中国磷足迹时空变化特征及其未来趋势和调控研究

China has been faced with severe situation of phosphorus crisis and the lake eutrophication. In order to mitigate the resource and environment pressure from activities related to phosphorus utilization, it is important to analyze the spatiotemporal variation and future trend of them. However, previous studies have focused on quantifying the phosphorus flows, but the insight into the pressures has not been fully explored. Taking the pressures from phosphorus related activities as research object, this study will define the concept of phosphorus footprint from the perspective of resource and environment, and develop the quantitative model based on substance flow analysis approach. Then, we will depict the phosphorus footprint of China at the provincial scale during 1978-2020, and characterize the spatiotemporal variation of China’s footprint based on indicators like total amount, intensity, structure and sources, and methods like spatial auto-correlation model, barycenter and disequilibrium approach. We will also analyze the factors driving the changes in China’s phosphorus footprint based on STIRPAT model. On this basis, we will establish the prediction model for phosphorus footprint using system dynamic method and develop phosphorus footprint scenario during 2021-2050, based on which the mitigating strategies will be provided. This study will improve the definition, model framework and analytical methodology of phosphorus footprint and provide a paradigm for the regulation of other resources. Besides, this study will also provide theoretical foundation for the sustainable management of phosphorus resources.

人类对磷的利用活动（涉磷活动）造成了巨大的资源环境压力，定量分析其时空特征和影响因素是进行优化调控的基础。但此前的研究局限于刻画磷流格局，缺乏对涉磷活动资源环境压力的深入分析。本研究拟以涉磷活动的资源环境压力为研究对象，首先从资源和环境两个角度定义磷足迹的内涵，在磷的生命周期过程分析的基础上建立磷足迹模型，定量刻画1978-2020年中国省级层面的磷足迹；采用总量、强度、结构、来源、空间自相关模型、重心指数和不均衡指数分析磷足迹时空演化规律和分布特征，并采用STIRPAT方法定量分析磷足迹变化的影响因素；在此基础上建立磷足迹的系统动力学预测模型，对2021-2050年我国磷足迹的趋势进行情景模拟，最后提出优化调控的对策建议。本研究在理论上将完善磷足迹内涵、模型框架及分析方法体系，为其他资源的相关研究提供借鉴；在实践上将为我国制定磷资源的可持续管理政策提供科学依据。

本研究从资源和污染双重视角界定了食物消费磷足迹内涵及其核算模型，分析了中国省域尺度城乡居民食物消费磷足迹的时空分布特征，并综合采用驱动压力响应模型和空间自相关分析方法，揭示了磷足迹变化的影响因素及其空间异质性特征，在磷足迹内涵界定及其计算模型构建的基础上，探究了中国城乡居民食物消费磷足迹的时空格局，并解析了其驱动机制。结果表明：1978~2018年间,中国食物消费磷资源和磷污染足迹分别增长了6倍和4倍，达到2018 年的715.9 万t 和78.7 万t，其中城镇居民是主要贡献源，占比分别达到67%和64%.从结构上看,城乡食物消费磷资源足迹均由荤食主导，其中家禽、水产品和蛋奶消费的磷资源足迹占比不断增加；而磷污染足迹主要源于上游食物生产过程,其中种植业和水产养殖业增幅最为显著.我国31 个省市食物消费磷资源足迹和磷污染足迹在空间分布上具有一致性,呈现从东向西减小的趋势，东部省市诸如广东、上海、江苏、北京和山东等远高于其他地区，并且具有高度的空间集聚性，在东部沿海形成高-高(H-H)聚集区。因此调控磷开发利用活动的资源环境压力需要着眼于这些重点区域。我国食物消费磷足迹增长的关键驱动因素是利用效率下降、消费水平提升和饮食结构改变，因此有效提升食物生产的养分利用效率和引导合理的消费理念和饮食习惯是减缓磷的开发活动资源环境压力的重要途径。研究成果为我国实现磷足迹有效调控提供数据支持。