昆明市食物生产消费系统氮磷碳素流动及其环境负荷

摘要

随着城镇化进程的不断推进，食物生产消费系统中氮磷碳素的梯级流动变化引发了严重的环境问题。市级尺度上氮磷碳素梯级流动以及利用效率、影响因子的分析研究不多。因而，本文基于统计数据的调查分析，运用物质流分析法原理，建立了食物生产消费系统氮磷碳素流动模型，系统分析了1989-2013年昆明市食物生产消费系统氮磷碳素流动变化、造成的环境负荷及利用效率。本研究的主要结果如下:
　　(1)昆明市作物生产系统氮素投入由1989年的48.94Gg/a增长至2013年的113.64Gg/a，磷素投入由8.81Gg/a增长至25.72Gg/a，这主要是由化肥投入增长引起。人均氮素投入量由1989年的11.6kg/a增长至2013年的17.27kg/a，人均磷素投入量由2.09kg/a增长至3.91kg/a。总投入量的增加不仅导致了人均氮磷素增长，而且由此造成的氮磷素环境负荷也分别由1989年的7.48Gg/a和0.61Gg/a增长至2013年的15.97Gg/a和1.04Gg/a。其中，损失进入大气的氮素由1989年的5.52Gg/a增长至2013年的11.78Gg/a，进入水体的氮素由1.96Gg/a增长至4.19Gg/a，进入水体的磷素由0.61Gg/a增长至1.04Gg/a。
　　(2)畜禽养殖系统氮磷素投入主要来源于饲料，受昆明市畜禽养殖规模不断扩大的影响，氮素总投入由1989年的37.91Gg/a增长至2013的275.78Gg/a，磷素总投入由7Gg/a增长至49.47Gg/a。人均氮磷素投入量也分别由1989年的8.99kg/a和1.66kg/a增长至2013年的41.92kg/a和7.52kg/a。环境氮负荷总量由1989年的18.2Gg/a增长至2013年的55.48Gg/a，其中损失进入大气的氮素由8.76Gg/a增长至34.67Gg/a，损失进入水体的氮素由9.44Gg/a增长至20.81Gg/a。环境磷负荷总量由1989年的3.2Gg/a增长至2013年的7.45Gg/a。畜禽养殖系统氮磷素流动造成的环境负荷主要是畜禽粪尿的排放，分别由1989年的18.2Gg/a和3.2Gg/a增长至2013年的55.48Gg/a和7.45Gg/a。
　　(3)食物消费系统中主要的氮磷素投入来自于植物性食物。近年来因城镇化发展带来经济水平的提高，使得食物消费模式由温饱型向营养型转变，由此导致植物性食物氮磷消费量降低，动物性食物氮磷消费量增长。食物消费系统中损失进入大气的氮素明显下降，而进入水体和土壤的氮素有不断增长的趋势;损失进入水体的磷素不断下降，进入土壤的磷素不断增长。
　　(4)作物生产和畜禽养殖系统中碳汇总量由1989年的705.44Gg增长至2013年的1195.53Gg，这与作物总产量不断增长有关;碳排量也逐年上升，由1989年的496.92Gg增长至2013年的1012.33Gg，这主要与化肥、农药等农用物资的大量投入有关。碳排增速远大于碳汇增速。食物消费系统中碳素投入由1989年的322.87Gg/a降低至2013年的294.53Gg/a，其中动物性食物碳消费总量上涨了145.88％，植物性食物碳消费总量下降了21.23％。食物碳素消费造成的环境负荷中，损失进入大气的碳素比例最高，其次是土壤，最少的是水体，其中进入大气的碳素波动下降，进入土壤和水体的碳素明显增长。
　　(5)1989-2013年昆明市食物生产消费系统氮素总投入量由1989年的64.19Gg/a增长至2013年的331.14Gg/a，磷素总投入量由1989年的10.83Gg/a增长至2013年的62.7Gg/a，主要是受进口饲料增长的影响，昆明市本地的饲料供给已经难以满足其日益扩大的畜禽养殖规模，需要从外地进口大量饲料以维持畜禽生长。各环节损失进入环境的氮磷素中，动物性食物生产加工损失氮磷最多，且逐年增长，分别由1989年的18.77Gg/a和3.44Gg/a增长至2013年的73.08Gg/a和10.35Gg/a，说明居民膳食结构的转变是造成环境负荷增长的重要因素。
　　(6)1989-2013年昆明市作物生产系统氮磷素利用效率分别由1989年的29.85％和26.73％降低至2013年的20.21％和15.85％，畜禽养殖系统氮磷素利用效率大约稳定在6％和2％，作物生产和畜禽养殖系统氮磷素综合利用效率分别由1989年的19.31％和15.85％降低至2013年的10.35％和6.70％，氮磷素内部循环利用率分别由1989年的35.31％和45.94％降低至2013年的17.60％和19.91％。因而可以看出，一是畜禽养殖系统氮磷素利用效率很低，主要由于昆明市动物性食物出产率很低，投入畜禽养殖系统的氮磷素绝大部分都留在了未出栏的活体动物内，没有成为肉蛋奶等可以供居民食用的食物;二是内部循环利用率二十多年来下降明显。为减少氮磷素环境负荷并提高利用效率，建议采用以下措施:一是减少化肥氮磷投入，提高化肥利用效率;二是有效且高效利用畜禽饲料，同时尽可能地资源化与循环利用畜禽粪尿;三是注意合理膳食，实现人粪尿和厨余垃圾的资源化利用，减少食物浪费。
　　(7)1989-2013年昆明市作物生产和畜禽养殖系统中碳汇强度基本持平，稳定在2.65t/hm2，碳排强度由1989年的1.86 t/hm2增长至2013年的2.24 t/hm2。净碳汇量呈下降趋势，由1989年的208.52Gg降低至2013年的183.2Gg。碳汇水平总体呈下降态势，由1989年的141.96％下降至2013年的118.1％。昆明市需大力提倡低碳农业理念，降低温室气体排放量，整体上提高作物生产系统的碳汇能力。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究进展

1．2．1 食物生产消费系统氮素流动

1．2．2 食物生产消费系统磷素流动

1．2．3 食物生产消费系统碳素流动

1．2．4 小结

1．3 研究目的及意义

1．4 技术路线

第2章 材料与方法

2．1 研究区概况

2．2 研究边界与计算方法

2．2．1 研究边界

2．2．2 食物生产消费系统氮磷碳流动模型

2．2．3 评价指标

2．3 参数选择

2．3．1 作物生产系统

2．3．2 畜禽养殖系统

2．3．3 食物消费系统

2．3．4 环境负荷计算参数

第3章 食物生产消费系统氮素流动变化及其环境负荷

3．1 作物生产系统

3．1．1 作物生产变化

3．1．2 作物生产系统氮素流动变化

3．1．3 作物生产系统氮素流动造成的环境负荷

3．2 畜禽养殖系统

3．2．1 畜禽养殖变化

3．2．2 畜禽养殖系统氮素流动变化

3．2．3 畜禽养殖系统氮素流动造成的环境负荷

3．3 食物消费系统

3．3．1 食物消费变化

3．3．2 食物氮素消费变化

3．3．3 食物消费系统氮素输入输出

3．3．4 食物氮素消费造成的环境负荷

3．4 食物生产消费系统氮素梯级流动

3．4．1 氮素梯级流动时序变化

3．4．2 氮素利用效率

3．5 小结

第4章 食物生产消费系统磷素流动变化及其环境负荷

4．1 作物生产系统

4．1．1 作物生产系统磷素流动变化

4．1．2 作物生产系统磷素消费造成的环境负荷

4．2 畜禽养殖系统

4．2．1 畜禽养殖系统磷素流动变化

4．2．2 畜禽养殖系统磷素消费造成的环境负荷

4．3 食物消费系统

4．3．1 食物磷素消费变化

4．3．2 食物消费系统磷素输入输出

4．3．3 食物磷素消费造成的环境负荷

4．4 食物生产消费系统磷素梯级流动

4．4．1 磷素梯级流动时序变化

4．4．2 磷素利用效率

4．5 小结

第5章 食物生产消费系统碳素流动变化及其环境负荷

5．1 作物生产和畜禽养殖系统

5．1．1 碳汇碳排总量时间变化特征

5．1．2 净碳汇量与碳汇水平

5．2 食物消费系统

5．2．1 食物碳素消费变化

5．2．2 食物消费系统碳素输入输出

5．2．3 食物碳素消费造成的环境负荷

5．3 小结

第6章 城镇化对食物生产消费系统氮磷碳素流动的影响

6．1 相关研究结果比较

6．2 食物氮磷碳素消费与城市社会经济因子变化的关系

6．3 城镇化对食物生产消费系统氮磷碳素环境负荷影响及控制措施

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢