基于N-Calculator模型的城鎮(zhèn)居民氮足跡估算及動(dòng)態(tài)分析

李娜，寧默，呂光輝

1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)生態(tài)監(jiān)測總站，烏魯木齊 830006；3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046；4.水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000；5.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046

氮不僅是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)功能和過程的基本元素和重要因素，而且是難以控制的污染物[1]．到2010年，陸地上產(chǎn)生的氮有75%來源于人類活動(dòng)，人類氮?jiǎng)?chuàng)造量是陸地天然氮的3倍多[2]．因此，人類活動(dòng)顯著地干擾了自然氮循環(huán)，導(dǎo)致酸雨、水體富營養(yǎng)化或土壤酸化等環(huán)境問題[3-4]產(chǎn)生．然而，準(zhǔn)確評(píng)估人類生產(chǎn)活動(dòng)和生活方式對(duì)氮排放的負(fù)面影響仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人們很難確定一個(gè)最佳策略以減少人類活動(dòng)造成的氮排放[5]．

氮足跡是在引入生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡概念后發(fā)展起來的一個(gè)新的足跡概念[6]．通過對(duì)各種類型足跡的研究來優(yōu)化人類活動(dòng)，對(duì)環(huán)境保護(hù)措施的有效性產(chǎn)生了相當(dāng)大的積極影響[7]．Leach等人[8]將氮足跡定義為一個(gè)實(shí)體因資源消耗而釋放到環(huán)境中的活性氮總量，以氮單位表示，并開發(fā)了用于氮足跡估算的氮計(jì)算器模型(N-Calculator，http：//n-print．org)．這種方法主要用于國家一級(jí)[8]和城鎮(zhèn)一級(jí)[9-10]的估算．由于區(qū)域特征和人類活動(dòng)的多樣性，N-Calculator模型在不同實(shí)體中的應(yīng)用比較困難，因此，不同的氮足跡計(jì)算模型和方法被開發(fā)出來，如Gu等人[11]在氮質(zhì)量平衡方法的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個(gè)新的國家氮足跡模型，估算人與自然耦合系統(tǒng)(CHANS)下中國的氮足跡；Leach等人[12]和Leip等人[13]開發(fā)了用于估算機(jī)構(gòu)氮足跡的N-institution模型和用于估算事件和活動(dòng)的N-neutrality模型；周濤等人[14]使用改進(jìn)的N-Calculator模型研究了廣東農(nóng)業(yè)氮足跡．然而，與N-Calculator模型相比，這些方法對(duì)消費(fèi)者行為的關(guān)注較少．有研究表明，食品生產(chǎn)和消費(fèi)產(chǎn)生的氮排放在氮足跡中起到了重要作用，占其總價(jià)值的68.2%～91.1%[8，15-16]．因此，了解不同食物群體的氮足跡對(duì)于減緩人類活動(dòng)所造成的氮排放至關(guān)重要[17]．

目前，國內(nèi)對(duì)氮足跡的研究多集中于食物氮足跡，而忽略了能源對(duì)氮足跡的貢獻(xiàn)，這會(huì)導(dǎo)致氮足跡估算結(jié)果偏低．本研究基于N-Calculator模型的主要框架估算1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均能源氮足跡和人均食物氮足跡，并分析其動(dòng)態(tài)變化特征，以期為居民合理飲食與消費(fèi)提供科學(xué)依據(jù)，更好地理解城市生態(tài)-經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展．

1 研究區(qū)概況和研究方法

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，地處北天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處東經(jīng)86°37′33″-88°58′24″，北緯42°45′32″-44°08′00″．全市面積為14 216.3 km2，轄7區(qū)1縣，天山區(qū)、沙依巴克區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)(新市區(qū))、水磨溝區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(頭屯河區(qū))、達(dá)坂城區(qū)、米東區(qū)和烏魯木齊縣[18]．

1995至2016年，烏魯木齊市人均生產(chǎn)總值由1 0381元增長到69 865元，以年均16%的速率平穩(wěn)增長，人均可支配收入快速增長，由4 851元增長到34 190元．與此同時(shí)，人口增長迅速，1995年城市常住人口117.5萬人，2016年達(dá)到218.46萬人，人均食品消費(fèi)量由1995年的330.37 kg增加到2016年的423 kg，而人均食品消費(fèi)支出占生活消費(fèi)支出的比重則由1995年的50%下降到2016年的29%[18]．

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來源于1996-2017年的《烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)年鑒》[18]和《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[19]，由于2000年后烏魯木齊城市居民禽肉類年人均消費(fèi)量數(shù)據(jù)缺乏，故采用《烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)年鑒》中“城市居民家庭按收入分組的人均消費(fèi)性支出”上的購買肉禽類的總平均支出除以當(dāng)年肉禽類價(jià)格得到．2001-2017年居民購買肉禽類的價(jià)格，采用《2014中國價(jià)格統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]中2013年烏魯木齊市食物12個(gè)月份平均價(jià)格數(shù)據(jù)，并利用歷年《烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)年鑒》中居民消費(fèi)價(jià)格分類指數(shù)推算得到[10]．

2.2 氮足跡計(jì)算方法

2.2.1 食物氮足跡計(jì)算方法

N-Calculator模型是一種衡量個(gè)人在食物和能源消費(fèi)活動(dòng)中產(chǎn)生的氮污染的方法，它是基于消費(fèi)端的氮足跡，并納入了隱含的生產(chǎn)性氮足跡．N-Calculator模型主要由個(gè)人的食物氮足跡和能源氮足跡組成，食物氮足跡(FPf)又分為食物消費(fèi)氮足跡(FPc)和食物生產(chǎn)氮足跡(FPp)．

FPf=FPc+FPp

(1)

食物消費(fèi)氮足跡(FPc)指人類消費(fèi)食品產(chǎn)生的氮足跡．當(dāng)前對(duì)于該足跡的計(jì)算普遍采用：

(2)

式中：Ai表示第i類的人均食物消耗量，Ni表示第i類食物的氮含量．本研究假設(shè)人類消耗的所有氮都作為人類廢物排放到環(huán)境中．烏魯木齊市居民消費(fèi)的主要食物類型有：素食(如谷類和蔬菜)、動(dòng)物性食品(如畜肉、禽肉和魚、蝦等水產(chǎn)品)、副食(如雞蛋、奶制品和水果)．人均食物消費(fèi)量可通過查閱相關(guān)政府統(tǒng)計(jì)資料獲得；食物含氮量可查閱相關(guān)食品的蛋白質(zhì)含量乘以16%計(jì)算(表1)[9]．

這里的食物生產(chǎn)氮足跡(FPp)我們稱為虛擬氮足跡，即在食物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不會(huì)被人類直接消耗的任何氮，包括在農(nóng)田、牲畜養(yǎng)殖和食物加工上施用氮肥所損失的所有氮[8]．虛擬氮因子(VNF)是基于食物生命周期前端消耗所涉及的氮損失量．為了明確界限，避免重復(fù)計(jì)算，在計(jì)算虛擬氮時(shí)，一般不考慮食物生產(chǎn)過程中能源消耗造成的氮損失．氮的損失歸因于能量氮足跡．食物生產(chǎn)氮足跡的計(jì)算公式為：

(3)

式中：Ai表示第i類人均食物消耗量；VNFi表示第i類食物的虛擬氮因子(表1)[10]．

表1 不同食物氮含量與虛擬氮因子

2.2.2 能源氮足跡計(jì)算方法

能源氮足跡主要是指在家庭生活、交通運(yùn)輸以及商品和服務(wù)生產(chǎn)中，石油、天然氣和燃料的燃燒所排放的氮氧化物．本研究通過自上而下法[8](Top-down)進(jìn)行能源氮足跡計(jì)算，計(jì)算公式為：

(4)

式中：FPe為Top-down法計(jì)算的能源氮足跡；Fi為國家i類能源消耗量；NEi為i類能源的氮排放因子，P為一個(gè)國家的人口數(shù)．國家能源消耗和人口數(shù)據(jù)摘自《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]和《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[19]．表2列出了不同能源的氮排放因子[22]．

所以，對(duì)慢性心力衰竭（多病因）患者進(jìn)行心臟彩超診斷，能為患者診斷提供參考依據(jù)，臨床應(yīng)用價(jià)值較大，具有推廣意義。

表2 分能源分部門的氮氧化物排放因子

3 結(jié)果與分析

3.1 烏魯木齊市城鎮(zhèn)區(qū)域氮足跡的動(dòng)態(tài)變化

1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)區(qū)域氮足跡一直處于變化中(圖1)，由18 225.35 t/a增加到48 039.11 t/a，平均每年增加1 355 t；烏魯木齊城鎮(zhèn)區(qū)域食物氮足跡總量由16 853.00 t/a一直增加到2016年35 521.42 t/a，平均每年增加849 t．烏魯木齊城鎮(zhèn)區(qū)域氮足跡和食物氮足跡均呈逐步上升趨勢，在2014年到達(dá)峰值(52 338.54 t/a和 38 417.89 t/a)，隨后略有下降．而能源氮足跡呈逐步上升趨勢，由1 359.53 t/a 增加到12 517.69 t/a，平均每年增加507 t．我們發(fā)現(xiàn)食物氮足跡主導(dǎo)氮足跡的變化，說明氮足跡的增長可能與食物消費(fèi)有關(guān)．1995-2016年烏魯木齊市的城鎮(zhèn)居民由128萬人增加到218萬人，居民食物消費(fèi)量由252 kg增加到423 kg，從側(cè)面證明了城鎮(zhèn)人口的增長帶來食物氮素需求的持續(xù)增長，區(qū)域人口數(shù)量的變化，也會(huì)引起區(qū)域內(nèi)食物氮足跡總量的變化．

圖1 烏魯木齊市城鎮(zhèn)區(qū)域氮足跡和食物氮足跡總量的變化

1995-2016年期間烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡組成及變化見圖2．從圖2中可以看出，1995-2016年，烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡從14.21 kg/a增加到21.99 kg/a，呈波動(dòng)式增長，增幅為54.75%；其中，人均食物消費(fèi)氮足跡從2.78 kg/a增長到3.39 kg/a，增幅為21.94%，而人均食物生產(chǎn)氮足跡從10.37 kg/a增長到12.87 kg/a，增幅與人均食物消費(fèi)氮足跡相近，為24.11%．能源氮足跡增長最快，從1995年的1.06 kg/a增長到2016年的5.73 kg/a，增長了440.57%．這些結(jié)果表明，能源消耗引起的氮排放是造成烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡增長的主要原因．

圖2 烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡的變化

如圖3所示，1995-2016年，烏魯木齊市人均食物生產(chǎn)氮足跡和食物消費(fèi)氮足跡所占比例呈逐年下降趨勢，平均比例分別為64.57%和16.64%，合計(jì)占氮足跡的81.21%．能源氮足跡在氮足跡中所占比例很低，但其比例迅速增加(從7.64%上升到26.06%)．雖然能源氮足跡的增長高于食物氮足跡，但食物氮足跡仍然占氮足跡的主要部分，1995-2016年食物氮足跡平均占比約為能源氮足跡平均占比的5倍．這意味著排放到環(huán)境中的氮主要來自居民的食物生產(chǎn)和消費(fèi)．

3.2 烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡的動(dòng)態(tài)變化

如圖3所示，食物氮足跡占氮足跡的比例較高．因此，深入了解城鎮(zhèn)居民食物氮足跡的動(dòng)態(tài)變化特征和差異對(duì)減輕烏魯木齊市氮負(fù)荷具有重要意義．1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡、人均食物生產(chǎn)氮足跡和人均食物消費(fèi)氮足跡結(jié)構(gòu)變化見圖4，烏魯木齊城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡、人均食物生產(chǎn)氮足跡和人均食物消費(fèi)氮足跡均以素食和動(dòng)物性食品為主，在人均食物氮足跡中，平均40%的食物氮足跡來自動(dòng)物性食品，其中2/3來自畜肉類(27.45%)，其次為禽肉類和水產(chǎn)品；對(duì)于素食產(chǎn)品，糧食和蔬菜各占1/2，分別為18.71%和18.40%．水果類、奶類和蛋類副食品平均占9.61%，6.96%和6.32%；人均食物生產(chǎn)氮足跡與人均食物氮足跡相似，動(dòng)物性食品占食物生產(chǎn)氮足跡的40%，其中2/3來自畜肉類(28.41%)，其次為禽肉類和水產(chǎn)品；對(duì)于素食產(chǎn)品，蔬菜占比大于糧食，分別為21.16%和13.89%．水果類、奶類和蛋類副食品平均占11.07%，7.37%和6.11%；而人均食物消費(fèi)氮足跡與人均氮足跡和人均生產(chǎn)氮足跡有所不同，素食(46.07%)占比大于動(dòng)物性食品(37.75%)，副食品中占比從大到小則依次為：蛋類(7.15%)、奶類(5%)、水果類(4.03%)．

圖3 烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡結(jié)構(gòu)的變化

圖4 1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡、人均食物生產(chǎn)氮足跡和人均食物消費(fèi)氮足跡結(jié)構(gòu)變化

人均食物氮足跡中人均食物生產(chǎn)氮足跡平均占比最高(圖3)，為64.57%，將各類食物生產(chǎn)氮足跡年變化做分析后發(fā)現(xiàn)(圖5)，1995-2016年水產(chǎn)品、蛋類和禽肉類食物生產(chǎn)氮足跡均呈平穩(wěn)趨勢，糧食、蔬菜和畜肉類先波動(dòng)下降后波動(dòng)上升，水果類呈上升—下降—上升趨勢，而奶類則為先上升后下降趨勢．Person相關(guān)分析結(jié)果表明，畜肉類、糧食、蔬菜、水產(chǎn)品、蛋類和水果類生產(chǎn)氮足跡與人均食物生產(chǎn)氮足跡呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.911，0.803，0.739，0.724，0.635，0.598(p<0.01)，說明人均食物生產(chǎn)氮足跡隨著畜肉類、糧食、蔬菜、水產(chǎn)品、蛋類和水果類生產(chǎn)氮足跡的增長而增長，這在一定程度上揭示了高氮食物的生產(chǎn)對(duì)食物氮足跡的變化具有顯著的影響．

圖5 1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民各類食物生產(chǎn)氮足跡變化

3.3 烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均能源氮足跡的動(dòng)態(tài)變化

從圖6得知，烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均能源氮足跡隨著城市化的不斷發(fā)展，呈波動(dòng)上升趨勢，人均能源氮足跡逐年增長，增長率為8.39%，其中，柴油和汽油一直是對(duì)其影響最大的兩個(gè)因素，其年均增長率分別為1.71%和0.43%；煤油、燃料油、液化石油氣和天然氣的能源氮足跡逐年增長，其年增長率分別為2.76%、0.33%、1.83%和20.10%；焦炭的能源氮足跡則逐年下降，年增長率出現(xiàn)了負(fù)增長，為-11.15%，這可能與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源優(yōu)化有關(guān)．

圖6 1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均能源氮足跡

能源對(duì)能源氮足跡的貢獻(xiàn)率從大到小依次為：柴油(53.12%)，汽油(17.67%)，燃料油(11.13%)，煤(9.54%)，煤油(7.23%)，天然氣(0.63%)，液化石油氣(0.52%)，焦炭(0.16%)．由此可知，柴油和汽油是能源氮足跡增長的主要因素，二者對(duì)能源氮足跡貢獻(xiàn)率達(dá)到了70.79%．

圖7 1995年和2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均能源氮足跡占比

3.4 不同地區(qū)氮足跡的比較

將烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡與其他地區(qū)進(jìn)行比較(圖8)．烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡為15.96 kg/a，這一數(shù)值低于廣州(30.15 kg/a)和閩江流域(31.90 kg/a)，僅高于遵義(13.47 kg/a)[9，17，24]．

圖8 不同地區(qū)人均氮足跡比較

各區(qū)域食物氮足跡范圍從10.1 kg/a(遵義)到22.61 kg/a(廣州)，烏魯木齊市食物氮足跡為12.84 kg/a，較接近遵義的食物氮足跡，但低于其他地區(qū)．食物氮足跡占各地區(qū)氮足跡的比例大(74.98%～80.45%)，這說明，在這些地區(qū)，糧食生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氮排放量最大．

烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均能源氮足跡為3.12 kg/a，比遵義(3.37 kg/a)、閩江流域(5.3 kg/a)和廣州(7.54 kg/a)的人均能源氮足跡小．這可能是由于這3個(gè)地區(qū)的工業(yè)較烏魯木齊發(fā)達(dá)，能源消耗造成的氮排放量較大導(dǎo)致的．人均能源氮足跡占各地區(qū)人均氮足跡的比例小(19.55%～25%)，但增長很快．在1995-2016年期間，烏魯木齊市人均能源氮足跡增加了5倍，并且比人均食物氮足跡的增長更快．可以看出，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類活動(dòng)越來越依賴能源．

4 討論

烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均氮足跡22年來增幅為54.75%，其中人均能源氮足跡增幅最大，為440.57%，但食物氮足跡依然是氮足跡的主要部分，其平均占比約為能源氮足跡平均占比的5倍．這與Galloway對(duì)全球的氮研究發(fā)現(xiàn)食物生產(chǎn)的氮生成量是能源生產(chǎn)的5倍的結(jié)果相似[3]．因此，控制食物生產(chǎn)過程中的氮排放，提高食物生產(chǎn)中氮的利用率，減少食物浪費(fèi)，將是減少氮足跡的主要策略．對(duì)食物和氮足跡的快速增長缺乏適當(dāng)?shù)目刂瓶赡軙?huì)進(jìn)一步加劇對(duì)烏魯木齊市脆弱環(huán)境的威脅．此外，有研究發(fā)現(xiàn)，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，人類活動(dòng)越來越依賴能源[31-32]．能源氮足跡占氮足跡的比例小，但增長很快，許多國家注意到這一點(diǎn)并開始使用氮排放量較低的能源．荷蘭擁有世界上最發(fā)達(dá)的風(fēng)力發(fā)電[33]，日本擁有最高的核能利用率[34]．此外，德國對(duì)綠色能源的利用率很高[35]．因此，大力發(fā)展綠色能源應(yīng)是減少烏魯木齊市氮足跡的有效途徑[36]．

本研究估算的氮足跡結(jié)果低于李玉炫等人[9]估算的廣州人均食物氮足跡和Zeng等人[17]估算的閩江流域人均食物氮足跡．這可能是因?yàn)闉豸斈君R作為一個(gè)二線城市，其城市化水平和人口遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國內(nèi)一線城市廣州和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的閩江流域．另一方面，李玉炫等人[9]對(duì)能源氮足跡的估算方法與本研究不同，其默認(rèn)能源氮足跡為總氮足跡的25%，本研究則運(yùn)用Top-down法對(duì)能源氮足跡進(jìn)行估算，相較前者，估算結(jié)果可能更為準(zhǔn)確，具有一定的參考價(jià)值．

5 結(jié)論

本研究運(yùn)用N-Calculator模型對(duì)烏魯木齊市1995-2016年的氮足跡進(jìn)行了估算，并對(duì)其特征進(jìn)行了綜合分析．烏魯木齊市氮足跡由14.21 kg/a波動(dòng)至21.99 kg/a，平均值為15.95 kg/a．相比之下，能源氮足跡所占比例很小，但增長很快．烏魯木齊城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡、人均食物生產(chǎn)氮足跡和人均食物消費(fèi)氮足跡均以素食和動(dòng)物性食品為主．食物生產(chǎn)氮足跡在食物氮足跡中占主導(dǎo)地位，畜肉類、糧食、蔬菜、水產(chǎn)品、蛋類和水果類生產(chǎn)氮足跡影響著食物氮足跡．能源中柴油和汽油是對(duì)烏魯木齊市人均能源氮足跡貢獻(xiàn)最大的兩個(gè)因素，交通是能源氮足跡的主要影響因素．隨著城市化進(jìn)程的加快和人口的增長，烏魯木齊市氮足跡以1 355 t/a的速度增長，這表明，控制食物生產(chǎn)過程中的氮排放，提高糧食生產(chǎn)中的氮利用率，優(yōu)化居民的飲食結(jié)構(gòu)，保持合理的低氮飲食習(xí)慣，使用清潔能源，是緩解烏魯木齊市的足跡增長，解決這一問題的重要途徑．

最后，通過本研究，可以得出一個(gè)結(jié)論，隨著城市化的不斷發(fā)展，氮?jiǎng)荼貢?huì)成為人類生活與城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，并影響著城市可持續(xù)發(fā)展，因此，運(yùn)用城市個(gè)人氮足跡的概念來引導(dǎo)人們低氮生活對(duì)其他城市也具有借鑒意義．