居民农产品消费系统氮磷流动环境影响分析

黄 莉,武慧君,卫凯平,王晓旭,陈晓芳

(安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001)

氮、磷是居民消费过程中必不可少的营养元素,然而,人口对食物的大量需求以及消费结构的变化,使得氮、磷在食物生产和消费过程中的流动加快,人类向环境排放的过量氮、磷已经造成比较严重的环境问题,如酸化、富营养化和全球变暖等[1-3]。因此,为减轻氮磷流动造成的环境影响并保证食物安全,必须从氮磷的角度出发分析居民消费过程造成的环境问题。

早在20世纪,人们就从植物生理的角度开始了营养物质循环和平衡研究[4]。研究者主要通过质量平衡方法计算氮、磷营养物质的流动来评估水体富营养化水平, 但研究系统被看作是“黑箱”而无法确定环境影响的主要来源[5-6]。基于元素的物质流分析方法(substance flow analysis,SFA)是在质量守恒基础上建立起来的,可刻画单个元素在特定系统中的流动和贮存状况,已被广泛用于评估全球[7-8]、国家[9-10]、城市[11-12]和流域[13-14]等不同尺度上的氮、磷营养物质的流动,但大部分研究是分析氮、磷对水体的营养负荷贡献,对全球变暖和酸化等环境影响关注不多,且研究系统多集中于农业生产[15]或食物系统[16],专门对居民农产品消费环节做系统分析的研究不多。因而,迫切需要从生命周期角度全面地分析消费系统(包括农产品初加工及居民农产品消费等)的资源与环境效应。生命周期评价方法(life cycle assessment,LCA)是评估产品或系统从摇篮到坟墓整个生命周期的环境影响,相比其他方法能够更全面、客观地分析系统造成的各类环境影响[17]。

基于生命周期评价方法,构建了居民农产品消费氮磷环境影响分析模型,该模型包括作物初加工、畜禽屠宰加工、农村居民农产品消费和城镇居民农产品消费等过程,并以安徽省2015年食物系统过程中的氮磷物质流动为例,对比分析氮磷流动在消费系统中造成的多种环境影响,为减少消费系统氮磷流动环境影响提供科学依据。

1 研究方法

1.1 区域概况

安徽省位于中国华东地区,地处长江、淮河中下游,占地面积约为14万km2。统计资料[18]显示,2015年全省常住总人口为6 144万人,其中,城镇和农村常住人口分别占50.50%和49.50%。城镇常住居民人均可支配收入所占比例较大,约占全省的71.34%。在居民食物消耗中,谷物消耗量约是肉类的4.5倍,蔬菜消耗量约是肉类的3倍,居民农产品消费以谷物和蔬菜为主。

1.2 居民农产品消费系统氮磷环境影响分析框架

根据国际标准化组织[19]提出的LCA方法构建居民农产品消费系统氮磷环境影响分析模型,确定氮磷流动系统(图1),其中,居民农产品消费系统包括农产品初加工、农村居民农产品消费和城镇居民农产品消费3个子系统。含氮磷物质主要选择农产品初加工过程中屠宰量较大的3种畜禽(猪、牛、羊)以及产量较高的3种作物(水稻、玉米、小麦)和居民消费过程中消费量较多的6类食物(谷物、猪牛羊肉、家禽肉、蛋类、蔬菜、水产品)[18],评价的环境影响类型主要包括资源消耗、全球变暖、酸化和富营养化,其中,资源消耗计算的是各类食物的磷总量,用kg P表示,全球变暖、酸化和富营养化潜力分别用kg CO2-eq、kg SO2-eq和kg PO43--eq表示。

图1 居民农产品消费系统氮磷环境影响分析框架

在农产品初加工过程中,屠宰的系统投入主要是猪牛羊的磷资源消耗量,以及水稻、玉米和小麦的磷资源消耗量。由于家禽肉消费量只占粮食消费量的7.75%[18],并且家禽的饲养以及屠宰比较分散,数据难以获取,因此家禽的加工未考虑。系统的输出主要包括屠宰废水中的氮、磷以及氨氮等环境影响物质。在农村居民农产品消费过程中,系统投入主要是谷物、家禽肉、蛋类、猪牛羊肉、蔬菜以及水产品的磷资源消耗量,系统的输出主要包括农村固废(NH3、TP、N2O)、农村生活污水(TP、N2O)以及农村粪便(NH3、NOx、NO3-、TP、N2O)。在城镇居民农产品消费过程中,系统的投入主要是谷物、禽肉、蛋类、猪牛羊肉、蔬菜以及水产品的磷资源消耗量,系统的输出主要是城市固废(NH3、TP、N2O)。根据以上论述,构建了以下计算公式。

1.3 核算公式

1.3.1农产品初加工

农产品初加工包括畜禽屠宰和作物初加工消耗的磷资源量,以及富营养化潜力值计算,由于酸化潜力和全球变暖潜力数据较难获得或者数值较小,可以直接忽略。

畜禽(猪、牛、羊)初加工过程中消耗的磷资源量Z1,i(i=a,b,c):

Z1,i=S1,i·Q1,i·β1,i(i=a,b,c)。

(1)

式(1)中,S1,i、Q1,i和β1,i分别为安徽省2015年畜禽出栏量、畜禽质量和畜禽含磷量,各变量单位根据实际计算确定。

作物(水稻、玉米、小麦)初加工过程中消耗的磷资源量Z2,j(j=d,f,g):

Z2,j=Q2,j·β2,j(j=d,f,g)。

(2)

式(2)中,Q2,j和β2,j分别为安徽省2015年水稻(玉米、小麦)产量和水稻(玉米、小麦)含磷量。

(3)

式(3)中,Ei,N、Ei,P和Ei,NH4+分别为畜禽屠宰废水中N、P和NH4+排放量,其计算公式见表1。αN、αP、αNH4+分别为TN、TP和NH4+富营养化的当量因子。

(4)

式(4)中,Ej,N、Ej,P和Ej,NH4+分别为作物初加工产生的废水中N、P和NH4+总量,其计算公式见表1。

表1农产品加工过程中氮磷流动富营养化相关计算公式

Table1Calculationformulaofeurophicationpotentialderivedbynitrogenandphosphorousinagri-productsprimaryprocessing

参数公式参数及解释 Ei,NEi,N=β3,i,N·S1,iβ3,i,N为单位畜禽产品的氮排放系数 Ei,PEi,P=β3,i,P·S1,iβ3,i,P为单位畜禽产品的磷排放系数 Ei,NH4+Ei,NH4+=β3,i,NH4+·S1,iβ3,i,H4+为单位畜禽产品的氨氮排放系数 Ej,NEj,N=Q3,j·r1,j·Q4,D·β4,j,NQ3,j为水稻(玉米、小麦)量;r1,j为水稻(玉米、小麦)到大米(玉米粉、小麦粉)的转化率;Q4,D为生产1 t大米(玉米粉、小麦粉)产生的废水量;β4,j,N为水稻(玉米、小麦)初加工废水中氮含量 Ej,PEj,P=Q3,j·r1,j·Q4,D·β4,j,Pβ4,j,P为水稻(玉米、小麦)初加工废水中磷含量 Ej,NH4+Ej,NH4+=Q3,j·r1,j·Q4,D·β4,j,NH4+β4,j,NH4+为水稻(玉米、小麦)初加工废水中氨氮含量

1.3.2城镇居民农产品消费

城镇居民消费谷物(蔬菜、蛋类、水产品、家禽肉、猪牛羊肉)中磷的总量Z3,F,h(F=k,m,o,u,v,z):

Z3,F,h=Q5,F,h·β5,F·S2(F=k,m,o,u,v,z)。

(5)

式(5)中,Q5,F,h和β5,F分别为城镇居民谷物人均消耗量和谷物中磷含量;S2为城镇人口数;h为城镇;F为谷物、蔬菜、蛋类、水产品、家禽肉和猪牛羊肉,分别用k、m、o、u、v、z表示。

城镇居民农产品消费过程中的富营养化潜力E′:

E′=E2,NH3·αNH3+E2,P·αP。

(6)

式(6)中,αNH3为NH3富营养化当量因子;E2,NH3和E2,P分别为城镇固废产生的NH3总量和P总量,其计算公式见表2。

城镇居民农产品消费过程中的酸化潜力A′:

A′=A2,NH3·α1,NH3。

(7)

式(7)中,α1,NH3为NH3酸化的当量因子;A2,NH3为城镇固废产生的NH3总量,其计算公式见表2。

城镇居民农产品消费过程中的全球变暖潜力C′:

C′=C2,N2O·αN2O。

(8)

式(8)中,C2,N2O为城镇固废产生的N2O量,其计算公式见表2;αN2O为N2O全球变暖的当量因子。

表2城镇居民农产品消费过程中氮磷流动对环境影响的相关计算公式

Table2Thecalculationformulaofenvironmentalimpactsderivedbynitrogenandphosphorusinurbanagri-productsconsumption

类型参数公式参数及解释 富营养化E2,NH3E2,NH3=S2·ε1·β6β6为城镇固废NH3含量;ε1为城镇人均固废产生率E2,PE2,P=S2·ε1·β7β7为城镇固废磷含量 酸化A2,NH3A2,NH3=E2,NH3 全球变暖C2,N2OC2,N2O=S2·ε1·β8β8为城镇固废N2O含量

1.3.3农村居民农产品消费

农村居民消费谷物(蔬菜、蛋类、水产品、家禽肉、猪牛羊肉)中磷的总量Z4,F,n(F=k,m,o,u,v,z):

Z4,F,n=Q6,F,n·β5,F·S3。

(9)

式(9)中,Q6,F,n为农村居民谷物(蔬菜、蛋类、水产品、家禽肉、猪牛羊肉)人均消耗量;S3为农村人口数;n为农村。

农村居民农产品消费过程中的富营养化潜力E″:

E″=B1+B2+B3。

(10)

式(10)中,B1为农村粪便富营养化潜力,其计算公式为

B1=E1,P·αP+E1,NOx·αNOx+E1,NH3·αNH3+E1,NO3-·αNO3-。

(11)

B2为农村固废富营养化潜力,其计算公式为

B2=E2,NH3·αNH3+E2,P·αP。

(12)

B3为农村生活污水富营养化潜力,其计算公式为

B3=E3，P·αP。

(13)

式(11)～(13)中,E1,P、E1,NO3-、E1,NOx和E1,NH3分别为农村粪便中P总量、农村粪便中NO3-排放量、农村粪便中NOx排放量和农村粪便中NH3排放量;E2,NH3、E2,P分别为农村固废中NH3和P排放量;E3,P为农村生活污水中P排放量,其计算公式见表3。

农村居民农产品消费过程中的酸化潜力A″:

A″=A1,NH3·α1,NH3+A1,NOx·α1,NOx+A2,NH3·αNH3。

(14)

式(14)中,A1,NH3、A1,NOx和A2,NH3分别为农村粪便中NH3排放量、农村粪便中NOx排放量和农村生活固废中NH3排放量;α1,NOx为NOx的酸化当量因子。

农村居民农产品消费过程中的全球变暖潜力C″:

C″=C1,N2O·αN2O+C2,N2O·αN2O+C3,N2O·αN2O。

(15)

式(15)中,C1,N2O、C2,N2O和C3,N2O分别为农村粪便、农村固废和农村生活污水中N2O排放量,其计算公式见表3。

表3农村居民农产品消费过程中氮磷流动对环境影响的计算公式

Table3Thecalculationformulaofenvironmentalimpactsderivedbynitrogenandphosphorusinruralagri-productsconsumption

类型参数公式参数及解释 富营养化E1,PE1,P=Q7·S3·(1-r2)·β10Q7为人均粪便产生量;r2为人粪便还田率; β10为人粪便磷含量 E1,NOxE1,NOx=E1,N·r4·(r3+r3·r5+r6·r7)·r8·r9·r10E1,N为农村粪便中氮总量;r3为N2O直接排放因子;r4为N到N2O的转化率;r5为NH3和NOx挥发出的肥料中N2O比例;r6为间接淋溶排放因子;r7为间接淋溶氮比;r8 为N2O到N的转化率;r9为NH3中N排放因子;r10为N到NOx的转化率 E1,NH3E1,NH3=E1,N·r9·r11r11为N到NH3的转化率 E1,NO3-E1,NO3-=(E1,N-E1,NH3·r12-r13·r8-E1,NOx·r14)·r15r12为NH3到N的转化率;r13为总N2O排放量;r14为NOx到N的转化率;r15为N到NO3-的转化率 E2,NH3E2,NH3=S3·ε2·β6ε2为农村人均固废产生率 E2,PE2,P=S3·β11·Tβ11为农村固废磷含量;T为1 a时间,按365 d计 E3,PE3,P=S3·T·Q8·r16·β12Q8为安徽农村居民日用水量;r16为总排水量占总用水量的百分比;β12为农村生活污水磷含量 酸化A1,NH3A1,NH3=E1,NH3A1,NOxA1,NOx=E1,NOxA2,NH3A2,NH3=E2,NH3 全球变暖C1,N2OC1,N2O=E1,N·r4·(r3+r3·r5+r6·r7)C2,N2OC2,N2O=Q8·β8C3,N2OC3,N2O=S3·T·Q8·r16·β13·β14β13为农村生活污水氮含量; β14为氮总量中N2O含量

1.4 数据来源

畜禽屠宰量、作物产量、人口数量以及食物消耗量等数据来自于《2016安徽统计年鉴》,其他数据来源于相关文献,具体取值以及来源见表4[17-18,20-42]。

表4安徽省居民农产品消费系统氮磷环境影响分析数据取值及来源

Table4Datavaluesandsourcesoftheenvironmentalimpactderivedbynitrogenandphosphorusintheresidents′agri-productsconsumptionsystemofAnhuiProvince

参数取值来源文献 β1,i (i=a,b,c)[1.57,1.90,1.67]×10-3 g·g-1[20]4495β2,j (j=d,f,g)[1.42,1.70,1.43]×10-3 g·g-1[20]4504S1,i (i=a,b,c)[6 185 379.00,155 401.00,2 336 420.00]头[18] Q2,j (j=d,f,g)[14 593 400.00,4 962 700.00,14 110 000.00] t[18] Q1,i (i=a,b,c)[100.00,600.00,13.50] kg[21-22] β3,i,y (y=e,q,w; i=a,b,c)[3.00,79.00,41.00,19.85,153.47,16.99,0.70,39.00,19.00] g[23] r1,j (j=d,f,g)70.50%,3.00%,70.50%[24-25] Q4,D (D=r,s,t)[0.30,3.00,3.00] m3·t-1[26],[27]3 β4,j,y (j=d,f,g; y=e,q,w)[1.00,15.00,5.00] mg·L-1[27]4,[28] β5,F (F=k,m,o,u,v,z)[1.43,1.76,1.54,2.56,1.79,0.43]×10-3 g·g-1[20]4498Q5,F,h (F=k,m,o,u,v,z)[106.70,94.00,10.90,12.40,10.90,21.90] kg[29] Q6,F,n (F=k,m,o,u,v,z)[173.17,90.99,10.17,8.95,10.79,18.82] kg[18] S2,S3[3.04,3.10]×107人[18] β90.64%[30]126r233.00%[17] Q60.44 t·a-1[31] r3,r5,r6[1,20,30]%[32] r70.75%[32] r90.10[32-34]r80.10[35] β100.11%[30]123β80.60 g·kg-1[36] β64 337.50 μg·kg-1[37] β123.50 mg·L-1[38]8 β140.005 kg·kg-1[32] Q865.00 L·人-1·d-1[38]8 r160.75[38]9 β70.18%[39] β110.11 g·人-1·d-1[40] β1355.00 mg·L-1[38]9 αN2O298.00 kg CO2-eq[32] α1,NH3,α1,NOx[1.88,0.70] kg SO2-eq[41]247,[42]173αN,αP,αNH4+,αNO3-,αNH3,αNOx[0.42,3.06,0.33,0.42,0.33,0.13] kg PO43--eq[41]264,[42]173

2 结果与讨论

2.1 农产品加工

2015年安徽省猪牛羊初加工过程中,羊的磷资源消耗量所占比例最小,为0.09%,而在植物性食品磷消耗中,小麦中磷的资源消耗量所占比例最大,为43.05%,玉米的磷资源消耗量所占比例最小,为13.81%。由此可见,植物性食品中磷资源消耗量远大于动物性食品中磷资源消耗量,主要原因在于安徽省2015年畜禽出栏量是一定的,因而屠宰数量有限,从而对磷资源的消耗量也就少于植物性食品。

农作物初加工系统的输出部分主要是加工过程中产生的废水对环境的影响,包括屠宰加工废水和作物加工过程中产生的废水,影响因素主要包括氮、磷以及氨氮。加工猪产生的富营养化对环境的贡献率最大,为41.48%,其次是加工小麦,为39.42%。加工牛、羊、水稻以及玉米,其产生的富营养化对环境的贡献率较小,分别为2.44%、6.67%、4.08%和5.91%,因此,控制猪的屠宰和小麦的加工,是控制加工废水富营养化的关键。在对猪、牛、羊、水稻、玉米和小麦加工过程中,最主要的污染物是氮,其富营养化对环境的贡献率分别为59.36%、49.34%、68.81%、57.21%、57.21%和57.22%,而对猪和羊的初加工过程中NH4+富营养化对环境的贡献率明显大于磷富营养化对环境的贡献率,而牛、水稻、玉米和小麦却相反,因而要强化除氮、除磷工艺。随着经济的发展,居民生活水平的提高,人们对食物的营养结构和数量都有很大需求,因此,居民应调整畜禽屠宰种类以及对植物性食物的加工,这在很大程度上可以减轻环境的富营养化。

2.2 居民农产品消费

2.2.1城镇居民

根据谷物、猪牛羊肉、家禽肉、水产品、蛋类以及蔬菜食物磷含量等,可以计算出2015年安徽省城镇居民各类食物消耗的磷总量所占比例。计算结果表明,谷物、猪牛羊肉、家禽肉、水产品、蛋类和蔬菜消费对磷资源消耗的贡献率分别为51.09%、13.04%、5.43%、10.87%、6.53%和13.04%。

城镇居民农产品消费过程中主要的资源消耗是磷,谷物中磷的资源消耗量远大于其他食物,占51.09%,而家禽肉中磷的资源消耗量最小,只有5.43%,这与中国居民的饮食习惯(以谷物类为主)有关。

在环境影响方面,城镇粪便和城镇生活污水混合,经过城镇排污管网,进入污水处理厂与城镇污水合并处理,可以忽略不计,而城镇居民农产品消费产生的城镇固废容易引起全球变暖现象的发生。城镇人口数量庞大,产生的固废数量可观,处理起来需要时间长,因而堆积的固废产生的N2O容易引起全球变暖,而气候变暖是当今国际社会普遍关注的全球性环境问题,也是人类面临的最严峻的挑战之一[43]。因而要加强对城镇固废的管理,提高城镇固废的处理效率。

2.2.2农村居民

农村居民农产品消费中,谷物中磷资源消耗量远大于其他食物,占65.22%,蔬菜、蛋类、水产品、家禽肉和猪牛羊肉中磷资源消耗量分别为10.43%、5.22%、6.09%、4.35%和8.69%。其中,城市居民对于谷物中磷的资源消耗低于农村居民,而城市居民在蛋类、水产品以及猪牛羊肉中磷的资源消耗都高于农村居民,主要原因在于随着社会经济的发展,人们对食物的消费模式以及营养需求也发生了变化,主要表现为由主食为主转为主副食品并存,以及由植物性食物消费为主转变为动植物性食物并存的消费模式和营养模式[44]。

富营养化污染物主要包括NO3-、TP、NH3和NOx,由计算可知,农村粪便中NO3-是最主要的富营养化污染物,其贡献率达88.84%;农村固废和农村生活污水中,TP是最主要的污染物,富营养化贡献率分别为3.50%和5.44%,而NO3-、NH3和NOx可以忽略不计。因此,农村要加强对粪便、固废以及生活污水的管理,整改厕所,或者将粪便集中管理与处置,加强对污水排放的严格管理,不随意排放生活污水,农村生活垃圾的分散性、广泛性和随意性等固有特征,使得垃圾处理陷入成本高昂、效率低下等困境[45],因而农村生活垃圾不能随意丢弃,要分类管理。我国农村环境监管尚处于初创阶段,“十一五”期间,按照社会主义新农村建设的要求,环保部门开始针对突出的农村环境问题开展专项监管[46]。应加强对农村固废减量化、资源化和无害化处理,促进农村社会、经济和环境的协调及可持续发展,统筹城乡一体化发展。

酸化污染物主要包括NH3和NOx,农村粪便表现得非常明显,农村粪便NOx挥发率远大于NH3挥发率,酸化潜力分别为98.57%和0.92%,而农村固废中,NH3挥发对环境酸化的贡献率达0.51%,农村生活污水NH3和NOx挥发不明显,可以忽略,其主要原因在于农村居民对于固废、生活污水以及粪便的管理存在缺陷或者不完善,需要加强对其管理。

全球变暖主要污染物为N2O,农村固废对全球变暖的贡献最大,占77.63%,农村生活污水对全球变暖的贡献最小,占2.31%,主要原因在于农村居民对于固废的处理设施不完善,导致固废随意丢弃和排放,造成很大的环境污染。

3 数据不确定性分析

笔者的分析结果基本上符合社会发展趋势,随着社会的发展,人们生活水平的提高,居民农产品消费趋于多元化发展,由动物性食物消费转变为植物性消费和动物性消费并存的模式,由主食消费转变为主食和副食并存的消费类型。

笔者在查找文献的过程中,计算参数会出现多个相同参数的不同数值,需筛选出最符合实际且使用频率最高的数据,通过计算富营养化潜力、酸化潜力和全球变暖潜力来分析居民农产品消费环境影响,而这主要通过对与氮磷有关的影响因子进行分析实现,具有一定的可靠性。

农产品初加工选取的是屠宰量较大的3种畜禽(猪、牛、羊)和产量较高的3种作物(水稻、玉米、小麦),由于家禽都在郊区饲养,或者由家庭个人散养,数据分散且不全,因而较难获取,故未作考虑。居民农产品消费选取的是消耗量较多的6类食物(谷物、蔬菜、家禽肉、水产品、蛋类、猪牛羊肉),而居民农产品消费的食物远不止这些。由于安徽统计年鉴和中国统计年鉴统计数据以这6类食物为主,而相关文献也主要考虑这6类,其他食物的相关数据较难获取,因而未作考虑。在环境影响方面,城镇粪便和城镇生活污水混合,经过城镇排污管网,进入污水处理厂与城镇污水合并处理,故只考虑了城镇固废中氮磷造成的环境影响,而农村粪便、生活污水大部分未经处理直接排放到环境中,故农村部分考虑了粪便、生活污水和固废这3个部分,导致对数据处理缺乏统一分析,对分析结果有影响。这些问题都会造成数据的不统一以及分析结果有偏差,希望在今后的进一步研究中能使数据保持统一性、科学性和代表性。

4 结论

(1)在屠宰加工过程中,猪的屠宰对于环境的富营养化贡献为3.46×105kg PO43--eq,而牛和羊只有2.03×104和5.56×104kg PO43--eq,因而相对于牛羊来说,猪的屠宰对环境的富营养化贡献最大,占41.48%。在作物初加工过程中,小麦初加工对环境的富营养化潜力为3.29×102kg PO43--eq,而水稻和玉米只有3.40×10和4.92×10 kg PO43--eq,因而相对于水稻和玉米来说,小麦初加工对环境的富营养化贡献最大,占39.42%。

(2)在居民农产品消费中,农村粪便对环境酸化和富营养化贡献率最大,分别占99.49%和91.05%。酸化影响因素有NH3和NOx,环境酸化潜力为1.33×107kg SO2-eq;富营养化因素有NO3-、TP、NH3和NOx,富营养化潜力为9.72×107kg PO43--eq。而农村固废对于全球变暖的贡献最大,占77.76%,影响因素主要是N2O,其潜力为1.49×109kg CO2-eq。总体来看,农村居民农产品消费对于环境的影响不容忽视。