社會經濟系統磷元素流通及其環境效應研究：以山東省棲霞市為例

王重陽 胡起源 查思含 肖 瀟 劉 明 李 卓 譚 琨 張威儀 孫丹峰 倫 飛

(中國農業大學 土地科學與技術學院，北京 100193)

磷元素在維持生物有機體穩定方面發揮著重要作用，是生物體不可缺少的營養元素之一。隨著全球人口的迅速增加，糧食需求量不斷增加，如何保障全球糧食安全已經受到全球各界的廣泛關注。磷肥能夠在一定程度上提高糧食產量，磷肥消耗量不斷提高，全球磷礦的開采速度不斷增加。作為不可再生資源，以目前的開采速度，全球磷礦資源將在未來50～100年內枯竭。全球地球化學磷循環已經從封閉的系統轉向了開放的系統，且已經遠遠超過了其可持續利用的行星邊界，處于高風險狀態；與此同時，磷元素的不合理利用，尤其是磷肥大量且低效的利用，使大量的磷元素進入環境之中，造成了一系列的生態環境問題(如水體富營養化、土壤酸化等)，嚴重地干擾了區域的可持續發展。因此，研究社會經濟系統磷元素流通及其環境效應，對于更好地實現區域可持續發展具有重要意義。

目前對社會經濟系統磷流通的研究主要是利用物質流分析的方法分析其磷流動過程、利用效率及其環境效應問題。磷流動過程是由社會經濟系統內外物質流動所引起的，主要包括農業生產和居民生活消費的磷流動過程。Roy等分析了2000—2016年孟加拉國食物生產和消費過程磷的流向，研究表明農業用地擴張和集約化利用是造成孟加拉國食物生產和消費過程中磷流動的變化的主要原因；Esculier等通過分析巴黎“水-農業-糧食”系統中磷流動過程，發現巴黎十分依賴國際農業糧食系統，需要高水平的化肥投入，并且廢水和廢物管理與農業系統嚴重脫節。此外，也有研究探討了磷元素在不同尺度下的流動情況：在全球尺度上，Lun等主要針對全球農業系統磷流通情況進行了探討，并分析了全球不同國家的農業系統磷流動情況及其使用效率情況；在國家尺度上，Liu等發現中國淡水磷損失量在過去4個世紀增加了3倍，人類活動對環境磷負荷的貢獻由17世紀的20%增加到2012年的83%；在城市尺度上，Huang等以漳州為例發現水產養殖快速發展和城市化是漳州磷損失的主要驅動因素。隨著工業化進程加快和城鎮化水平提高，生活污水、工業廢水、生活垃圾等排放量顯著增加，因此磷流動產生的環境效應逐漸得到廣泛關注。將灰水足跡、基于安全閾值的環境風險評價法等與社會經濟系統磷流動研究相結合來闡明區域磷流動所產生的環境效應，趙旸等針對中國蘋果種植情況，探討了中國蘋果主產區磷元素流動情況，并分析了其所產生的環境壓力問題，盡管目前對社會經濟系統的磷流動研究已經取得了一定成果，但對于在較小尺度對整個社會經濟系統的磷流動及其環境問題的研究相對較少，故需要對此開展進一步討論。

棲霞市位于山東省煙臺市五龍河流域，是中國著名的蘋果主產區。近年來由于人口的快速增加和蘋果種植面積的不斷擴大，當地面臨著一定的環境問題(例如水體富營養化和土壤酸化等)，而厘清地區社會經濟系統磷元素的流動過程并協調磷元素的輸入與排放，對于更好的推動社會經濟發展與環境保護具有重要意義。因此，本研究擬以山東省棲霞市為例，基于物質流分析與灰水足跡的理論框架與方法，構建棲霞市社會經濟系統磷元素流通模型，重點探討磷元素在各個子系統的流動特征、利用效率、環境排放等內容，識別出系統內造成區域環境風險的關鍵環節，并在此基礎上提出提高磷利用效率和減少環境污染的相關對策建議，以期為棲霞市磷元素管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

棲霞市位于山東省煙臺市的中心位置，位于北緯37°05′05″—37°29′46″，東經120°32′45″—121°15′58″，總面積約1 793 km，總人口59.4萬。棲霞市地處丘陵山區，屬暖溫帶季風型大陸氣候，四季分明，典型土壤為棕壤，自然條件適宜種植蘋果。圖1為棲霞市土地利用現狀。近年來蘋果產業迅速發展，棲霞市被譽為“中國蘋果之都”和“中國蘋果第一市”，2018年其果園種植面積為49 058 hm，蘋果產量達到1.91×10t；糧食作物以玉米、花生為主，其種植面積分別為9 446和11 733 hm。根據調研問卷結果，棲霞市不同種類農用地化肥施用量有顯著差異，果園(蘋果)單位面積磷肥投入量為194.00 kg/hm，一熟作物(以玉米為主)單位面積磷肥投入量相對較低，僅為59.46 kg/hm，而兩熟作物(秋收小麥)磷肥投入量相對較高，其投入量達到76.83 kg/hm。棲霞市2018年居民人均可支配收入為22 062元。棲霞市境內沒有規模以上磷礦開采和加工企業，磷元素的相關產品主要從系統外流入。近年來棲霞市基礎設施條件不斷完善，2018年棲霞市城鎮污水處理率達97.38%，生活垃圾無害化處理率達100%。

圖1 棲霞市土地利用現狀

1.2 社會經濟系統磷流通模型研究

物質流分析方法是一種定量刻畫特定物質在特定時間和空間范圍內的遷移流動狀況的重要分析工具之一，能夠識別物質的循環流動特征，定量分析人類社會經濟系統與自然環境之間的物質交換。近年來，越來越多的研究運用物質流分析的方法定量研究養分的流動特征，其中以氮、磷為主。磷元素是生物體不可或缺的營養元素，在人類的生產、生活中也發揮巨大的作用，以食物、飼料、化肥等形式沿“化肥投入-作物種植-畜禽生產-人類消費-環境排放”循環流動，研究的內容主體不同，模型所包含的磷流動過程也不同。社會經濟系統磷流通主要包括磷資源的開采和加工、磷化工產品的生產、含磷產品的消費、磷廢物的排放等4個環節。由于棲霞市沒有規模以上的磷礦開采和磷產品加工企業，并根據相關數據的可得性，本研究構建的棲霞市社會經濟系統磷流動模型框架(圖2)包括含磷產品消費及磷廢物排放2個環節，含磷產品的消費過程主要包括畜禽養殖、農業種植、農村和城鎮居民生活消費，而磷廢物排放為直接或經由廢物污水處理系統間接進入水體和土壤，其中土壤包括進行農業種植活動的農用地土壤及磷石膏等堆放的非農土壤。由于本研究涉及區域內外的貿易，系統內生產的農作物及畜禽產品優先滿足研究區本身的消費，若有剩余則為其他地區提供。

因此，棲霞市社會經濟系統磷流通模型主要包括畜禽養殖子系統、農業種植子系統及城鄉居民消費子系統，各子系統的磷輸入、輸出情況主要為：1)畜禽養殖子系統。磷輸入包括秸稈、飼料、廚余垃圾，磷輸出項包括動物性產品、畜禽糞尿，畜禽糞尿還田部分以農家肥形式進入農業種植系統，動物性產品進入城鄉居民消費系統供飲食消費。畜禽養殖子系統中消費的磷元素量難以獲得，其主要根據養殖系統輸入系統與其輸出系統處于平衡的狀態下進行估算；2)農業種植子系統。磷輸入包括化肥、農藥、種子、秸稈、糞尿還田，其中化肥是農業種植中最主要的磷輸入項。進入農作物的磷元素則通過農產品消費、人類糞尿利用等與畜禽養殖、城鄉居民消費產生關聯。利用地表徑流、地表滲漏計算出流入水體的磷，環境盈余的其余部分累積到土壤中；3)城鄉居民消費子系統。輸入的磷包括植物性產品、動物性產品、含磷產品(煤炭、洗滌用品)，系統磷輸出主要為人類糞尿、生活污水、生活垃圾。城鎮和農村居民消費的磷元素最終去向有所不同。城鎮居民產生的人體糞尿少部分還田，其他則經由污水處理廠和垃圾處理廠處理后排放到環境中，農村缺少對污水的集中收集和處理，未還田的人類糞尿及生活污水直接排入環境中。棲霞市社會經濟系統磷流通模型構建的理論依據是物質守恒定律，即在各子系統中磷元素的輸入總量等于其輸出總量與積累總量之和。

根據棲霞市社會經濟系統磷流通模型，其各個子系統的核算方法可以分為3 種方式：1)定值計算。根據確定參數及確定變量計算出固定的磷物質流；2)比例系數估算：主要是根據各個子系統的磷流通的比例進行估算，如農業種植子系統中人類糞尿回田部分的磷輸入量；3)基于物質守恒定律估算，由于部分磷流動環節難以直接進行估算，故對根據物質守恒定律進行估算，如農業種植系統中進入水體的磷流。棲霞市各子系統主要磷流具體計算方法見表1。

表1 主要磷流計算公式

Table 1 Main calculation formulas of phosphorus flows

子系統Subsystem磷流計算公式Calculationformulaofphosphorusflow系數描述Descriptionofcoefficient畜禽養殖LivestockbreedingLma=∑iQma,i×αma,i×βma,iLma為畜禽糞尿磷輸出;Qma,i、αma,i、βma,i分別為2018年棲霞市畜禽出欄量、畜禽質量和畜禽糞尿磷含量(i=豬、牛、羊、禽類)Lan=∑i,jQma,i×αma,i×βan,j×γan,jLan為動物性產品磷輸出;βan,j、γan,j分別為畜禽產品磷含量、畜禽產品所占比例(j=肉、骨、其他副產品)Linfe=∑Lout-∑LinLinfe為進口飼料磷含量;∑Lout、∑Lin分別為畜禽養殖系統各輸出項輸出磷之和、各輸入項輸入磷之和農業種植AgricultureplantingAfer=∑kQfer,k×αfer,kAfer為化肥磷輸入;Qfer,k、αfer,k、分別為2018年作物播種面積、單位面積化肥磷投入量(k=一熟作物、兩熟作物、果園)Ama,m=∑mQma,m×γma,mAma,m為糞尿磷輸入;Qma,m(Lma、Hma)、γma,m分別是糞尿磷輸出量、回田系數(m=畜禽養殖、農村)Apl=∑nQpl,n×αpl,nApl為植物性產品磷輸出;Qpl,n、αpl,n分別為2018年作物產量、作物磷含量(n=小麥、玉米、大豆、薯類、花生、蔬菜、瓜果)Aoutwa=Prunoff+PleachAoutwa為輸出到水體中的磷流;Prunoff、Pleach分別是地表徑流、地下滲漏的磷輸出量Prunoff=∑Qfer,k×αfer,k×αpkαpk為磷肥徑流流失系數,%Pleach=∑Qfer,k×αfer,k×βpkβpk為磷肥淋溶流失系數,%Aoutsl=∑Ain-∑AoutAoutsl為累積到土壤中的磷元素;∑Ain、∑Aout分別為農業種植系統各輸入項輸入磷之和、各輸出項輸出磷之和

表1(續)

子系統Subsystem磷流計算公式Calculationformulaofphosphorusflow系數描述Descriptionofcoefficient城鄉居民消費UrbanandruralconsumptionHfd=∑p,qQp×αfd,q×βfd,qHfd為食物輸入量,包括動物性產品和植物性產品;Qp、αfd,q、βfd,q分別是人口數量、人均食物消費量、食物磷含量(p=城鎮、農村;q=谷物、豆類、薯類、食用植物油、蔬菜、水果、豬肉、牛肉、羊肉、禽類、水產品、蛋、奶)Hru=Qru×αru,r×βh,rHru為農村生活用品磷輸入量/污水廢物磷輸出量;Qru、αru,r、βh,r分別為農村人口數量、農村人均生活用品/垃圾產生量、生活用品/垃圾磷含量(r=洗滌劑、生活垃圾)Hur=Qur×αur,r×βh,rHur為城鎮生活用品磷輸入量/污水廢物磷輸出量;Qur、αur,r分別為城鎮人口數量、城鎮人均生活用品/垃圾產生量(r=洗滌劑、生活垃圾)Hma=Qp×αma,uHma為人類糞尿磷輸出量;αma,u為人均糞尿磷排泄量

1.3 社會經濟系統磷環境效應研究

在本研究中，棲霞市社會經濟系統磷環境效應研究主要探討了各個子系統磷元素的利用效率及排放所產生的環境壓力。

1

.

3

.

1

磷利用效率

根據相關研究，本研究將磷利用效率(PUE)定義為系統的經濟磷產出量除以磷輸入總量。在農業種植系統中是指磷元素養分被作物吸收占總磷輸入的比例，在畜禽養殖系統是指畜禽肉、骨、蛋、奶磷產量占畜禽養殖總磷輸入的比例。在居民消費系統中是指被人體吸收的磷占總磷輸入的比例。

式中：PUE、PUE、PUE分別為農業種植、畜禽養殖、城鄉居民消費子系統的磷利用效率；

A

為秸稈磷輸出量。

1

.

3

.

2

磷排放環境壓力

本研究中社會經濟系統磷排放環境壓力主要包括磷元素進入水體所產生的污染和積累在土壤中產生的污染，其中前者主要是根據灰水足跡方法進行討論，而后者則主要根據前人研究的磷元素積累環境風險進行討論，本研究在劉欽普提出的基于化肥環境安全閾值的環境風險評價法的基礎上對農業種植系統的土壤環境風險進行評價，具體計算公式如下：

式中：

R

為土壤磷資源污染環境風險指數；

T

為磷元素環境安全閾值(kg/hm)，取值為62.5 kg/hm；

F

為磷資源使用強度，是指本年內單位面積耕地實際用于農業生產的磷資源輸入量(kg/hm)；

M

表示當年磷輸入量(kg)，

A

表示耕地面積(hm)。

表2 農業土壤磷投入環境風險指數()

Table 2 Environmental risk index()of P input in agricultural soil

等級Grade環境風險指數范圍Environmentalriskindexrange環境風險類型Environmentalrisktype分類依據Classificationbasis5>0.8嚴重風險施肥量超過安全閾值4倍以上4(0.75,0.80]重度風險施肥量不超過安全閾值4倍3(0.65,0.75]中度風險施肥量不超過安全閾值3倍2(0.50,0.65]低度風險施肥量不超過安全閾值2倍1(0.35,0.50]尚安全施肥量不超過安全閾值0<0.35安全施肥量低于安全閾值一半

灰水足跡的概念由Hoekstra 等于2008年首次提出，指稀釋污染物所需要的水資源總量，能夠較為直觀的反映污染物對可用水資源的影響。近年來逐漸引起關注，被廣泛應用于全球尺度、國家尺度及城市尺度上社會經濟系統中產生的磷的灰水足跡的定量研究。因此，本研究基于灰水足跡的方法，結合前人研究與社會經濟系統磷流通模型，得到各子系統磷元素的灰水足跡，即各個子系統磷排放的環境壓力，具體計算公式如下：

式中：GWF為磷元素的灰水足跡；W為排入水體的磷元素總量；

C

為水體中磷的最大容許濃度，取值為0.2 mg/L(Ⅲ類)；

C

為水體中磷的自然本底濃度，取值為0 mg/L。

GWF=GWFpla-TP+GWF+

GWF+GWF+GWF

式中：GWF為社會經濟系統磷元素的灰水足跡；GWF、GWF、GWF、GWF分別為種植業、畜牧業、農村生活、城鎮生活等各子系統磷元素的灰水足跡。

1.4 數據來源

本研究所利用的主要數據包括調研問卷數據、文獻數據、統計年鑒數據，其中：農作物播種面積及產量、畜牧業生產情況、農村及城鎮人口數量、城鄉人均食物消費量等數據來源于棲霞市統計年鑒及煙臺市統計年鑒；化肥農藥施用量、灌溉次數、灌水量等來源于調研問卷數據，本課題組分別于2018年7—8月和2019年7—8月赴棲霞市開展了2次調查問卷，共收集有效問卷445份，調查結果如表3所示。系數及物質的含磷率主要來源于參考文獻資料并根據實際情況進行調整，如畜禽糞尿的含磷系數、作物的含磷率、食物的含磷率、糞便還田率等，本研究用到的主要系數及其來源見下表4。

表3 問卷數據取值

Table 3 Values of survey questionnaire data kg/hm

問卷數據Surveydata取值Value農藥磷施用量Consumptionofpesticide1.82果園磷肥施用量Consumptionoffertilizers194.00一熟用地磷肥施用量Consumptionoffertilizersinsinglecropping59.46兩熟用地磷肥施用量Consumptionoffertilizersindoublecropping76.83單位面積灌溉水磷含量Phosphorusinirrigationwaterperunitarea0.12

表4 主要系數取值及其來源

Table 4 Main coefficients and their sources

系數Coefficient描述Description取值Value來源Sourceαma,i(i)(i=1,2,3,4)i為豬、牛、羊、禽類100,450,50,2[28]βma,i(i)(i=1,2,3,4)i為豬、牛、羊、禽類1.69,10.22,1.31,0.03[28]αpk(k)(k=1,2,3)k為一熟用地、兩熟用地、果園0.350,0.375,0.360[29]βpk(k)(k=1,2,3)k為一熟用地、兩熟用地、果園0,0,0[29]αfer,k(k)(k=1,2,3)k為一熟用地、兩熟用地、果園59.46,76.83,194.00農村問卷調查獲得γma,m(m)(m=1,2)m為農村人口、畜禽50,58[8,30]αpl,n(n)(n=1,2,3,…,7)n為小麥、玉米、大豆、薯類、花生、蔬菜、瓜果0.50,0.40,0.60,0.10,0.50,0.10,0.07[32]βfd,q(q)(q=1,2,3,…,13)q為谷物、豆類、薯類、食用植物油、蔬菜、水果、豬肉、牛肉、羊肉、禽類、水產品、蛋、奶0.2,0.48,0.063,0.009,0.05,0.021,0.17,0.19,0.16,0.17,0.21,0.196,0.073[33]αru,r(r)(r=1,2)r為洗滌劑、生活垃圾2.5,153.3[34,35]αur,r(r)(r=1,2)r為洗滌劑、生活垃圾2.5,292.0[34,35]βh,r(r)(r=1,2,3,4)r為洗滌劑、生活垃圾0.9,0.05[34,35]αma,uαma,u為人均每年糞尿磷排泄量,kg/(人·年)0.3[13]

2 結果與分析

2.1 棲霞市社會經濟系統磷流動特征

圖2為2018年棲霞市社會經濟系統各子系統之間具體的磷物質流。由圖2可知2018年棲霞市外源磷輸入量達到了11 304.24 t，其中進入農業種植子系統的為化肥、農藥、種子，共計10 831.83 t；進入畜禽養殖系統的主要為飼料，共449.54 t；剩余以洗滌劑的形式進入居民消費子系統，進入城鎮消費和農村消費的磷元素分別為5.30和33.76 t。2018年棲霞市所生產的動物性和植物性產品所含磷元素分別為275.97和1 873.14 t，其中城鎮和農村所消費的動物性產品含磷量分別為44.13和30.15 t，剩余磷元素全部以出口形式至系統外；城鎮和農村所消費的植物性產品含磷量分別為71.43和123.71 t，剩余磷元素同樣以出口形式至系統外。此外以沼氣、化肥制造等資源化方式所利用的畜禽糞尿中所含磷元素為200.04 t，剩余部分則進入到當地環境之中，其中進入水體中的磷元素為226.51 t，積累在農業土壤中的磷元素高達8 882.05 t。圖3為棲霞市社會經濟系統中磷輸入和輸出的結構。可知:外源磷輸入絕大部分進入農業種植系統中，所占比例為95.9%；畜禽養殖子系統所占比例為4.0%，剩余部分主要以洗滌劑等含磷產品的形式進入城鄉居民消費子系統。在磷元素的輸出中，有78.6%的磷元素進入到農業土壤中；所生產的動物性和植物性產品中所含的磷元素所占比例為16.6%；進入水體中的磷元素占總量的2.0%；剩余磷元素則積累在非農土壤中以及被資源化的畜禽糞尿中。棲霞市社會經濟各子系統的磷元素輸入和輸出情況存在較大的差異，具體而言：

圖2 2018年棲霞市社會經濟系統的磷物質流(單位:t)

圖3 2018年棲霞市社會經濟系統磷輸入(a)和輸出結構(b)

1)農業種植子系統磷元素輸入量達到了11 494.03 t，而10 677.84 t的磷元素來自于化肥，其中果園所消耗的比重占84.0%。棲霞市生產農產品中所含磷元素量達到了1 873.14 t，其中生產的蘋果所含的磷元素占60.7%。此外，棲霞市農業種植子系統排放到當地水體的磷元素總量達到了40.88 t，而積累在當地土壤磷元素則為8 882.05 t；

2)畜禽養殖系統子系統47.7%的磷輸入是通過外界飼料形式進入，剩余的部分則是來自系統內部各子系統之間的流動。作為重要的農家肥，畜禽糞便進入種植子系統的量達到了387.43 t，占其總排放量的58.1%，由于其資源化利用程度較高，僅有79.34 t畜禽糞便進入到當地水體之中。棲霞生產的畜禽產品所含的磷元素總量達到了275.97 t；

3)棲霞市87.3%的城鄉居民消費的磷元素來自于食物，剩余則是居民日常消費的含磷洗滌劑。當地污水處理能力和垃圾處理能力相對較高，使得城鎮居民消費子系統向水體排放的磷元素僅為11.53 t，而農村居民消費子系統有94.76 t進入到當地水體之中。此外，棲霞市城鎮和農村居民的人均食物消費含磷量分別達到了0.43和0.47 kg/人。

2.2 棲霞市社會經濟系統磷利用效率研究

棲霞市社會經濟系統整體磷利用效率為各子系統有效利用的磷之和與各子系統磷投入之和的比值，故棲霞市整個社會經濟系統磷效率為23.8%，即棲霞市生產農產品中所含的磷元素僅為其投入量的23.8%；此外，棲霞市社會經濟各子系統的磷利用效率均相對較低，但各個子系統的磷利用效率存在較大的差異(表5)。具體而言：1)農業種植子系統：棲霞市果園種植單位面積化肥施用量相對較高，但其產品中所含的磷元素量相對較少，使得果園種植的PUE遠低于其他農作物種植磷利用效率，僅為其他作物的1/3左右，而一熟作物的磷利用效率也低于兩熟作物；與此同時，2018年棲霞市果園種植面積為49 058 hm，是一熟作物與兩熟作物種植面積的1.88倍，使得棲霞市農業種植子系統磷利用效率相對較低，僅為22.4%。2)畜禽養殖子系統：棲霞市畜禽養殖子系統的磷利用效率也相對較低，僅為29.3%，且不同家畜養殖系統存在一定的差異，其中家禽養殖系統的磷利用效率最高，達到了32.0%，而羊養殖系統的磷利用效率最低，僅為17.8%。3)城鄉居民消費子系統：棲霞市城鄉居民消費子系統的磷吸收利用效率較高，達到63.0%，其中城鎮和農村居民消費系統磷吸收利用效率分別為66.2%和61.1%。

表5 不同子系統單位磷元素輸入、輸出及利用效率

Table 5 Pinputs, outputs and use efficiency per unit in different subsystems

子系統Subsystem種類Type磷投入Phosphorusinput磷輸出Phosphorusoutput磷利用效率/%Useefficiency果園Orchard195.9428.3414.5農業種植Agricultureplanting一熟作物Singlecropping61.6622.7036.8兩熟作物Doublecropping79.9331.6639.6豬Pig2.150.4621.4畜禽養殖Livestockbreeding牛Beefcattle13.383.1623.6羊Meatgoats1.590.2817.8家禽Poultry0.040.0132.0城鄉居民消費Urbanandruralconsumption城鎮居民消費Urbanconsumption0.450.3066.2農村居民消費Ruralconsumption0.490.3061.1社會經濟系統Socio-economicsystem — — —23.8

注：磷輸入、磷輸出在農業種植、畜禽養殖、城鄉居民消費子系統中，其單位分別為kg/hm、kg/只、kg/人。

Note: The units of phosphorus input and phosphorus output in the subsystems of agriculture, livestock breeding, urban and rural consumption are kg/hm, kg/piece and kg/person, respectively.

由上述可知，適當減少種植業的化肥量，提高種植業和畜牧養殖生產效率，減少城鄉居民的食物浪費，能夠有效地提高棲霞市社會經濟系統的磷元素利用效率，從而能夠更好地減少磷元素的排放，進而促進當地的生態文明建設。

2.3 棲霞市社會經濟系統磷環境效應研究

棲霞市社會經濟系統磷元素利用效率相對較低，其進入到當地水體之中的磷元素總量達到了226.51 t，故共需要1.1×10m的水資源來消納該污染物，即其灰水足跡總量達到了1.1×10m，相當于煙臺水資源總量(2019年)的1.50倍(表6)，由此可見，棲霞市面臨著較為嚴重的污染性水資源短缺問題。近年來對畜禽糞尿資源化利用率不斷提高，由畜禽糞尿無序排放產生的水環境效應得到緩解，2018年棲霞市畜禽養殖子系統向水體排放磷元素79.34 t，其灰水足跡量達到了4.0×10m，占當地社會經濟系統總磷灰水足跡的35.0%。由于當地污水處理能力相對較高，使得城鎮居民消費子系統排入水體的磷元素較少，而農村居民排放磷元素較多，使城鄉居民消費子系統成為水體磷負荷的主要來源，其造成的灰水足跡總量為5.3×10m，其中城鎮居民和農村居民分別占10.8%和89.2%。作為重要的農作物生產基地，棲霞市農業種植生產也產生較大的水環境壓力，其所產生的灰水足跡總量達到了2.0×10m，其中83.8%來自于果園種植系統，且果園種植的單位面積灰水足跡遠高于其他農作物種植系統。

表6 各子系統水土環境風險

Table 6 Soil and water environment risk of each subsystem

子系統Subsystem種類Type灰水足跡/m3Greywaterfootprint單位面積灰水足跡/(103m3/hm2)GreywaterfootprintperunitareaRp畜禽養殖Livestockbreeding —4.0×108——果園Orchard1.7×1083.490.76農業養殖Agriculture一熟作物Singlecropping2.6×1071.080.50兩熟作物Doublecropping1.6×1061.440.56城鄉居民消費Urbanandruralconsumption城鎮居民消費Urbanconsumption5.8×107——農村居民消費Ruralconsumption4.7×108——社會經濟系統Socio-economicsystem —1.1×109——

與此同時，棲霞市農業系統中有大量的磷元素積累于土壤中，使得當地土壤面臨著嚴峻的土壤酸化的問題，其中果園種植土壤中積累的磷元素達到了8 197.72 t，

R

為0.76，磷輸入量超過安全閾值的3倍，遠高于一熟作物與兩熟作物的土壤環境風險；此外，一熟作物則處于尚安全的狀態，而兩熟作物仍面臨著一定的磷元素積累風險問題。

由上述可知，棲霞市社會經濟系統面臨著較為嚴重的環境風險壓力，尤其是農業種植子系統。如何更好地提高農業種植磷利用效率，尤其是果園種植的磷利用效率，對于更好地改善當地生態環境具有重要的作用與意義。

3 討 論

棲霞市化肥磷輸入量占社會經濟系統磷輸入量的比例超過90%，高于中國其他地區，是因為棲霞市農業種植以果園為主，而果園單位面積磷投入量遠高于一熟作物和兩熟作物，使得農業種植子系統磷輸入量較多。同時，在高磷投入條件下，2018年棲霞市單位農地面積土壤磷元素盈余量為112.11 kg/hm，其數值低于海南省，但遠高于歐盟20世紀90年代初農場磷元素盈余水平(19.5 kg/hm)。此外，減少化肥投入量、提高資源利用效率能有效減少棲霞市的水土環境效應，具體表現為：當化肥投入量減少25%時，土壤磷累積量減少2 822.41 t，徑流、淋溶方式損失到水體中的磷元素減少10.22 t，同時農業種植子系統產生的灰水足跡將會減少5.1×10m；當畜禽糞尿利用率提高10%時，畜禽養殖子系統排入水體的磷元素減少66.68 t，相應產生的灰水足跡也將減少3.3×10m。

本研究探討了社會經濟系統中的主要磷元素流動情況，但對于不同子系統之間差異性原因探討相對較少；此外，本研究中對于土壤磷積累的環境風險探討不夠深入，而其所導致的具體環境問題需要進一步分析。因此，有必要進一步對棲霞市社會經濟系統磷流通及其環境效應開展長時間的研究，并需要進一步與其他地區進行對比分析；未來的研究中還需要對如何更好地提高磷元素利用效率、減少磷元素排放產生的環境風險、社會經濟系統磷元素流動時空差異性等方面開展進一步研究，從而為更好地開展區域磷元素管理和環境保護提供建議。

4 結 論

本研究基于物質流分析與灰水足跡的理論框架與方法，研究了棲霞市社會經濟系統磷元素流通模型，并探討了磷元素利用效率及其環境風險壓力情況，主要結論如下：1)棲霞市社會經濟系統磷元素輸入量相對較高，其中絕大多數外源磷輸入是以化肥投入到農業種植子系統之中；2)棲霞市輸入的磷元素大部分儲存在當地的水體和土壤之中，而生產的農產品及畜禽產品中所含的磷元素僅占16.6%；3)棲霞市當地社會經濟系統磷元素利用效率相對較低，且不同子系統存在較大的差異；4)棲霞市社會經濟系統面臨著較大的水體和土壤磷環境風險壓力，尤其是果園種植子系統；5)減少化肥投入量、提高資源利用效率有助于提高磷利用效率，同時降低棲霞市的水土環境風險。