基于“磷足迹-物质流”耦合的城市食物系统磷流定量分析与评价

Today, concerns prevail about the unsustainable use of phosphorus and food security, which are challenges to sustainable development for society. With increasing population in urban areas, the consumption of phosphorus through food system in cities may significantly affect the depletion of phosphorus resource in the upstream. How to comprehend the mechanism of the effects from phosphorus metabolism through urban food system on phosphorus demand from its background system is one of key questions for cities worldwide, which is particularly serious in China for its sever environmental and resource problems associated with rapid urbanization. Using the city of Beijing as a case study, this research project attempts to develop a method coupling phosphorous footprint with substance flow analysis, aiming to (1) understand the mechanism of the impacts from phosphorus metabolism through urban food system on phosphorus demand from its background system; (2) analyze the impacts of various scenarios of future urban development and management on phosphorus demand in food system; and (3) explore implications and potential pathways for sustainable management of urban phosphorus flows. The outcomes of this research will provide valuable insights on sustainable use of phosphorus in the whole food chain from a systems perspective.

可持续利用有限磷资源并保证粮食安全是人类社会发展面临的重大挑战之一。城市是社会经济系统和环境的重要组成部分，城市的食物供给很大程度上影响着上游磷资源的消耗。特别是随着贸易的增加，如何从系统的角度揭示城市内部食物系统的磷物质代谢与外部系统磷资源环境的联动效应，是国内外可持续发展亟待解决的科学问题。我国城市化进程快，资源环境问题突出，在食物系统磷资源的可持续化利用道路上面临着更大的挑战。本项目以北京市为案例，通过构建基于"磷足迹-物质流”耦合的磷流定量分析模型，阐明城市内部系统的磷物质代谢对外部系统磷的资源环境连带效应机理，分析未来城市发展及管理的不同情景对系统磷资源的影响，从系统的角度探讨城市食物系统磷资源管理方法和途径，为实现整个食物系统生产消费链条上的磷资源可持续化利用提供科学依据。

磷是维持生物体基本活动不可或缺的重要营养元素之一，磷在自然界中主要存在形式磷矿石，是工业生产中重要的不可再生资源。本课题以我国典型超大城市北京市为例，采用文献数据搜集和实地调研等方式，通过物质流分析方法构建模型、“物质流-磷足迹”结合和未来情景分析等方法，明确了北京市食物系统磷养分流动特征，探究了北京市食物系统内部需求引起的外埠虚拟磷流动特征，比较了不同食物产生的磷足迹，并结合未来情景预测了未来北京市食物系统磷流动情况。主要结果如下：1. 2016年北京市磷素总输入量约为29800吨，主要集中投入于农业生产和居民消费两大子系统中，总损失磷约21400吨，磷素利用效率仅为28%。其中，高达近13800吨的外来磷素来源于外埠食物输入，用来补足居民食物需求缺口，占总输入量的46%。2. 2016年由北京市居民食品消费需求引导的人均外埠磷足迹达4.61千克/（人·年），所需的磷矿石总量约为109000吨。2016年北京市食物消费磷足迹最高的是谷物，约为63.5千吨，远高于其它食物。其次是羊肉，其产品消费磷足迹总量约为17.0千吨。禽蛋和豆类产品磷足迹总量位于其后，蔬菜、水果和水产品的产品磷足迹总量较少。总体上，植物性食品的单位磷足迹高于动物性食品。3. 在北京市未来不同饮食情景探究中发现，北京市原有的饮食模式下，果蔬及肉类的消费量均远高于素食模式。饮食发展纲要模式和素食膳食模式是相对健康、对资源和环境产生的影响小的饮食习惯类型，因而合理地推崇以上两种膳食模式能够一定程度上减少资源损失和环境污染。4. 谷物、牛羊肉、水产在首都功能核心区的消费量显著高于其它区，分别为103.31千克/（人·年）、9.35千克/（人·年）、5.58千克/（人·年）和15.09千克/（人·年）。主城区的总体产品磷消费量较高，并且谷物的消费量显著高于郊区。若居民的饮食习惯按照郊区趋向于城区的方向发展，即食物总体摄入水平上升、谷物和蛋奶等动物产品消费量上升，则北京市食物系统磷流动也会相应增大，对磷资源和周边环境的影响也将增大。