社会经济系统磷元素流通及其环境效应研究：以山东省栖霞市为例

王重阳 胡起源 查思含 肖 潇 刘 明 李 卓 谭 琨 张威仪 孙丹峰 伦 飞

(中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193)

磷元素在维持生物有机体稳定方面发挥着重要作用，是生物体不可缺少的营养元素之一。随着全球人口的迅速增加，粮食需求量不断增加，如何保障全球粮食安全已经受到全球各界的广泛关注。磷肥能够在一定程度上提高粮食产量，磷肥消耗量不断提高，全球磷矿的开采速度不断增加。作为不可再生资源，以目前的开采速度，全球磷矿资源将在未来50～100年内枯竭。全球地球化学磷循环已经从封闭的系统转向了开放的系统，且已经远远超过了其可持续利用的行星边界，处于高风险状态；与此同时，磷元素的不合理利用，尤其是磷肥大量且低效的利用，使大量的磷元素进入环境之中，造成了一系列的生态环境问题(如水体富营养化、土壤酸化等)，严重地干扰了区域的可持续发展。因此，研究社会经济系统磷元素流通及其环境效应，对于更好地实现区域可持续发展具有重要意义。

目前对社会经济系统磷流通的研究主要是利用物质流分析的方法分析其磷流动过程、利用效率及其环境效应问题。磷流动过程是由社会经济系统内外物质流动所引起的，主要包括农业生产和居民生活消费的磷流动过程。Roy等分析了2000—2016年孟加拉国食物生产和消费过程磷的流向，研究表明农业用地扩张和集约化利用是造成孟加拉国食物生产和消费过程中磷流动的变化的主要原因；Esculier等通过分析巴黎“水-农业-粮食”系统中磷流动过程，发现巴黎十分依赖国际农业粮食系统，需要高水平的化肥投入，并且废水和废物管理与农业系统严重脱节。此外，也有研究探讨了磷元素在不同尺度下的流动情况：在全球尺度上，Lun等主要针对全球农业系统磷流通情况进行了探讨，并分析了全球不同国家的农业系统磷流动情况及其使用效率情况；在国家尺度上，Liu等发现中国淡水磷损失量在过去4个世纪增加了3倍，人类活动对环境磷负荷的贡献由17世纪的20%增加到2012年的83%；在城市尺度上，Huang等以漳州为例发现水产养殖快速发展和城市化是漳州磷损失的主要驱动因素。随着工业化进程加快和城镇化水平提高，生活污水、工业废水、生活垃圾等排放量显著增加，因此磷流动产生的环境效应逐渐得到广泛关注。将灰水足迹、基于安全阈值的环境风险评价法等与社会经济系统磷流动研究相结合来阐明区域磷流动所产生的环境效应，赵旸等针对中国苹果种植情况，探讨了中国苹果主产区磷元素流动情况，并分析了其所产生的环境压力问题，尽管目前对社会经济系统的磷流动研究已经取得了一定成果，但对于在较小尺度对整个社会经济系统的磷流动及其环境问题的研究相对较少，故需要对此开展进一步讨论。

栖霞市位于山东省烟台市五龙河流域，是中国著名的苹果主产区。近年来由于人口的快速增加和苹果种植面积的不断扩大，当地面临着一定的环境问题(例如水体富营养化和土壤酸化等)，而厘清地区社会经济系统磷元素的流动过程并协调磷元素的输入与排放，对于更好的推动社会经济发展与环境保护具有重要意义。因此，本研究拟以山东省栖霞市为例，基于物质流分析与灰水足迹的理论框架与方法，构建栖霞市社会经济系统磷元素流通模型，重点探讨磷元素在各个子系统的流动特征、利用效率、环境排放等内容，识别出系统内造成区域环境风险的关键环节，并在此基础上提出提高磷利用效率和减少环境污染的相关对策建议，以期为栖霞市磷元素管理提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

栖霞市位于山东省烟台市的中心位置，位于北纬37°05′05″—37°29′46″，东经120°32′45″—121°15′58″，总面积约1 793 km，总人口59.4万。栖霞市地处丘陵山区，属暖温带季风型大陆气候，四季分明，典型土壤为棕壤，自然条件适宜种植苹果。图1为栖霞市土地利用现状。近年来苹果产业迅速发展，栖霞市被誉为“中国苹果之都”和“中国苹果第一市”，2018年其果园种植面积为49 058 hm，苹果产量达到1.91×10t；粮食作物以玉米、花生为主，其种植面积分别为9 446和11 733 hm。根据调研问卷结果，栖霞市不同种类农用地化肥施用量有显著差异，果园(苹果)单位面积磷肥投入量为194.00 kg/hm，一熟作物(以玉米为主)单位面积磷肥投入量相对较低，仅为59.46 kg/hm，而两熟作物(秋收小麦)磷肥投入量相对较高，其投入量达到76.83 kg/hm。栖霞市2018年居民人均可支配收入为22 062元。栖霞市境内没有规模以上磷矿开采和加工企业，磷元素的相关产品主要从系统外流入。近年来栖霞市基础设施条件不断完善，2018年栖霞市城镇污水处理率达97.38%，生活垃圾无害化处理率达100%。

图1 栖霞市土地利用现状

1.2 社会经济系统磷流通模型研究

物质流分析方法是一种定量刻画特定物质在特定时间和空间范围内的迁移流动状况的重要分析工具之一，能够识别物质的循环流动特征，定量分析人类社会经济系统与自然环境之间的物质交换。近年来，越来越多的研究运用物质流分析的方法定量研究养分的流动特征，其中以氮、磷为主。磷元素是生物体不可或缺的营养元素，在人类的生产、生活中也发挥巨大的作用，以食物、饲料、化肥等形式沿“化肥投入-作物种植-畜禽生产-人类消费-环境排放”循环流动，研究的内容主体不同，模型所包含的磷流动过程也不同。社会经济系统磷流通主要包括磷资源的开采和加工、磷化工产品的生产、含磷产品的消费、磷废物的排放等4个环节。由于栖霞市没有规模以上的磷矿开采和磷产品加工企业，并根据相关数据的可得性，本研究构建的栖霞市社会经济系统磷流动模型框架(图2)包括含磷产品消费及磷废物排放2个环节，含磷产品的消费过程主要包括畜禽养殖、农业种植、农村和城镇居民生活消费，而磷废物排放为直接或经由废物污水处理系统间接进入水体和土壤，其中土壤包括进行农业种植活动的农用地土壤及磷石膏等堆放的非农土壤。由于本研究涉及区域内外的贸易，系统内生产的农作物及畜禽产品优先满足研究区本身的消费，若有剩余则为其他地区提供。

因此，栖霞市社会经济系统磷流通模型主要包括畜禽养殖子系统、农业种植子系统及城乡居民消费子系统，各子系统的磷输入、输出情况主要为：1)畜禽养殖子系统。磷输入包括秸秆、饲料、厨余垃圾，磷输出项包括动物性产品、畜禽粪尿，畜禽粪尿还田部分以农家肥形式进入农业种植系统，动物性产品进入城乡居民消费系统供饮食消费。畜禽养殖子系统中消费的磷元素量难以获得，其主要根据养殖系统输入系统与其输出系统处于平衡的状态下进行估算；2)农业种植子系统。磷输入包括化肥、农药、种子、秸秆、粪尿还田，其中化肥是农业种植中最主要的磷输入项。进入农作物的磷元素则通过农产品消费、人类粪尿利用等与畜禽养殖、城乡居民消费产生关联。利用地表径流、地表渗漏计算出流入水体的磷，环境盈余的其余部分累积到土壤中；3)城乡居民消费子系统。输入的磷包括植物性产品、动物性产品、含磷产品(煤炭、洗涤用品)，系统磷输出主要为人类粪尿、生活污水、生活垃圾。城镇和农村居民消费的磷元素最终去向有所不同。城镇居民产生的人体粪尿少部分还田，其他则经由污水处理厂和垃圾处理厂处理后排放到环境中，农村缺少对污水的集中收集和处理，未还田的人类粪尿及生活污水直接排入环境中。栖霞市社会经济系统磷流通模型构建的理论依据是物质守恒定律，即在各子系统中磷元素的输入总量等于其输出总量与积累总量之和。

根据栖霞市社会经济系统磷流通模型，其各个子系统的核算方法可以分为3 种方式：1)定值计算。根据确定参数及确定变量计算出固定的磷物质流；2)比例系数估算：主要是根据各个子系统的磷流通的比例进行估算，如农业种植子系统中人类粪尿回田部分的磷输入量；3)基于物质守恒定律估算，由于部分磷流动环节难以直接进行估算，故对根据物质守恒定律进行估算，如农业种植系统中进入水体的磷流。栖霞市各子系统主要磷流具体计算方法见表1。

表1 主要磷流计算公式

Table 1 Main calculation formulas of phosphorus flows

子系统Subsystem磷流计算公式Calculationformulaofphosphorusflow系数描述Descriptionofcoefficient畜禽养殖LivestockbreedingLma=∑iQma,i×αma,i×βma,iLma为畜禽粪尿磷输出;Qma,i、αma,i、βma,i分别为2018年栖霞市畜禽出栏量、畜禽质量和畜禽粪尿磷含量(i=猪、牛、羊、禽类)Lan=∑i,jQma,i×αma,i×βan,j×γan,jLan为动物性产品磷输出;βan,j、γan,j分别为畜禽产品磷含量、畜禽产品所占比例(j=肉、骨、其他副产品)Linfe=∑Lout-∑LinLinfe为进口饲料磷含量;∑Lout、∑Lin分别为畜禽养殖系统各输出项输出磷之和、各输入项输入磷之和农业种植AgricultureplantingAfer=∑kQfer,k×αfer,kAfer为化肥磷输入;Qfer,k、αfer,k、分别为2018年作物播种面积、单位面积化肥磷投入量(k=一熟作物、两熟作物、果园)Ama,m=∑mQma,m×γma,mAma,m为粪尿磷输入;Qma,m(Lma、Hma)、γma,m分别是粪尿磷输出量、回田系数(m=畜禽养殖、农村)Apl=∑nQpl,n×αpl,nApl为植物性产品磷输出;Qpl,n、αpl,n分别为2018年作物产量、作物磷含量(n=小麦、玉米、大豆、薯类、花生、蔬菜、瓜果)Aoutwa=Prunoff+PleachAoutwa为输出到水体中的磷流;Prunoff、Pleach分别是地表径流、地下渗漏的磷输出量Prunoff=∑Qfer,k×αfer,k×αpkαpk为磷肥径流流失系数,%Pleach=∑Qfer,k×αfer,k×βpkβpk为磷肥淋溶流失系数,%Aoutsl=∑Ain-∑AoutAoutsl为累积到土壤中的磷元素;∑Ain、∑Aout分别为农业种植系统各输入项输入磷之和、各输出项输出磷之和

表1(续)

子系统Subsystem磷流计算公式Calculationformulaofphosphorusflow系数描述Descriptionofcoefficient城乡居民消费UrbanandruralconsumptionHfd=∑p,qQp×αfd,q×βfd,qHfd为食物输入量,包括动物性产品和植物性产品;Qp、αfd,q、βfd,q分别是人口数量、人均食物消费量、食物磷含量(p=城镇、农村;q=谷物、豆类、薯类、食用植物油、蔬菜、水果、猪肉、牛肉、羊肉、禽类、水产品、蛋、奶)Hru=Qru×αru,r×βh,rHru为农村生活用品磷输入量/污水废物磷输出量;Qru、αru,r、βh,r分别为农村人口数量、农村人均生活用品/垃圾产生量、生活用品/垃圾磷含量(r=洗涤剂、生活垃圾)Hur=Qur×αur,r×βh,rHur为城镇生活用品磷输入量/污水废物磷输出量;Qur、αur,r分别为城镇人口数量、城镇人均生活用品/垃圾产生量(r=洗涤剂、生活垃圾)Hma=Qp×αma,uHma为人类粪尿磷输出量;αma,u为人均粪尿磷排泄量

1.3 社会经济系统磷环境效应研究

在本研究中，栖霞市社会经济系统磷环境效应研究主要探讨了各个子系统磷元素的利用效率及排放所产生的环境压力。

1

.

3

.

1

磷利用效率

根据相关研究，本研究将磷利用效率(PUE)定义为系统的经济磷产出量除以磷输入总量。在农业种植系统中是指磷元素养分被作物吸收占总磷输入的比例，在畜禽养殖系统是指畜禽肉、骨、蛋、奶磷产量占畜禽养殖总磷输入的比例。在居民消费系统中是指被人体吸收的磷占总磷输入的比例。

式中：PUE、PUE、PUE分别为农业种植、畜禽养殖、城乡居民消费子系统的磷利用效率；

A

为秸秆磷输出量。

1

.

3

.

2

磷排放环境压力

本研究中社会经济系统磷排放环境压力主要包括磷元素进入水体所产生的污染和积累在土壤中产生的污染，其中前者主要是根据灰水足迹方法进行讨论，而后者则主要根据前人研究的磷元素积累环境风险进行讨论，本研究在刘钦普提出的基于化肥环境安全阈值的环境风险评价法的基础上对农业种植系统的土壤环境风险进行评价，具体计算公式如下：

式中：

R

为土壤磷资源污染环境风险指数；

T

为磷元素环境安全阈值(kg/hm)，取值为62.5 kg/hm；

F

为磷资源使用强度，是指本年内单位面积耕地实际用于农业生产的磷资源输入量(kg/hm)；

M

表示当年磷输入量(kg)，

A

表示耕地面积(hm)。

表2 农业土壤磷投入环境风险指数()

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

等级Grade环境风险指数范围Environmentalriskindexrange环境风险类型Environmentalrisktype分类依据Classificationbasis5>0.8严重风险施肥量超过安全阈值4倍以上4(0.75,0.80]重度风险施肥量不超过安全阈值4倍3(0.65,0.75]中度风险施肥量不超过安全阈值3倍2(0.50,0.65]低度风险施肥量不超过安全阈值2倍1(0.35,0.50]尚安全施肥量不超过安全阈值0<0.35安全施肥量低于安全阈值一半

灰水足迹的概念由Hoekstra 等于2008年首次提出，指稀释污染物所需要的水资源总量，能够较为直观的反映污染物对可用水资源的影响。近年来逐渐引起关注，被广泛应用于全球尺度、国家尺度及城市尺度上社会经济系统中产生的磷的灰水足迹的定量研究。因此，本研究基于灰水足迹的方法，结合前人研究与社会经济系统磷流通模型，得到各子系统磷元素的灰水足迹，即各个子系统磷排放的环境压力，具体计算公式如下：

式中：GWF为磷元素的灰水足迹；W为排入水体的磷元素总量；

C

为水体中磷的最大容许浓度，取值为0.2 mg/L(Ⅲ类)；

C

为水体中磷的自然本底浓度，取值为0 mg/L。

GWF=GWFpla-TP+GWF+

GWF+GWF+GWF

式中：GWF为社会经济系统磷元素的灰水足迹；GWF、GWF、GWF、GWF分别为种植业、畜牧业、农村生活、城镇生活等各子系统磷元素的灰水足迹。

1.4 数据来源

本研究所利用的主要数据包括调研问卷数据、文献数据、统计年鉴数据，其中：农作物播种面积及产量、畜牧业生产情况、农村及城镇人口数量、城乡人均食物消费量等数据来源于栖霞市统计年鉴及烟台市统计年鉴；化肥农药施用量、灌溉次数、灌水量等来源于调研问卷数据，本课题组分别于2018年7—8月和2019年7—8月赴栖霞市开展了2次调查问卷，共收集有效问卷445份，调查结果如表3所示。系数及物质的含磷率主要来源于参考文献资料并根据实际情况进行调整，如畜禽粪尿的含磷系数、作物的含磷率、食物的含磷率、粪便还田率等，本研究用到的主要系数及其来源见下表4。

表3 问卷数据取值

Table 3 Values of survey questionnaire data kg/hm

问卷数据Surveydata取值Value农药磷施用量Consumptionofpesticide1.82果园磷肥施用量Consumptionoffertilizers194.00一熟用地磷肥施用量Consumptionoffertilizersinsinglecropping59.46两熟用地磷肥施用量Consumptionoffertilizersindoublecropping76.83单位面积灌溉水磷含量Phosphorusinirrigationwaterperunitarea0.12

表4 主要系数取值及其来源

Table 4 Main coefficients and their sources

系数Coefficient描述Description取值Value来源Sourceαma,i(i)(i=1,2,3,4)i为猪、牛、羊、禽类100,450,50,2[28]βma,i(i)(i=1,2,3,4)i为猪、牛、羊、禽类1.69,10.22,1.31,0.03[28]αpk(k)(k=1,2,3)k为一熟用地、两熟用地、果园0.350,0.375,0.360[29]βpk(k)(k=1,2,3)k为一熟用地、两熟用地、果园0,0,0[29]αfer,k(k)(k=1,2,3)k为一熟用地、两熟用地、果园59.46,76.83,194.00农村问卷调查获得γma,m(m)(m=1,2)m为农村人口、畜禽50,58[8,30]αpl,n(n)(n=1,2,3,…,7)n为小麦、玉米、大豆、薯类、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为谷物、豆类、薯类、食用植物油、蔬菜、水果、猪肉、牛肉、羊肉、禽类、水产品、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为洗涤剂、生活垃圾2.5,153.3[34,35]αur,r(r)(r=1,2)r为洗涤剂、生活垃圾2.5,292.0[34,35]βh,r(r)(r=1,2,3,4)r为洗涤剂、生活垃圾0.9,0.05[34,35]αma,uαma,u为人均每年粪尿磷排泄量,kg/(人·年)0.3[13]

2 结果与分析

2.1 栖霞市社会经济系统磷流动特征

图2为2018年栖霞市社会经济系统各子系统之间具体的磷物质流。由图2可知2018年栖霞市外源磷输入量达到了11 304.24 t，其中进入农业种植子系统的为化肥、农药、种子，共计10 831.83 t；进入畜禽养殖系统的主要为饲料，共449.54 t；剩余以洗涤剂的形式进入居民消费子系统，进入城镇消费和农村消费的磷元素分别为5.30和33.76 t。2018年栖霞市所生产的动物性和植物性产品所含磷元素分别为275.97和1 873.14 t，其中城镇和农村所消费的动物性产品含磷量分别为44.13和30.15 t，剩余磷元素全部以出口形式至系统外；城镇和农村所消费的植物性产品含磷量分别为71.43和123.71 t，剩余磷元素同样以出口形式至系统外。此外以沼气、化肥制造等资源化方式所利用的畜禽粪尿中所含磷元素为200.04 t，剩余部分则进入到当地环境之中，其中进入水体中的磷元素为226.51 t，积累在农业土壤中的磷元素高达8 882.05 t。图3为栖霞市社会经济系统中磷输入和输出的结构。可知:外源磷输入绝大部分进入农业种植系统中，所占比例为95.9%；畜禽养殖子系统所占比例为4.0%，剩余部分主要以洗涤剂等含磷产品的形式进入城乡居民消费子系统。在磷元素的输出中，有78.6%的磷元素进入到农业土壤中；所生产的动物性和植物性产品中所含的磷元素所占比例为16.6%；进入水体中的磷元素占总量的2.0%；剩余磷元素则积累在非农土壤中以及被资源化的畜禽粪尿中。栖霞市社会经济各子系统的磷元素输入和输出情况存在较大的差异，具体而言：

图2 2018年栖霞市社会经济系统的磷物质流(单位:t)

图3 2018年栖霞市社会经济系统磷输入(a)和输出结构(b)

1)农业种植子系统磷元素输入量达到了11 494.03 t，而10 677.84 t的磷元素来自于化肥，其中果园所消耗的比重占84.0%。栖霞市生产农产品中所含磷元素量达到了1 873.14 t，其中生产的苹果所含的磷元素占60.7%。此外，栖霞市农业种植子系统排放到当地水体的磷元素总量达到了40.88 t，而积累在当地土壤磷元素则为8 882.05 t；

2)畜禽养殖系统子系统47.7%的磷输入是通过外界饲料形式进入，剩余的部分则是来自系统内部各子系统之间的流动。作为重要的农家肥，畜禽粪便进入种植子系统的量达到了387.43 t，占其总排放量的58.1%，由于其资源化利用程度较高，仅有79.34 t畜禽粪便进入到当地水体之中。栖霞生产的畜禽产品所含的磷元素总量达到了275.97 t；

3)栖霞市87.3%的城乡居民消费的磷元素来自于食物，剩余则是居民日常消费的含磷洗涤剂。当地污水处理能力和垃圾处理能力相对较高，使得城镇居民消费子系统向水体排放的磷元素仅为11.53 t，而农村居民消费子系统有94.76 t进入到当地水体之中。此外，栖霞市城镇和农村居民的人均食物消费含磷量分别达到了0.43和0.47 kg/人。

2.2 栖霞市社会经济系统磷利用效率研究

栖霞市社会经济系统整体磷利用效率为各子系统有效利用的磷之和与各子系统磷投入之和的比值，故栖霞市整个社会经济系统磷效率为23.8%，即栖霞市生产农产品中所含的磷元素仅为其投入量的23.8%；此外，栖霞市社会经济各子系统的磷利用效率均相对较低，但各个子系统的磷利用效率存在较大的差异(表5)。具体而言：1)农业种植子系统：栖霞市果园种植单位面积化肥施用量相对较高，但其产品中所含的磷元素量相对较少，使得果园种植的PUE远低于其他农作物种植磷利用效率，仅为其他作物的1/3左右，而一熟作物的磷利用效率也低于两熟作物；与此同时，2018年栖霞市果园种植面积为49 058 hm，是一熟作物与两熟作物种植面积的1.88倍，使得栖霞市农业种植子系统磷利用效率相对较低，仅为22.4%。2)畜禽养殖子系统：栖霞市畜禽养殖子系统的磷利用效率也相对较低，仅为29.3%，且不同家畜养殖系统存在一定的差异，其中家禽养殖系统的磷利用效率最高，达到了32.0%，而羊养殖系统的磷利用效率最低，仅为17.8%。3)城乡居民消费子系统：栖霞市城乡居民消费子系统的磷吸收利用效率较高，达到63.0%，其中城镇和农村居民消费系统磷吸收利用效率分别为66.2%和61.1%。

表5 不同子系统单位磷元素输入、输出及利用效率

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

子系统Subsystem种类Type磷投入Phosphorusinput磷输出Phosphorusoutput磷利用效率/%Useefficiency果园Orchard195.9428.3414.5农业种植Agricultureplanting一熟作物Singlecropping61.6622.7036.8两熟作物Doublecropping79.9331.6639.6猪Pig2.150.4621.4畜禽养殖Livestockbreeding牛Beefcattle13.383.1623.6羊Meatgoats1.590.2817.8家禽Poultry0.040.0132.0城乡居民消费Urbanandruralconsumption城镇居民消费Urbanconsumption0.450.3066.2农村居民消费Ruralconsumption0.490.3061.1社会经济系统Socio-economicsystem — — —23.8

注：磷输入、磷输出在农业种植、畜禽养殖、城乡居民消费子系统中，其单位分别为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，适当减少种植业的化肥量，提高种植业和畜牧养殖生产效率，减少城乡居民的食物浪费，能够有效地提高栖霞市社会经济系统的磷元素利用效率，从而能够更好地减少磷元素的排放，进而促进当地的生态文明建设。

2.3 栖霞市社会经济系统磷环境效应研究

栖霞市社会经济系统磷元素利用效率相对较低，其进入到当地水体之中的磷元素总量达到了226.51 t，故共需要1.1×10m的水资源来消纳该污染物，即其灰水足迹总量达到了1.1×10m，相当于烟台水资源总量(2019年)的1.50倍(表6)，由此可见，栖霞市面临着较为严重的污染性水资源短缺问题。近年来对畜禽粪尿资源化利用率不断提高，由畜禽粪尿无序排放产生的水环境效应得到缓解，2018年栖霞市畜禽养殖子系统向水体排放磷元素79.34 t，其灰水足迹量达到了4.0×10m，占当地社会经济系统总磷灰水足迹的35.0%。由于当地污水处理能力相对较高，使得城镇居民消费子系统排入水体的磷元素较少，而农村居民排放磷元素较多，使城乡居民消费子系统成为水体磷负荷的主要来源，其造成的灰水足迹总量为5.3×10m，其中城镇居民和农村居民分别占10.8%和89.2%。作为重要的农作物生产基地，栖霞市农业种植生产也产生较大的水环境压力，其所产生的灰水足迹总量达到了2.0×10m，其中83.8%来自于果园种植系统，且果园种植的单位面积灰水足迹远高于其他农作物种植系统。

表6 各子系统水土环境风险

Table 6 Soil and water environment risk of each subsystem

子系统Subsystem种类Type灰水足迹/m3Greywaterfootprint单位面积灰水足迹/(103m3/hm2)GreywaterfootprintperunitareaRp畜禽养殖Livestockbreeding —4.0×108——果园Orchard1.7×1083.490.76农业养殖Agriculture一熟作物Singlecropping2.6×1071.080.50两熟作物Doublecropping1.6×1061.440.56城乡居民消费Urbanandruralconsumption城镇居民消费Urbanconsumption5.8×107——农村居民消费Ruralconsumption4.7×108——社会经济系统Socio-economicsystem —1.1×109——

与此同时，栖霞市农业系统中有大量的磷元素积累于土壤中，使得当地土壤面临着严峻的土壤酸化的问题，其中果园种植土壤中积累的磷元素达到了8 197.72 t，

R

为0.76，磷输入量超过安全阈值的3倍，远高于一熟作物与两熟作物的土壤环境风险；此外，一熟作物则处于尚安全的状态，而两熟作物仍面临着一定的磷元素积累风险问题。

由上述可知，栖霞市社会经济系统面临着较为严重的环境风险压力，尤其是农业种植子系统。如何更好地提高农业种植磷利用效率，尤其是果园种植的磷利用效率，对于更好地改善当地生态环境具有重要的作用与意义。

3 讨 论

栖霞市化肥磷输入量占社会经济系统磷输入量的比例超过90%，高于中国其他地区，是因为栖霞市农业种植以果园为主，而果园单位面积磷投入量远高于一熟作物和两熟作物，使得农业种植子系统磷输入量较多。同时，在高磷投入条件下，2018年栖霞市单位农地面积土壤磷元素盈余量为112.11 kg/hm，其数值低于海南省，但远高于欧盟20世纪90年代初农场磷元素盈余水平(19.5 kg/hm)。此外，减少化肥投入量、提高资源利用效率能有效减少栖霞市的水土环境效应，具体表现为：当化肥投入量减少25%时，土壤磷累积量减少2 822.41 t，径流、淋溶方式损失到水体中的磷元素减少10.22 t，同时农业种植子系统产生的灰水足迹将会减少5.1×10m；当畜禽粪尿利用率提高10%时，畜禽养殖子系统排入水体的磷元素减少66.68 t，相应产生的灰水足迹也将减少3.3×10m。

本研究探讨了社会经济系统中的主要磷元素流动情况，但对于不同子系统之间差异性原因探讨相对较少；此外，本研究中对于土壤磷积累的环境风险探讨不够深入，而其所导致的具体环境问题需要进一步分析。因此，有必要进一步对栖霞市社会经济系统磷流通及其环境效应开展长时间的研究，并需要进一步与其他地区进行对比分析；未来的研究中还需要对如何更好地提高磷元素利用效率、减少磷元素排放产生的环境风险、社会经济系统磷元素流动时空差异性等方面开展进一步研究，从而为更好地开展区域磷元素管理和环境保护提供建议。

4 结 论

本研究基于物质流分析与灰水足迹的理论框架与方法，研究了栖霞市社会经济系统磷元素流通模型，并探讨了磷元素利用效率及其环境风险压力情况，主要结论如下：1)栖霞市社会经济系统磷元素输入量相对较高，其中绝大多数外源磷输入是以化肥投入到农业种植子系统之中；2)栖霞市输入的磷元素大部分储存在当地的水体和土壤之中，而生产的农产品及畜禽产品中所含的磷元素仅占16.6%；3)栖霞市当地社会经济系统磷元素利用效率相对较低，且不同子系统存在较大的差异；4)栖霞市社会经济系统面临着较大的水体和土壤磷环境风险压力，尤其是果园种植子系统；5)减少化肥投入量、提高资源利用效率有助于提高磷利用效率，同时降低栖霞市的水土环境风险。