基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征

第29卷第7期2009年7月环 境 科 学 学 报 Acta Scientiae C ircu mstanti a eV o.l 29,N o .7Ju.l ,2009基金项目:国家自然科学基金项目(No .40871219);北京市科技项目(No .D0704004000092);北京市优秀人才计划(N o .20061D0501600225)Supported by t h e Nati onal N atural S ci ence Foundation of Ch i na (No .40871219),t he Science and Technol ogy P roj ect of B eiji ng (No .D0704004000092)and t he P l an of Excellent Talent i n B eiji ng (No .20061D0501600225)作者简介:王晓燕(1967)),女,教授;*通讯作者(责任作者),E-m ai:l cnuwxy @s ohu.co mBiography :WANG X i aoyan (1967)),fe m ale ,professor ;*Corres ponding aut hor ,E-m a i :l cnuwxy @s ohu .co m王晓燕,阎恩松,欧洋.2009.基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征[J].环境科学学报,29(7):1549-1560W ang X Y,Y an E S ,Ou Y ,et al .2009.[J].A cta Scienti ae C ircum stan tiae ,29(7):1549-1560基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征王晓燕*,阎恩松,欧洋首都师范大学资源环境与旅游学院,北京100048收稿日期:2008-09-20 修回日期:2009-01-09 录用日期:2009-05-04摘要:运用物质流分析方法,对北京市地表饮用水源地)))密云水库流域进行了磷循环特征的研究;分析了研究区域内种植业、畜牧业、人口和简单子系统内部及子系统间的磷输入输出状况,以及系统整体的代谢效率特征,讨论了流域水体磷污染负荷的影响因素.研究结果表明:¹化肥、饲料添加剂和农药是流域磷输入的主要来源,占直接物质磷输入总量的52.9%;整个系统向环境输入磷2868.44t ,其中的26.5%直接进入水体.º在水体磷负荷中,畜牧业系统的贡献最大,为1800.26t ,达到输出总量的82%,其次为种植业系统,占9.4%.»系统整体结构不协调,呈现单向和开放状态.研究区种植业系统运行出现磷亏缺,并具有区域性和不均衡性的特点;而畜牧业系统则出现磷盈余,整体结构不协调;畜禽的排泄物未能得到有效处置和循环再生,其中进入水体的量占畜禽粪尿磷总量的40.9%,从而造成严重的资源浪费和广泛的生态环境影响.¼水体污染负荷与城市化率密切相关.关键词:磷输入输出;代谢效率;水体磷负荷;物质流分析;密云水库文章编号:0253-2468(2009)07-1549-12 中图分类号:X171 文献标识码:AM ateri al flo w analysis of the phosphorus cycle i n the upper watershed of theM i yun Reservoir in B eiji ngWANG X iaoyan *,YAN Ensong ,OU YangC ollege ofRes ources ,Env i ron m en t&Tou ri s m,C ap italNor m alU n i versit y ,B eiji ng 100048R ecei ved 20S epte m ber 2008; received i n revis ed f or m 9J anuary 2009; accepted 4M ay 2009A bs tract :B ased on M aterialFlo w Analys is ,t h e phos phorus cycle i n t h ew aters hed of the p ri m ary sou rce w at er area for B eiji ng -thew aters h ed of theM iyun Reservoir -w as st ud ied .Phos phorus (P)i nput and ou tpu t of f our sub -s yste m s (p l anti ng ,an i m al hus b andry ,popu l ation and a s i m p le sub -s yste mrepresen ti ng all ot h er i nputs and outpu ts),t he m et ab oli c effi ciency of the who l e syste m,and the f actors affecti ng poll uti on l oad are discussed .The m ai n concl u si on s are as foll ow s :¹C he m i cal produ cts ,m ai n l y fertiliz ers ,f eed add itives ,and pestici des ,are the m ai n sources of P i nput t o the waters h ed ,accoun ti ng f or 52.9%of t otal i m ported P .Th e P i npu t of t he syste m t o t he env i ronm ent is 2868.44t ,a mong wh ich 76.5%of s yste m phos phorus enters t he w ater body d irectl y .ºThe an i m al hus b andry sub -s yste m is the l argest contribu tor of P l oad i n w ater ,w h ic h exports 82%of t h e t otalP l oad i n water .The planti ng s ub -syste m con tri bu t es 9.4%of t he t otalP load in w ater .»The overall struct u re of t h e s yste m is open ,m onodirecti onal and unhar m on ious .The P cycl e i n t h e p l anti ng s yste m is defici en t ,but t h e an i m al husbandry s yste m has a P surp l us w it h uneven reg i onal characteristi cs .Excret a fro m li ves t ock and hum an s has not been eff ecti vel y reu s ed and recycled ,s o 40.9%excreta w en t d irectl y i n t o t h e w ater ,res u lti ng i n P accumu lati on in water and f u rther seri ous w as t e of res ou rces and ext en sive env i ron m en tal i m pact .¼The w ater poll u tion load s of d ifferent coun ties are related cl os ely w i th urb an i zati on rates .K eywords :Phosphoru s i nput and output ;metaboli c effi ciency ;Phosphorus l oad i ng i n w ater ;materi al flo w anal ysis ;M i yun Reservo i r1 引言(I ntroduction)物质流分析(M aterial Flo w Analysis ,MFA )主要根据质量守恒定律,对一定时空范围内特定系统的物质流动的源、路径及汇进行系统性分析,分析结果通过其所有的输入、贮存及输出过程来达到最终的物质平衡(Pau l and H e l m u,t 2004).因此,借助物质流分析手段可以对生态产业链进行详细的分环境科学学报29卷解,以此对各个环节的资源利用效率和物质消耗强度进行定量化评估,并为产业部门的可持续生产与消费提供科学依据.由于物质流分析提供了关于经济体系运行机制的整体理解,使得决策者能够确定关键问题所在、选择优先控制目标和相应政策方案,从而通过改善整个经济体系的物质代谢效率来解决生态环境问题,因此,物质流分析已成为20世纪90年代以来环境管理和政策制订的重要技术手段,广泛为发达国家和国际组织所采用,成为资源、废弃物和环境管理的一种决策支持工具(黄和平等,2007).目前,国内物质流分析多用于国家或大区域的大尺度经济系统,多侧重系统整体研究,缺少系统内部物质流动分析.刘毅等(2006)在滇池流域首次运用物质流分析技术,对磷的开采、生产、消费、废弃、循环等基本过程进行物质流结构与物质代谢效率特征的系统识别,并进行资源开采、化工生产、农业种植、畜禽养殖、居民生活等生产和消费部门的物质利用效率特征研究,为科学防治滇池水体富营养化提供了重要决策依据和参考.环境问题从本质上讲是由经济社会物质代谢结构不合理所引发的生态后果.磷是水体富营养化的重要限制性因子,现有磷污染的治理措施大多为局部和末端的污染负荷削减.把握磷元素代谢系统的整体结构特征并进行优化,将会有助于提升磷的生态效率,有效地控制水体富营养化趋势.密云水库是北京市重要的地表饮用水水源地;研究表明,密云水库水体的富营养化程度属中营养性,但库区水体向富营养化发展的趋势比较明显(W ang et al.,2001;杜桂森等,2004).本研究中尝试以密云水库上游流域为研究区域,运用物质流分析方法,系统分析水源保护区内磷元素的循环路径、整体结构特征、物质代谢效率特征,寻找影响水体环境质量的关键途径与机制,从而为有效控制密云水库水体富营养化提供决策依据.2研究方法(Research m ethod)2.1研究区域及系统边界密云水库上游潮白河流域处于40b19c N~41b 31c N和115b25c E~117b33c E之间,流域东南邻燕山西端,南侧为军都山,西屏大马群山,北接坝上高原,面积为15788km2.该区域包括河北丰宁县、滦平县、赤城县、兴隆县和北京的密云县、怀柔区、延庆县等7个区县,60个乡镇,人口约80万,耕地1350km2(见图1).由于本研究中所涉及的社会经济资料一般以行政区划的乡镇为最小单元,因此,本研究的系统边界主要依据流域自然界限,涉及的部分边界区域以乡镇为单元整体纳入研究系统中,以便统计资料完整和合理地运用.流域居民以农业人口为主,产业结构以畜牧业为主,工业不发达,主要为制衣业和电子工业,污染少.流域植被覆盖率较高,林草地覆盖面积为区域总面积的76%.图1研究区域图F i g.1M ap of t h e research area建立物质流分析模型,首先应根据研究中物质对象的经济属性、环境属性以及研究目的,概化和定义物质代谢系统边界与结构框架,主要包括确定物质生产部门、消费部门、原材料和产品贸易、物质积累和贮存、废物再生利用与处理处置、物质流向与交换关联等关键环节(刘毅等,2006).本研究中参考欧盟关于/经济系统内物质流核算与指标)))方法指南0(简称/欧盟指南0)确立的框架为基础(EUROSTAT,2001),参考有关氮磷营养系统的研究(Iser m ann et al.,1998;许俊香,2005;刘晓利, 2005)和磷在当地实际的社会代谢过程,构建了包括种植业子系统、畜牧业子系统、人口子系统和简单子系统4部分组成的框架.根据各子系统的磷输入输出特性,建立磷循环框架.通过分析磷在种植业生产系统中的流动特征,确定种植业系统的输入分为自然输入(大气沉降)和人工输入(包括化肥、农药、畜禽和人类粪尿、秸秆和种子等).输出主要是作物收获和损失(包括粮食收获、豆类收获、油料作物收获、薯类收获、蔬菜收获、干鲜果收获、秸秆收获、径流损失和淋溶损失15507期王晓燕等:基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征等),其中损失为自然输出,其余为人为输出.畜牧业生产系统输入主要是饲料(包括:秸秆饲料、糠麬饲料、绿色饲料、粮食饲料、饲料添加剂和厨余垃圾等),畜牧业生产系统的输出主要包括畜禽粪尿和畜禽产品两部分,畜禽产品主要包括畜禽奶蛋、畜禽活体输出等.在畜牧业子系统中,因为规模化养殖和家庭散养的饲养方式和排泄物的处置方式都不相同,因此,把规模化养殖和家庭散养分开讨论.人口系统输入主要是食品输入和洗涤用品类输入,输出项主要是家庭生活的厨余垃圾、生活垃圾、生活废水的排放和人类粪尿排泄.在人口子系统中,农村人口和城镇人口消费结构和饮食习惯不同,生活污水的处理方式也不同,因而把农村人口和城镇人口各指标分开讨论.在本研究中,饲料加工和食品加工都只是初加工,并假定磷素在这2个过程中输入等于输出,即饲料和食品在加工过程中没有损失.简单子系统是指在研究区域内部,种植业子系统、畜牧业子系统、人口子系统没有包含的,且与这3个子系统物质交换比较微弱的系统,如沙地、裸地、水面等.简单子系统输入输出类型简单,如同循环过程中的孤岛,比较独立;其输入形式主要是大气沉降,包括湿沉降和干沉降,输出形式主要是水土流失.简单子系统的系统循环虽然简单,但仍然要考虑,因为它们也可能给水体带来污染.2.2数据来源与参数确定研究所需的原始数据来源有:¹作者在2006~ 2007年间对研究区域的采样分析和实地调研,如土壤、农作物中磷含量,秸秆回收利用情况、废弃物的处置方式及比例等;º各相关县统计局主编的2005年统计年鉴(包括密云县统计年鉴,滦平县统计年鉴,赤城县统计年鉴,丰宁县统计年鉴,怀柔区统计年鉴,延庆县统计年鉴,兴隆县统计年鉴等)、国家和地方政府等权威机构公布的研究报告(北京市环境保护局,2004年北京市环境质量公报等)等;»公开发表的研究论文和学术报告.本研究涉及大量参数和数据,由于篇幅所限,在此只介绍数据计算中重要参数的取值及依据.2.2.1种植业子系统种植业中化肥施用是系统中磷的主要来源.经调查,本区施用的含磷化肥是磷肥和复合肥,其中磷肥主要为过磷酸钙、重过磷酸钙等,复合肥多为磷酸二铵和复合化肥.按照中国化肥标准,磷肥的磷含量以12%折纯(折合成总磷),复合肥磷含量以3%折纯(折合成总磷).有机磷农药占全部农药施用量的50%,各类有机磷农药的平均磷含量为5%.作物吸收是种植业系统中磷循环的重要环节,它是决定农田生态系统养分循环速度的主要原因.作物的品种、地域环境、土壤养分、施肥习惯等不同,作物粒籽和秸秆中的磷含量也不同.不同作物籽粒秸秆磷含量参考鲁如坤(1996)的研究结果;薯类和油料的经济系数来自韩鲁佳等(2002)的论文,其余系数参照钟华平等(2003)相关文献确定;种子磷的输入量采用许俊香(2005)硕士论文的数据结果(见表1).表1不同作物籽粒秸秆磷含量、经济系数和种子磷输入量Tab l e1Ph osphoru s con tent,i nput a m oun t and econo m i c coeffi cient of s eed and straw fro m vari ou s crop s作物种类籽粒磷含量秸秆磷含量经济系数种子磷输入量/(kg#k m-2)玉米0.27%0.15%1B1.515水稻0.36%0.13%1B0.9753其他谷物0.30%0.10%1B1.613豆类作物0.48%0.20%1B1.741薯类作物0.16%0.27%1B1.279油料作物0.31%0.15%1B2.040蔬菜瓜果0.1%--干果0.3%--鲜果0.02%--本区农作物以玉米为主,其产量占粮食产量的50%以上.作物秸秆利用方式主要以玉米为主.2007年,通过作者对河北省滦平、赤城县进行实际调查发现,堆弃和回田比例在不同乡有一定差别;结合高祥照等(2002)的研究成果,在本研究中确定本区玉米秸秆回田占15%、燃料占50%、饲料占10%、堆弃占25%.大气沉降也是种植业系统磷的一个来源.根据2004年北京市环境状况公报,城近郊区年均降尘量为14.8km-2#a-1.北京市的降尘多由沙尘暴引起,沙尘暴主要成分为土壤颗粒.根据我们在密云水库上游地区土壤采样分析结果,本区土壤磷含量平均为600mg#kg-1,所以取降尘全磷含量为0.06%.估算出研究区域干沉降量的磷贡献率为8.88 kg#km-2#a-1.杨东贞等(2005)通过实测计算,2002年和2003年春季降尘分别占全年的61.91%和44156%.可见春季风沙天气,尤其是沙尘暴对降尘1551环 境 科 学 学 报29卷的贡献举足轻重.杨龙元等(2007)通过对太湖地区的研究表明,干沉降是太湖水体受纳大气磷污染负荷的主要形式,由湿沉降途径带入的磷为磷干湿沉降总量的28.4%.按此估算,密云水库上游流域磷的大气沉降速率为12.3kg #km -2#a -1,低于全国磷大气沉降速率25kg #km -2#a -1(许俊香,2005).磷的土壤流失损失包括溶解在土壤径流中流失的损失和土壤侵蚀泥沙携带走的损失.土地利用方式的不同,磷的土壤流失损失的系数也不相同.不同土地利用类型的磷输出系数主要根据本区已发表的研究成果(W ang et al .,2003)和2005年密云县水土保持公报确定.本研究区为半湿润半干旱的温带季风气候,降雨不丰沛,而且土壤以褐土、棕壤等重质土壤为主,因此,土壤淋溶损失忽略不计.绿色饲料是指牧草和青饲料.本区青饲料的种植主要集中在滦平,但种植面积较小,且产量很低,所以本研究中的绿色饲料主要是牧草.根据2000年遥感图片解译得到流域高覆盖度的草地面积为3397.7km 2;根据中国牧草的生长情况,结合流域的气候特征,取牧草的产量为133.3kg #hm-2(侯英雨等,2006).在密云水库上游流域,林草地主要是用来绿化山林,防止水土流失,不可能大部分用来放牧,所以本研究中以10%的面积计作饲料用途,牧草磷含量取0.18%.林业副产物主要包括树叶、树籽、嫩枝和木材加工下脚料.林业副产物,特别是树叶,因为其营养丰富、价格低廉,也是很好的饲料来源.每hm 2林地可利用鲜叶量为133.3kg ,鲜叶的饲料利用率为7%(段宝发等,1992);取林业副产物平均磷含量为0.17%(周芳萍等,2000).¹5全国饮用水水源地环境保护规划6技术培训讲义,中国环境科学研究院,2006年6月2.2.2 养殖业子系统 由于饲养条件及饲养目的不同,同种类的畜禽体重也有所不同.猪的个体体重均按照肉猪100kg 计.肉牛以活体的形式从畜禽生产体系中输出,奶牛以牛奶的形式输出磷,而役用牛主要用来耕田,不考虑输出.肉牛平均屠宰体重为450kg ,马驴等大型牲畜按牛计,羊体重按照50kg 计,畜禽体重按照2kg 计.根据国际上通用的饲料转化率标准,结合我国喂养畜禽的习惯,分别按照以下标准计算生产1kg 肉、蛋、奶所需要畜禽饲料粮需求量:猪肉为1B 4,牛羊肉为1B 2,禽为1B 2,蛋为1B 2.5,奶为1B 0.5(肖国安,2002).畜禽各部分的比例及磷含量参照霍启光(2002)的相关结果.饲料粮主要是玉米、小麦、豆类等.不同品种的饲料、适合畜禽不同生长阶段的饲料、不同厂家生产的饲料,饲料粮的用料和配比也不相同.通过对本区北京正大饲料厂、华都饲料厂的饲料进行调查得知,畜禽饲料主要是玉米,占50%~60%;其次为豆粨(9%~23%),其余为酒精渣等.所以取饲料粮的磷含量0.32%.畜禽粪尿的日排泄量和排泄物中的磷含量与品种、体重、生理状态、饲料组成和饲喂方式等均相关.畜禽排泄系数和磷含量主要参考王方浩等(2006)的总结.通过实际调查获得研究区规模化养殖和家庭散养的畜禽比率以及畜禽粪尿的回田率数据.畜禽本底值输入量通过新生仔数量、仔活体质量及其磷含量折算得到.糠麬等是水稻和小麦在粮食加工过程中的副产物.北方人以面粉为主食,糠麬的产量全部折合成小麦计算,产麬率取18%.假定产生的麦麬全部作为饲料进入当地的养殖系统中去,麦麬磷含量取0.3%(许俊香,2005).含磷添加剂主要是肉骨粉和磷酸盐,肉骨粉含有丰富的营养素,除含钙20%~30%、磷8%~14%外,还含多种微量元素和种类齐全的氨基酸.饲料中常添加的磷酸盐是正磷酸盐,如磷酸二钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钠等,不同磷酸盐的磷含量不同,其值(理论值)分布在17%~27%之间,多集中在20%左右(霍启光,2002).不同种类的饲料中含磷添加剂的比例和种类不同,通过对不同养殖厂的饲料配方比较和调研确定,在本研究中含磷添加剂的比率为3%,磷含量为8%.由于在计算畜禽从生产系统带走的养分时,一般并不扣除畜禽本身原有的养分,因此,畜禽本身带入的养分也作为外源输入.畜禽幼仔的数量按照出栏数量计算.不同新生幼仔体的体重和磷含量、畜禽产品奶蛋的磷含量均参照许俊香(2005)的相关研究结果;育成期出栏的成体猪、牛、羊、家禽的磷含量参照霍启光(2002)的相关结果;畜禽粪尿的日排泄量和排泄物中的磷含量,根据5全国饮用水水源地环境保护规划6技术培训讲义¹和相关文献资料汇总(王方浩,2006),确定研究区相关数值(见表2).15527期王晓燕等:基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征表2各类畜禽体重、磷含量及畜禽排泄参数Tab le2Phosphorus con t en t and t h e an i m al excreti on para m eters of vari ou s li ves t ock and pou l try畜禽种类新生幼仔体重/kg幼仔磷含量成体磷含量粪排泄系数/(kg#d-1)排泄系数/(kg#a-1)磷含量尿排泄系数/(kg#d-1)排泄系数/(kg#a-1)磷含量猪 1.40.58%0.46%2.0300.00.34%3.34950.05%牛*250.70%0.60%20.07300.00.12%10.036500.04%羊 3.50.61%0.56%1.3474.50.2650.41460.05%家禽**0.080.33%0.56%0.1 6.00.545奶0.219%蛋0.093%畜禽种类饲养周期/d规模养殖粪回田率尿回田率散养粪回田率尿回田率规模化养殖比率猪15050%75%80%牛*36550%75%10%75%羊36570%80%10%40%家禽**60%60%70%70%奶蛋注:*马、牛、驴等大牲畜均按牛计;**肉鸡、蛋鸡、鸭、鹅等均按家禽计.畜禽排泄的粪便除了一部分作为有机肥还田外,其余部分或是直接或是间接排入水体.畜禽粪便一般通过2种途径进入水体:一是在饲养过程中直接排放进入水环境;二是在堆放储存过程中因降雨或其他原因进入水体,这两部分一般在比例上难以区分.畜禽尿液因养殖方式的不同而有别,规模化养殖场多靠近河库建设,又有用水冲圈的习惯,所以尿液按全部进入水体计;家庭散养畜禽尿除回田部分外,其余的按照进入土地考虑.畜禽养殖向水体排放的比例可根据粪尿回田比例来推算.通过作者2007年对密云、滦平、赤城规模化养殖场和家庭散养的调查和政府职能部门的咨询,结合方昳等(2007)的研究成果,确定研究区规模化养殖和家庭散养的畜禽比率以及畜禽粪尿的回田率(见表2).2.2.3人口子系统我国农村居民和城镇居民人均植物性食品消费量不同.根据国家统计年鉴(2005年)中城镇居民消费情况、北京统计年鉴(2005年)中农村居民消费情况、怀柔统计年鉴(2005年)中农村城镇居民消费情况以及许俊香等(2005)的研究结果,确定研究区域农村和城镇居民的食品年人均消费数量以及食品磷含量(见表3).表3居民人均食品消费量及磷含量Tab le3Food consump tion and P con tent kg#a-1食品种类农村北京市怀柔区许俊香本文采用城镇全国怀柔区许俊香本文采用磷含量粮食123.197.4178.0123.177.065.8102.487.00.20%豆类 2.7 2.35.72.7--5.75.70.48%薯类--9.69.6--13.113.10.16%花生--7.07.0--8.08.00.31%植物油8.29.05.58.29.3 6.38.18.10.005%蔬菜88.7106.6109.3106.6118.6140.9115.91250.13%水果34.413.252.034.456.767.350.956.70.02%干果---- 3.00.8-1.90.30%猪肉15.4621.913.3513.3520.1519.415.9519.40.17%牛肉0.550.55 3.71 4.91.921.920.17%羊肉0.600.601.251.250.16%禽肉 2.292.872.878.97 5.15.305.30.16%蛋及蛋制品9.36 5.14.725.110.49.212.4910.400.093%奶及奶制品13.17 5.21.205.217.92-16.5117.920.219%非食物性输入是指秸秆燃料、煤炭燃料和洗涤剂的输入.秸秆燃料消耗的各折算因子在种植业子系统中讨论.依据中国统计年鉴(国家统计局, 2005)和北京市统计年鉴(北京市统计局,2005),本1553环境科学学报29卷区农村人均年煤炭消耗取230kg#a-1,城镇人均煤炭消耗取440kg#a-1,煤炭磷含量取0.025%.本区入户调查得到各种洗涤剂的用量约为3.26kg#a-1.在农村,生活垃圾被统一收集后大部分运到村外河渠边倒掉;在城镇,生活垃圾被收集后送到填埋场填埋.研究区没有污水处理厂,生活污水都直接排放.对滦平、赤诚两县的生活废弃物的处理方式进行调查,结合郑玉涛等(2008)在密云县的调查成果,确定密云水库上游流域农村生活垃圾和城镇生活垃圾不同处理方式所占的比例(表4).农村居民和城镇居民的污水、垃圾排放量和磷含量,主要依据本区已发表的结果(郑玉涛等,2008).表4废弃物的处置方式及比例Tab le4P d is posal t yp es and p ercentages区域厨余垃圾饲料其他*非厨余垃圾堆放填埋生活污水泼洒排放粪回田排放尿回田排放滦平农村70%30%80%20%50%50%90%10%90%10%城镇10%90%10%90%10%90%80%20%10%90%赤城农村60%40%100%060%40%90%10%60%40%城镇15%85%0100%10%90%90%10%10%90%本文采用农村60%40%90%10%50%50%90%10%80%20%城镇10%90%10%90%10%90%75%25%10%90%注:*/厨余垃圾0不用作饲料就计算在/非厨余垃圾0中.3研究结果(R esults)本研究依据2005年的统计资料,估算了密云水库流域磷循环系统在2005年的输入输出及代谢特征.3.1种植业子系统分析种植业子系统磷的主要输入输出指标和输入输出量如表5所示.种植业子系统磷的主要输入形式是有机粪尿磷,有机粪尿磷年输入总量为2485188,t为磷输入总量的5314%.其次是化肥磷和农药磷,由作物秸秆、种子和大气沉降引入的磷量较少.密云水库是北京市重要的水源地,限制化肥使用,故由化肥、农药引入的磷量较有机粪尿肥少,分别是1144.97t和568.8t,二者共占磷输入总表5种植业子系统磷输入输出指标、折纯计算及结果Tab le5P i npu t and output i nd icat ors of t h e planti ng s ubsyste m,cal cu lati on and resu lt s t 输入指标折纯计算公式计算结果输出指标折纯计算公式计算结果化肥磷肥用量@磷肥磷含量+复合肥用量@复合肥磷含量1144.97籽粒输出籽粒产量@籽粒磷含量627.73农药农药施用量@有机磷农药比率@农药磷含量568.8秸秆输出籽粒产量@作物经济系数@秸秆磷含量501.75畜禽粪尿畜禽出栏数@排泄系数@磷含量@回田系数2485.88绿色饲料饲料种植面积@饲料亩产@磷含量@饲用率1895.86人类粪尿人口总数@排泄系数@磷含量@回田系数179.39林业副产物林地面积@副产物产率@磷含量@饲用率1560.81作物秸秆籽粒产量@经济系数@秸秆磷含量@回田系数75.26干鲜果干鲜果产量@磷含量75.98种子作物播种面积@单位面积种子磷输入17.41蔬菜瓜果蔬菜瓜果产量@磷含量690.36大气沉降种植业土地面积@大气沉降速率182.21土壤流失土壤流失率@土地利用面积206.78淋溶耕地面积@淋溶速率--合计4653.92合计5559.27量的约37%.这与全国总体形式不同.许俊香等(2005)的研究表明,我国农田生态系统的磷来源以化肥为主,其次是畜禽粪尿肥和秸秆肥等有机肥源.从输出来看,主要是绿色饲料和林业副产品,二者共占磷输出总量的62.2%;粮食籽粒、蔬菜瓜果的磷输出量相对较少.密云水库上游流域植被覆盖率较高,林草地资源丰富,林草地面积占流域总面积的76%,故绿色饲料、林业副产物输出的量也较大.另外,研究区水土流失较轻,土壤流失量仅占磷总输出量的约2%.流域内种植业磷输出总量为5559.27,t比磷输入总量多905.35,t种植业子系统15547期王晓燕等:基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征出现了磷亏缺,这部分亏缺将由土壤补偿.3.2畜牧业子系统分析畜牧业子系统磷的主要输入输出指标和输入输出量如表6所示.畜牧业子系统磷的来源以种植业系统绿色饲料和林业副产物为主,其输入量分别是1895.86t和1560.81,t为该系统磷输入总量的31.4%和2519%,其次是饲料粮及其含磷添加剂的输入,年输入量2190.32,t输入较少的是糠麬类饲料和厨余垃圾,分别是53.36t和24.85,t均不到输入总量的1%.流域内主要粮食作物是玉米,小麦和水稻的产量都很低,所以研究区域内糠麬产量较少;城镇居民的厨余垃圾大部分被丢弃.由于农村居民生活水平的提高,家庭散养畜禽数量越来越少,厨余垃圾用作饲料的比例也在下降,导致进入畜禽养殖系统的厨余垃圾减少.表6畜牧业系统磷输入输出指标、折纯计算及结果Tab le6P i nput and output i ndicators of the breed i ng subsys t e m,calcu l ati on and results t 输入指标折纯计算公式计算结果输出指标折纯计算公式计算结果绿色饲料绿色饲料产量@磷含量@饲用率1895.86粪养殖总数@排泄系数@粪磷含量@饲养周期3956.64林业副产物林业面积@副产物产率@副产物磷含量@饲用率1560.81尿养殖总数@排泄系数@尿磷含量@饲养周期443.48含磷添加剂畜禽数量@活体重量@出肉率@饲料需求@饲料中比率@磷含量1102.51活体出栏数@个体体重@磷含量1327.82饲料粮畜禽数量@活体重量@出肉率@饲料需求@饲料粮比率@磷含量1087.81奶奶产量@奶磷含量69.73秸秆粒籽产量@经济系数@秸秆磷含量@饲用率250.87蛋蛋产量@蛋磷含量57.26畜禽本底值新生仔数量@活体重量@磷含量56.51糠麬类饲料糠麬类产量@磷含量@饲用率53.36厨余垃圾家庭厨余垃圾产量@人口数@磷含量@饲用率24.85合计6032.58合计5854.93从输出来看,畜牧业子系统磷的主要输出形式是粪尿磷,输出量为4400.12,t为该系统磷输出总量的75.0%;以畜禽活体和畜禽产品形式输出的磷量很少,共计1454.81,t仅占该系统磷输出总量的2418%.这说明,畜禽在向人类提供有价值产品的同时,也把大部分的输入都转化为废物,该系统的整体生产效率较低.在畜牧业系统中,磷输入总量比磷输出总量大177.65,t这种差值可能是由于磷在畜禽体的积蓄,形成库存净增量所致.表7为畜禽粪尿磷的处置利用情况.从畜禽类型看,猪、牛、羊、禽的磷排泄量分别为排泄总量的35.1%、19.2%、23.7%、22%;猪的磷排泄量最高,其次为羊、禽、牛,均接近或超过20%.从畜禽粪尿表7畜禽粪尿磷处置利用情况Tab le7Fate ofP i n breed i ng excret a t 畜禽类型回田水体非耕地合计猪750.11744.5949.641544.34牛373.26437.1432.93843.33羊750.81259.2831.421041.50禽611.70359.250970.95的处置利用方式看,畜禽粪尿磷回田、进入水体的量分别占畜禽粪尿磷总量的56.5%、40.9%.猪粪尿磷进入水体的量750.11,t为畜禽粪尿磷进入水体量的41.4%.由此可见,猪无论对畜禽磷排泄总量还是对进入水体量的影响,都起着非常重要的作用.畜禽粪尿既是作物重要的养分资源,又可能对环境造成潜在的污染风险.3.3人口子系统分析由于城乡二元结构的存在,农村居民和城镇居民的消费水平、消费习惯、垃圾的处置方式均不相同,因此把二者的磷代谢情况分开计算.人口子系统磷的主要输入输出指标和输入输出量如表4所示.输入(输出)结果为各类人均消费量(排放量)、城镇人口数、磷含量所得乘积.由表8可以看出,农村居民和城镇居民磷消费总量分别是441.88t和78.51,t前者约是后者的5.6倍.根据城市和农村的人口总数计算出年人均磷素消费量,城镇居民为每人0.64kg,略高于农村居民每人0.62kg.从消费结构看,粮食消费是引起磷输入的主要1555。