王慧娜，趙小鋒* ，唐立娜，崔勝輝，李桂林

(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 361021;2.廈門市城市代謝重點實驗室，廈門 361021)

磷代謝是生態(tài)系統(tǒng)中重要的元素代謝之一［1-2］。城市生態(tài)系統(tǒng)中磷素流動數(shù)量和模式的變化，不但關系到居民食品安全，還影響到城郊生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量，更可能導致城市土壤和水體環(huán)境的富營養(yǎng)化［3］。食物消費是城市物質(zhì)代謝的重要環(huán)節(jié)之一，其中磷代謝過程和機制得到了廣泛的關注。例如Farge等根據(jù)食物消費數(shù)據(jù)研究曼谷城市養(yǎng)分流動平衡，發(fā)現(xiàn)磷素輸入輸出不平衡，41%的磷素通過水體流失［4］;Neset等分析了瑞典Linkoping城戶均食物生產(chǎn)和消費系統(tǒng)中磷素量增加的原因，發(fā)現(xiàn)主要是由動物性食品的生產(chǎn)和化肥的使用引起的［5］;Fissore等研究Minneapolis-Saint Paul大都市區(qū)的磷代謝，發(fā)現(xiàn)絕大部分的磷素輸入受居民食物消費、洗滌劑使用和寵物食物消費影響［6］。國內(nèi)相關研究還相對較少，例如李桂林等分析了1985—2006年中國城市食物消費引起的磷代謝特征及其與收入水平的關系［3］;喬敏等分析了北京和天津2008年的城市食物消費磷素流動過程并指出磷素的循環(huán)利用率偏低［7］。但綜合分析城市磷代謝的社會經(jīng)濟影響因素及環(huán)境負荷的研究尚不多見。

20世紀80年代以來，中國城市化進程飛速發(fā)展，城市居民生活條件和消費水平不斷提高，特別是膳食結構的變化，對城市的物質(zhì)流動模式產(chǎn)生了重要影響，給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。因此，揭示城市化過程中食物消費引起的元素代謝變化規(guī)律及其影響因素成為改善城市生態(tài)環(huán)境的必然要求。本研究利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)和文獻資料，采用物質(zhì)流分析的方法，對廈門市1988—2010年居民食物磷素流動特征及其社會經(jīng)濟驅(qū)動因子進行了分析，并進一步對由磷素消費變化造成的環(huán)境負荷進行了探討。

1 研究區(qū)

廈門地處福建省東南部九龍江入海處，西部與漳州毗鄰，北接泉州，東南與臺灣本島和澎湖列島隔海相望，由思明、湖里、集美、海滄、同案和翔安6個區(qū)組成，陸地面積1565 km2，海域面積390 km2［8］。自1980年10月國務院批準成為經(jīng)濟特區(qū)以來，廈門已由過去社會封閉、經(jīng)濟基礎薄弱的海防前沿海島小城變成一個基礎設施齊全、內(nèi)外交流活躍、綜合實力增強的現(xiàn)代化港口風景城市。快速的城市化進程對廈門社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了深遠的影響［9-10］，1981年廈門的建成區(qū)面積僅為12 km2，2010年已擴張至230 km2;常住人口激增至353.1萬。2010年的國民生產(chǎn)總值(GDP)增速高達15.1%，人均GDP達到10000美元，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入29000元，農(nóng)民人均純收入首次突破10000元。在經(jīng)濟快速增長的同時，廈門市居民食物消費總量由1988年的34.17萬t逐步增至2010年的54.30萬t，恩格爾系數(shù)(食品支出總額占個人消費支出總額的比重)則由1988年的65.0%下降到2010年的24.9%［11］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中涉及的主要數(shù)據(jù)來自于1988—2010年的《廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒》［11］、《福建統(tǒng)計年鑒》［12］，以及廈門市環(huán)境保護局調(diào)研獲取的《廈門市環(huán)境統(tǒng)計及城考資料匯編》資料。同時，為使分析計算中所用的指標參數(shù)等具有較高的可信度和準確度，通過對大量文獻資料的整理匯總，得到了計算所需的相關參數(shù)值。

2.2 物質(zhì)流分析

物質(zhì)流分析(MFA)是指在一定時空范圍內(nèi)關于特定系統(tǒng)的物質(zhì)流動和貯存的系統(tǒng)性分析［13］，主要涉及物質(zhì)流動的源、路徑及匯。根據(jù)物質(zhì)守恒定律，物質(zhì)流分析的結果總是能通過其所有的輸入、貯存及輸出過程來達到最終的物質(zhì)平衡。正是物質(zhì)流分析的這一顯著特征，使之為資源、廢棄物和環(huán)境的管理提供了方法學上的決策支持工具［14］。本文采用物質(zhì)流分析法，簡化物質(zhì)守恒定律為“輸入=輸出”，對經(jīng)居民食物消費進入系統(tǒng)的磷素流動的途徑和通量進行分析計算。

2.3 食物磷量的計算

食物中磷量公式為:

式中，Wq為消費食物的總磷量，wqi為食物類型i的消費總磷量;wi為食物類型i的消費量，qi為食物類型i的磷含量，不同食物類型的磷含量見表1［15］。

表1 不同食物磷含量Table 1 Phosphorus content in food

2.4 食物磷素消費造成的環(huán)境磷負荷計算

采用物質(zhì)流分析法，簡化物質(zhì)守恒定律為“輸入=輸出”，對經(jīng)居民食物消費進入系統(tǒng)的磷素流動的途徑和通量進行分析，得到如圖1所示的城市食物消費磷代謝概念模型。食物磷素消費造成的環(huán)境負荷指的是最終進入大氣、水體、土壤中的磷素含量。其中大氣中磷含量相對較少，并且由于氣態(tài)化合物PH3在潮濕空氣中不穩(wěn)定，即磷的大氣沉降、地表揮發(fā)過程不顯著，因而磷經(jīng)由大氣圈與土壤、水體的循環(huán)通量幾乎可以忽略不計［16］。在本文的計算中，城鎮(zhèn)居民糞尿按全部進入管道污水處理，農(nóng)村居民糞尿按全部還田處理，各環(huán)節(jié)具體計算公式如表2所示，計算參數(shù)見表3。

圖1 城市食物消費磷代謝概念模型Fig．1 Conceptual model of phosphorus flow for urban food consumption

表2 磷素流動計算公式Table 2 Calculation formulas of Phosphorus flows

表3 磷素流動計算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of Phosphorus flows

3 結果與分析

3.1 居民食物消費變化

廈門市居民1988—2010年食物消費總量變化如圖2所示。2009年之前，隨著人口數(shù)量的穩(wěn)步增長，居民食物消費總量基本呈波動上升趨勢，由1988年的49.34萬t增至2009年的80.75萬t。由于常住人口數(shù)激增100多萬，使得2010年較2009年的食物消費總量增加了近32%，達到106.36萬t。

人均食物消費總量變化如圖3所示，1988—1997年間相對穩(wěn)定，保持在320 kg·人-1·a-1左右;1998年達到357.01 kg·人-1·a-1后下降，在2003年增至360.09 kg·人-1·a-1，隨后的年份總體呈下降趨勢，2010年比1988年下降了5%。

圖2 1988—2010年廈門市居民食物消費總量變化Fig．2 Dynamics of food consumption in Xiamen from 1988 to 2010

在食物消費結構方面，這23年中蔬菜、蛋類、油類變化相對穩(wěn)定，肉類、瓜果、水產(chǎn)品的消費量則基本呈上升趨勢，奶類的消費量在2006年之后開始增幅劇烈。圖4給出了廈門市居民人均食物消費結構的變化，除糧食消費比例明顯減少以及蔬菜消費比例基本穩(wěn)定外，其他類別食物的消費比例均有不同程度的增加，其中較為明顯的是瓜果和肉類，比例由3%和6%增至14%?？梢姡瑥B門市居民食物消費模式由“以糧食和蔬菜為主”向“以糧食、肉類、蔬菜瓜果均衡化”轉(zhuǎn)變。

圖3 1988—2010年廈門市居民人均食物消費量變化特征Fig．3 Dynamics of per capita food consumption in Xiamen from 1988 to 2010

圖4 1988—2010年廈門市居民人均食物消費結構變化Fig．4 Structural dynamics of per capita food consumption in Xiamen from 1988 to 2010

3.2 居民食物磷素消費變化

圖5 所示為1988—2010年廈門市居民食物磷素總量和人均消費量的變化情況。磷素消費總量的變化趨勢與圖2所示的食物消費總量變化趨勢基本相似。2009年前磷素消費總量呈波動攀升，由1988年的519.97 t增至2009年的857.43 t;2010年的磷素消費總量則激增至1128.88 t。人均食物磷素消費量呈M型變化趨勢，1998年和2003年的消費量是兩個峰值，1998年前及1999年至2002年間相對穩(wěn)定，維持在345 g·人-1·a-1左右，2003年以后基本呈波動性的下降。與圖3所示的人均食物消費量變化趨勢相似，由此可見食物消費量對食物磷素的消費有直接的影響。在人均磷消費量減少的前提下，全市居民磷消費量仍然激增，由此說明2010年的人口激增對居民食物磷素消費總量產(chǎn)生了決定性的影響。

圖5 1988—2010年廈門市居民食物磷素消費量變化Fig．5 Dynamics of food phosphorus consumption in Xiamen from 1988 to 2010

圖6 為廈門市居民食物磷素消費的結構變化，從圖中可知，這23年中，奶制品、水產(chǎn)品作為高磷含量食物，在人均食物磷素消費量中所占比例分別由0.3%和6.8%上升至14.9%和15.5%，尤其是奶制品消費量的增加使其在磷素消費中所占比例明顯升高。因此食物消費結構的改變對食物磷素消費也有較大影響。例如2001年和2002年，在人均食物消費量減少的情況下磷素消費量仍有增加，分析食物消費結構情況可知，肉類、水產(chǎn)品等含磷量較高的食物在食物消費中的增加是人均磷素消費量增加的根本原因。

圖6 1988—2010年廈門市居民人均食物磷素消費結構變化Fig．6 Structural dynamics of per capita food phosphorus consumption in Xiamen from 1988 to 2010

3.3 居民食物磷素消費與社會經(jīng)濟因子的關系

食物消費是人類最基本的消費行為，居民食物消費量、消費模式等是受社會經(jīng)濟因素影響的。本文選取人均可支配收入、恩格爾系數(shù)、食物價格指數(shù)，以及具有大學程度(大專及以上)的人口比重、平均家庭人口數(shù)等社會經(jīng)濟因子，利用1988—2010年廈門市相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)和SPSS16.0軟件進行Spearman相關性分析，對廈門市人均食物磷素消費變化相關的驅(qū)動因子進行探討。

由表4可知，居民人均食物磷素消費量與各經(jīng)濟、社會因子的相關性不顯著，因此進一步將各類食物磷素消費與所選取的社會經(jīng)濟因子進行相關分析。結果表明，除蔬菜和酒飲類外，其余各類均與各經(jīng)濟社會因子有較高的相關性。人均糧食磷素消費與恩格爾系數(shù)、平均家庭人口數(shù)呈正相關關系，即居民糧食磷素消費量隨兩者的增長而增長;與人均可支配收入、食物價格指數(shù)、具有大學程度人口比重表現(xiàn)出負相關關系。植物油、瓜果、畜禽肉、蛋類、奶類、水產(chǎn)品的人均磷素消費量與各因子的相關關系恰恰與糧食相反。由此推斷，正由于這兩組食物類別與社會經(jīng)濟因子之間相反的相關性產(chǎn)生的抵消作用導致人均食物磷素消費量與各因子相關性不顯著。

表4 廈門市居民人均食物磷素消費量與各社會經(jīng)濟因素相關性Table 4 Correlation coefficients between per capita food phosphorus consumption and socio-economic factors

3.4 食物磷素消費造成的環(huán)境負荷

由食物消費進入城市系統(tǒng)的磷素輸出的途徑包括進入水體環(huán)境、土壤環(huán)境、人體吸收、加工損失和其他。人體吸收和其它數(shù)量較小故忽略不計，在此主要討論進入水體環(huán)境、土壤環(huán)境食物磷素數(shù)量的變化。由于廈門市統(tǒng)計年鑒缺少1988年至1990年的年污水排放量、處理量等數(shù)據(jù)，故只統(tǒng)計了1991—2010年的基礎數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得到廈門市食物磷素造成的環(huán)境負荷變化趨勢如圖7。進入環(huán)境的磷素總量隨居民食物磷素消費總量的增加而增加，20年間環(huán)境磷負荷總量增加近兩倍，主要是進入土壤環(huán)境磷素量劇烈增加，所占環(huán)境總負荷比例由59.7%增至85.1%。

圖7 廈門市食物磷素消費造成的環(huán)境磷素負荷Fig．7 Environmental loads of food phosphorus consumption

圖8 廈門市食物磷素消費造成的土壤環(huán)境磷素負荷Fig．8 Soil environmental loads of food phosphorus consumption

進入水體環(huán)境的磷素主要來源于生活污水中人體排泄的部分以及廚房廢水。圖7顯示2002年之后進入水體的磷素量明顯的減少，2010年進入水體的磷素僅占總量的14.88%，這很可能與廈門市2000年開始禁止銷售、使用含磷洗滌劑有直接關系。還可能與污水處理率的提高、處理工藝的改進等有關，使得原本進入水體的磷素轉(zhuǎn)而由土壤環(huán)境進行負荷。

進入土壤環(huán)境的磷素則主要來源于餐廚垃圾、農(nóng)村居民糞尿還田以及廚房廢水和人體排泄產(chǎn)生的污水經(jīng)處理產(chǎn)生的污泥填埋。圖8為進入土壤環(huán)境的磷素組成，其增長主要是由污泥填埋的磷量明顯增加引起的，由1991年的86.26 t激增至2010年的834.37 t。據(jù)廈門市市容環(huán)衛(wèi)統(tǒng)計，2000年廈門市人均生活垃圾量為215.3 kg·人-1·a-1，2009年增長至414.3 kg·人-1·a-1;在人均餐廚垃圾量增長的同時，廈門市人口規(guī)模也急劇增長，導致廈門市餐廚垃圾總量日趨巨大。餐廚垃圾的填埋量的增長對土壤磷素的增加有顯著影響，1991年所占比例僅為8%，而2010年則占土壤負荷磷總量的23%。這表明隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，餐廚垃圾產(chǎn)生量劇增而處理能力不足，導致了土壤環(huán)境負荷的加重。而城鎮(zhèn)人口比例的增加和污水管道覆蓋率的提升使得農(nóng)村糞尿還田的磷量逐年遞減，2010年還田的磷量僅是1991年的一半。

4 討論

4.1 居民食物磷素消費隨城市社會經(jīng)濟因素變化的原因

城市居民食物消費受到各種社會經(jīng)濟因素的影響，包括教育程度［23］、食物消費支出、恩格爾系數(shù)等［24］。居民食物消費的元素代謝也與這些因子密切相關，例如羅婷文等通過對北京市家庭食物碳氮消費的分析發(fā)現(xiàn)，家庭規(guī)模與人均食物碳氮消費呈負相關，收入與之呈正相關［25］。

本研究中，人均可支配收入、恩格爾系數(shù)、食物價格指數(shù)是影響食物磷素消費的經(jīng)濟因素。人均可支配收入、食物價格指數(shù)與人均糧食磷素消費呈負相關，恩格爾系數(shù)與之呈正相關，即收入水平越高、食物價格指數(shù)上升或恩格爾系數(shù)降低，人均糧食磷素消費量減少。植物油、瓜果、畜禽肉、蛋類、奶類、水產(chǎn)品的人均磷素消費量與各經(jīng)濟因子的相關關系則恰恰相反。各經(jīng)濟因子內(nèi)部也存在較高的相關性，經(jīng)分析食物價格指數(shù)與人均可支配收入的相關系數(shù)是0.789，恩格爾系數(shù)與之的相關系數(shù)是-0.975。可見，隨著城市化進程的推進，經(jīng)濟水平的提高，食物消費支出占總支出的比例趨于下降，居民食物磷素消費模式逐漸由糧食主導型轉(zhuǎn)為多元均衡型，糧食攝入量明顯減少，動物性食物(奶制品、肉類、水產(chǎn)品)磷素消費比例逐年增加。

受教育程度和家庭規(guī)模是影響食物磷素消費的社會因素。分析發(fā)現(xiàn)，具有大學程度人口比重與人均可支配收入呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.965;平均家庭人口數(shù)與之呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.977。因此，二者都對食物磷素消費有重要影響。本研究證實了這一點，發(fā)現(xiàn)隨著廈門市受高等教育人口的增加，人均糧食磷素消費下降，而人均植物油、瓜果、畜禽肉、蛋類、奶制品、水產(chǎn)品磷素消費量增加，尤其水產(chǎn)品、奶制品等高磷含量的食物更成為營養(yǎng)選擇，所占比重增加很快。而家庭規(guī)模對于食物消費則具有相反的作用，近20年來，廈門市平均家庭人口數(shù)由4.10人/戶減少到2.42人/戶［11］，隨著家庭規(guī)?？s小，人均收入提高，人均糧食磷素消費量減少，而植物油、瓜果、畜禽肉、蛋類、奶類、水產(chǎn)品的人均磷素消費量呈增加趨勢。

4.2 城鎮(zhèn)化對食物磷素環(huán)境負荷的影響

廈門市食物消費引起磷素的環(huán)境負荷主要的輸出途徑是土壤和水體。隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，人口的增加和食物消費量的增加，使得進入環(huán)境的磷素總量隨之增加，其中進入水體的磷素占環(huán)境總負荷量的比例逐年顯著遞減，而進入土壤環(huán)境磷素量劇烈增加。導致這一變化的原因主要包括相關政策的實施，基礎設施的完善，尤其是污水處理廠的建立、脫磷設施的完備以及排放標準的提高。尤其1999年頒布的《廈門市禁止銷售、使用含磷洗滌劑管理規(guī)定》，對降低廈門海域和其他地表水的磷污染起到了重要作用。

要減少廈門市食物消費磷素的環(huán)境負荷，可以從以下幾個方面考慮:

(1)提高污泥還田率，減少填埋量。廈門市對污泥的處置方式主要是還田和填埋。由于污泥還田可以充分利用污泥中含有的大量有機物、氮、磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)，應將其作為污泥處置的首選措施，盡量減少土地填埋，大力提倡污泥資源化，開展城市污泥無害化堆肥處置。

(2)餐廚垃圾的資源化和減量化。餐廚垃圾不僅可以通過好氧堆肥和厭氧消化等方式實現(xiàn)肥料化，還可以經(jīng)過發(fā)酵等工藝進而飼料化。此外，應提倡居民合理適量地進行食物消費，避免造成不必要的食物浪費，從而產(chǎn)生過量餐廚垃圾。

(3)提高農(nóng)村糞尿利用率。應提倡農(nóng)村糞尿入池發(fā)酵，推廣沼氣新型能源，綜合利用沼液、沼渣取代農(nóng)藥進行環(huán)保灌溉，同時減少直接填埋引起的土壤磷素負荷加重。

(4)由于奶制品、肉類等食品產(chǎn)生富營養(yǎng)化的傾向遠高于糧食、蔬菜等植物性食物［26］，綜合考慮食物消費對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響，應提倡居民轉(zhuǎn)變食物消費模式，均衡動、植物性食物消費，應保證既滿足個體營養(yǎng)需求，又能減少環(huán)境污染，達到可持續(xù)消費的目的。

4.3 城市食物消費磷代謝概念模型

本文的城市食物消費磷代謝概念模型是借鑒國內(nèi)外相關研究，結合廈門市磷素流動特點所構建的，描述的是磷素經(jīng)居民食物消費在城市環(huán)境中流動的宏觀特征和城市化效應，因此對經(jīng)過代謝進入土壤和地表水體之后磷元素的二次遷移和年際積累不予考慮，賦存形態(tài)也未加區(qū)分。使用該模型分析獲得的結論和規(guī)律與國內(nèi)外相關文獻基本一致，證明了模型的可靠性和適用性。然而不同城市的食物磷素代謝過程不盡相同，如餐廚垃圾處理方式、污水處理廠尾水污泥去向等環(huán)節(jié)可能存在差異，因此模型在推廣至其他城市時需要做局部的調(diào)整。另外，由于缺少相應的統(tǒng)計資料，居民在外就餐的磷元素代謝是本文模型尚未考慮的一部分。這部分研究需要進行大量的問卷調(diào)查，也將是今后研究的重要內(nèi)容之一。

5 結論

本研究利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)、調(diào)研數(shù)據(jù)、文獻資料，運用物質(zhì)流分析法，對廈門市1988—2010年居民食物磷素消費特征、影響因子及其環(huán)境負荷進行了綜合分析。廈門市磷素消費總量由1988年的519.97 t增加到2010年的1128.88 t;人均每年磷素消費量在315—380 g之間波動，呈M型變化。消費結構發(fā)生較大改變，尤其是高磷含量的奶制品，其消費量在2006年后攀升，肉類、水產(chǎn)品等的消費對磷素消費總量的影響也逐年增加。各社會經(jīng)濟因素對人均食物磷素消費總量的影響并不明顯，但人均糧食磷素消費與恩格爾系數(shù)、平均家庭人口數(shù)呈正相關，與人均可支配收入、食物價格指數(shù)、具有大學程度人口比重呈負相關。植物油、瓜果、畜禽肉、蛋類、奶類、水產(chǎn)品的人均磷素消費量與各因子的相關關系則與糧食相反。2010年由食物消費引起的環(huán)境磷負荷總量是1991年的近3倍，土壤和水體是主要的輸出途徑。其中造成環(huán)境磷負荷量增加的主要環(huán)節(jié)是污泥和餐廚垃圾的填埋。合理膳食、大力發(fā)展餐廚垃圾和污泥資源化是減少環(huán)境負荷、提高磷素利用率的主要途徑。另外，由于相關的數(shù)據(jù)資料不夠完善，對分析評價磷素流動的變化帶來了一些困難，也對核算帶來了不確定性。

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