基于物质流模型的长三角城市群食物生产与消费系统氮素流动格局及影响因素.pdf
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1、基于物质流模型的长三角城市群食物生产与消费系统氮素流动格局及影响因素董莉1,邹天森1,2,3,徐睿1,2,张泽乾1,2,3,杨鹊平1,2*1.中国环境科学研究院2.国家长江生态环境保护修复联合研究中心3.北京师范大学水科学研究院摘要作为区域社会经济发展的重要增长极,城市群食物生产与消费系统活性氮的释放对区域氮素循环格局有着重要影响。采用物质流分析模型,定量分析 2019 年长三角城市群农田种植、畜禽养殖、水产养殖和人类消费子系统的氮素流动格局,评估各子系统氮素损失的结构,阐明氮素损失的空间分布,并探究氮素损失强度的主要影响因素。结果表明,系统总体氮输入为3 472.56 Gg/a,最大氮素输入
2、项为化肥输入;系统总体氮输出为 3 061.29 Gg/a,主要表现为氮素损失,占 90.9%。农田种植、畜禽养殖和水产养殖子系统的氮素利用效率分别为 42.6%、30.8%和 40.1%。农田种植子系统对系统氮素损失的贡献最大,为1 325.53 Gg/a,占比为 47.6%;其后依次为人类消费子系统、畜禽养殖子系统和水产养殖子系统。长三角各城市氮素损失强度空间异质性较大,上海、扬州、盐城较高,分别为 26.43、23.20 和 22.26 kg/hm2;杭州、宣城、池州较低,分别为 6.14、5.83 和 4.55kg/hm2。氮素损失强度空间异质性与经济、人口、农业生产和土地利用等因素的
3、相关性具有统计学意义(P0.05 或 0.01),相关系数为 0.420.76。关键词物质流;施氮强度;氮素利用效率;氮素损失;面源;氮径流;氮淋洗;氨挥发中图分类号:X21,X52 文章编号:1674-991X(2023)04-1614-11doi:10.12153/j.issn.1674-991X.20210732Nitrogen flow pattern and influencing factors of food production and consumptionsystem in the Yangtze River Delta city cluster based on mate
4、rial flow modelDONG Li1,ZOU Tiansen1,2,3,XU Rui1,2,ZHANG Zeqian1,2,3,YANG Queping1,2*1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences2.National Joint Research Center for Yangtze River Conservation3.College of Water Sciences,Beijing Normal UniversityAbstractAs an important growth pole,the release
5、 of reactive nitrogen from food production and consumptionsystem of city clusters greatly affects regional nitrogen cycle.The material flow analysis model was introduced toquantitatively analyze the nitrogen flow patterns among cropland,livestock,aquaculture and human consumptionsubsystems in the Ya
6、ngtze River Delta city cluster in 2019.The structure of nitrogen loss to the environment fromeach subsystem,the spatial distribution of nitrogen loss,and the main influencing factors of nitrogen loss intensitywere also investigated.The results indicated that the total nitrogen input to the food prod
7、uction and consumptionsystem was 3 472.56 Gg/a.The largest component of the total nitrogen input came from fertilizer application.Thetotal nitrogen output from the system was 3 061.29 Gg/a,mainly represented by nitrogen loss(90.9%).The nitrogenuse efficiency (NUE)of cropland,livestock,and aquacultur
8、e subsystems was 42.6%,30.8%,and 40.1%,respectively.Moreover,nitrogen loss from cropland subsystem was the highest,which was 1 325.53 Gg/a,accounting for 47.6%of the total nitrogen loss,followed by that from human consumption subsystem,livestock 收稿日期:2021-11-19基金项目:长江生态环境保护修复联合研究项目(第一期)(2019-LHYJ-01
9、)作者简介:董莉(1988),女,助理研究员,硕士,主要从事物质代谢、循环经济等研究,*责任作者:杨鹊平(1981),女,工程师,硕士,主要从事环境政策管理、水污染防治等研究, Vol.13,No.4环境工程技术学报第 13 卷,第 4 期Jul.,2023Journal of Environmental Engineering Technology2023 年 7 月董莉,邹天森,徐睿,等.基于物质流模型的长三角城市群食物生产与消费系统氮素流动格局及影响因素 J.环境工程技术学报,2023,13(4):1614-1624.DONG L,ZOU T S,XU R,et al.Nitrogen
10、flow pattern and influencing factors of food production and consumption system in the Yangtze River Delta citycluster based on material flow modelJ.Journal of Environmental Engineering Technology,2023,13(4):1614-1624.subsystem and aquaculture subsystem.The spatial heterogeneity of nitrogen loss inte
11、nsity among cities in theYangtze River Delta was significant.Shanghai,Yangzhou and Yancheng rank the top three in terms of nitrogen lossintensity,which was 26.43,23.20 and 22.26 kg/hm2,respectively,while the nitrogen loss intensity of Hangzhou,Xuancheng and Chizhou was low,being 6.14,5.83 and 4.55 k
12、g/hm2,respectively.The result of Pearson correlationanalysis showed that the spatial heterogeneity of nitrogen loss intensity was significantly correlated with factorsincluding economy,population,agricultural production,and land use (P0.05 or 0.01),with the correlationcoefficients ranging from 0.42
13、to 0.76.Key wordsmaterial flow;nitrogen application intensity;nitrogen use efficiency;nitrogen loss;non-point source;nitrogen run off;nitrogen leaching;ammonia volatilization 氮是生物必需的营养元素之一,是构成生命体的基本元素。氮素的生物地球化学循环涉及范围广,生态环境影响大,是地球上最重要的生物地球化学循环之一1。活性氮(reactive nitrogen,Nr)是处于氧化或还原态的氮。活性氮可被生物直接利用,并在食物链
14、中流动2。因此,活性氮在生态系统中扮演着至关重要的角色,控制着生态系统的净初级生产力3-4。工业革命前,闪电和生态固氮作用是产生活性氮的主要途径,环境中活性氮的产生和消耗基本处于平衡状态5。然而,工业革命以来,特别是人工合成氨技术问世以来,人为活性氮的产生量已远超自然活性氮,严重干扰了氮素生物地球化学循环,并在全球范围内造成严重的生态环境问题6-7。在中国,食物生产和消费是人为活性氮输入最主要的来源,占人为活性氮输入的 85%,其造成的氮素环境损失约占中国总氮足迹的 86%8-9。随着城市化进程的不断加快,全球人口不断向城市集聚。由于城市的外部依赖性,其对于食物的巨大需求导致大量活性氮进入城市
15、,但其中能被人类有效利用的部分仅占很小比例,大部分活性氮又以城市代谢废物的形式排放到环境中1。城市食物生产与消费系统排放的活性氮已经成为全球面临的重大环境问题之一10。为厘清城市食物氮代谢的内在机理,为氮素管理提供科学指导和依据,定量表征城市食物生产与消费系统氮素代谢过程逐渐成为了研究热点。早期的研究主要采用收支平衡法11,该方法基于质量守恒定律,通过建立氮素输入项、输出项和系统内累积项之间的收支平衡关系来研究氮素输入和输出。但收支平衡法不能定量反映氮素在系统内部的流动情况12。物质流分析法的出现弥补了上述不足。该方法将系统划分为若干子系统,并将氮素收支平衡的思想拓展到每个子系统层面,根据各子
16、系统间的内在联系,建立起系统内部的氮素流动过程。物质流方法完整刻画了系统氮素输入、输出以及内部流动的全过程,大大推动了人为活性氮的定量研究。国内外学者基于物质流分析开展了大量城市食物氮代谢研究。从研究内容来看,主要集中在氮素流动参数、氮素流动通量和利用效率、时空分布特征、驱动因素、氮素损失及其环境效应、未来情景预测和减排潜力估算等方面13-19。例如,王晓玉等20探讨了中国各省(区、市)各类大田作物的秸秆系数取值,认为水稻为 0.741.33,小麦为 1.051.41,玉米为 0.931.30。Dong 等21采用物质流分析研究了 19952015 年广州市人类生产与消费系统的氮素流动,发现人
17、为干扰极大地改变了活性氮在城市系统中的分布格局,表现为活性氮在大气中大量富集,人口、工业、饮食和能源消费对人为活性氮增长的贡献率合计约为 94%。Liao 等22采用物质流分析研究了 20002018 年上海市食物生产与消费系统氮流动模式和驱动因素,结果表明,食品生产和消费系统中活性氮输入主要来源包括氮肥、外来畜禽饲料和植物性食品;农业生产系统的氮利用效率处于较低水平,仅为 18.43%27.6%;作物种植面积是粮食生产和消费系统活性氮投入的主要驱动力。Lin等23定量研究了 19912010 年厦门市食物源碳、氮、磷的代谢过程,发现食物源碳、氮、磷在城市系统中具有多种代谢通量,其中氮、磷主要
18、排放到垃圾填埋场和水中;人口增长和饮食结构的变化加速了营养物质的环境排放;采用综合系统方法,将城市营养代谢过程与更广泛的生物地球化学循环相结合,对于提升城市氮素管理至关重要。中国快速的城市化进程孕育了若干超大城市群。城市群是区域城市经济、人口和交通高度集约化、一体化的高级发展形态。其内部各城市间紧密的经济、交通、人口流动相互作用可使城市环境问题放大成为跨区域问题24。因此,对氮素循环的扰动更为剧烈25。然而,当前的研究多数集中于单个城市,鲜有城市群尺度的研究。单个城市尺度的研究已无法解决城市化进程高级阶段面临的氮污染问第 4 期董莉等:基于物质流模型的长三角城市群食物生产与消费系统氮素流动格局
19、及影响因素 1615 题,有必要针对多城市耦合效应下的食物生产与消费系统氮流动开展定量研究。为此,笔者利用物质流分析方法,以长三角城市群食物生产与消费系统为研究对象,定量分析 2019 年系统氮素流动格局和影响因素,以期为减少城市群食物生产与消费系统活性氮排放提供决策依据。1研究区与研究方法 1.1研究区概况长三角城市群是中国最发达、人口最稠密的地区之一,包括以上海为核心的 26 个城市。长三角城市群总面积为 213 982.5 km2,约占全国国土面积的2.2%。2019 年,其国内生产总值(GDP)为 19.74 万亿 元,常 住 人 口 约 1.56 亿 人,分 别 占 全 国 的19.
20、92%和 11.11%26。除上海外,其余 25 个城市分布在 3 个省级行政区,具体包括江苏省的南京市、无锡市、常州市、苏州市、南通市、盐城市、扬州市、镇江市、泰州市,浙江省的杭州市、宁波市、嘉兴市、湖州市、绍兴市、金华市、舟山市、台州市,以及安徽省的合肥市、滁州、马鞍山市、芜湖市、宣城市、铜陵市、池州市、安庆市27。1.2研究方法 1.2.1模型分析框架采用物质流模型量化 2019 年长三角城市群食物生产与消费系统氮素流动。模型的地理系统边界为长三角行政区划边界。根据前期文献调研结果(表 1),结合实际情况进行子系统划分和指标设置。将食物生产与消费系统划分为 6 个子系统,即农田种植、畜禽
21、养殖、水产养殖、人类消费、废物管理和环境支持子系统。在农田种植子系统中,选择水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、花生、油菜籽、棉花、甘蔗、蔬菜和水果共 11 种作物类型。这些作物的播种面积占研究区域作物总播种面积的 90%以上。在畜禽子系统中,主要考虑猪、牛、羊、兔、禽 5 类动物。水产养殖子系统包括鱼、蟹和虾 3 类水产,并同时考虑了水产养殖和水产捕捞。对于人类消费子系统,食物消费同时考虑了家庭饮食和外出就餐,食物类型包括谷物、蔬菜、水果、猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、鸡蛋、牛奶和水产共 10 类。由于无法获得城市层面的食物进出口数据,本研究假设研究区域内生产的食物优先满足当地消费需求。只有在产生剩余时
22、才会流出到区域外,如有短缺则通过区域外输入来满足。根据质量平衡原理,各子系统间氮素流动通量总体符合以下公式:mi=1INi=nj=1OUTj+pk=1STOk(1)式中:INi和 OUTj分别为子系统的各类氮输入项和氮输出项;STOk为子系统氮素累积。模型中氮素在食物生产与消费各子系统中的流动共包括 40 个氮流(F01F40),详见图 1。1.2.2数据来源研究所用数据主要包括活动水平数据和相关参数。活动水平数据包括人口(城镇人口和农村人口)、耕地面积、有效灌溉面积、化肥用量、作物产 表 1 本研究与其他研究子系统划分和指标设置情况对比Table 1 Comparison of subsys
23、tem division and index setting between this study and other studies研究对象子系统划分主要指标设置北京市食物系统氮磷流动15作物生产、畜禽生产、家庭消费、废物管理作物生产:谷类、蔬菜、水果禽畜生产:猪、奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡和绵羊家庭消费:谷物、大豆、蔬菜、水果、猪肉、牛肉、羊肉、鸡肉、牛奶、鸡蛋,分农村和城市南京市食物生产消费活性氮通量变化及效率16作物生产、动物生产、家庭消费、废物管理作物生产:小麦、大麦、豆类、稻谷、玉米、薯类、花生、油菜、芝麻、棉花、麻类、蔬菜、瓜果、甘蔗动物生产:牛、猪、羊、禽、兔食物消费:粮食、植物油
24、、蔬菜、猪肉、牛羊肉、蛋类、水产品、水果、糕点、酸奶、豆制品、家禽,分农村和城市上海市食物生产与消费系统氮素流动19农田生产、禽畜养殖、食物消费农田生产:水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、花生、油菜、棉花、蔬菜、瓜果、芝麻、甘蔗禽畜养殖:猪、肉牛、家禽、羊、兔食物消费:粮食、蔬菜、瓜果、猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、蛋类、奶类、食用油、糖类,分农村和城市人类生产和消费驱动下的广州市活性氮流动21农田、城市绿地、牲畜、森林、水产养殖、工业、人类、污水处理、垃圾处理、地表水、地下水、大气农田:大米、土豆、大豆、甘蔗、花生、棉花、烟草、蔬菜、香蕉、柑橘、菠萝、瓜类、荔枝、龙眼、枣、大麻、茶牲畜:猪、牛、羊、家
25、禽、兔子、马、鸟、鸡、鸭、鹅水产:水产品产量人类:粮食消费、畜禽产品消费和水产消费,分城市和农村长三角城市群食物生产与消费系统氮素流动(本研究)农田种植、畜禽养殖、水产养殖、人类消费、废物管理、环境支持农田种植:水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、花生、油菜籽、棉花、甘蔗、蔬菜和水果畜禽养殖:猪、牛、羊、兔、禽水产养殖:鱼、蟹和虾,考虑水产养殖和水产捕捞人类消费:谷物、蔬菜、水果、猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、鸡蛋、牛奶和水产,同时考虑家庭饮食和外出就餐,分城市和农村 1616 环境工程技术学报第 13 卷量、作物播种面积、畜禽数量、动物产品产量、水产养殖面积、水产品产量、人均食品消费量、城市污水排放总量
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