社会经济系统氮素流动及其环境负荷

赖敏+王伟力

摘要：以长江中下游城市群为例，运用物质流分析方法，定量识别了区域社会经济系统的氮素流动过程及特征，评估和比较了农业生产、工业生产以及生活消费过程造成的环境氮负荷。研究结果表明，2011年长江中下游城市群社会经济系统的氮素输入总量为993.56×104 t，氮素输出总量为732.84×104 t，工业固氮、饲料进口和能源消费是新增氮素的主要来源，环境排放是最大的氮输出方式。2011年整个系统向周围环境排放的氮总量为760.99×104 t，其中向大气、耕地和水体排放的比例分别占47.24%、19.42%和18.60%，6个子系统的环境氮排放贡献排序依次为农业种植（43.83%）>工业生产（16.59%）>城市生活（16.14%）>畜禽养殖（13.96%）>水产养殖（6.08%）>农村生活（3.40%）。目前，农田施肥过度浪费、畜禽养殖与农业种植脱节且废物处理率低、工业行业高耗能高污染以及机动车大量排放是造成长江中下游城市群环境氮负荷的主要原因。今后，在快速工业化、城镇化进程以及大量农业活动中，农业种植子系统重点应减少肥料使用量和优化用肥结构，尤其是大幅减少化肥投入；畜禽养殖子系统应适当增加规模化养殖废物还田比例，提高废物资源化和综合利用水平，统筹安排污染治理设施建设；工业生产子系统应积极推进企业清洁生产，调整和优化工业能源结构，严格执行高耗能高污染行业环境准入；生活消费子系统应在加强生活污染治理、废物资源化利用的同时，严格控制机动车尾气排放标准。

关键词：物质流分析；氮；环境负荷；社会经济系统

中图分类号：X321 文献标识码：A 文章编号：1002-2104（2015）12-0015-10

氮是维持动植物生长和人体健康所必需的营养元素，同时，也是温室气体、光化学烟雾、酸雨、营养性污染物等的主要组成元素。20世纪以来，在人类活动的干扰下，全球氮素的生物地球化学循环过程发生了深刻变化，一方面促使工农业产品得到较快增产，另一方面却对环境造成水体富营养化、土壤酸化、大气污染等诸多负面影响[1-2]。Vitousek等人的研究结果表明，当今世界面临的十大环境问题中，一半以上与人类活动对氮循环的改变有关[3]。随着人口的增长和工业化水平的提高，社会经济发展对全球和区域氮循环的扰动日益加剧，许多国家和地区因氮循环失衡导致的环境污染正日趋严重[4-5]。在此背景下，近几十年来，国内外纷纷从各种角度展开了对社会经济系统氮素流动过程、循环利用以及环境排放情况的探讨，研究涵盖了全球[6]、国家[7-8]、区域[9]、城市[10]等多个层面。由于受自然地理、环境条件和社会经济等因素的影响，不同空间尺度下氮素的输移路径、利用水平以及排放方式存在较大差异，而目前的国内研究大都局限于某一特定过程的氮流分析，缺乏对不同氮流过程及其环境影响的整合考虑[11]，因此，本文以长江中下游城市群为例，运用物质流分析方法，全面分析氮素在区域社会经济系统的流动过程，识别不同生产、消费过程对环境氮负荷的贡献及其产生的根源，进而提出有利于提高资源利用效率、减少污染物排放的区域氮素调控对策和建议。

1研究区概况

长江中下游城市群（YRUA）地处我国中部，位于110°24′-119°38′E和26°02′-33°13′N之间，行政区域涉及湖北、湖南、江西、安徽4省的25个地级市和3个省直辖区域，涵盖武汉城市圈、长株潭城市群、鄱阳湖生态经济区和皖江城市带4个城市群，土地总面积26.34×104 km2。该区处于亚热带季风气候区，年均气温14-18℃，年降水量800-1 400 mm，区内河汊纵横，湖泊密布，是长江、淮河等重要流域的关键区域，也是我国淡水湖泊分布最集中的地区。2011年YRUA常住人口1.07亿人，其中城镇人口5 625.79万人，人口密度429 cap/km2，是全国平均水平的1.6倍。自“促进中部地区崛起战略”实施以来，该区域经济规模持续快速增长，2011年国内生产总值（GDP）突破4 000亿元，人均GDP达到37 323元。地区产业以能源重化工等初级产品、粗加工生产行业为主，工业污染排放效率较低；农业种植以稻谷、油料为主。

2资料与方法

2.1物质流分析

本文采用物质流分析方法，根据质量守恒定律（输入=输出+累积），定量追踪YRUA社会经济系统氮素的产生、迁移、转化、释放和归宿过程。综合考虑研究目的、研究区特点和数据可获取性等因素，将YRUA社会经济系统划分为农业生产子系统（包括农业种植子系统、畜禽养殖子系统和水产养殖子系统）、工业生产子系统以及生活消费子系统（包括城市生活子系统和农村生活子系统）。采用文献调研、专家咨询和实地考察等方法，全面剖析社会经济子系统内部各要素之间、各社会经济子系统之间以及社会经济系统与环境系统之间的氮素输入输出关系，从而识别氮素流动和循环的主要特征。

2.2数据来源

本研究涉及的耕地面积、播种面积、化肥施用量、农产品产量、畜禽养殖量、畜禽产品产量、水产养殖面积、渔业产品产量、氮肥生产量、工业产品产量、加工农畜产品产量、燃料消费量、人口数量以及机动车数量等基本统计数据通过2012年湖北、湖南、江西、安徽省统计年鉴、市统计年鉴、农村统计年鉴和环境统计年鉴获得。同时，通过对文献资料进行整理汇总，获得氮流核算所需的相关参数。

2.3核算方法

2.3.1农业种植子系统

农业种植子系统氮素输入量和输出量的计算公式如下：

2.3.2畜禽养殖子系统

畜禽养殖子系统氮素输入量和输出量的计算公式如下：

3结果与分析

由于核算过程所需数据是以市为最小单元进行汇总、整理和分析，而城市层面上没有进出口贸易相关的统计资料，因此本文遵循就近原则，对各子系统之间、系统内外的物质关联进行了简化，即系统内生产的物质优先满足系统内的需求，不足或剩余的产品由系统外输入或输出[44]。例如，工业生产子系统产出的化肥依次优先提供给水产养殖子系统和农业种植子系统，不足的化肥消费量则从系统外购入。据此，按照前述核算方法，得到2011年YRUA社会经济系统的氮物质流情况（图1）。

3.1输入输出特征

2011年YRUA社会经济系统氮素输入总量为993.56×104 t，输出总量为732.84×104 t。从氮素输入结构来看，工业固氮、饲料进口和能源消费分别占氮素输入总量的39.12%、28.27%和20.46%。从氮素输出结构来看，物质产品出口仅占氮素总输出量的31.64%，环境排放才是最大的氮输出形式，其中大气排放、地表水排放分别占氮素输出总量的49.05%和15.40%。在6个社会经济子系统中，工业生产氮素输入量最高（678.23×104 t），其次为农业种植（471.33×104 t），农村生活氮素输入量最小（32.77×104 t），城市生活氮素消费量是农村生活的3.79倍。各子系统氮流的主要源与汇见表5。

3.2环境负荷特征

由社会经济系统进入环境的氮排放途径包括大气、耕地、非耕地、水体、水体底泥以及人体吸收。2011年YRUA社会经济系统向周围环境排放的氮总量为760.99×104 t，其中向大气排放的比例最大，占47.24%，耕地、水体次之，分别占19.42%和18.60%，而向其他环境排放的比例累积不到15%（图2a）。在6个社会经济子系统中，农业种植向环境排放的比例最大，占43.83%，工业生产、城市生活次之，分别占16.59%和16.14%，而其他子系统向环境排放的比例累积23.44%（图2b）。

通过分析区域氮排放结构特征发现（图2b），大气环境潜在污染物的两大来源依次为农业种植和工业生产，大气氮排放比例分别占30.70%和30.20%。除此之外，农业种植对水体和耕地污染的贡献水平也最高，2011年该子系统盈余在耕地的氮负荷量为147.80×104 t，因径流和淋失向水体输出氮为75.37×104 t，目前已成为危害该区域土壤质量和水质健康的首要因素之一。就非耕地环境而言，2011年全区累积在非耕地的氮负荷量为100.54×104 t，其中49.57%经过填埋、堆肥、焚烧等方式得到技术处理，24.17%为直接废弃物，可能对人类健康和福利产生负面效应，其余26.26%没有快速循环回环境，而是积累在人类居住区。

3.3利用效率特征

氮素利用效率指的是在系统内或系统外具有使用价值的氮输出比率，通常可以选择氮素生产利用率和氮素循环利用率两个重要指标来描述[45]。

在工农业生产子系统中，氮素生产利用率是指工农业产品氮收获量占氮素输入总量的比率；由于生活消费子系统不具有生产性质，故不考虑其生产利用率。核算结果表明（图3a），2011年YRUA社会经济系统的氮素生产利用率为45.70%，其中工业生产的氮素生产利用率也较高（81.38%），原因在于该子系统本身属于加工部门，且技术水平相对较高；农业生产的氮素生产利用率很低，主要是由于人为氮营养投入量过大，远远超出动植物生长需求。

在农业生产子系统中，氮素循环利用率是指种养废物用作饲料、沼气、还田、堆肥的氮养分量占种养废物农业生产氮总量的比率；在生活消费子系统中，氮素循环利用率是指人体粪尿和生活垃圾用作堆肥、还田的氮养分量占人粪尿、生活垃圾总氮量的比率；这里暂不考虑工业废物的循环利用情况。核算结果表明（图3b），农业生产的氮养分循环利用率较高，其中畜禽养殖的氮养分循环利用率达到71.50%，主要原因是畜禽废物的还田比例较高（54.38%），同时还有大量的废物被用于制作饲料、沼气及堆肥。在生活消费子系统中，城市生活的氮养分循环利用率仅为11.16%，比农村生活低约40个百分点。尽管城市生活污水、生活垃圾集中式处理水平较高，但处理方式主要为填埋和焚烧，真正得到循环利用的比例非常小。

4结论与讨论

（1）本文基于物质流分析方法，定量识别了YRUA社会经济系统氮素的流动过程，评估和比较了农业生产、工业生产以及生活消费过程对环境氮负荷的影响。研究结果表明，2011年YRUA社会经济系统氮素输入总量为993.56×104 t，氮素输出总量为732.84×104 t，工农业生产作为氮素流动的核心，决定了整个系统氮素的投入与输出。工农业产品氮收获量为303.03×104 t，其中76.51%被输送到系统外，说明系统外产品消费是促进整个系统氮素流动的主要驱动力。综合前面的分析发现，系统外以生产资料的形式向系统内输送了大量氮流，系统内又以产品的形式将一部分氮流返还到系统外，在这个产品生产、加工过程中，系统外向系统内转嫁的环境氮负荷量高达461.17×104 t，占全区环境氮负荷总量的60.60%。YRUA作为全国重点开发区域和重要粮食生产基地，未来开发规模与强度将进一步加大，区域发展需求和污染物排放之间的矛盾将进一步加深。在快速工业化、城镇化进程以及大量农业活动中，如何科学控制生产部门的环境氮排放将成为该地区降低氮素污染风险亟待解决的关键问题。

（2）2011年YRUA社会经济系统向周围环境排放的氮总量为760.99×104 t，其中农业种植的排放比例最大，占43.83%，是YRUA控制氮排放的关键子系统。根据前文的核算结果，农业种植的氮素输入总量为471.33×104 t，肥料投入占了将近90%，而当年农作物生长的氮吸收量为154.94×104 t，仅占该子系统氮素输入总量的32.87%，其余没有被吸收利用的氮素均流失到环境中。由此可见，肥料使用过度浪费、氮素利用效率低下是农业种植引起环境氮负荷的根本原因。从肥料的施用水平来看，全区施氮强度在162.34-729.45 kg/hm2之间，平均值为327.69 kg/hm2，远远超过欧盟规定的农田氮素养分投入标准（275 kg/hm2）[46]。从肥料的施用结构来看，化肥氮投入是有机肥氮投入的1.32倍，化肥氮的施用量为186.79 kg/hm2，超出了朱兆良[47]建议的化肥施氮限量标准（180 kg/hm2），有机粪肥氮的施用量为131.93 kg/hm2，低于发达国家规定的粪肥氮最高投入限额（170.00 kg/hm2）[48]。因此，农业种植控制氮排放的重点在于减少肥料使用量，尤其是大幅减少化肥投入，同时优化用肥结构，增施有机肥和高效缓释肥。具体可以通过测土配方施肥技术，根据作物的生长特性、需肥规律、土壤的供肥性能以及农业生产的区域特征，有针对性地制定肥料的施用数量、施用比例、施肥时间以及施用方式，提高肥料利用率，避免盲目施肥造成的氮养分流失。