常熟市食物氮足迹的量化及其影响因素研究

2020-02-08张雅娟王延华蔡祖聪

生态与农村环境学报 2020年1期

张雅娟,王延华,2①,杨浩,2,蔡祖聪,2

(1.南京师范大学地理科学学院,江苏南京 210023;2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,江苏南京 210023)

氮素是动植物生长过程中不可缺少的营养元素,随其生产和消费而流动[1]。人口增加导致粮食匮乏,最初通过燃烧、使用有机肥料微弱地影响自然界的氮循环。自Haber-Bosch发现能够将大气中惰性氮转化为氨的方法之后,人类用合成氮肥种植的作物滋养了世界上一半以上的人口[1-2]。农业生产是氮素循环的关键参与者。近一个世纪以来,氮肥施用量逐年增加,当农业氮素利用效率与氮肥施用不呈比例时,粮食产量提高的同时环境氮负荷超标成为新型问题[3],主要表现在资源枯竭[4]、酸雨[3]、水体富营养化[5]和生物多样性减少[6]等。近些年来,随着城镇化水平、社会经济和人均可支配收入水平的提高,人们食物消费结构发生变化,居民食物氮素排放是城市氮负荷的主要部分[7]。2010年GALLOWAY等[1]提出氮足迹概念,即人们在食物和能源消费过程中损失进入环境的所有活性氮。LEACH等[8-9]开发了N-PRINT程序(http:∥www.n-print.org)来描述与实体消费模式相关的活性氮损失。氮足迹是基于消费者视角能够将个人消费选择与排放到环境中的活性氮联系起来,并展示不同生活方式如何影响进入环境中活性氮[10-11]的指标。目前,关于氮足迹的研究主要集中于国家尺度[9-10,12-15]、省级尺度[16-17]和市级尺度[18-21]。有关国家尺度的研究,欧美起步相对较早,多以构建氮素循环与平衡模型开展研究[22-26],我国“九五”期间农业部开始实施“948”项目,在国家和省级尺度上分析了食物链氮素纵向流动特征。

我国土地广袤,区域差异较大,经济发展和城镇化进程也不同,导致区域氮素生产与消费不平衡。常熟地处长三角经济发达区,人口密集,水网交织。近100年来高速的经济发展和城市化进程产生两个方面的影响:一是农村地区动物性食品消费量增加;二是粪尿氮的循环利用率下降,造成农村地区对化肥施用和饲料进口的依赖性增强。这就使优化食物生产与消费、减轻氮素环境负荷面临严峻挑战。鉴于此,笔者以常熟市为研究靶区,以居民食物氮素消费为切入点,深入分析2000—2016年常熟市食物氮足迹的变化,并对其影响因素进行探讨。研究结果可为常熟市和其他县级市的可持续发展和居民食物消费氮排放调控提供科学依据。

1 研究区概况

常熟市为江苏省县级市,位于长江三角洲前缘,太湖流域下游(31°31′～31°50′ N,120°33′～121°03′ E)。行政区总面积为1 276 km2,平原圩区面积约为总面积的80%。该市属亚热带季风气候区,年均降水量为925.70 mm,年均气温为16.77 ℃(2000—2016年)。水域面积为390.11 km2,占总面积的30.57%,境内河网均属太湖水系,以城区为中心向四周呈放射状扩散,南部稠密,北部稀疏;河道比降窄,水流平稳。农业结构以种植业和水产养殖业为主,农田类型以水田为主,粮食作物多为稻-麦轮作,一年两熟。

近些年来,农业和居民生产生活造成常熟市地表水氮素污染严重,据《常熟市2016年环境质量公报》,I～Ⅲ类优良水质断面比例为26.00%,劣Ⅴ类水质断面比例为11.80%,2016年常熟市地表水水质仍处于轻度污染级别,个别水体水质污染严重。

2 研究方法

2.1 数据来源

研究数据主要来自于常熟统计年鉴[27]。以人均食物消费量为基础数据计算食物氮消费量,分析常熟市居民食物氮足迹。假设居民外出就餐忽略不计,仅针对居民家庭食物消费,不同食物氮含量参数来源于相关资料[17-19,28-29]。

2.2 食物氮足迹

基于Galloway对氮足迹的定义,食物氮足迹为某种产品或服务在其生产、运输及消费过程中直接或间接排放的活性氮总和[2]。通过运用N-calculator模型计算得到常熟市居民食物氮足迹。食物氮足迹(Ft)主要包括食物消费氮足迹、食物生产氮足迹和食物能源氮足迹3个部分[9],计算公式[18]为

Ft=Fc+Fp+Fe。

(1)

式(1)中,Fc、Fp和Fe分别为食物消费氮足迹、食物生产氮足迹和食物能源氮足迹，kg·人-1·a-1。

Fc计算公式为

Fc=Ca×wN。

(2)

式(2)中,Ca为人均食物消费量,kg·人-1;wN为食物含氮量，g·kg-1。

居民主要食物消费品可划分为粮食、水产品、水果、畜肉类、禽肉类、蛋类和蔬菜7类。居民人均购买量数据由《常熟市统计年鉴(2001—2017)》获得,不同食物含氮量参见文献[17-19,28-29],具体数值见表1。计算过程中假设食物消费摄入成年人体内的氮素最终全部以粪尿形式经各种渠道排放到环境中[29]。

Fp指在食物生产加工及运输过程中产生人类不能直接利用的活性氮。虚拟氮因子(VNF)是Fp的主要构成部分,即在食物生产过程中能源消耗所产生的包括牲畜饲料、排泄,农作物施肥,以及处理加工食物所燃烧的化石燃料释放到环境中的活性氮量[29-30]。因此,为了避免重复计算,虚拟氮的计算不包括该部分,将它归为能源氮足迹之中[9]。食物氮因子采用中国氮因子(表1)[31]。

表1 不同食物含氮量及虚拟氮因子

Table 1 Nitrogen content and VNFs in food

种类含氮量/(g·kg-1)虚拟氮因子粮食 14.401.10 蔬菜 1.767.70 畜肉类29.227.90 禽肉类29.905.70 水产品28.774.10 水果 1.6019.00 蛋类 20.487.20

Fe指在食物整个生命周期内产生的能源消耗所释放出的活性氮量,包括生产食物、运输食物、烹饪加工食物和处理剩余食物4个部分[18]。经估算,中国食品能源氮足迹占食品氮足迹总量的20.90%[29],将常熟市能源氮足迹按此比例计算。

2.3 食物消费氮代价

食物消费氮代价指该区域食物链生产-消费系统中总氮投入与居民消费食品含氮量的比值,反映食物消费的资源环境代价。

2.4 不确定性分析

在氮足迹计算模型中,不确定性表现为模型的适用性和模型中参数选择的多样性。定量研究中通常采用蒙特卡罗法、随机抽样法、敏感性分析法和拉丁超立方法等进行不确定性分析[32]。蒙特卡罗法以概率统计理论为指导,依据概率论、大数定理和中心极限定理,对输出结果进行统计,并拟合输出结果的概率分布情况[32]。运用蒙特卡罗法对模型参数进行定量分析。

由于虚拟氮因子采用的是中国氮因子,对食物含氮量的7个子参数进行蒙特卡罗不确定性分析。由表2可知,水产品、蛋类、禽肉类和水果含氮量变异系数较小,这是因为这些参数所包含的子类含氮量在不同文献中相近,数据统计方法权威、一致,因此可保证较小的误差和较高的准确性;粮食、蔬菜和畜肉类含氮量变异系数较高,这是由于不同文献中这3类参数所包含的子类项较多,不同子类含氮量差距较为明显,而统计年鉴中的统计较为粗略,但是统计年鉴中的数据统计方法保持一致,所以数据准确性和稳定性较高[33]。

表2 参数不确定性分析结果

Table 2 Parameter uncertainty analysis result

参数名称平均值/(g·kg-1)标准差/(g·kg-1)变异系数/%最大值/(g·kg-1)最小值/(g·kg-1) 粮食含氮量1.750.2011.612.101.40 蔬菜含氮量0.240.0415.020.300.18 畜肉类含氮量2.270.4519.603.041.50 禽肉类含氮量2.880.186.313.092.48 水产品含氮量2.920.030.822.962.88 蛋类含氮量2.120.042.062.202.05 水果含氮量0.160.012.890.170.15

3 结果与讨论

3.1 常熟市人均食物氮足迹

常熟市人均食物氮足迹计算结果见图1。常熟市县城居民人均食物氮足迹(以N计)在2000—2016年间由20.00 kg·人-1·a-1波动减少到14.68 kg·人-1·a-1。2000—2005年,水果氮足迹增长迅猛,蔬菜、水产品和粮食食物氮足迹逐渐减少。在2006—2010年和2011—2015年间,常熟市县城居民食物消费氮足迹逐渐增长并呈周期性变化,究其原因是食物消费结构的周期性变化,粮食、水产品、水果和蔬菜氮足迹逐渐递增,畜肉类、禽肉类和蛋类消费量逐渐下降。在此阶段,食物消费结构变化和饮食结构逐渐稳定。从食物氮足迹的组成结构来说,动物源氮足迹在食物氮足迹中占主导地位(≥66.42%)。动物源人均食物氮足迹从2003年13.40 kg·人-1·a-1下降至2016年12.76 kg·人-1·a-1,其中,2011年动物源人均食物氮足迹为9.45 kg·人-1·a-1。植物源人均氮足迹从2003年5.28 kg·人-1·a-1增加到2016年7.07 kg·人-1·a-1,植物源对食物氮足迹总量的贡献从2000年的28.28%上升到2016年的33.42%。

2000—2016年常熟市农村居民人均食物氮足迹呈波动下降,其范围为17.58～28.46 kg·人-1·a-1,总体分为3个阶段:(1)2000—2005年,农村居民人均食物氮足迹呈现震荡下降状态。由于经济快速发展,农村居民经济状况好转,粮食消费量开始减少,水产品、蔬菜消费量增加,食物消费总量开始减少。(2)2006—2010年,农村人均食物氮足迹波动很大,在23.07～24.87 kg·人-1·a-1之间,其中峰值出现在2008年,为24.87 kg·人-1·a-1,随后人均食物氮足迹急剧下降,粮食、蔬菜食物氮足迹有较大幅度减少,而水产品、水果、畜肉类和禽肉类氮足迹有不同程度的增加;这是由于在此期间常熟市统计年鉴粮食消费量中未统计玉米消费量,肉类消费量中未统计肉类制成品,水果统计口径未统计瓜果消费量,导致食物消费量统计数据口径发生变化。(3)2011—2015年为第3阶段,食物氮足迹趋于平缓,各类食物氮足迹趋于稳定,食物消费结构趋于稳定。从食物氮足迹的组成结构来说,2000—2006年,以植物源食物氮足迹为主(占比在50%以上),2006年之后,以动物源食物氮足迹为主。动物源部分的主要成分是家禽。家禽消费量的增加导致动物源氮足迹占总氮足迹比例从2000年的48.10%增加到2016年的62.40%。对于植物源食物来说,粮食源氮足迹占植物源氮足迹的69.00%,其占总食物氮足迹的比例从2000年的39.29%下降到2016年的20.66%。粮食氮足迹为3.93～8.90 kg·人-1·a-1,禽肉类氮足迹为2.21～5.67 kg·人-1·a-1,粮食和禽肉类氮足迹是常熟市农村居民食物氮足迹的主要组成部分,分别占食物氮足迹的33.05%和17.31%。

图1 常熟市城乡居民食物分类和构成氮足迹

国内大多数学者是基于N-calculator模型进行氮足迹研究[18-21],为了便于与国内开展的研究相比较,仅计算食物链中食物氮足迹。如表3[16-21]所示,2016年常熟市县城居民人均食物氮足迹为17.51 kg·人-1·a-1,仅高于国内兰州市[21]水平(10.56 kg·人-1·a-1),低于广州市(25.98 kg·人-1·a-1)[19]、南昌市(19.01 kg·人-1·a-1)[20]、浙江省(20.10 kg·人-1·a-1)[16]和江西省(18.71 kg·人-1·a-1)[17]。农村居民人均食物氮足迹为19.00 kg·人-1·a-1,均高于兰州市(10.73 kg·人-1·a-1)[21]、南昌市(13.98 kg·人-1·a-1)[20]、浙江省(12.95 kg·人-1·a-1)[16]和江西省(13.85 kg·人-1·a-1)[17]。

在食物氮足迹构成比方面,2000—2016年常熟市县城平均植物源氮足迹占总氮足迹的33.58%,低于浙江省(60.90%)和兰州市(62.10%);动物源氮足迹占比高于浙江省和兰州市。常熟市农村植物源氮足迹占总氮足迹的47.53%,低于浙江省农村植物源氮足迹占总氮足迹的比例(65.05%)。与运用N-calculator模型进行氮足迹研究的国家进行比较发现,常熟市食物氮足迹接近于日本、荷兰、德国发达国家的食物氮足迹水平,低于美国、澳大利亚食物氮足迹水平,食物结构仍以高氮食物为主。

表3 常熟市食物氮足迹与国内相关研究的比较

Table 3 Comparison of food nitrogen footprint and domestic related research in Changshukg·人-1·a-1

地区年份县城农村来源文献广州市200925.9825.98[19] 北京市201220.0211.52[18] 兰州市201410.5610.73[21] 南昌市201419.0113.98[20] 浙江省201420.1012.95[16] 江西省201518.7113.85[17] 常熟市201617.5119.00该研究

笔者估算的食物氮足迹结果与国内其他研究结果差异较大,其原因是在食物生产氮足迹的研究方法方面，笔者研究与国内其他研究有少许差别,一方面,浙江省[16]和兰州市[21]在对食物氮足迹研究过程中采用的虚拟氮因子与常熟市不同,另一方面,它们没有计算食物生产、消费过程中能源氮足迹。笔者采取的氮足迹虚拟氮因子为中国虚拟氮因子,计算结果可能相对高于浙江省和兰州市;笔者在能源氮足迹计算过程中,采用中国氮足迹计算能源氮足迹比例[30]。笔者研究结果表明,2000—2016年常熟市居民人均食物氮足迹总体从16.91 kg·人-1·a-1上升至23.36 kg·人-1·a-1。

3.2 食物消费氮代价

食物氮素在食物链生产-消费系统流动过程中会产生一些负面作用,这可以用食物消费氮代价衡量,食物消费氮代价为食物链氮的总输入量与食物消费系统活性氮输入量的比值[34]。2008年中国食物链中农田和畜禽系统的氮素有效利用率为17.00%,食物氮代价(以N计)为4.00 kg·kg-1,即中国居民每消费1.00 kg食物氮,需要在生产-消费系统投入4.00 kg氮素,剩余未被利用的氮素随着地表径流、淋溶、挥发等各种方式进入环境中,引发环境问题[7]。

2000—2016年间常熟市食物消费氮代价呈波动下降,由2000年10.14 kg·kg-1下降到2016年7.64 kg·kg-1。因此,在2016年常熟市食物链生产系统每向消费者提供1.00 kg食物氮,则需要投入7.64 kg氮素,其中,6.64 kg氮素损失进入环境中。2000—2013年,常熟市平均每年食物链系统氮素损失高达23.38×103t,水体是食物链生产-消费系统中活性氮进入环境的主要方式[35]。氮素在农田生产系统主要以NH3、N2O和N2形式排放到大气中,以硝酸盐和有机氮等形式通过地表径流和下渗方式排放到地表水体中[36]。

2012年中国食物消费氮代价为9.90 kg·kg-1[34],高于同期常熟市食物消费氮代价(8.84 kg·kg-1);1995年至今南京市食物消费氮代价由6.90 kg·kg-1降低到 4.25 kg·kg-1[35],北京市从1978年至今食物消费氮代价维持在2.50～4.50 kg·kg-1之间[36],均低于同期常熟市食物消费氮代价水平。由于常熟市以农业和轻工业为主,食品每年盈余且出口量较大。常熟市食物氮代价高于其他研究地区[37-38],表明食物链生产系统每向消费者提供1.00 kg食物氮,其环境氮素损失率也高于其他地区。随着消费结构和种养结构的调整,常熟市食物消费氮代价逐年降低,2016年降至7.64 kg·kg-1,极大地缓解了环境氮素负荷。

3.3 常熟市居民食物氮足迹的影响因子

城乡居民食物的消费结构、食物消费量会受到社会经济发展水平的制约和影响。冼超凡等[18]对北京市城乡居民食物氮足迹的研究发现,恩格尔系数、人均可支配收入与食物氮足迹相关。选取2000—2016年常熟市农村和县城人均食物氮足迹,粮食、蔬菜、水果、水产品、畜肉类、禽肉类和蛋类的食物氮足迹与恩格尔系数、人均可支配收入、消费价格指数和城镇化率的社会经济因子进行Spearman相关性分析(表4),研究常熟市城乡居民食物氮足迹变化的社会经济驱动因素。

表4 常熟市居民人均食物氮足迹与社会经济因素的相关性

Table 4 Correlation between per capita food nitrogen footprint of Changshu residents and socio-economic factors

氮足迹类别人均GDP恩格尔系数人均可支配收入消费价格指数城镇化率农村氮足迹0.0230.185-0.0120.3160.024 粮食氮足迹-0.515∗0.550∗-5.470∗0.205-0.515∗ 水产品氮足迹0.650∗∗-0.4320.624∗∗0.3380.650∗∗ 蔬菜氮足迹-0.2080.190-0.2310.132-0.208 畜肉类氮足迹0.757∗∗-0.4650.707∗∗0.1800.757∗∗ 禽肉类氮足迹0.226-0.0590.1880.4900.226 蛋类氮足迹0.411-0.2660.3580.3830.411 水果氮足迹-0.1120.099-0.056-0.481-0.112 县城氮足迹0.016-0.1870.016-0.5250.016 粮食氮足迹0.495-0.2310.495-0.2560.495 水产品氮足迹0.3130.0550.313-0.666∗0.313 蔬菜氮足迹-0.3130.692∗-0.313-0.358-0.313 畜肉类氮足迹-0.005-0.225-0.005-0.388-0.005 禽肉类氮足迹-0.555∗0.110-0.555∗-0.489-0.589∗ 蛋类氮足迹-0.589∗0.437-0.589∗-0.489-0.589∗ 水果氮足迹0.272-0.5230.272-0.1600.272

*和**分别表示在置信度(双侧)α为 0.05和0.01水平上相关显著。

由表4可知,常熟市县城居民人均食物氮足迹与各社会经济因子相关性较弱,从食物分类氮足迹来说,水产品氮足迹与消费价格指数呈显著负相关关系(α=0.05);蔬菜氮足迹与恩格尔系数呈显著正相关关系(α=0.05);禽肉类、蛋类氮足迹与人均GDP、人均可支配收入和城镇化率均呈显著负相关关系(α=0.05)。这表明水产品氮足迹随消费价格指数上升而下降,蔬菜氮足迹随恩格尔系数的下降而下降,禽肉类、蛋类氮足迹随人均GDP、人均可支配收入和城镇化率的上升而下降。常熟市农村居民人均食物氮足迹与社会经济因素相关性较弱,其中,水产品和畜肉类氮足迹分别均与人均GDP、人均可支配收入和城镇化率呈显著正相关关系(α=0.01),粮食氮足迹与人均GDP、人均可支配收入和城镇化率呈显著负相关关系(α=0.05),与恩格尔系数呈显著正相关关系(α=0.05)。

由图2可知,常熟市人均食物氮足迹与人均GDP之间曲线呈现先上升后下降的“倒U型”关系,即存在“倒U型”环境库兹涅茨曲线(EKC)[39],其对应的拐点人均GDP为10.82万元。这表明在人均GDP未达到10.82万元时,随着常熟市城乡居民人均GDP的增长、资源使用量的增加,食物链消费量上升增加了氮足迹数量,规模效应导致常熟市城乡居民人均食物氮足迹增长;当人均GDP达到10.82万元时,人均食物氮足迹会随着人均GDP的增长而下降,环境资源状态将会改善。目前,常熟市人均食物氮足迹已经跨越拐点,食物氮足迹呈现良好的下降势头。同时,选取城镇化率与常熟市人均食物氮足迹做相关性分析,常熟市城镇化率与人均食物氮足迹拟合度较为显著。

3.4 居民膳食结构对食物氮足迹的影响

不同尺度居民人均食物食费量和氮足迹对比见图3。

图2 常熟市2000—2016年城乡居民食物氮足迹与人均GDP和城镇化率的关系

图3 不同尺度居民人均食物消费量和氮足迹对比

由图3所示,根据《中国居民膳食指南(2016)》[40]所提供的年人均食物消费量与不同尺度食物消费量对比可知,2016年常熟市居民人均食物消费结构中粮食、水产品、蛋类食物消费量较为合理,均位于中国居民膳食食物推荐量范围内,水果、蔬菜食物消费量低于膳食食物推荐量和国家水平,畜禽肉类消费量高于推荐量,但低于中国和江苏省水平。

图3显示,常熟市人均食物氮足迹在2005—2012年高于国家平均水平和江苏省水平。在此期间,常熟市县城居民人均食物消费量高于江苏省和国家平均水平,畜禽肉类食物消费量较高。在社会经济发展和居民生活水平提高的同时,常熟市居民开始注重饮食营养均衡,食物消费结构接近膳食食物推荐标准,饮食结构也从吃的饱转向吃的好。食物氮足迹由食物消费、食物生产和食物能源氮足迹3部分组成,食物氮代价在此期间呈现下降状态,表明由于食物生产所释放到环境中的活性氮总量逐渐减少,食物生产氮足迹也逐渐下降;而能源氮足迹是按照固定比值进行计算的,食物氮足迹大小取决于食物消费氮足迹。随着人们饮食结构向合理化、低氮化变化,未来常熟市居民人均食物氮足迹将回归到合理水平。