城市居民食物磷素消费变化及其环境负荷——以厦门市为例

王慧娜，赵小锋* ，唐立娜，崔胜辉，李桂林

(1.中国科学院城市环境与健康重点实验室，中国科学院城市环境研究所，厦门 361021;2.厦门市城市代谢重点实验室，厦门 361021)

磷代谢是生态系统中重要的元素代谢之一［1-2］。城市生态系统中磷素流动数量和模式的变化，不但关系到居民食品安全，还影响到城郊生态系统的环境质量，更可能导致城市土壤和水体环境的富营养化［3］。食物消费是城市物质代谢的重要环节之一，其中磷代谢过程和机制得到了广泛的关注。例如Farge等根据食物消费数据研究曼谷城市养分流动平衡，发现磷素输入输出不平衡，41%的磷素通过水体流失［4］;Neset等分析了瑞典Linkoping城户均食物生产和消费系统中磷素量增加的原因，发现主要是由动物性食品的生产和化肥的使用引起的［5］;Fissore等研究Minneapolis-Saint Paul大都市区的磷代谢，发现绝大部分的磷素输入受居民食物消费、洗涤剂使用和宠物食物消费影响［6］。国内相关研究还相对较少，例如李桂林等分析了1985—2006年中国城市食物消费引起的磷代谢特征及其与收入水平的关系［3］;乔敏等分析了北京和天津2008年的城市食物消费磷素流动过程并指出磷素的循环利用率偏低［7］。但综合分析城市磷代谢的社会经济影响因素及环境负荷的研究尚不多见。

20世纪80年代以来，中国城市化进程飞速发展，城市居民生活条件和消费水平不断提高，特别是膳食结构的变化，对城市的物质流动模式产生了重要影响，给生态环境带来了巨大的压力。因此，揭示城市化过程中食物消费引起的元素代谢变化规律及其影响因素成为改善城市生态环境的必然要求。本研究利用统计数据、调查数据和文献资料，采用物质流分析的方法，对厦门市1988—2010年居民食物磷素流动特征及其社会经济驱动因子进行了分析，并进一步对由磷素消费变化造成的环境负荷进行了探讨。

1 研究区

厦门地处福建省东南部九龙江入海处，西部与漳州毗邻，北接泉州，东南与台湾本岛和澎湖列岛隔海相望，由思明、湖里、集美、海沧、同案和翔安6个区组成，陆地面积1565 km2，海域面积390 km2［8］。自1980年10月国务院批准成为经济特区以来，厦门已由过去社会封闭、经济基础薄弱的海防前沿海岛小城变成一个基础设施齐全、内外交流活跃、综合实力增强的现代化港口风景城市。快速的城市化进程对厦门社会经济和生态环境产生了深远的影响［9-10］，1981年厦门的建成区面积仅为12 km2，2010年已扩张至230 km2;常住人口激增至353.1万。2010年的国民生产总值(GDP)增速高达15.1%，人均GDP达到10000美元，城镇居民人均可支配收入29000元，农民人均纯收入首次突破10000元。在经济快速增长的同时，厦门市居民食物消费总量由1988年的34.17万t逐步增至2010年的54.30万t，恩格尔系数(食品支出总额占个人消费支出总额的比重)则由1988年的65.0%下降到2010年的24.9%［11］。

2 研究方法

2.1 数据来源

文中涉及的主要数据来自于1988—2010年的《厦门经济特区年鉴》［11］、《福建统计年鉴》［12］，以及厦门市环境保护局调研获取的《厦门市环境统计及城考资料汇编》资料。同时，为使分析计算中所用的指标参数等具有较高的可信度和准确度，通过对大量文献资料的整理汇总，得到了计算所需的相关参数值。

2.2 物质流分析

物质流分析(MFA)是指在一定时空范围内关于特定系统的物质流动和贮存的系统性分析［13］，主要涉及物质流动的源、路径及汇。根据物质守恒定律，物质流分析的结果总是能通过其所有的输入、贮存及输出过程来达到最终的物质平衡。正是物质流分析的这一显著特征，使之为资源、废弃物和环境的管理提供了方法学上的决策支持工具［14］。本文采用物质流分析法，简化物质守恒定律为“输入=输出”，对经居民食物消费进入系统的磷素流动的途径和通量进行分析计算。

2.3 食物磷量的计算

食物中磷量公式为:

式中，Wq为消费食物的总磷量，wqi为食物类型i的消费总磷量;wi为食物类型i的消费量，qi为食物类型i的磷含量，不同食物类型的磷含量见表1［15］。

表1 不同食物磷含量Table 1 Phosphorus content in food

2.4 食物磷素消费造成的环境磷负荷计算

采用物质流分析法，简化物质守恒定律为“输入=输出”，对经居民食物消费进入系统的磷素流动的途径和通量进行分析，得到如图1所示的城市食物消费磷代谢概念模型。食物磷素消费造成的环境负荷指的是最终进入大气、水体、土壤中的磷素含量。其中大气中磷含量相对较少，并且由于气态化合物PH3在潮湿空气中不稳定，即磷的大气沉降、地表挥发过程不显著，因而磷经由大气圈与土壤、水体的循环通量几乎可以忽略不计［16］。在本文的计算中，城镇居民粪尿按全部进入管道污水处理，农村居民粪尿按全部还田处理，各环节具体计算公式如表2所示，计算参数见表3。

图1 城市食物消费磷代谢概念模型Fig．1 Conceptual model of phosphorus flow for urban food consumption

表2 磷素流动计算公式Table 2 Calculation formulas of Phosphorus flows

表3 磷素流动计算参数Table 3 Calculation parameters of Phosphorus flows

3 结果与分析

3.1 居民食物消费变化

厦门市居民1988—2010年食物消费总量变化如图2所示。2009年之前，随着人口数量的稳步增长，居民食物消费总量基本呈波动上升趋势，由1988年的49.34万t增至2009年的80.75万t。由于常住人口数激增100多万，使得2010年较2009年的食物消费总量增加了近32%，达到106.36万t。

人均食物消费总量变化如图3所示，1988—1997年间相对稳定，保持在320 kg·人-1·a-1左右;1998年达到357.01 kg·人-1·a-1后下降，在2003年增至360.09 kg·人-1·a-1，随后的年份总体呈下降趋势，2010年比1988年下降了5%。

图2 1988—2010年厦门市居民食物消费总量变化Fig．2 Dynamics of food consumption in Xiamen from 1988 to 2010

在食物消费结构方面，这23年中蔬菜、蛋类、油类变化相对稳定，肉类、瓜果、水产品的消费量则基本呈上升趋势，奶类的消费量在2006年之后开始增幅剧烈。图4给出了厦门市居民人均食物消费结构的变化，除粮食消费比例明显减少以及蔬菜消费比例基本稳定外，其他类别食物的消费比例均有不同程度的增加，其中较为明显的是瓜果和肉类，比例由3%和6%增至14%。可见，厦门市居民食物消费模式由“以粮食和蔬菜为主”向“以粮食、肉类、蔬菜瓜果均衡化”转变。

图3 1988—2010年厦门市居民人均食物消费量变化特征Fig．3 Dynamics of per capita food consumption in Xiamen from 1988 to 2010

图4 1988—2010年厦门市居民人均食物消费结构变化Fig．4 Structural dynamics of per capita food consumption in Xiamen from 1988 to 2010

3.2 居民食物磷素消费变化

图5 所示为1988—2010年厦门市居民食物磷素总量和人均消费量的变化情况。磷素消费总量的变化趋势与图2所示的食物消费总量变化趋势基本相似。2009年前磷素消费总量呈波动攀升，由1988年的519.97 t增至2009年的857.43 t;2010年的磷素消费总量则激增至1128.88 t。人均食物磷素消费量呈M型变化趋势，1998年和2003年的消费量是两个峰值，1998年前及1999年至2002年间相对稳定，维持在345 g·人-1·a-1左右，2003年以后基本呈波动性的下降。与图3所示的人均食物消费量变化趋势相似，由此可见食物消费量对食物磷素的消费有直接的影响。在人均磷消费量减少的前提下，全市居民磷消费量仍然激增，由此说明2010年的人口激增对居民食物磷素消费总量产生了决定性的影响。

图5 1988—2010年厦门市居民食物磷素消费量变化Fig．5 Dynamics of food phosphorus consumption in Xiamen from 1988 to 2010

图6 为厦门市居民食物磷素消费的结构变化，从图中可知，这23年中，奶制品、水产品作为高磷含量食物，在人均食物磷素消费量中所占比例分别由0.3%和6.8%上升至14.9%和15.5%，尤其是奶制品消费量的增加使其在磷素消费中所占比例明显升高。因此食物消费结构的改变对食物磷素消费也有较大影响。例如2001年和2002年，在人均食物消费量减少的情况下磷素消费量仍有增加，分析食物消费结构情况可知，肉类、水产品等含磷量较高的食物在食物消费中的增加是人均磷素消费量增加的根本原因。

图6 1988—2010年厦门市居民人均食物磷素消费结构变化Fig．6 Structural dynamics of per capita food phosphorus consumption in Xiamen from 1988 to 2010

3.3 居民食物磷素消费与社会经济因子的关系

食物消费是人类最基本的消费行为，居民食物消费量、消费模式等是受社会经济因素影响的。本文选取人均可支配收入、恩格尔系数、食物价格指数，以及具有大学程度(大专及以上)的人口比重、平均家庭人口数等社会经济因子，利用1988—2010年厦门市相关统计数据和SPSS16.0软件进行Spearman相关性分析，对厦门市人均食物磷素消费变化相关的驱动因子进行探讨。

由表4可知，居民人均食物磷素消费量与各经济、社会因子的相关性不显著，因此进一步将各类食物磷素消费与所选取的社会经济因子进行相关分析。结果表明，除蔬菜和酒饮类外，其余各类均与各经济社会因子有较高的相关性。人均粮食磷素消费与恩格尔系数、平均家庭人口数呈正相关关系，即居民粮食磷素消费量随两者的增长而增长;与人均可支配收入、食物价格指数、具有大学程度人口比重表现出负相关关系。植物油、瓜果、畜禽肉、蛋类、奶类、水产品的人均磷素消费量与各因子的相关关系恰恰与粮食相反。由此推断，正由于这两组食物类别与社会经济因子之间相反的相关性产生的抵消作用导致人均食物磷素消费量与各因子相关性不显著。

表4 厦门市居民人均食物磷素消费量与各社会经济因素相关性Table 4 Correlation coefficients between per capita food phosphorus consumption and socio-economic factors

3.4 食物磷素消费造成的环境负荷

由食物消费进入城市系统的磷素输出的途径包括进入水体环境、土壤环境、人体吸收、加工损失和其他。人体吸收和其它数量较小故忽略不计，在此主要讨论进入水体环境、土壤环境食物磷素数量的变化。由于厦门市统计年鉴缺少1988年至1990年的年污水排放量、处理量等数据，故只统计了1991—2010年的基础数据，经计算得到厦门市食物磷素造成的环境负荷变化趋势如图7。进入环境的磷素总量随居民食物磷素消费总量的增加而增加，20年间环境磷负荷总量增加近两倍，主要是进入土壤环境磷素量剧烈增加，所占环境总负荷比例由59.7%增至85.1%。

图7 厦门市食物磷素消费造成的环境磷素负荷Fig．7 Environmental loads of food phosphorus consumption

图8 厦门市食物磷素消费造成的土壤环境磷素负荷Fig．8 Soil environmental loads of food phosphorus consumption

进入水体环境的磷素主要来源于生活污水中人体排泄的部分以及厨房废水。图7显示2002年之后进入水体的磷素量明显的减少，2010年进入水体的磷素仅占总量的14.88%，这很可能与厦门市2000年开始禁止销售、使用含磷洗涤剂有直接关系。还可能与污水处理率的提高、处理工艺的改进等有关，使得原本进入水体的磷素转而由土壤环境进行负荷。

进入土壤环境的磷素则主要来源于餐厨垃圾、农村居民粪尿还田以及厨房废水和人体排泄产生的污水经处理产生的污泥填埋。图8为进入土壤环境的磷素组成，其增长主要是由污泥填埋的磷量明显增加引起的，由1991年的86.26 t激增至2010年的834.37 t。据厦门市市容环卫统计，2000年厦门市人均生活垃圾量为215.3 kg·人-1·a-1，2009年增长至414.3 kg·人-1·a-1;在人均餐厨垃圾量增长的同时，厦门市人口规模也急剧增长，导致厦门市餐厨垃圾总量日趋巨大。餐厨垃圾的填埋量的增长对土壤磷素的增加有显著影响，1991年所占比例仅为8%，而2010年则占土壤负荷磷总量的23%。这表明随着经济的发展，人民生活水平的提高，餐厨垃圾产生量剧增而处理能力不足，导致了土壤环境负荷的加重。而城镇人口比例的增加和污水管道覆盖率的提升使得农村粪尿还田的磷量逐年递减，2010年还田的磷量仅是1991年的一半。

4 讨论

4.1 居民食物磷素消费随城市社会经济因素变化的原因

城市居民食物消费受到各种社会经济因素的影响，包括教育程度［23］、食物消费支出、恩格尔系数等［24］。居民食物消费的元素代谢也与这些因子密切相关，例如罗婷文等通过对北京市家庭食物碳氮消费的分析发现，家庭规模与人均食物碳氮消费呈负相关，收入与之呈正相关［25］。

本研究中，人均可支配收入、恩格尔系数、食物价格指数是影响食物磷素消费的经济因素。人均可支配收入、食物价格指数与人均粮食磷素消费呈负相关，恩格尔系数与之呈正相关，即收入水平越高、食物价格指数上升或恩格尔系数降低，人均粮食磷素消费量减少。植物油、瓜果、畜禽肉、蛋类、奶类、水产品的人均磷素消费量与各经济因子的相关关系则恰恰相反。各经济因子内部也存在较高的相关性，经分析食物价格指数与人均可支配收入的相关系数是0.789，恩格尔系数与之的相关系数是-0.975。可见，随着城市化进程的推进，经济水平的提高，食物消费支出占总支出的比例趋于下降，居民食物磷素消费模式逐渐由粮食主导型转为多元均衡型，粮食摄入量明显减少，动物性食物(奶制品、肉类、水产品)磷素消费比例逐年增加。

受教育程度和家庭规模是影响食物磷素消费的社会因素。分析发现，具有大学程度人口比重与人均可支配收入呈显著正相关，相关系数为0.965;平均家庭人口数与之呈显著负相关，相关系数为-0.977。因此，二者都对食物磷素消费有重要影响。本研究证实了这一点，发现随着厦门市受高等教育人口的增加，人均粮食磷素消费下降，而人均植物油、瓜果、畜禽肉、蛋类、奶制品、水产品磷素消费量增加，尤其水产品、奶制品等高磷含量的食物更成为营养选择，所占比重增加很快。而家庭规模对于食物消费则具有相反的作用，近20年来，厦门市平均家庭人口数由4.10人/户减少到2.42人/户［11］，随着家庭规模缩小，人均收入提高，人均粮食磷素消费量减少，而植物油、瓜果、畜禽肉、蛋类、奶类、水产品的人均磷素消费量呈增加趋势。

4.2 城镇化对食物磷素环境负荷的影响

厦门市食物消费引起磷素的环境负荷主要的输出途径是土壤和水体。随着城镇化水平的提高，人口的增加和食物消费量的增加，使得进入环境的磷素总量随之增加，其中进入水体的磷素占环境总负荷量的比例逐年显著递减，而进入土壤环境磷素量剧烈增加。导致这一变化的原因主要包括相关政策的实施，基础设施的完善，尤其是污水处理厂的建立、脱磷设施的完备以及排放标准的提高。尤其1999年颁布的《厦门市禁止销售、使用含磷洗涤剂管理规定》，对降低厦门海域和其他地表水的磷污染起到了重要作用。

要减少厦门市食物消费磷素的环境负荷，可以从以下几个方面考虑:

(1)提高污泥还田率，减少填埋量。厦门市对污泥的处置方式主要是还田和填埋。由于污泥还田可以充分利用污泥中含有的大量有机物、氮、磷等植物营养物质，应将其作为污泥处置的首选措施，尽量减少土地填埋，大力提倡污泥资源化，开展城市污泥无害化堆肥处置。

(2)餐厨垃圾的资源化和减量化。餐厨垃圾不仅可以通过好氧堆肥和厌氧消化等方式实现肥料化，还可以经过发酵等工艺进而饲料化。此外，应提倡居民合理适量地进行食物消费，避免造成不必要的食物浪费，从而产生过量餐厨垃圾。

(3)提高农村粪尿利用率。应提倡农村粪尿入池发酵，推广沼气新型能源，综合利用沼液、沼渣取代农药进行环保灌溉，同时减少直接填埋引起的土壤磷素负荷加重。

(4)由于奶制品、肉类等食品产生富营养化的倾向远高于粮食、蔬菜等植物性食物［26］，综合考虑食物消费对人体健康和生态环境的影响，应提倡居民转变食物消费模式，均衡动、植物性食物消费，应保证既满足个体营养需求，又能减少环境污染，达到可持续消费的目的。

4.3 城市食物消费磷代谢概念模型

本文的城市食物消费磷代谢概念模型是借鉴国内外相关研究，结合厦门市磷素流动特点所构建的，描述的是磷素经居民食物消费在城市环境中流动的宏观特征和城市化效应，因此对经过代谢进入土壤和地表水体之后磷元素的二次迁移和年际积累不予考虑，赋存形态也未加区分。使用该模型分析获得的结论和规律与国内外相关文献基本一致，证明了模型的可靠性和适用性。然而不同城市的食物磷素代谢过程不尽相同，如餐厨垃圾处理方式、污水处理厂尾水污泥去向等环节可能存在差异，因此模型在推广至其他城市时需要做局部的调整。另外，由于缺少相应的统计资料，居民在外就餐的磷元素代谢是本文模型尚未考虑的一部分。这部分研究需要进行大量的问卷调查，也将是今后研究的重要内容之一。

5 结论

本研究利用统计数据、调研数据、文献资料，运用物质流分析法，对厦门市1988—2010年居民食物磷素消费特征、影响因子及其环境负荷进行了综合分析。厦门市磷素消费总量由1988年的519.97 t增加到2010年的1128.88 t;人均每年磷素消费量在315—380 g之间波动，呈M型变化。消费结构发生较大改变，尤其是高磷含量的奶制品，其消费量在2006年后攀升，肉类、水产品等的消费对磷素消费总量的影响也逐年增加。各社会经济因素对人均食物磷素消费总量的影响并不明显，但人均粮食磷素消费与恩格尔系数、平均家庭人口数呈正相关，与人均可支配收入、食物价格指数、具有大学程度人口比重呈负相关。植物油、瓜果、畜禽肉、蛋类、奶类、水产品的人均磷素消费量与各因子的相关关系则与粮食相反。2010年由食物消费引起的环境磷负荷总量是1991年的近3倍，土壤和水体是主要的输出途径。其中造成环境磷负荷量增加的主要环节是污泥和餐厨垃圾的填埋。合理膳食、大力发展餐厨垃圾和污泥资源化是减少环境负荷、提高磷素利用率的主要途径。另外，由于相关的数据资料不够完善，对分析评价磷素流动的变化带来了一些困难，也对核算带来了不确定性。

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