全 文 ：第 35 卷第 20 期
2015年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.20
Oct.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(71103186); 国家科技支撑计划资助项目(2013BAD11B03); 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资助项
目(BSRF201311)
收稿日期:2014鄄04鄄21; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄12鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: chenmp@ ami.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201404210793
陈敏鹏, 郭宝玲, 刘昱, 夏旭, 陈吉宁.磷元素物质流分析研究进展.生态学报,2015,35(20):6891鄄6900.
Chen M P, Guo B L, Liu Y, Xia X, Chen J N.Research on phosphorus flow analysis:Progress and perspectives.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):
6891鄄6900.
磷元素物质流分析研究进展
陈敏鹏1,2,* , 郭宝玲1,2,3, 刘摇 昱3, 夏摇 旭1,2, 陈吉宁3
1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京摇 100081
2 农业部农业环境重点实验室, 北京摇 100081
3 清华大学环境学院, 北京摇 100084
摘要:磷是重要的营养元素,也是不可再生的重要非金属矿物资源。 为了分析人类活动对磷流动的扰动,国内外开展了大量磷
元素的物质流分析和模拟。 综述了磷元素物质流分析的最新研究进展,分析了国内外磷元素物质流研究的特点和不足,并展望
了未来相关研究的研究热点和发展方向。 从研究尺度看,现有磷元素的物质流研究以全球尺度和国家尺度为主,区域和城市尺
度以及企业和产品尺度的研究较少。 从研究问题看,现阶段研究主要关注农业或者食品生产和消费对磷流动的影响,对林业、
钢铁和能源部门略有涉及。 从模型特征看,现有研究以分析流量变化的静态模型为主,考虑存量变化的动态模拟较少。 从研究
的发展方向看,未来磷物质流的相关分析将关注五大问题:(1)考虑不同驱动力和存量变化的动态模拟;(2)不同层次和尺度的
磷足迹研究;(3)磷与其他元素相比对社会经济的重要性;(4)全球变化背景下不同部门磷依赖的脆弱性;(5)磷和其他元素的
耦合研究。 为了适应未来的研究需求,磷的物质流模拟重点在于开发动态模型,并将物质流分析与多种手段结合,以预测全球
变化、社会经济发展、技术变化以及其他重要变化对磷流动的扰动及其相应的环境影响。
关键词:物质流分析; 元素流分析; 磷流动; 磷足迹
Research on phosphorus flow analysis:Progress and perspectives
CHEN Minpeng1,2,*, GUO Baoling1,2,3, LIU Yu3, XIA Xu1,2, CHEN Jining3
1 Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Beijing 100081, China
2 Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
3 School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Phosphorus (P) is one of three nutrients ( together with nitrogen and potassium) essential for plant growth. It is
also an important non鄄renewable, non鄄metal mineral resource. With economic development and population increases,
phosphorus scarcity has become an important global challenge to the sustainability of agriculture, the economy, and the
environment. To analyze human influences on phosphorus flow, research has simulated anthropogenic鄄centered phosphorus
flows within socioeconomic systems and sub鄄systems. This paper reviewed recent progress in phosphorus flow analysis,
identified the characteristics and insufficiencies of existing studies, and projected future avenues of development for
phosphorus flow analysis. Existing studies may be categorized according to the scale of the socioeconomic system (or sub鄄
system) into four levels—global, national ( including multi鄄national), regional, or city level—as well as either enterprise
or product level. Presently, most studies have been conducted at the global or national (or multi鄄national) levels, while few
has been performed at regional or city levels, or at enterprise or product levels. So far, more than 15 countries and multi鄄
national regions have carried out phosphorus flow analyses, most of which focused on disturbances due to agriculture and
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food production and consumption. A few studies have examined disturbances due to forestry, iron and steel production, and
energy sector activities, and the potential for increasing phosphorus use efficiencies in these sectors. In addition, most
current studies use static models, and few employ dynamic models that consider long鄄term changes in phosphorus stocks.
Fewer studies combines classical methods and tools, such as life鄄cycle analysis or input鄄output analysis, with material flow
analysis or substance flow analysis (MFA or SFA). We identified five topics for future researches:(1) dynamic simulations
of phosphorus flow with consideration of long鄄term changes in important driving forces ( population, diet, bio鄄energy
development, etc.) and in phosphorus stocks, (2) phosphorus footprint analyses at various scales or for various sectors of
economic development, (3) the critical need for phosphorus for social and economic development, compared to that of other
elements (such as metals or rare earth elements), (4) the vulnerability of phosphorus to global changes ( particularly
climate change), and (5) the relationship between phosphorus and other important elements (such as carbon, nitrogen, or
metal elements) . To meet future research demands, it is necessary to develop a dynamic model of phosphorus flow and to
combine traditional material flow analyses with current tools and models, both from industrial ecology and from other
disciplines. These may include economic models, input鄄output analyses, life鄄cycle analyses, network analyses, and
computable general equilibrium models, and agent鄄based models, all required to project the effects of global changes,
socio鄄economic development, and technological innovation on phosphorus flow and the resulting environmental impacts.
Key Words: material flow analysis; substance flow analysis; phosphorus flow; phosphorus footprint
磷(P)是维持生物体基本机能不可或缺的重要营养元素,其在自然界中主要的存在形式———磷矿石则是
重要的、难以再生的非金属矿物资源。 人们通过磷矿开采、磷化工生产、农业种植和动物养殖等过程,将矿物
磷转化为植物磷和动物磷,以满足人类生存和社会运转的磷需求。 除了制造磷肥,磷矿石还可以用来制造黄
磷、磷酸、有机磷及磷酸盐等各种产品,广泛地用于医药、食品、火柴、染料、制糖、陶瓷、国防等工业部门。 随着
人口增长、饮食结构的变化以及经济的高速发展,磷资源的需求量不断增加,磷矿的开采和消费量逐年增长,
磷短缺也与气候变化、水短缺、氮管理一起并列成为 21 世纪重要的全球问题[1]。 根据美国地质勘探局
(United States Geological Survey,USGS)的最新数据显示,全球 2013 年的磷矿石储量约为 670 亿 t[2],折合
80—90 亿 t磷,乐观估计可以支持全球 200—300a的需求,但是如果考虑开采成本,经济储量则仅能够支持全
球约 50—100年的需求[3鄄6]。 中国查明的磷矿资源储量约 186.3 亿 t(折标矿),居世界第二位,但是中国的磷
矿资源平均品位低(仅为 17%,世界平均为 30%),80%以上为中低品位磷矿,经济储量仅能维持国内 50—70a
的消费需求,形势十分严峻[7鄄8]。 另一方面,磷矿开采、磷化工、以及各种含磷产品消费过程产生的含磷废水
和废物的排放也带来了一系列的环境问题,包括地表水的富营养化和含磷固体废弃物的核辐射污染问题,磷
资源的可持续利用及其环境影响已成为国内外学者广泛关注的重要科学问题。
物质流分析(MFA)通过定量分析特定时间和空间范围内物质(或元素)的迁移转化路径,识别其循环流
动特征和回收利用的路径,定量分析人类社会经济系统与自然环境之间的物质交换,测度物质使用的环境影
响,揭示不同时间和空间尺度内资源的流动特征和转换效率,可以为资源的高效利用和管理提供定量的决策
信息,是经济、产业和资源管理等部门可持续发展评估相关研究中的重要分析工具之一[9鄄11]。 为了应对磷短
缺、促进磷资源的可持续利用和管理,国内外广泛开展了针对磷元素的物质流分析,以分析不同尺度磷元素从
开采、生产、加工、消费到最终处置、排放环节的环境影响和资源利用效率,促进农业和环境的可持续发展。 本
研究综述了磷元素物质流分析的最新研究进展,分析了现有磷元素物质流研究的特点和不足,以展望未来磷
元素物质流分析及其相关研究的发展趋势,为国内可持续的磷资源管理提供方法学和信息基础。
1摇 物质流分析概述
物质流分析(MFA)指按照质量守恒定律,以实物的物理质量为单位,在一定的时间范围和空间边界内,
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对预先定义的社会经济系统进行的从物质采掘、生产、转换、消费、循环使用直至最终处置过程中流量和存量
的系统性定量评估,它从早期的社会代谢、工业代谢的相关研究发展而来,已成为包括过程控制、资源管理、废
物处理、环境管理、产品设计及生命周期评价等各个领域最常用的决策支持工具之一[9鄄11]。 当物质流分析的
对象为特定元素(例如氮、磷、硫、铝等等)或者单一物质时,也称为元素流分析(SFA),目前元素周期表中已
经有约 95种元素在不同尺度上进行了元素流分析,其中进行物质流分析的大多数元素为金属元素[12鄄13]。
物质流分析模型主要包括只考虑流量变化的静态模型和考虑存量变化的动态模型两大类,其中前者主要
用于判别自然环境退化和污染物的来源、预测不同社会经济因素导致的环境影响,后者主要用于分析支撑社
会经济发展的资源总需求、发展模式和长期变化趋势[11,13]。 随着相关研究的不断深入,除了传统的包括总物
质需求和输出(TMRO)和元素流分析(SFA)分析方法,物质流分析现在已经衍生出或者与多种研究手段和工
具结合,包括实物投入产出表(PIOT)、生态足迹分析(EFA)、网络分析、和生命周期分析(LCA)、局部均衡模
型等等,其分析问题的深度广度和对决策政策的支持功能也因此在逐渐强化[14]。
2摇 磷的物质流分析
由于其对人类社会的重要支持作用以及利用过程中的重要环境影响,磷元素一直物质流分析相关研究关
注的热点元素之一[12]。 目前世界各国在不同尺度、针对不同问题开展了大量磷元素的物质流分析[15],根据
研究尺度的不同,现有磷元素的物质流分析可以划分全球尺度、国家尺度、区域与城市尺度、企业及产品尺度
四个层次,其中国家尺度的研究是目前磷物质流分析研究的主流。
2.1摇 全球尺度
从全球尺度看,现有研究主要集中于核算人为活动导致的磷流动,以及这些人为活动导致的磷流动对磷
资源的耗竭速度和环境影响的加速和扰动效应(表 1)。 Smil[16]最早分析了全球磷的自然及人为循环,认为化
肥的施用、生活和工业废水的排放、持续的土壤腐蚀与流失以及作物秸秆和粪便的排放和利用加速了全球人
为磷代谢(P metabolism)强度,并估算到 2000 年全球人为活动导致的磷代谢强度将是其自然循环过程的
3倍。 Villalba等[17]和 Liu等[18]分别从生产和消费的角度量化了全球磷代谢过程,提出全球开采 80%的磷资
源用于生产磷酸和生产磷肥,但是全球耕地总体仍然面临着磷亏损问题。 Cornell等[4, 19鄄20]分析了全球食品生
产和消费体系的磷流动,比较了不同饮食偏好(diet preference)的磷需求,断言全球的磷峰值(P peak)将于
2030 年左右达到,现有磷资源仅能满足全球 50—100 年的需求,世界各国将普遍面临着“磷短缺(P scarcity)冶
问题。 van Vuuren等其它学者[21鄄23]却认为现有磷资源至少可满足 21 世纪的全球磷需求,全球磷生产的峰值
可能出现在 21世纪末期,到 24世纪缓慢下降 60%。 Scholz[24]认为现有评估都基于静态指标,如静态使用寿
命(Static Lifetime)、哈伯特曲线(Hubbert Curve)及赫芬达尔鄄赫希曼指数(Herfindahl鄄Hirschman Index)等等,
而这些静态指标实际上无法预测磷资源的物理性稀缺,因此必须构建考虑技术变革、生产链潜力、资源耗散特
征、存量变化、效率提升和循环利用的磷流动的动态模型来分析长期磷稀缺问题。 Koppelaar 和 Weikard[25]利
用 2009年的全球磷流动模型和局部均衡模型模拟分析了不同磷循环的技术和措施对全球磷资源耗竭速度的
影响,结果表明现有的磷矿资源可以维持至少到 22世纪磷资源的高消费使用,循环利用和减少磷资源使用的
技术措施将大幅提高磷资源储量的寿命,并将磷资源(包括潜在的磷资源储量)耗竭时间延长至 23 世纪
以后。
2.2摇 国家尺度
从国家尺度看,目前已经有 10 余个国家(包括跨国区域)开展了磷流动研究,包括欧盟[26]、美国[27鄄28]、澳
大利亚[29]、英国[30]、法国[31鄄32]、芬兰[33鄄35]、瑞典[36鄄37]、荷兰[38]、奥地利[12,39]、土耳其[12]、日本[40鄄41]、韩国[42]、马
来西亚[43]和中国[44鄄56](表 2)。 从研究问题看,国家尺度的研究更多关注农业行业或者食品生产和消费活动
对磷流动的扰动及其造成的环境影响,例如 Suh和 Yee[27]、Cordell 等[29]、Senthilkumar 等[31鄄32]、Chen 等[45]等。
其他的热点问题还包括社会经济系统的内涵(embodied P demand)、虚拟磷需求(virtual P requirement)和磷足
3986摇 20期 摇 摇 摇 陈敏鹏摇 等:磷元素物质流分析研究进展 摇
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迹(P footprint) [28,37,41];以及其他部门,例如林业部门[33]、能源部门[35]和钢铁行业[40,42]的磷流动特征以及不
同社会经济驱动力(经济发展、人口增长、饮食偏好的变化等等)对磷代谢的影响[44]。 从模型的特征看,国家
尺度的磷流动模型以静态模型为主,但是也有一些模型开始考虑磷的相关存量变化和动态特征[12,39,55]。
表 1摇 全球尺度磷元素的物质流分析及比较
Table 1摇 A review of global phosphorus (P) flow analysis
关注问题
Research problem
主要自然过程
Major natural processes
主要人为过程 /行业
Major human processes / sector
模型特征
Model features
时间
Time
文献来源
References
人为活动对磷元素自然循环
的扰动 Human disturbances on
natural cycles of P
大气沉降、侵蚀、径流、植物吸
收、海洋沉积、地质提升以及
磷在土壤和水体中的迁移
转化
化肥的生产和消费、作物吸
收、动物养殖、人类废物排放
以及人类活动对自然活动的
扰动和加速
静态 1990s [16]
从生产角度分析磷元素流动
P flow analysis from
production perspective
无
磷矿开采和加工、磷酸生产和
消费、磷肥及其他磷产品的生
产和消费
静态,但
描述了存
量变化
2004 [17]
从消费角度分析磷元素流动
P flow analysis from
consumption perspective
大气沉降、侵蚀、径流、植物吸
收、海洋沉积、土壤中磷的转
换和损失以及磷排放的环境
影响
种植业、养殖业、食品消费、其
它磷产品(主要是洗涤剂)的
消费、人类废物排泄和循环、
静态 2000s [18]
分析了食品系统的磷流动以
及磷资源的耗竭(磷峰值)
P flow analysis for food system
and P peak
无
磷矿开采、磷肥生产、种植业
(及废物排放)、养殖业(及废
物排放)、食品消费、人类废物
排泄
静态 2005 [4,20]
不同措施对全球磷流动的影
响 Impacts of different measures
on global P flow
侵蚀、径流损失
磷矿开采、磷肥生产、其他磷
产品的生产和消费 (洗涤剂
等)、工业废物排放、种植业
(及废物排放)、养殖业(及废
物排放)、食品消费、人类废物
排泄
静态 2009 [25]
表 2摇 国家和区域尺度磷元素的物质流分析及比较
Table 2摇 A review of phosphorus (P) flow analysis at regional or national level
国家
Country
关注问题
Research problem
主要自然过程
Major natural
processes
主要人为过程 /行业
Major human
processes / sector
模型特征
Model
features
时间
Time
文献来源
References
欧盟 15国
EU鄄15 磷流动的环境影响 侵蚀、淋失等过程
工业、消费、废水和废物处理及
排放、农业、相关产品的进出口 静态 2008 [26]
美国
USA
食品生产和消费过
程中的磷利用效率 无
磷矿开采、肥料生产、作物种植、
食品加工、畜禽产品加工、居民
生活、磷产品的进口
静态,与生
命周期分
析和投入
产出分析
结合
2007 [27]
美国
USA
美国农业的内涵磷
需求(embodied
phosphrus demand)
无
种植业、养殖业、磷肥和肥料贸
易、食品的进出口、食品加工、生
物能源
静态 2007 [28]
澳大利亚
Australia
食品生产和消费体
系的磷流动
土壤累积、向地表水
体的径流流失
磷矿开采、化肥、种植、畜牧业、
渔业、食品加工、食品消费、废水
和废物处理、磷肥等产品的进
出口
静态 2007 [29]
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续表
国家
Country
关注问题
Research problem
主要自然过程
Major natural
processes
主要人为过程 /行业
Major human
processes / sector
模型特征
Model
features
时间
Time
文献来源
References
英国 UK
食品生产和消费过
程中磷流动的闭合
管 理 ( closed鄄loop
management)
自然本底值、土壤累
积、向地表水体的径
流流失
养殖(包括集中养殖和畜牧)、
种植、食品和饲料生产和消费、
肥料生产和消费、废物废水管
理、处置和排放、相关产品的
进口
静态 2009 [30]
法国 France 食品生产系统的磷流动
大气沉降、径流、侵
蚀、淋失
种植业、养殖业、废物处理和排
放、废水处理和排放 静态 2002—2006 [31鄄32]
芬兰 Finland 林业部门的磷流动
向水体(地表水和海
水)的流失、森林的
生长
林业、造纸、林产品的进出口、其
他的工业部门、能源生产、废物
和废水处理和排放
静态 1995—1999 [33]
芬兰 Finland 食品生产和消费体系的磷流动
大气沉降、向水体的
迁移、土壤累积
种植业、养殖业、食品和饲料加
工业、林业产品生产、废水和废
物处理、处置和排放、相关产品
的进出口
静态 1995—1999 [34]
芬兰 Finland 能源部门的磷流动 无 木材生产、化石燃料、废物能源、废物管理
ImPACT
模型动
态描述
1900—2003 [35]
瑞典 Swede 农业和食品生产对磷流动的扰动 无
化肥消费、种植业、养殖业、渔
业、生物燃料、废水和废物处理
和排放、及相关产品的进出口
静态 2008—2010 [20,36]
瑞典 Swede
动物养殖体系的磷
足 迹 ( phosphorus
footprint)
无 饲料生产、畜禽养殖、食品加工、食品消费、废物废水处理和排放 静态 2012 [37]
荷兰 the Netherlands 农业的磷流动及其环境影响 无
食品工业、饲料工业、养殖业、种
植业、居民生活、废水废物处理
和排放
静态 2005 [20,38]
奥地利
Austria
磷 资 源 的 可 持 续
管理 无
农业、工业贸易、旅游、居民生
活、废物管理、废水管理、废水废
物排放
考虑了存
量变化 2001 [12]
奥地利
Austria
磷废物管理及其环
境影响 向水体的径流流失
种植业、养殖业、林业、化工、工
业(食品、饲料和肥料)、废物管
理、废水管理、消费、进出口
9个过程,
64种流
量,考虑存
量变化
2004—2008 [39]
土耳其
Turkey
磷 资 源 的 可 持 续
管理 无
农业、工业贸易、旅游、废物管
理、废水管理和排放、居民生活
考虑了存
量变化 2001 [12]
日本 Japan 钢铁行业废物的磷回用潜力
土壤累积,向水体的
迁移
化工、钢铁、化肥工业和消费、废
物处理、排放和回用共 15 个
部门
静态,与投
入产出分
析结合
2003 [40]
日本 Japan
经济系统的虚拟磷
需求(Vitural
phosphorus
requirement)
土壤累积,向水体的
迁移
食品和饲料生产、化工、工业(钢
铁)、化肥生产和利用、磷产品的
进出口、废水废物的排放
静态 2005 [41]
5986摇 20期 摇 摇 摇 陈敏鹏摇 等:磷元素物质流分析研究进展 摇
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续表
国家
Country
关注问题
Research problem
主要自然过程
Major natural
processes
主要人为过程 /行业
Major human
processes / sector
模型特征
Model
features
时间
Time
文献来源
References
韩国 South Korea
钢铁行业的磷流动
及 废 物 的 磷 回 用
潜力
土壤累积,向水体的
迁移
磷矿开采、种植、养殖、居民生
活、食品和饲料生产、化工、钢
铁、化肥生产和利用、废水和废
物处理和排放、磷产品的进出口
静态 2005 [42]
马来西亚
Malaysia
社会经济系统的磷
流动 无
农业、工业、居民、废水和废物
管理 静态 2007 [43]
中国 China
磷循环系统的结构
特征与物质利用效
率特征
径流、侵蚀等向水体
的迁移过程
磷矿开采、磷肥生产、种植业、养
殖业、居民生活、进出口 静态 2000 [44]
中国 China 农业生产体系的磷流动及其环境影响
土壤磷含量的变化、
向水体的淋失、流
失、大气沉降
种植业、养殖业、相关废水和废
物处理、废水废物的直接排放、 静态 2006 [45]
中国 China 化肥工业的磷效率 无 磷矿开采、磷肥生产及过程中涉及的废物处理和排放 静态 2003 [46]
中国 China 磷的循环利用及效率的变化
野生动物、野生植
物,磷在大气、海洋
和淡水中的迁移
转化
磷矿开采、磷肥生产、种植业、养
殖业、居民生活、废物和废水处
理、进出口
静态模型,
动态参数 2002 [47]
中国 China 城市食品消费体系的磷代谢 无 食品消费的废物、废水管理 静态模型 1985—2006 [48]
中国 China
食品产业链的磷流
动和磷足迹
(phosphorus
footprint)
向土壤和水体
的迁移
种植业、养殖、食品加工、食品消
费以及相关过程的废物和废水
处理和排放
静态 1980, 2005 [49鄄51]
中国 China 社会经济驱动力对磷代谢的影响
向土壤和水体
的排放
磷矿开采、磷肥生产、进出口、废
物管理和循环
考虑存量
变化 1980—2008 [52鄄55]
中国 China 奶牛产业的磷效率 无 奶牛的养殖、放牧、废物管理 静态 2010 [56]
2.3摇 区域和城市尺度
区域和城市尺度的研究包括在流域、城市和小区域(不跨国,例如省、县、区等等)水平进行的磷元素物质
流动研究。 与全球和国家层次的研究相比,该层次的研究比较少见。 目前开展了磷流动研究的流域包括中国
的滇池流域[57鄄58],巢湖流域[59鄄63]和北京密云水库[64];城市包括美国凤凰城[65],澳大利亚悉尼市[66]、瑞典
Linkoping市[67鄄68],瑞典的 Gothenburg市[69],越南的 Haiphong市[70],中国的北京[71]、天津[71]和合肥市[72]。 另
外 Wu 等[73]还针对安徽省开展了省水平磷利用效率的研究。 从模型特征来看,现有区域和城市尺度的磷流
动研究相对简单,以静态模型为主,主要关注农业和食品消费对水体的影响,尤其是对水体富营养化的影响。
2.4摇 企业和产品尺度
企业和产品尺度即针对具体企业、产品或者技术系统的磷物质流研究,目前相关研究很少,但是这类能够
传递的信息也最为具体,比较成熟的研究多与生命周期分析结合。 例如,Bai 等[74]研究了 2010年典型城市排
水系统不同技术选择对磷流动的影响,Asmala 和 Saikku 研究了[75]虹鳟鱼生产和消费体系的磷流动,分析水
产养殖业对水体富营养化的贡献。 Ridoutt 等[76]评估了具有磷高效利用特征的水稻系统的环境影响,表明该
水稻可以减少 68%的磷肥投入并大大减少磷肥向水体的流失。
6986 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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3摇 现有磷物质流分析研究的评述和展望
一般而言,现有研究将磷元素的流动途径区分为自然流动和人为流动,其中自然流动主要考虑大气沉降、
侵蚀、径流和淋失等过程,人为流动则按照研究尺度、研究问题、研究目的的不同区别为不同的子系统之间的
投入和支出。 然而,尽管研究尺度、问题和目的有所不同,现有磷的物质流动模型的结构有着很大的相似性,
其人为流动模块包括的子系统不外乎磷矿开采、磷肥生产、农业生产(作物种植、畜禽养殖、渔业、林业等)、其
他工业生产(例如洗涤剂、食品添加剂、饲料、饲料添加剂)、居民消费(包括食品和其他相关磷产品)以及废水
废物处理处置和排放。 由于更多关注人为活动对磷元素流动的扰动及其相应带来的环境影响,现有研究对自
然活动的磷流动过程(例如风蚀、水蚀、大气沉降、地表挥发、底泥释放等)的关注和描述较少,更无法考虑其
他元素流动对磷元素流动的影响。 因此,自然活动和人为活动的耦合研究,尤其是磷元素与其他重要元素的
耦合研究和比较将成为今后研究的重点。
从研究方法来看,现有的模型多数都是静态或者比较静态模型,同时考虑流量和存量变化的动态研究非
常少,与产业生态学中的其他方法,例如投入产出、生命周期分析和生态足迹等,结合也较少,但是模型的动态
化和与其他方法结合的相关研究正在增加。 例如 Suh和 Yee[27],Matsubae鄄Yokoyama 等[40]分别将物质流分析
与生命周期分析、投入产出结合,分析了美国和日本食品生产和消费过程的磷利用效率和回收潜力。 Metson
等[77]和 Straat[78]分别针对全球和瑞典养殖业构建了磷足迹模型。 因此,今后磷的物质流分析必须更多与产
业经济学及其他领域的各种模型和方法结合。 例如经济模型、生命周期分析、投入产出分析、生态足迹分析、
网络分析、可计算的一般均衡模型、个体行为模型等等结合,发展考虑存量变化的动态模型工具,以预测全球
变化、社会经济发展、技术变革、政策发展等长期变化对磷流动的扰动及其相应的环境影响。
从研究问题看,现有研究主要关注磷资源管理的六大问题:(1)磷资源需求峰值、耗竭时间( depletion
time)和对社会经济发展的关键作用;(2)农业、食品生产和消费对磷元素循环的扰动及其环境影响;(3)社会
经济系统的磷资源利用效率和总需求;(4)含磷废物废水的排放及其环境影响,尤其是对地表水体富营养化
的影响;(5)含磷废物废水的处理处置和回收潜力;以及(6)不同的管理和技术选择对磷资源可持续利用及其
向环境排放的影响。 其中研究最多的是第二类和第三类问题,研究最多的经济部门为农业部门。 然而,由于
不同国家和区域具有不同的磷资源禀赋,其关注的部门和磷管理问题也有很大差异。 例如日本和韩国作为磷
资源的进口国,格外关注从不同途径回收和利用各种磷资源,并开展了钢铁炉渣磷回收的潜力研究,结果表明
钢铁炉渣中的磷存量可以达到两个国家磷消费量的 10%以上,是两国最具回收潜力的磷资源[40,42]。 随着生
物燃料的发展加速,美国[28]和瑞典[36]在磷流动模型中区分生物燃料部门,以特别考虑生物燃料发展对磷流
动的影响。 但是在全球“磷短缺冶和环境剧烈变化的背景下,如何分析磷物质流动的长期变化、不同社会驱动
力对磷需求的影响以及全球变化对磷流量和存量的影响变得尤为重要。
综上所述,磷物质流分析及其相关研究未来关注的主要问题包括五大方面:(1)考虑社会驱动力(人口增
长、经济发展、技术变革和消费偏好)和存量变化的磷物质流动的长期动态模拟,以分析人类社会磷素需求的
峰值和拐点及其相应的环境影响。 (2)不同层次的磷足迹研究,包括社会经济发展的磷足迹以及不同产品的
磷足迹[78],以分析不同社会经济发展模式和不同产品对磷素总需求的影响,从而能够从磷素管理的角度分析
不同经济发展模式或者不同产品的优先性。 (3)磷元素与其他元素和物质相比(包括氮、碳、金属、水等),对
于人类社会经济发展的重要性[79鄄80],即分析在现有的需求和资源储量格局下,哪一种元素的供给必须优先保
障,一般而言元素的不可替代的作用越强,其供给越应该得到优先保障。 (4)全球变化(例如气候变化)背景
下,食品体系磷依赖的脆弱性[1],即分析全球变化是否会影响食品体系磷需求及其环境影响,例如温度升高
是否会降低磷肥的肥效从而导致磷肥的用量增加? 降雨空间格局和时间格局(极端降雨的增加)的变化是否
会增加磷的流失? (5)磷和其他元素的耦合流动研究,包括其他的重要营养元素(氮、碳、钾、硫)和金属元素
(铁、铀[81]、稀土金属等),以分析不同政策和战略对多种污染物或者多种资源管理的共生效益或者权衡。
7986摇 20期 摇 摇 摇 陈敏鹏摇 等:磷元素物质流分析研究进展 摇
http: / / www.ecologica.cn
参考文献(References):
[ 1 ]摇 Cordell D, Neset T S S. Phosphorus vulnerability:A qualitative framework for assessing the vulnerability of national and regional food systems to the
multidimensional stressors of phosphorus scarcity. Global Environmental Change, 2014, 24(1):108鄄122.
[ 2 ] 摇 United States Geological Survey (USGS). Mineral Commodity Summaries:Phosphoric Rock. USGS, 2014.
[ 3 ] 摇 Prud忆homme M. World phosphate rock flows, losses, uses. In:International Fertilizer Industry Association ( IFA), Phosphates 2010 International
Conference. Brussels, Belgium, 2010.
[ 4 ] 摇 Cordell D, Drangert J, White S. The story of phosphorus:global food security and food for thought. Global Environmental Change, 2009, 19(2):
292鄄305.
[ 5 ] 摇 Van Kauwenbergh S V. World Phosphorus Rock Reserves and Resources. International Fertilizer Development Center (IFDC), 2010.
[ 6 ] 摇 常苏娟, 朱杰勇, 刘益, 杨永超, 白光顺. 世界磷矿资源形势分析. 化工矿物与加工, 2010, 39(9):1鄄5.
[ 7 ] 摇 国土资源部. 中国矿产资源报告 2013. 北京:地质出版社,. 2013. (http: / / www.mlr.gov.cn / zwgk / qwsj / 201311 / t20131129_1294361.htm)
[ 8 ]摇 王邵东, 张红映. 中国磷矿资源和磷肥生产与消费. 化工矿物与加工, 2007, 36(9):30鄄32.
[ 9 ] 摇 Brunner P H, Rechberger H. Practical Handbook of Material Flow Analysis. Boca Raton London New York Washington, D C:Lewis Publishers,
2004:1鄄318.
[10] 摇 Huang C L, Vause J, Ma H W, Yu C P. Using material / substance flow analysis to support sustainable development assessment:A literature review
and outlook. Resources, Conservation and Recycling, 2012, 68:104鄄116.
[11] 摇 彭建, 王仰麟, 吴健生. 区域可持续发展生态评估的物质流分析研究进展与展望. 资源科学, 2006, 28(6):189鄄195.
[12] 摇 Seyhan D. Country鄄scale phosphorus balancing as a base for resources conservation. Resources Conservation and Recycling, 2009, 53 ( 12):
698鄄709.
[13] 摇 Chen W Q, Graedel T E. Anthropogenic cycles of the elements:A critical review. Environmental Science and Technology, 2012, 46 ( 16):
8574鄄8586.
[14] 摇 徐鹤, 李君, 王絮絮. 国外物质流分析研究进展. 再生资源与循环经济, 2010, 3(2):29鄄34.
[15] 摇 Chowdhury R B, Moore G A, Weatherley A J, Arora M. A review of recent substance flow analyses of phosphorus to identify priority management
areas at different geographical scales. Resources Conservation and Recycling, 2014, 83:213鄄228.
[16] 摇 Smil V. Phosphorus in the environment:natural flows and human interferences. Annual Review of Energy and the Environment, 2000, 25(1):
53鄄88.
[17] 摇 Villalba G, Liu Y, Schroder H, Ayres R U. Global phosphorus flows in the industrial economy from a production perspective. Journal of Industrial
Ecology, 2008, 12(4):557鄄569.
[18] 摇 Liu Y, Villalba G, Ayres R U, Schroder H. Global phosphorus flows and environmental impacts from a consumption perspective. Journal of
Industrial Ecology, 2008, 12(2):229鄄247.
[19] 摇 Cornell D, White S. Peak Phosphorus:Clarifying the key issues of a vigorous debate about long鄄term phosphorus security. Sustainability, 2011, 3
(10):2027鄄2049.
[20] 摇 Schr觟der J J, Cordell D, Smit A L, Rosemarin A. Sustainable Use of Phosphorus. Wageningen:Plant Research International, 2009.
[21] 摇 van Vuuren D P, Bouwman A F, Beusen A H W. Phosphorus demand for the 1970鄄2100 period:a scenario analysis of resource depletion. Global
Environmental Change, 2010, 20(3):428鄄439.
[22] 摇 Cooper J, Lombardi R, Boardman D, Carliell鄄Marquett C. The future distribution and production of global phosphate rock reserves. Resources
Conservation and Recycling, 2011, 57:78鄄86.
[23] 摇 Rawashdeh R, Maxwell P. The evolution and prospects of the phosphate industry. Mineral Economics, 2011, 24(1):15鄄27.
[24] 摇 Scholz R W, Wellmer F W. Approaching a dynamic view on the availability of mineral resources:What we may learn from the case of phosphorus?
Global Environmental Change, 2013, 23(1):11鄄27.
[25] 摇 Koppelaar, R H E M, Weikard H P. Assessing phosphate rock depletion and phosphorus recycling options. Global Environmental Change, 2013,
23(6):1454鄄1466.
[26] 摇 Ott C, Rechberger H. The European phosphorus balance. Resource Conservation and Recycling, 2012, 60:159鄄172.
[27] 摇 Suh S, Yee S. Phosphorus use鄄efficiency of agriculture and food system in the US. Chemosphere, 2011, 84(6):806鄄813.
[28] 摇 MacDonald G K, Bennett E M, Carpenter S R. Embodied phosphorus and the global connections of United States agriculture. Environmental
Research Letter, 2012, 7, doi:10.1088 / 1748鄄9326 / 7 / 4 / 044024.
[29] 摇 Cordell D, Jackson M, White S. Phosphorus flows through the Australian food system:Identifying intervention points as a roadmap to phosphorus
8986 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
http: / / www.ecologica.cn
security. Environmental Science and Policy, 2013, 29(9):87鄄102.
[30] 摇 Cooper J, Carliell鄄Marquet C. A substance flow analysis of phosphorus in the UK food production and consumption system. Resources Conservation
and Recycling, 2013, 74:82鄄100.
[31] 摇 Senthilkumar K, Nesme T, Mollier A, Pellerin S. Regional鄄scale phosphorus flows and budgets within France: the importance of agricultural
production systems. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2012, 92(2):145鄄59.
[32] 摇 Senthilkumar K, Nesme T, Mollier A, Pellerin S. Conceptual design and quantification of phosphorus flows and balances at the country scale:the
case of France. Global Biogeochemical Cycles, 2012, 26(2):12鄄25.
[33] 摇 Antikainen R, Haapanen R, Rekolainen S. Flows of nitrogen and phosphorus in Finland鄄the forest industry and use of wood fuels. Journal of Cleaner
Production, 2004, 12(8):919鄄934.
[34] 摇 Antikainen R, Lemola R, Nousiainen J I, Sokka L, Esala M, Huhtanen P, Rekolainen S. Stocks and flows of nitrogen and phosphorus in the
Finnish food production and consumption system. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2005, 107(2 / 3):287鄄305.
[35] 摇 Saikku L, Antikainen R, Kauppi P E. Nitrogen and phosphorus in the Finnish energy system, 1900鄄2003. Journal of Industrial Ecology, 2007, 11
(1):103鄄119.
[36] 摇 Linderholm K, Mattsson J E, Tillman A M. Phosphorus flows to and from Swedish agriculture and food chain. AMBIO, 2012, 41(8):883鄄893.
[37] 摇 Str覽覽t K D. Phosphorus Footprint Model:A Model Development and Application to the Swedish Bovine and Poultry Industries. Industrial Ecology,
Royal Institute of Technology, 2013.
[38] 摇 Smit A L, Van Middelkoop J C, Van Dijk W, Van Reuler H, De Buck A J, Van De Sanden P A C M. A Quantification of Phosphorus Flows in the
Netherlands Through Agricultural Production, Industrial Processing and Households. The Netherlands: Plant Research International, Part of
Wageningen UR Business Unit Agrosystems; 2010:56鄄56.
[39] 摇 Egle L, Zoboli O, Thaler S, Rechberger H, Zessner M. The Austrian P budget as a basis for resource optimization. Resources Conservation and
Recycling, 2014, 83:152鄄162.
[40] 摇 Matsubae鄄Yokoyama K, Kubota H, Nakajima K, Nagasaka T. A material flow analysis of phosphorus in Japan:The iron and steel industry as a
major phosphorus source. Journal of Industrial Ecology, 2009, 13(5):687鄄705.
[41] 摇 Matsubae K, Kajiyama J, Hiraki T, Nagasaka T. Virtual phosphorus ore requirement of Japanese economy. Chemosphere, 2011, 84(6):767鄄772.
[42] 摇 Jeong Y S, Matsubae鄄Yokoyama K, Kubo H, Par J J, Nagasaka T. Substance flow analysis of phosphorus and manganese correlated with South
Korean steel industry. Resource Conservation and Recycling, 2009, 53(9):479鄄489.
[43] 摇 Ghani L A, Mahmood N Z. Balance sheet for phosphorus in Malaysia by SFA. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 2011, 5(12):
3069鄄3079.
[44] 摇 刘毅, 陈吉宁. 中国磷循环系统的物质流分析. 中国环境科学, 2006, 26(2):238鄄242.
[45] 摇 Chen M, Chen J, Sun F. Agricultural phosphorus flow and its environmental impacts in China. Science of the Total Environment, 2008, 405(1 /
3):140鄄52.
[46] 摇 Zhang W F, Ma W Q, Ji Y X, Fan M S, Oenema O, Zhang F S. Efficiency, economics, and environmental implications of phosphorus resource
use and the fertilizer industry in China. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2008, 80(2):131鄄144.
[47] 摇 Fan Y P, Hu S Y, Chen D J, Li Y R, Shen J Z. The evolution of phosphorus metabolism model in China. Journal of Cleaner Production, 2009, 17
(9):811鄄820.
[48] 摇 Li G L, Bai X M, Yu S, Zhang H, Zhu Y G. Urban Phosphorus Metabolism through Food Consumption. Journal of Industrial Ecology, 2012, 16
(4):588鄄599.
[49] 摇 Ma L, Ma W Q, Velthof G L, Wang F H, Qin W, Zhang F S. Modeling nutrient flows in the food chain of China. Journal of Environmental
Quality, 2010, 39(4):1279鄄1289.
[50] 摇 Ma L, Velthof G L, Wang F H, Qin W, Zhang W F, Liu Z, Zhang Y, Wei J, Lesschen J P, Ma W Q, Oenema O, Zhang F S. Nitrogen and
phosphorus use efficiency and losses in the food chain in China at regional scales in 1980 and 2005. Science of the Total Environment, 2012, 434:
51鄄61.
[51] 摇 Wang F, Sims J T, Ma L, Ma W, Dou Z, Zhang F. The phosphorus footprint of China忆s food chain:Implications for food security, natural resource
management, and environmental quality. Journal of Environmental Quality, 2011, 40(4):1081鄄1089.
[52] 摇 刘征, 胡山鹰, 陈定江, 沈静珠, 李有润. 我国磷资源产业物质流分析. 现代化工, 2005, 25(6):01鄄06.
[53] 摇 马敦超, 胡山鹰, 陈定江, 李有润. 1980鄄2008年中国磷资源代谢的分析研究. 现代化工, 2011, 31(9):10鄄13.
[54] 摇 马敦超, 胡山鹰, 陈定江, 李有润. 中国磷消费结构的变化特征及其对环境磷负荷的影响. 环境科学, 2012, 33(4):1376鄄1382.
[55] 摇 Ma D C, Hu S Y, Chen D J, Li Y R. Substance flow analysis as a tool for the elucidation of anthropogenic phosphorus metabolism in China. Journal
of Cleaner Production, 2012, 29鄄30:188鄄198.
9986摇 20期 摇 摇 摇 陈敏鹏摇 等:磷元素物质流分析研究进展 摇
http: / / www.ecologica.cn
[56]摇 Bai Z H, Ma L, Oenema O, Chen Q, Zhang F S. Nitrogen and phosphorus use efficiencies in dairy production in China. Journal of Environmental
Quality, 2013, 42(4):990鄄1001.
[57] 摇 刘毅, 陈吉宁. 滇池流域磷循环系统的物质流分析. 环境科学, 2006, 27(8):1549鄄1553.
[58] 摇 Liu Y, Chen J N, Mol A P J, Ayres R U. Comparative analysis of phosphorus use within national and local economies in China. Resources
Conservation and Recycling, 2007, 51(2):454鄄474.
[59] 摇 武慧君, 袁增伟, 毕军. 巢湖流域农田生态系统磷代谢分析. 中国环境科学, 2010, 30(12):1658鄄1663.
[60] 摇 Yuan Z W, Liu X, Wu H J, Zhang L, Bi J. Anthropogenic phosphorus flow analysis of Lujiang county, Anhui province, Central China. Ecological
Modelling, 2011, 222(8):1534鄄1543.
[61] 摇 Yuan Z W, Li S, Bi J, Wu H J, Zhang L. Phosphorus flow analysis of the socioeconomic ecosystem of Shucheng County, China. Ecological
Applications, 2011, 21(7):2822鄄2832.
[62] 摇 Wu H J, Yuan Z H, Zhang L, Bi J. Eutrophication mitigation strategies:perspectives from the quantification of phosphorus flows in socioeconomic
system of Feixi, Central China. Journal of Cleaner Production, 2012, 23(1):122鄄137.
[63] 摇 Bi J, Chen Q Q, Zhang L, Yuan Z W. Quantifying phosphorus flow pathways through socioeconomic systems at the county level in China. Journal of
Industrial Ecology, 2013, 17(3):452鄄460.
[64] 摇 王晓燕, 阎恩松, 欧洋. 基于物质流分析的密云水库上游流域磷循环特征. 环境科学学报, 2009, 29(7):1549鄄1560.
[65] 摇 Metson G S, Hale R L, Iwaniec D M, Cook E M, Corman J R, Galletti C S, Childers D L. Phosphorus in Phoenix: a budget and spatial
representation of phosphorus in an urban ecosystem. Ecological Applications, 2012, 22(2):705鄄721.
[66] 摇 Tangsubkul N, Moore S, Waite T D. Incorporating phosphorus management considerations into wastewater management practice. Environmental
Science and Policy, 2005, 8(1):1鄄15.
[67] 摇 Neset T S S, Bader H P, Scheidegger R, Lohm U. The flow of phosphorus in food production and consumption鄄Linkoping, Sweden, 1870鄄 2000.
Science of the Total Environment, 2008, 396(2):111鄄120.
[68] 摇 Neset T S S, Drangert J O, Bader H P, Scheidegger R. Recycling of phosphorus in urban Sweden:a historic overview to guide a strategy for the
future. Water Policy, 2010, 12(4):611鄄624.
[69] 摇 Kalmykova Y, Harder R, Borgestedt H, Svanang I. Pathways and management of phosphorus in urban areas. Journal of Industrial Ecology, 2012,
16(6):928鄄939.
[70] 摇 Aramaki T, Thuy N T T. Material flow analysis of nitrogen and phosphorus for regional nutrient management:case study in Haiphong, Vietnam / /
Fukushi K, Hassan K M, Honda R, Sumi A. Sustainability in Food and Water. Netherlands:Springer, 2010:391鄄399.
[71] 摇 Qiao M, Zheng Y M, Zhu Y G. Material flow analysis of phosphorus through food consumption in two megacities in northern China. Chemosphere,
2011, 84(6):773鄄778.
[72] 摇 Li S S, Yuan Z W, Bi J, Wu H J. Anthropogenic phosphorus flow analysis of Hefei city, China. Science of the Total Environment, 2010, 408
(23):5715鄄5722.
[73] 摇 Wu H J, Yuan Z W, Zhang Y L, Gao L M, Liu S M. Life鄄cycle phosphorus use efficiency of the farming system in Anhui province, Central China.
Resource Conservation and Recycling, 2014, 83:1鄄14.
[74] 摇 Bai H, Zeng S Y, Dong X, Chen J N. Substance flow analysis for an urban drainage system of a representative hypothetical city in China. Frontier
in Environmental Science and Engineering, 2013, 7(5):746鄄755.
[75] 摇 Asmala E, Saikku L. Closing a loop:substance flow analysis of nitrogen and phosphorus in the rainbow trout production and domestic consumption
system in Finland. AMBIO, 2010, 39(2):126鄄135.
[76] 摇 Ridoutt B G, Wang E L, Sanguansri P, Luo Z K. Life cycle assessment of phosphorus use efficient wheat grown in Australia. Agricultural Systems,
2013, 120:2鄄9.
[77] 摇 Metson G S, Bennett E M, Elser J J. The role of diet in phosphorus demand. Environmental Research Letters, 2012, 7(4):44043鄄44053.
[78] 摇 Shaw A, Barnard J. What is your phosphorus footprint? Proceedings of the Water Environment Federation, 2011, (12):4422鄄4429.
[79] 摇 Erdmann L, Graedel T E. Criticality of non鄄fuel minerals:A review of major approaches and analysis. Environmental Science and Technology,
2011, 45(18):7620鄄7630.
[80] 摇 Graedel T E, Barr R, Chandler C, Chase T, Choi J, Christoffersen L, Friedlander E, Henly C, Jun C, Nassar N T, Schechner D, Warren S,
Yang M Y, Zhu C. Methodology of metal criticality determination. Environmental Science and Technology, 2012, 46(2):1063鄄1070.
[81] 摇 Ulrich A E, Schnug E, Prasser H M, Frossard E. Uranium endowments in phosphate rock. Science of the Total Environment, 2014, 478:226鄄234.
0096 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇