南京城市化食物生產消費系統(tǒng)氮素流動變化

周 迪,謝 標,2,3,*,楊 浩,2,3,孫盼盼,宋一民,汪雪野

1 南京師范大學地理科學學院,南京 210023 2 江蘇省物質循環(huán)與污染控制重點實驗室,南京 210023 3 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023

南京城市化食物生產消費系統(tǒng)氮素流動變化

周 迪1,謝 標1,2,3,*,楊 浩1,2,3,孫盼盼1,宋一民1,汪雪野1

1 南京師范大學地理科學學院,南京 210023 2 江蘇省物質循環(huán)與污染控制重點實驗室,南京 210023 3 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023

城市化的發(fā)展對食物生產消費過程中氮素的流動產生了一定的影響。以1995—2012年南京市食物生產消費變化為基礎,分析了食物生產消費過程中氮素的流動變化及其引起的環(huán)境負荷。結果表明,農村和城鎮(zhèn)人均食物氮消費量分別由1995年的5.09 kg 人-1a-1和3.04 kg 人-1a-1下降至2012年的4.11 kg 人-1a-1和2.65 kg 人-1a-1；與1995年相比,南京市食物消費代價降低了39.29%；農田系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素綜合利用率由1995年的18.71%增加至2012年的24.34%,整體低于全國水平,大量的氮素進入環(huán)境；1995年食物鏈引起氮素的環(huán)境負荷為100.49 GgN/a,到2012年下降至69.90 GgN/a,下降了30.44%。南京城市化的發(fā)展增加了食物進口,會使食物生產地的氮環(huán)境負荷大幅度增加。

城市化；氮素；食物生產消費；南京

隨著我國城市化水平不斷提高,城市居民的食物消費由主食消費為主轉向主副食品替代,以及以植物性食物消費為主轉變?yōu)閯印⒅参锸澄锊⒅豙1-2]。食物消費的變化對環(huán)境質量也產生了一系列的影響[3],如食物生產消費過程中C、N、P等營養(yǎng)元素的循環(huán)變化會引起城市土壤和水體的富營養(yǎng)化[4-5]。

人類通過食物生產消費向生態(tài)環(huán)境排放的過量氮素已經成為全球面臨的重大環(huán)境問題之一[6- 9]。城市居民由食物消費驅動而導致的食物氮素來源和數量發(fā)生了改變[10],氮素隨著食物生產和消費而流動,其流動模式和流量與生態(tài)質量密切相關[11- 13]。研究城市發(fā)展過程中食物氮消費的變化有利于把握城市氮素流動特點和規(guī)律,為城市氮素管理提供參考和依據,促進城市的健康發(fā)展[14-17]。

近年來,國內外已經有很多學者從食物生產消費的角度研究了氮素流動變化情況。總體來說國外的研究大部分從食物生產和食物消費過程中的某一環(huán)節(jié)進行研究[9,18-21],如Galloway的研究指出亞洲糧食生產中活性氮產量位居世界首位,是歐洲糧食生產產生的活性氮量的近兩倍[18]；也有學者定量研究食物生產和餐余垃圾帶來的氮環(huán)境負荷,發(fā)現食物生產消費過程中所帶來的氮環(huán)境負荷不容小覷[12-13,22-23]。國內研究主要側重用食物消費系統(tǒng)氮素的流動變化及其環(huán)境負荷[7,10,24],以及從國家和區(qū)域尺度分析食物鏈氮素養(yǎng)分流動變化[25- 27],對城市化過程中食物生產和消費系統(tǒng)氮素流動變化研究較少。本研究以南京市農村和城鎮(zhèn)居民為研究對象,分析1995—2012年南京市食物生產消費過程中氮素的流動和影響因素,為居民合理膳食、減少食物氮素消費提供科學依據,進而促進南京市的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

南京市位于長江下游中部富庶地區(qū),江蘇省西南部。地理坐標為32°02′43″N、118°46′43″E。全市行政區(qū)域總面積6587.02 km2,2013年國務院批復南京調整區(qū)劃,調整后,南京市轄玄武、秦淮、建鄴、鼓樓、雨花臺、棲霞、江寧、浦口、六合、溧水、高淳11個區(qū),共有81個街道、19個鎮(zhèn)。

隨著經濟的平穩(wěn)快速發(fā)展,南京市常住人口也不斷增加,2012年達到816.1萬人口[28]。城市人均可支配收入由1990年的1591元增長到2012年的36322元,同時,人均食物消費支出占生活消費支出的比重由1990年的60.1%下降到2012年的34.7%[29]。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本研究所需要的南京市人口數量和各類食物生產量、消費量等基礎數據來源于1996—2013年的南京市統(tǒng)計年鑒和2003—2013年的江蘇省統(tǒng)計年鑒。不同食物中的蛋白質含量來源于常見食物營養(yǎng)成分表[30],并將蛋白質按16%折算出氮的含量[7],不同食物的含氮量如表1所示。食物鏈氮素輸入輸出及循環(huán)過程中所需參數來源于文獻資料[31-41](表2)。另外,由于外出就餐數據較難搜集,故本研究中不包括外出就餐量。

表1 不同食物含氮量%

表2 氮素流動過程中主要參數

2.2 食物鏈氮流動過程中通量計算

食物鏈包括食物生產系統(tǒng)、消費系統(tǒng)以及食物生產消費過程中進入循環(huán)的部分,具體分為4部分：植物性食物生產、動物性食物生產、家庭消費和廢棄物(包括作物秸稈、人畜糞便及生活垃圾)。本文采用物質流分析法對食物鏈中氮素流動的途徑和通量進行分析,食物鏈氮素流動模型如圖1所示,氮的投入包括(1)生物固氮,(2)大氣沉降和灌溉,(3)肥料,(4)飼料,和(5)進口食物；氮的輸出包括(6)氨揮發(fā),(7)反硝化產生的N2O和N2,和(8)淋洗、流失；各部分間氮素的流動過程主要包括(10)作物生產提供家庭消費,(11)秸稈作為畜禽飼料,(12)動物生產提供家庭消費,(13)未被利用的秸稈,(14)畜禽糞便,(15)人糞尿及餐余垃圾,(16)糞尿、秸稈還田,(17)餐余垃圾作為飼料；其中(9)外系統(tǒng)累計是指未被利用的廢棄物。由于籽粒具體去向數據無法搜集,本文中籽粒除了供給居民食用,其余均按出口計算。主要計算公式為：

進口飼料含氮量=飼料氮消費量-飼料氮生產量

飼料氮生產量=秸稈飼料氮+餐余飼料氮

進口食物含氮量=食物氮消費量-食物氮生產量

外系統(tǒng)累計氮量=氮輸入量-氮輸出量-廢棄物氮循環(huán)量

食物中氮消費量=食物1含氮量×食物1消費量+食物2含氮量×食物2消費量+……+食物n含氮量×食物n消費量

其中,1,2,…,n指居民消費的各類食物,各食物含氮量如表1所示。

圖1 食物生產消費氮流動模型Fig.1 The nitrogen flow in food production and consumption

3 結果與討論

3.1 南京市食物氮生產消費變化

南京市1995—2012年動植物食品生產消費情況如圖2所示。植物性食物氮收獲量雖然有些波動減少,其始終大于食物氮消費量；畜禽類食物氮收獲量在2003年達到最大值7.96 GgN/a后持續(xù)減少,其消費量顯著增加,2007年后需要進口來滿足需求；水產品類食品氮消費量一直攀升,由1995年的1.44 GgN/a增加至2012年的2.83 GgN/a,增加了近1倍。馬林等人對北京市1978—2008年食物鏈中氮的流動進行了研究,北京市1998—2008年植物性食物氮和動物性食物氮消費量均顯著增加[24,42],一方面北京市2008年城市化率已達到85%[24],而南京市2012年城市化率為75.13%(圖3),北京市的城市化水平和人口都高于南京,另一方面,由于南方和北方食物消費習慣的差異,南京市人均植物性食物氮消費量低于北京市。

圖2 南京市動植物食品生產消費變化Fig.2 Changes in total production and consumption in Nanjing City during the period 1995 to 2012圖A為植物性食物氮生產量與消費量變化,圖B為畜禽食物氮生產量與消費量變化,圖C為水產品氮消費量變化

圖3 南京市1995—2012年常住人口變化Fig.3 Resident population of Nanjing City from 1995 to 2012

南京市人均食物氮消費量呈現出下降趨勢,其中人均植物性食物氮消費量一直減少,而人均動物性食物氮消費量逐年增加,其增加幅度遠小于植物性食物氮消費量的減少幅度。農村人均食物氮消費量在1995—2000年間呈波動增加,2000年達到最高值6.34 kg 人-1a-1,隨后年份呈現不同程度下降,到2012年降至4.11 kg 人-1a-1；城鎮(zhèn)人均食物消費量一直處于下降趨勢,到2012年下降至2.65 kg 人-1a-1(表3),基于以往研究結果,南京市居民食物消費進入第二個階段,即數量型階段[43-44]。表5對相關研究結果進行了比較,魏靜等人的研究結果顯示1982—2002年中國農村和城鎮(zhèn)居民人均食物氮消費量變化趨勢并不相同[10]；王俊能等人指出1981—2007年中國城鎮(zhèn)居民人均食物氮消費量總體呈不顯著的上升趨勢[1]；2012年閆禎等人對廈門市1998—2010年居民食物N消費動態(tài)進行了研究,結果顯示廈門市人均食物氮消費量的變化趨勢與南京市的變化趨勢一致[4]；2014年馬林等人對北京市1978—2008年食物鏈中氮流動的研究表明,人均食物氮消費量逐年增加[24]；國外也有類似的研究,Riina 等的研究結果表明芬蘭在1995—1999年人均食物氮消費量平均值已經達到6.5 kg 人-1a-1；Barles 指出巴黎十九世紀人均食物氮消費量的平均水平為6.57 kg 人-1a-1。以上研究結果對比可見,一方面,人均食物氮消費量可能受城鄉(xiāng)差異的影響,另一方面,不同城市受經濟發(fā)展的影響,食物消費階段及食物消費結構可能不同,從而導致人均食物氮消費量變化趨勢不同。

表3 食物鏈氮素利用率的主要指標

表4 相關研究結果比較

3.2 食物鏈中氮素的輸入和輸出

圖4 南京市1995—2012年食物鏈氮素的輸入輸出變化 Fig.4 Changes in total N inputs and outputs in Nanjing City during the period 1995 to 2012

食物鏈氮素的輸入主要包括肥料、進口飼料和進口食物。1995年南京市食物鏈氮的總輸入為162.48 GgN/a,隨后波動下降至2012年的116.42 GgN/a,期間2003年達到了最大值172.25 GgN/a(圖4)。與1995年相比,2012年單位播種面積氮的投入量減少了13.46%。南京市進口食物和飼料氮占食物鏈氮素輸入總量的比例由1995年的36.55%下降至2012年的34.78%(其中2007年之前不需要食物進口,進口食物氮量按零計算)(表3),一方面,畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的減小導致進口飼料氮減少,另一方面,2007年起畜禽食品需要進口,并逐年增加,到2012年畜禽食品氮素進口量達到3.17 GgN/a(表5),然而進口飼料氮的減少量大于進口畜禽食物氮的增加量。由于水產品養(yǎng)殖數據缺失,故食物鏈氮素的總投入量計算值偏小。

本研究中食物鏈氮素主要是通過氨揮發(fā)、反硝化及徑流、淋洗進入環(huán)境,部分循環(huán)進入食物鏈(如糞尿還田、秸稈還田、秸稈飼料化、廚余飼料化),其余部分無法具體確定去向,假設全部進入外系統(tǒng)累積(表5)。農田單位播種面積氮素累積量呈現波動性的減少,2000年達到最大值77.12 kgN/hm2；廢棄物氮循環(huán)進入食物鏈由1995年的27.96 GgN/a波動減少至2012年的24.72 GgN/a,這主要是由畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的變化引起的(表3,表5)。

3.3 食物鏈中氮素的利用效率

由表3可知,1995—2000年南京市農田系統(tǒng)氮素利用率從25.67%下降至20.38%,隨后一直攀升,到2012年增加至34.44%；畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率從1995年的9.44%持續(xù)增加,2012年達到11.14%；農田系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素的綜合利用效率呈先下降后上升的趨勢,其值整體低于農田系統(tǒng)的氮素利用率,高于畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮素利用率,這主要是受畜禽糞便還田量減少的影響。南京市2005年農田系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素的綜合利用率為18.33%,低于中國的平均值27%[46]。南京市的食物氮消費代價由1995年的8.40 kgN/kg下降至2012年的5.10 kgN/kg,這主要是因為隨著城市化的發(fā)展,南京市農田面積及畜禽養(yǎng)殖規(guī)模減小,食物生產量由自給自足轉變?yōu)楣┎粦?需要大量進口,故食物消費代價呈下降趨勢。北京市從1978年到2008年食物氮消費代價一直維持在2.5—4.5 kgN/kg[24],中國2005年食物氮消費代價平均值為11 kgN/kg[25],南京市城市化水平低于北京市,進口食物和飼料量遠遠低于北京市,故其食物氮消費代價高于北京市。

表5 南京市1995、2000、2005、2010、2012年食物鏈氮素的輸入和輸出

3.4 食物鏈中氮素的環(huán)境負荷

由圖4可知,1995—2012年南京市食物鏈引起氮素的環(huán)境負荷呈現出波動下降的趨勢,1995年食物鏈引起氮素的環(huán)境負荷為100.49 GgN/a,到2012年下降至69.90 GgN/a,下降了30.44%,導致這一變化的主要原因是城市化發(fā)展使南京市農田播種面積和畜禽養(yǎng)殖面積減小,食物鏈氮素的總輸入隨之減少,加之農田和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素利用率的增加。馬林等人認為北京市1978—2008年食物鏈引起的氮環(huán)境負荷呈增加趨勢[24],這主要是因為北京市的常住人口急劇增加,且遠遠大于南京市,導致其進口食物量大幅度增加,其環(huán)境負荷主要來自食物消費過程。由此可見,城市化對食物鏈引起的氮環(huán)境負荷有雙重影響,一定的城市化水平有利于降低食物生產過程對城市化地區(qū)帶來的環(huán)境負荷,然而城市化水平過高會引起大量食物進口,不僅會使城市化地區(qū)食物消費氮產生的環(huán)境負荷增加,食物生產地需大量生產食物供給,其生產過程中也會給本地帶來大量的氮環(huán)境負荷。

食物生產消費過程中所產生的氮環(huán)境負荷主要來自化肥施用、人畜糞尿以及餐余垃圾。從南京市食物生產系統(tǒng)看,農田播種面積的減少以及化肥利用率的提高,使南京市化肥投入有所減少,但與國家農田氮素利用率相比,南京市農田氮素利用率相對較低,有研究表明合理的對策可以使農田氮素利用率達到60%—80%,如優(yōu)化氮肥管理、控釋/緩釋肥料等[47-49]。食物消費過程中,氮環(huán)境負荷一方面是來自餐余垃圾,人口的流動使城鎮(zhèn)人口劇增,進而導致餐余垃圾的不斷增多,餐余垃圾的處理是造成南京市氮環(huán)境負荷的重要部分,因此減少餐余垃圾量和資源化利用是降低南京市氮環(huán)境負荷的重要途徑,另一方面氮素進入人體后只有2%被人體吸收,大部分通過糞尿排出[50],提高城鎮(zhèn)污水處理率可以減少這些氮素直接進入水體和大氣而造成氮環(huán)境負荷。

4 結論

本文通過統(tǒng)計數據、調研數據、文獻資料,運用物質流分析法對南京市1995—2012年食物鏈氮素流動情況及其環(huán)境負荷進行了綜合分析,結論如下：

(1)由于城市化水平的提高,南京市食物消費由生存型階段進入數量型階段,食物消費結構發(fā)生了一定的變化,由植物性食物為主轉化為植物動物性食物并重,與1995年相比,農村居民和城鎮(zhèn)居民2012年人均食物氮消費量明顯減少,即在食物消費過程中,平均每個人所消費的氮有所減少。

(2)城市化的不斷發(fā)展使耕地面積和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模大幅度減小,從而使農田系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮投入減少,另外,南京市人口不斷增多,改變了南京市食物自供自給的狀態(tài),部分食物需要進口,因而使食物氮消費成本相對降低。

(3)城市化過程中一部分農村人口流動到城鎮(zhèn),減少了食物生產系統(tǒng)氮投入,但食物生產系統(tǒng)氮素利用率遠遠低于全國平均水平,提高氮素利用率可以進一步減少由食物生產系統(tǒng)帶來的氮環(huán)境負荷。

(4)南京市目前的城市化水平處于部分食物需要進口的狀態(tài),這使南京市食物鏈氮素的總投入有所減少,但隨著城市化水平越來越高,會需要大量的食物進口,食物消費階段也將從數量型階段進入質量型階段,人均食物氮消費量可能會像北京市一樣呈上升趨勢,而大量的食物進口也會使食物生產地的氮投入增加,從而導致食物生產地的氮環(huán)境負荷增加,因此城市化對食物鏈引起的氮環(huán)境負荷有雙重影響,一定的城市化程度有利于城市化地區(qū)的發(fā)展。

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Nitrogen flow associated with food production and consumption in Nanjing City

ZHOU Di1, XIE Biao1,2,3,*, YANG Hao1,2,3, SUN Panpan1, SONG Yimin1, WANG Xueye1

1SchoolofGeographyScience,NanjingNormalUniversity,Nanjing210023,China2JiangsuProvincialKeyLaboratoryofMaterialsCyclingandPollutionControl,Nanjing210023,China3JiangsuCenterforCollaborativeInnovationinGeographicalInformationResourceDevelopmentandApplication,Nanjing210023,China

With rapid urbanization, the food production-consumption system is associated with increased nitrogen (N) flow resulting in environmental problems. However, quantitative analyses of N flow during urban expansion and information about their drivers and trajectories are limited, especially at the city level. In the present study, we analyzed the changes in N flow and environmental load in the food production and consumption system of Nanjing, which experienced remarkable population and economic growth between 1995 and 2012, using a combination of statistical databases, literature surveys, and the mass balance model. The results showed that population density increased at the expense of agricultural land and livestock breeding. Food production transformed from self-sufficiency to deficiency, resulting in increased food imports. The rapid increase of the migrant population coincided with a rapid increase in gross domestic production, with changes in food demand and consumption patterns. The structure of food consumption in Nanjing transformed from grain-oriented to grain-vegetable-meat-oriented, and the per capita N consumption of food decreased from 1995 to 2012. In addition, due to different living standards and food consumption patterns between rural and urban residents, the percentage of the per capita decline for N consumption of food was different. The rural and urban per capita N consumption decreased from 5.09 kg person-1a-1and 3.04 kg person-1a-1in 1995 to 4.11 kg person-1a-1and 2.65 kg person-1a-1in 2012, respectively. The N cost of food consumption of Nanjing decreased from 8.40 kg/kg in 1995 to 5.10 kg/kg in 2012, and declined by 39.29%. The N cost of the food consumption was relatively low when compared to the mean in China, and decreased over time. Mean N use efficiency in food production increased from 18.71% in 1995 to 24.34% in 2012; however, it was still lower than the mean national level. A large amount of N entered the environment and caused severe air, water, and soil pollution. The decrease of total N input, combined with increased N use efficiency in crop and animal production systems, resulted in a decreased environmental N load from food production and consumption of 30.44%, from 100.49 GgN/a in1995 to 69.90 GgN/a in 2012. Regarding food production in Nanjing, environmental N load could be efficiently reduced by optimizing N fertilizer management and using slow-release fertilizer. Regarding food consumption, environmental N load is produced primarily from food waste and human sewage discharge. The effective collection and treatment of these wastes and the utilization of these in rural areas is urgently needed. The rapid increase in the urban population from 1995 onwards has greatly contributed to the increasing import of food and apparent low food N cost. As food imports increased with rapid growth of urban areas in Nanjing, the N cost associated with the production and processing of imported food and feed was transferred to areas where it was produced. Other regions with increased food production will be affected by large increases in N load.

urbanization; nitrogen; food production-consumption; Nanjing City

國家重大科學研究計劃資助項目(2014CB953800)；國家自然科學基金資助項目(41273103)

2015- 09- 11;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201509111882

*通訊作者Corresponding author.E-mail: biaox@hotmail.com

周迪,謝標,楊浩,孫盼盼,宋一民,汪雪野.南京城市化食物生產消費系統(tǒng)氮素流動變化.生態(tài)學報,2017,37(3):960- 968.

Zhou D, Xie B, Yang H, Sun P P, Song Y M, Wang X Y.Nitrogen flow associated with food production and consumption in Nanjing City.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):960- 968.