huán)境負荷快速增長的貢獻明顯；2010年以前全國食品源氮消費大氣環(huán)境負荷主要受農(nóng)村氣體氮排的影響,2010后,城市大氣氮排成為影響全國大氣氮環(huán)境負荷的主導因素。從總量上來看,土壤、水體是氮素輸出的最主要的匯,而以城市消費產(chǎn)物為主的環(huán)境氮排是造成全國氮環(huán)境負荷增加的主要原因。

(2)在城鄉(xiāng)居民食品消費活動供給氮素環(huán)境排放能力的差距逐步縮小的背景下,導致城鄉(xiāng)人均食品源氮排變化趨勢迥異的主要原因為:城鄉(xiāng)對食品消費后產(chǎn)物資源化利用方式的差異。

(3)城鎮(zhèn)居民人均可支配收入水平對城鎮(zhèn)居民人均食品源氮消費環(huán)境排放量呈顯著促進作用,而農(nóng)村食品價格指數(shù)對農(nóng)村居民人均食品源氮消費環(huán)境排放量呈顯著抑制作用。結合現(xiàn)有規(guī)劃和政策分析,未來全國居民人均食品源氮消費環(huán)境負荷量仍將以快于現(xiàn)有趨勢的速度繼續(xù)增長,注重城鄉(xiāng)優(yōu)勢互補，發(fā)展“近郊農(nóng)業(yè)”是有效管控中國食品源氮消費環(huán)境排放的重要途徑。

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附表 協(xié)整檢驗

附1 影響城市人均氮排相關因變量協(xié)整檢驗

將城市人均氮環(huán)境排放量(Y城市)與城市人均可支配收入(X1)、城市平均家庭規(guī)模(X2)、城市教育程度(X3)、城市食品價格指數(shù)(X4)這5個指標,分別取對數(shù)后進行協(xié)整檢驗。

附1.1 城市影響因子單位根檢驗

附表1 單位根的ADF檢驗結果(城市)

注：c代表截距,t是時間趨勢,k是滯后階數(shù)

如附表1所示,在0.05的顯著水平下,上述取對數(shù)后時間序列變量：人均環(huán)境排放量(Y城市)與城鎮(zhèn)居民人均可支配收入水平指數(shù)(X1)、城鎮(zhèn)家庭規(guī)模(X2)、教育程度(X3)、城鎮(zhèn)居民消費價格指數(shù)(X4)的二階差分均不存在單位根,是平穩(wěn)序列,即五個變量均為二階單整序列I(2)。

附1.2 影響城市人均氮排相關因變量協(xié)整分析

附1.2.1 建立城市協(xié)整檢驗回歸方程

附表2 協(xié)整檢驗的回歸方程(城市)

如附表2所示所示,將取對數(shù)后的1993—2012年城市人均環(huán)境排放量(Y城市)量和取對數(shù)后的城鎮(zhèn)居民人均可支配收入水平指數(shù)(X1)、城鎮(zhèn)家庭規(guī)模(X2)、受教育程度(X3)和城鎮(zhèn)居民消費價格指數(shù)(X4)進行協(xié)整分析,得到回歸方程：

lnYt(城市)=0.138062lnX1t+0.860895lnX2t+0.035021lnX3t-0.114249lnX4t

(1)

從該方程我們可以可初步得知,取對數(shù)后的城市人均環(huán)境排放量(Y城市)與取對數(shù)后的城鎮(zhèn)居民人均可支配收入水平指數(shù)(X1)、城鎮(zhèn)家庭規(guī)模(X2)、受教育程度(X3)存在正相關關系,與取對數(shù)后的城鎮(zhèn)居民消費價格指數(shù)(X4)存在負相關關系。

附1.2.2 檢驗單整性

對上式的殘差進行單位根檢驗,判斷殘差序列是否平穩(wěn),本文采用ADF檢驗法,不含常數(shù)和時間趨勢,由SIC準則確定滯后階數(shù),檢驗結果見下表。

附表3 未經(jīng)過差分處理的變量回歸后殘差序列ADF檢驗結果(城市)

如附表3所示,未經(jīng)差分處理的ADF值不小于1%—10%的ADF臨界值,即認為未經(jīng)差分處理的變量回歸后的殘差序列是不穩(wěn)定的。

附表4 經(jīng)過一階差分處理的變量回歸后殘差序列ADF檢驗結果(城市)

如附表4所示,一階差分結果ADF值小于1%—10%的ADF臨界值。所以證明一階差分處理的變量回歸后殘差序列是穩(wěn)定的。并由附表2可知其長期均衡協(xié)整方程為：

lnYt=0.138062lnX1t+0.860895lnX2t+0.035021lnX3t-0.114249lnX4t

(1)

通過以上協(xié)整檢驗可以得出,1993—2012年城市人均環(huán)境排放量(Y城市)和城鎮(zhèn)居民人均可支配收入水平指數(shù)(X1)、城鎮(zhèn)家庭規(guī)模(X2)、受教育程度(X3)、城鎮(zhèn)居民消費價格指數(shù)(X4)之間存在協(xié)整關系。

附2 影響農(nóng)村人均氮排相關因變量協(xié)整檢驗

將農(nóng)村人均氮環(huán)境排放量(Y農(nóng)村)與農(nóng)村人均可支配收入(X1)、農(nóng)村平均家庭規(guī)模(X2)、農(nóng)村食品價格指數(shù)(X3)這4個指標,分別取對數(shù)后進行協(xié)整檢驗。

附2.1 農(nóng)村影響因子單位根檢驗

附表5 單位根的ADF檢驗結果(農(nóng)村)

c: 截距,t:時間趨勢,k:滯后階數(shù)

由附表5可知,在0.05的顯著水平下,上述取對數(shù)后的各時間序列變量的一階差分序列不存在單位根,即是平穩(wěn)序列I(1)。所以將取對數(shù)后的農(nóng)村人均可支配收入(X1)、農(nóng)村平均家庭規(guī)模(X2)、農(nóng)村食品價格指數(shù)(X3)與取對數(shù)后農(nóng)村人均氮環(huán)境排放量(Y農(nóng)村)進行協(xié)整分析。

附2.2 影響農(nóng)村人均氮排影響因子協(xié)整分析

附2.2.1 建立農(nóng)村協(xié)整檢驗回歸方程

附表6 協(xié)整檢驗的回歸方程(農(nóng)村)

如附表6所示,對1993—2012年取對數(shù)后的農(nóng)村人均環(huán)境排放量(Y農(nóng)村)與取對數(shù)后的農(nóng)村居民人均可支配收入水平指數(shù)(X1)、農(nóng)村家庭規(guī)模(X2)、農(nóng)村居民消費價格指數(shù)(X3)進行協(xié)整分析,得到回歸方程：

(2)

從該方程我們可以可初步得知,取對數(shù)后的農(nóng)村家庭規(guī)模(X2)與取對數(shù)后的農(nóng)村人均環(huán)境排放量(Y農(nóng)村)存在正相關關系,與取對數(shù)后的農(nóng)村居民人均可支配收入水平指數(shù)(X1)、農(nóng)村居民消費價格指數(shù)(X3)存在負相關關系。

附2.2.2 檢驗單整性

對上式的殘差進行單位根檢驗,判斷殘差序列是否平穩(wěn),本文仍然采用ADF檢驗法,不含常數(shù)和時間趨勢,由SIC準則確定滯后階數(shù),檢驗結果如見附表7。

附表7 未經(jīng)過差分處理的變量回歸后殘差序列ADF檢驗結果(農(nóng)村)

如附表7所示,未經(jīng)差分處理的ADF值小于1%—10%的ADF臨界值,即認為未經(jīng)差分處理的變量回歸后的殘差序列是穩(wěn)定的。并由附表6可知其長期均衡協(xié)整方程為：

lnYt=-0.018207lnX1t+1.057105lnX2t-0.045064lnX3t

(2)

通過以上協(xié)整檢驗可以得出,1993—2012年農(nóng)村人均環(huán)境排放量(Y農(nóng)村)和農(nóng)村居民人均可支配收入水平指數(shù)(X1)、農(nóng)村家庭規(guī)模(X2)、農(nóng)村居民消費價格指數(shù)(X3)之間存在協(xié)整關系。

Environmental emissions of nitrogen from food consumption and differences between urban and rural areas in China

ZHAO Yu1, LIN Tao1,*,GE Rubing1,SHI Yalan2,ZHANG Guoqin1,YE Hong1,LI Xinhu1,SUN Caige1

1 Key Laboratory of Urban Environment and Health, The Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China2 Collage of Tourism, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China

Consumption of nitrogen in food forms an important part of the internal flow of nutrients within human settlements. Spatiotemporal variation in the environmental emissions of nitrogen from food consumption vary considerably between the city and countryside because of the dual economic structure of urban and rural areas. In this study, we used substance flow analysis to simulate the metabolism of nitrogen and constructed a set of models to calculate the quantity of environmental emissions from the consumption of nitrogen in food. The models focused on the different levels of resource recycling of the product after metabolism to determine the trends in environmental emissions of nitrogen from food consumption and the differences between urban and rural areas. The results indicated there was a substantial difference between trends in urban and rural environmental emissions of nitrogen consumed in food from 1993 to 2012. The roles of consumed nitrogen in urban and rural areas, which consisted of the environmental loads in water, soil, and the atmosphere, varied from each other. In terms of water nitrogen loads from food consumption, nitrogen in rural water played a dominant role. However, the difference in nitrogen emissions in water between the city and countryside was gradually decreasing. Regarding soil nitrogen environmental loads from food consumption, nitrogen in the urban soil was the dominant factor. Prior to 2010, the rural atmospheric nitrogen emission was the main factor that influenced the national level of atmospheric nitrogen emissions because of food consumption. Nevertheless, after 2010, the quantity of urban atmospheric nitrogen emissions exceeded that of rural areas, and became the leading factor of the national level of atmospheric nitrogen emissions. Additionally, correlation analysis was adopted to determine whether a positive correlation existed between per capita disposable income and per capita urban resident environmental emissions of nitrogen from food consumption. In addition, the per capita rural resident environmental emissions of nitrogen from food consumption was negatively correlated to the food price index. Based on scenario forecast analysis (SFA), we found that the growth of future national levels of per capita nitrogen emissions from food consumption would be faster than the current trend because of the acceleration of urbanization in China.

urbanization; urban-rural differences; food consumption; flow of nitrogen; environmental loads; China

國家自然科學基金項目(41371540,41201598)；高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(30-Y30B13-9003-14/16)

2015- 12- 12; 網(wǎng)絡出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201512112475

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

趙宇,吝濤,葛汝冰,施亞嵐,張國欽,葉紅,李新虎,孫彩歌.中國食品源氮消費環(huán)境排放及其城鄉(xiāng)差異.生態(tài)學報,2017,37(13):4573- 4586.

Zhao Y, Lin T,Ge R B,Shi Y L,Zhang G Q,Ye H,Li X H,Sun C G.Environmental emissions of nitrogen from food consumption and differences between urban and rural areas in China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4573- 4586.