基于物质流分析的我国磷资源开发利用研究

孙静亚 ，韩厚锋 ，张 萍 ，刘俊稚，王攀峰

（1.浙江海洋大学海洋科学与技术学院，浙江舟山316022；2.岱山县环境保护监测站，浙江舟山316200）

引言

磷是生物体细胞核的重要组分，是一切生物必需的基础物质。自然界中磷的循环周期很长，被认为是不可再生的矿产资源。在目前人类社会经济系统中，磷从磷矿中被开采出来进入磷化工业，用于制造磷肥、农药、洗涤剂等产品，生产的含磷产品通过买卖消费在社会各个部门流通，最终以含磷废物进入水体或累积在土壤中。磷素利用效率的有限，不仅加速磷矿资源耗竭，也带来严重水体污染。因此，从资源节约和环境保护的角度出发，探讨磷资源在社会经济体系中的循环代谢过程，查找磷资源代谢存在的生态缺陷并对其进行调整完善，对人类合理开发利用磷资源具有积极意义。

物质流分析是指对定义在一定时空的系统内的物质流动和存储进行系统评价[1]。主要是在遵循质量守恒定理（“输入=输出+累积- 释放”）的基础上，对某一物质从开采、生产、消费、循环利用等一系列流动过程进行追踪，核算该物质在源、汇各个节点的流入和流出量，分析其在各个部门的流通量、累积量以及最终归宿[1-3]。物质流分析研究从整体和全局出发，同时关注物质流动的局部特征，能够为政策决策者提供政策导向，近年来受到国内外学者的关注[4]。

国外学者较早关注开展磷素的物质流分析，开展了大量相关研究，内容涉及全球[5-7]、国家[8，9]、城市[10]、企业[7]等多个层面。如，2000 年Smil[5]就通过全球尺度的磷物质流分析，指出人类活动使全球磷物质流强度约增强三倍；Cordell 和White[7]则在2011 年回顾了全球磷资源短缺的最新信息，认为磷对粮食生产至关重要。我国物质流研究起步较晚。关于磷素物质流研究，最早是2004 年清华大学刘毅引入并先后建立了以1999 和2000 年数据为基础的全国磷素物质流分析模型，确定我国磷循环整体呈单向、开放式物质流结构[1，11]。此后，不少学者运用物质流模型从不同时期、不同尺度等对我国磷素代谢进行了应用分析[12-14]。但总体来讲，国内目前关于社会经济系统磷循环的总体研究进展较为迟缓，大量基础和应用性研究亟待开展。

本文以磷元素为研究对象，以2014 年数据为基础，建立了国家水平上的磷物质流分析模型，分析磷在整个社会经济系统的流向和流量，衡量最终对资源消耗和环境污染产生的影响。在此基础上，寻求改善系统结构的方法，探讨分析现有相关政策，提出我国磷资源合理开发利用的一些建议。

1 我国磷素物质流分析框架及指标体系构建

经比较分析和文献参考[1-3，11]，构建我国经济社会磷循环的物质流分析框架如图1 所示。该框架的中间环节由四部分组成，分别为磷资源的开采和加工、磷化工产品的生产、含磷产品的消费以及含磷废物的排放。首先，磷矿石开采与加工阶段，原生磷矿石被开采并加工成标准磷矿石备用。接着，磷化工产品生产阶段，主要考虑磷肥、黄磷和饲钙的生产。其中，磷肥包括磷铵、氮磷钾复合肥等高浓度磷肥及钙镁磷肥和过磷酸钙等低浓度磷肥，黄磷主要包括湿法磷酸及其下游产业的洗涤剂、农药等各种工业磷酸，饲钙主要指饲料级磷酸氢钙。第三，含磷产品消费阶段，主要包括6 个节点，分别为规模养殖、家庭养殖、农村生活、城市生活、农业种植和农田土壤，这些节点是磷流的主要中间途径。最后，含磷废物排放阶段，包括自然水体和土壤，其中土壤包括磷肥施用的耕地土壤和主要考虑磷石膏等堆放的非耕地土壤。

图1 我国磷资源代谢的物质流分析框架

借鉴国内外相关文献[4，6，11，15]，结合我国磷素物质流代谢特点，提出我国磷素物质流分析的指标体系，主要包括输入指标、输出指标、消耗指标、平衡指标、强度和效率指标、综合指数六大类。

2 我国磷物质流模型构建与分析

2.1 磷素物质流模型构建

在前文我国社会经济系统磷代谢物质流框架和指标体系的基础上，以我国大陆地理疆域为边界（不包括台湾、香港和澳门地区），通过查找《中国统计年鉴》、国家数据网及其他公开数据资料确定具体参数值，构建了以2014 年数据为基础的我国磷素物质流分析模型（图2）。图中方框表示磷物质流来源、路径和归宿中的各主要节点，节点之间连接线的箭头方向表征磷物质流流向，连接线上的数字表示相应的物质流通量强度。

2.2 模型结构特征分析

根据上述模型和数据计算的我国磷素物质流分析结果如图3 所示，下面分别从输入结构、输出结构及生产和消费环节控制等方面分别进行分析讨论。

2.2.1 磷输入结构特征。如图3 所示，2014 年我国磷素直接物质投入量（DMI）为996.41 万吨，其中国内磷矿消费、磷化肥进口、农产品进口分别为950.56 万吨、12.31 万吨、33.54 万吨，分别占总量的95.4%、1.2%、3.4%。理论上，直接物质投入并不能表征支撑社会经济体系运行的物质需求总量（TMR），而其中那些不进入国内经济系统但仍影响生态环境的物质流过程，被称为所谓“隐流”过程[1]。由于我国磷矿资源平均品位较低，加上开采水平的参差不齐，常造成开采效率不高。就全国而言，仅有几家大型露天磷矿回采率达到95%以上，其他中型磷矿回采率大多在50%左右，有些小型磷矿回采率只有30%甚至更低[16]。据此估计，磷矿开采不当构成的国内隐流强度可能较为显著，需引起关注。

图2 2014 年中国磷物质流分析模型 单位：万吨

图3 基于物质流分析的我国2014 年磷资源循环结构 单位：万吨

2.2.2 磷输出结构特征。由图3 可见，2014 年我国磷出口总量为202.84 万吨，其中，磷化工产品、磷矿石和农产品分别为198.24 万吨、4.38 万吨和0.22 万吨，分别占总量的97.7%、2.2%和0.1%；同时，我国生产性输出强度为792.82 万吨，其中，进入地表水体、耕地土壤、非耕地土壤分别为166.83 万吨、468.83 万吨、157.16 万吨，分别占总量的21.0%、59.1%、19.8%。进入地表水体的磷将直接增加水体富营养化风险，累积在耕地土壤的磷会随雨水冲刷进入地表水体，而进入非耕地土壤的磷通常难以回用且也有再次进入地表水体的风险。出口磷流进入国外经济系统，其后续消费引起的含磷废物一般不会排入国内环境，但其生产过程产生的生态包袱会对我国生态环境带来不利影响。

2.2.3 生产和消费环节的磷流特征。各类生产和消费环节中，流入磷量最多的是磷化工业，磷流量达946.18 万吨，该环节的磷流失主要以磷石膏废渣形式进入到非耕地土壤，流失强度为83.39 万吨。其次是农业种植业，作为肥料施入耕地土壤的磷总量达762.4万吨。其中，35.8%的磷被植物吸收，剩余61.5%留在耕地土壤中成为无效磷，这部分磷会随雨水冲刷进入地表水体增加水体磷负荷。再次是畜禽养殖业，作为饲料等投入的磷总量为227.22 万吨，其中规模养殖业和家庭养殖业投入的磷分别为134.89 万吨和92.33万吨，分别占59.4%和40.6%。值得关注的是，家庭养殖业中，93.9%的磷能以农家有机肥的形式进入农业种植业循环利用，仅有4.2%流入地表水体；相比之下，规模养殖业中仅有26.3%的磷进入农业种植业回用，而有高达70.9%流入地表水体增加水体磷负荷。最后，作为洗涤剂和各类种养农产品等用于城乡居民生活，并最终流入生活污水的磷为30.45 万吨，总量相对较低，这应该得益于近年无磷洗衣粉的提倡使用及国民整体环境素质的提高。

3 基于物质流分析结果的磷素合理利用建议

3.1 农业种植业发展

由以上物质流模型分析结果可知，目前我国磷肥农用的有效利用率仅为35.8%，远低于2000 年时的49.7%[16]，这可能是由于近年来农田土壤高强度施用磷肥所致。高强度施用磷肥不仅会降低磷养分的吸收效率，而且会增加磷素随农田排水进入到地表水体污染地表水的风险。因此，建议相关部门注意加强耕地土壤磷养分平衡管理等技术，将生态环境保护有机融入中长期农业农村发展战略。

3.2 畜禽养殖业发展

根据磷物质流模型结果可知，家庭养殖业磷循环率达93.9%，而规模养殖业磷循环率仅为26.3%、排污率达70.9%。这个相对规律与2000 年结果一致[16]，且家庭养殖业磷循环率更高，比14 年前高出28.4 个百分点，这应该得益于我国民众整体环保意识的提高和循环经济的发展。而规模养殖业磷循环率略有降低，反应了我国当前规模养殖业可能遇到的环保瓶颈，其部分业主存在只顾经济利益而忽视环境保护问题。因此，建议相关部门在继续加强对中小型畜禽养殖场监管的同时，技术、管理两方兼顾，着力加强对大型养殖场的监管，引导其健康绿色发展。

3.3 固体废弃物处理处置

作为固体废弃物处理处置结果，2014 年累积在非耕地土壤的磷总量为157.16 万吨，其来源废弃物主要包括磷化工业产生的磷石膏渣、城市生活垃圾、农村生活垃圾和田间未能回用的秸秆，分别为83.39 万吨、25.04 万吨、5.41 万吨、31.53 万吨，占总量的 53.1%、15.9%、3.4%、20.1%。可见，其中磷石膏废弃导致的磷流失量最大，建议加强磷石膏资源化研究与实践，加大对磷石膏磷的回收利用，减少磷资源浪费，降低磷污染风险。

3.4 生活和工业污水排放

由图2 计算可得，流进地表水体的磷主要来自城市居民、农村居民和磷化工业，分别为25.04 万吨、5.41 万吨、16.56 万吨。与 2000 年相比[11]，农村居民生活污水磷排放量减少了35.6%，这应该得益于十几年来农村居民环保意识的提高和农村生活污水处理设施的改善；而城镇居民生活污水和磷化工工业污水磷排放总量分别增加了4.94 万吨和8.56 万吨，这应该是随着我国社会经济快速发展，生产生活用磷量持续增加，同时污水处理中磷素较难去除有关。因此，建议一方面优化生态产业布局，发展循环经济，推动经济结构转型升级，从源头上减少污染物产生；同时，加大污水处理设施投入，加大“科技攻关”，提升污水除磷效率。

4 结论与展望

本文运用物质流模型分析方法，以2014 年相关数据为基础，从输入、输出、生产消费中间环节等角度分析了我国社会经济系统磷循环的结构特征，并据此从农业种植业、畜禽养殖业、生活和工业污水排放、固体废物处理处置等方面提出了我国磷资源合理开发利用的一些建议。此外，由于缺少数据支持，本文未能算出模型中的国内磷矿开采损失等隐流强度，建议相关部分应加强对该部分数据的关注收集，以便后续研究能进一步完善，为我国磷资源开发利用决策提供更可靠的科学指导。