李娜，寧默，呂光輝

1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，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 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計研究院，烏魯木齊 830000；5.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046

氮不僅是影響陸地生態(tài)系統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，陸地上產生的氮有75%來源于人類活動，人類氮創(chuàng)造量是陸地天然氮的3倍多[2]．因此，人類活動顯著地干擾了自然氮循環(huán)，導致酸雨、水體富營養(yǎng)化或土壤酸化等環(huán)境問題[3-4]產生．然而，準確評估人類生產活動和生活方式對氮排放的負面影響仍然是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，人們很難確定一個最佳策略以減少人類活動造成的氮排放[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)展起來的一個新的足跡概念[6]．通過對各種類型足跡的研究來優(yōu)化人類活動，對環(huán)境保護措施的有效性產生了相當大的積極影響[7]．Leach等人[8]將氮足跡定義為一個實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算器模型(N-Calculator，http：//n-print．org)．這種方法主要用于國家一級[8]和城鎮(zhèn)一級[9-10]的估算．由于區(qū)域特征和人類活動的多樣性，N-Calculator模型在不同實體中的應用比較困難，因此，不同的氮足跡計算模型和方法被開發(fā)出來，如Gu等人[11]在氮質量平衡方法的基礎上開發(fā)了一個新的國家氮足跡模型，估算人與自然耦合系統(CHANS)下中國的氮足跡；Leach等人[12]和Leip等人[13]開發(fā)了用于估算機構氮足跡的N-institution模型和用于估算事件和活動的N-neutrality模型；周濤等人[14]使用改進的N-Calculator模型研究了廣東農業(yè)氮足跡．然而，與N-Calculator模型相比，這些方法對消費者行為的關注較少．有研究表明，食品生產和消費產生的氮排放在氮足跡中起到了重要作用，占其總價值的68.2%～91.1%[8，15-16]．因此，了解不同食物群體的氮足跡對于減緩人類活動所造成的氮排放至關重要[17]．

目前，國內對氮足跡的研究多集中于食物氮足跡，而忽略了能源對氮足跡的貢獻，這會導致氮足跡估算結果偏低．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，并分析其動態(tài)變化特征，以期為居民合理飲食與消費提供科學依據，更好地理解城市生態(tài)-經濟可持續(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、準噶爾盆地南緣，地處東經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)、高新技術開發(fā)區(qū)(新市區(qū))、水磨溝區(qū)、經濟技術開發(fā)區(qū)(頭屯河區(qū))、達坂城區(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，人口增長迅速，1995年城市常住人口117.5萬人，2016年達到218.46萬人，人均食品消費量由1995年的330.37 kg增加到2016年的423 kg，而人均食品消費支出占生活消費支出的比重則由1995年的50%下降到2016年的29%[18]．

2 研究方法

2.1 數據來源

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

2.2 氮足跡計算方法

2.2.1 食物氮足跡計算方法

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

FPf=FPc+FPp

(1)

食物消費氮足跡(FPc)指人類消費食品產生的氮足跡．當前對于該足跡的計算普遍采用：

(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的主要食物類型有：素食(如谷類和蔬菜)、動物性食品(如畜肉、禽肉和魚、蝦等水產品)、副食(如雞蛋、奶制品和水果)．人均食物消費量可通過查閱相關政府統計資料獲得；食物含氮量可查閱相關食品的蛋白質含量乘以16%計算(表1)[9]．

這里的食物生產氮足跡(FPp)我們稱為虛擬氮足跡，即在食物生產過程中產生的不會被人類直接消耗的任何氮，包括在農田、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，避免重復計算，在計算虛擬氮時，一般不考慮食物生產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．食物生產氮足跡的計算公式為：

(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 能源氮足跡計算方法

能源氮足跡主要是指在家庭生活、交通運輸以及商品和服務生產中，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)進行能源氮足跡計算，計算公式為：

(4)

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

所以，對慢性心力衰竭（多病因）患者進行心臟彩超診斷，能為患者診斷提供參考依據，臨床應用價值較大，具有推廣意義。

表2 分能源分部門的氮氧化物排放因子

3 結果與分析

3.1 烏魯木齊市城鎮(zhèn)區(qū)域氮足跡的動態(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)現食物氮足跡主導氮足跡的變化，說明氮足跡的增長可能與食物消費有關．1995-2016年烏魯木齊市的城鎮(zhèn)居民由128萬人增加到218萬人，居民食物消費量由252 kg增加到423 kg，從側面證明了城鎮(zhèn)人口的增長帶來食物氮素需求的持續(xù)增長，區(qū)域人口數量的變化，也會引起區(qū)域內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，呈波動式增長，增幅為54.75%；其中，人均食物消費氮足跡從2.78 kg/a增長到3.39 kg/a，增幅為21.94%，而人均食物生產氮足跡從10.37 kg/a增長到12.87 kg/a，增幅與人均食物消費氮足跡相近，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氮足跡和食物消費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和消費．

3.2 烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡的動態(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態(tài)變化特征和差異對減輕烏魯木齊市氮負荷具有重要意義．1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡、人均食物生產氮足跡和人均食物消費氮足跡結構變化見圖4，烏魯木齊城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡、人均食物生產氮足跡和人均食物消費氮足跡均以素食和動物性食品為主，在人均食物氮足跡中，平均40%的食物氮足跡來自動物性食品，其中2/3來自畜肉類(27.45%)，其次為禽肉類和水產品；對于素食產品，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%；人均食物生產氮足跡與人均食物氮足跡相似，動物性食品占食物生產氮足跡的40%，其中2/3來自畜肉類(28.41%)，其次為禽肉類和水產品；對于素食產品，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%；而人均食物消費氮足跡與人均氮足跡和人均生產氮足跡有所不同，素食(46.07%)占比大于動物性食品(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)居民人均氮足跡結構的變化

圖4 1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均食物氮足跡、人均食物生產氮足跡和人均食物消費氮足跡結構變化

人均食物氮足跡中人均食物生產氮足跡平均占比最高(圖3)，為64.57%，將各類食物生產氮足跡年變化做分析后發(fā)現(圖5)，1995-2016年水產品、蛋類和禽肉類食物生產氮足跡均呈平穩(wěn)趨勢，糧食、蔬菜和畜肉類先波動下降后波動上升，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相關分析結果表明，畜肉類、糧食、蔬菜、水產品、蛋類和水果類生產氮足跡與人均食物生產氮足跡呈正相關，相關系數分別為0.911，0.803，0.739，0.724，0.635，0.598(p<0.01)，說明人均食物生產氮足跡隨著畜肉類、糧食、蔬菜、水產品、蛋類和水果類生產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對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其影響最大的兩個因素，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，年增長率出現了負增長，為-11.15%，這可能與產業(yè)結構調整和能源優(yōu)化有關．

圖6 1995-2016年烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民人均能源氮足跡

能源對能源氮足跡的貢獻率從大到小依次為：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，二者對能源氮足跡貢獻率達到了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)，糧食生產過程中產生的氮排放量最大．

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?。@可能是由于這3個地區(qū)的工業(yè)較烏魯木齊發(fā)達，能源消耗造成的氮排放量較大導致的．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，隨著社會的不斷發(fā)展，人類活動越來越依賴能源．

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對全球的氮研究發(fā)現食物生產的氮生成量是能源生產的5倍的結果相似[3]．因此，控制食物生產過程中的氮排放，提高食物生產中氮的利用率，減少食物浪費，將是減少氮足跡的主要策略．對食物和氮足跡的快速增長缺乏適當的控制可能會進一步加劇對烏魯木齊市脆弱環(huán)境的威脅．此外，有研究發(fā)現，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，人類活動越來越依賴能源[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)達的風力發(fā)電[33]，日本擁有最高的核能利用率[34]．此外，德國對綠色能源的利用率很高[35]．因此，大力發(fā)展綠色能源應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．這可能是因為烏魯木齊作為一個二線城市，其城市化水平和人口遠遠低于國內一線城市廣州和經濟發(fā)達的閩江流域．另一方面，李玉炫等人[9]對能源氮足跡的估算方法與本研究不同，其默認能源氮足跡為總氮足跡的25%，本研究則運用Top-down法對能源氮足跡進行估算，相較前者，估算結果可能更為準確，具有一定的參考價值．

5 結論

本研究運用N-Calculator模型對烏魯木齊市1995-2016年的氮足跡進行了估算，并對其特征進行了綜合分析．烏魯木齊市氮足跡由14.21 kg/a波動至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、人均食物生產氮足跡和人均食物消費氮足跡均以素食和動物性食品為主．食物生產氮足跡在食物氮足跡中占主導地位，畜肉類、糧食、蔬菜、水產品、蛋類和水果類生產氮足跡影響著食物氮足跡．能源中柴油和汽油是對烏魯木齊市人均能源氮足跡貢獻最大的兩個因素，交通是能源氮足跡的主要影響因素．隨著城市化進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，控制食物生產過程中的氮排放，提高糧食生產中的氮利用率，優(yōu)化居民的飲食結構，保持合理的低氮飲食習慣，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，可以得出一個結論，隨著城市化的不斷發(fā)展，氮勢必會成為人類生活與城市生態(tài)系統的重要組成部分，并影響著城市可持續(xù)發(fā)展，因此，運用城市個人氮足跡的概念來引導人們低氮生活對其他城市也具有借鑒意義．