社會經濟系統氮素流動及其環境負荷

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，定量識別了區域社會經濟系統的氮素流動過程及特征，評估和比較了農業生產、工業生產以及生活消費過程造成的環境氮負荷。研究結果表明，2011年長江中下游城市群社會經濟系統的氮素輸入總量為993.56×104 t，氮素輸出總量為732.84×104 t，工業固氮、飼料進口和能源消費是新增氮素的主要來源，環境排放是最大的氮輸出方式。2011年整個系統向周圍環境排放的氮總量為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個子系統的環境氮排放貢獻排序依次為農業種植（43.83%）>工業生產（16.59%）>城市生活（16.14%）>畜禽養殖（13.96%）>水產養殖（6.08%）>農村生活（3.40%）。目前，農田施肥過度浪費、畜禽養殖與農業種植脫節且廢物處理率低、工業行業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境氮負荷的主要原因。今后，在快速工業化、城鎮化進程以及大量農業活動中，農業種植子系統重點應減少肥料使用量和優化用肥結構，尤其是大幅減少化肥投入；畜禽養殖子系統應適當增加規模化養殖廢物還田比例，提高廢物資源化和綜合利用水平，統籌安排污染治理設施建設；工業生產子系統應積極推進企業清潔生產，調整和優化工業能源結構，嚴格執行高耗能高污染行業環境準入；生活消費子系統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；環境負荷；社會經濟系統

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元素，同時，也是溫室氣體、光化學煙霧、酸雨、營養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過程發生了深刻變化，一方面促使工農業產品得到較快增產，另一方面卻對環境造成水體富營養化、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境問題中，一半以上與人類活動對氮循環的改變有關[3]。隨著人口的增長和工業化水平的提高，社會經濟發展對全球和區域氮循環的擾動日益加劇，許多國家和地區因氮循環失衡導致的環境污染正日趨嚴重[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濟系統氮素流動過程、循環利用以及環境排放情況的探討，研究涵蓋了全球[6]、國家[7-8]、區域[9]、城市[10]等多個層面。由于受自然地理、環境條件和社會經濟等因素的影響，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，全面分析氮素在區域社會經濟系統的流動過程，識別不同生產、消費過程對環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域氮素調控對策和建議。

1研究區概況

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個省直轄區域，涵蓋武漢城市圈、長株潭城市群、鄱陽湖生態經濟區和皖江城市帶4個城市群，土地總面積26.34×104 km2。該區處于亞熱帶季風氣候區，年均氣溫14-18℃，年降水量800-1 400 mm，區內河汊縱橫，湖泊密布，是長江、淮河等重要流域的關鍵區域，也是我國淡水湖泊分布最集中的地區。2011年YRUA常住人口1.07億人，其中城鎮人口5 625.79萬人，人口密度429 cap/km2，是全國平均水平的1.6倍。自“促進中部地區崛起戰略”實施以來，該區域經濟規模持續快速增長，2011年國內生產總值（GDP）突破4 000億元，人均GDP達到37 323元。地區產業以能源重化工等初級產品、粗加工生產行業為主，工業污染排放效率較低；農業種植以稻谷、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，根據質量守恒定律（輸入=輸出+累積），定量追蹤YRUA社會經濟系統氮素的產生、遷移、轉化、釋放和歸宿過程。綜合考慮研究目的、研究區特點和數據可獲取性等因素，將YRUA社會經濟系統劃分為農業生產子系統（包括農業種植子系統、畜禽養殖子系統和水產養殖子系統）、工業生產子系統以及生活消費子系統（包括城市生活子系統和農村生活子系統）。采用文獻調研、專家咨詢和實地考察等方法，全面剖析社會經濟子系統內部各要素之間、各社會經濟子系統之間以及社會經濟系統與環境系統之間的氮素輸入輸出關系，從而識別氮素流動和循環的主要特征。

2.2數據來源

本研究涉及的耕地面積、播種面積、化肥施用量、農產品產量、畜禽養殖量、畜禽產品產量、水產養殖面積、漁業產品產量、氮肥生產量、工業產品產量、加工農畜產品產量、燃料消費量、人口數量以及機動車數量等基本統計數據通過2012年湖北、湖南、江西、安徽省統計年鑒、市統計年鑒、農村統計年鑒和環境統計年鑒獲得。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。

2.3核算方法

2.3.1農業種植子系統

農業種植子系統氮素輸入量和輸出量的計算公式如下：

2.3.2畜禽養殖子系統

畜禽養殖子系統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據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計資料，因此本文遵循就近原則，對各子系統之間、系統內外的物質關聯進行了簡化，即系統內生產的物質優先滿足系統內的需求，不足或剩余的產品由系統外輸入或輸出[44]。例如，工業生產子系統產出的化肥依次優先提供給水產養殖子系統和農業種植子系統，不足的化肥消費量則從系統外購入。據此，按照前述核算方法，得到2011年YRUA社會經濟系統的氮物質流情況（圖1）。

3.1輸入輸出特征

2011年YRUA社會經濟系統氮素輸入總量為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個社會經濟子系統中，工業生產氮素輸入量最高（678.23×104 t），其次為農業種植（471.33×104 t），農村生活氮素輸入量最小（32.77×104 t），城市生活氮素消費量是農村生活的3.79倍。各子系統氮流的主要源與匯見表5。

3.2環境負荷特征

由社會經濟系統進入環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社會經濟系統向周圍環境排放的氮總量為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%，而向其他環境排放的比例累積不到15%（圖2a）。在6個社會經濟子系統中，農業種植向環境排放的比例最大，占43.83%，工業生產、城市生活次之，分別占16.59%和16.14%，而其他子系統向環境排放的比例累積23.44%（圖2b）。

通過分析區域氮排放結構特征發現（圖2b），大氣環境潛在污染物的兩大來源依次為農業種植和工業生產，大氣氮排放比例分別占30.70%和30.20%。除此之外，農業種植對水體和耕地污染的貢獻水平也最高，2011年該子系統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域土壤質量和水質健康的首要因素之一。就非耕地環境而言，2011年全區累積在非耕地的氮負荷量為100.54×104 t，其中49.57%經過填埋、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%沒有快速循環回環境，而是積累在人類居住區。

3.3利用效率特征

氮素利用效率指的是在系統內或系統外具有使用價值的氮輸出比率，通常可以選擇氮素生產利用率和氮素循環利用率兩個重要指標來描述[45]。

在工農業生產子系統中，氮素生產利用率是指工農業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社會經濟系統的氮素生產利用率為45.70%，其中工業生產的氮素生產利用率也較高（81.38%），原因在于該子系統本身屬于加工部門，且技術水平相對較高；農業生產的氮素生產利用率很低，主要是由于人為氮營養投入量過大，遠遠超出動植物生長需求。

在農業生產子系統中，氮素循環利用率是指種養廢物用作飼料、沼氣、還田、堆肥的氮養分量占種養廢物農業生產氮總量的比率；在生活消費子系統中，氮素循環利用率是指人體糞尿和生活垃圾用作堆肥、還田的氮養分量占人糞尿、生活垃圾總氮量的比率；這里暫不考慮工業廢物的循環利用情況。核算結果表明（圖3b），農業生產的氮養分循環利用率較高，其中畜禽養殖的氮養分循環利用率達到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。在生活消費子系統中，城市生活的氮養分循環利用率僅為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社會經濟系統氮素的流動過程，評估和比較了農業生產、工業生產以及生活消費過程對環境氮負荷的影響。研究結果表明，2011年YRUA社會經濟系統氮素輸入總量為993.56×104 t，氮素輸出總量為732.84×104 t，工農業生產作為氮素流動的核心，決定了整個系統氮素的投入與輸出。工農業產品氮收獲量為303.03×104 t，其中76.51%被輸送到系統外，說明系統外產品消費是促進整個系統氮素流動的主要驅動力。綜合前面的分析發現，系統外以生產資料的形式向系統內輸送了大量氮流，系統內又以產品的形式將一部分氮流返還到系統外，在這個產品生產、加工過程中，系統外向系統內轉嫁的環境氮負荷量高達461.17×104 t，占全區環境氮負荷總量的60.60%。YRUA作為全國重點開發區域和重要糧食生產基地，未來開發規模與強度將進一步加大，區域發展需求和污染物排放之間的矛盾將進一步加深。在快速工業化、城鎮化進程以及大量農業活動中，如何科學控制生產部門的環境氮排放將成為該地區降低氮素污染風險亟待解決的關鍵問題。

（2）2011年YRUA社會經濟系統向周圍環境排放的氮總量為760.99×104 t，其中農業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。根據前文的核算結果，農業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種植引起環境氮負荷的根本原因。從肥料的施用水平來看，全區施氮強度在162.34-729.45 kg/hm2之間，平均值為327.69 kg/hm2，遠遠超過歐盟規定的農田氮素養分投入標準（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，低于發達國家規定的糞肥氮最高投入限額（170.00 kg/hm2）[48]。因此，農業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，根據作物的生長特性、需肥規律、土壤的供肥性能以及農業生產的區域特征，有針對性地制定肥料的施用數量、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分流失。