谢丽纯， 陈建耀， 薛积彬

(1.广东财经大学 地理与旅游学院，广州 510320；2.中山大学 地理科学与规划学院，广州 510275； 3.华南师范大学 地理科学学院，广州 510631)

在自然界中，磷没有稳定的气态存在形式，它主要靠吸附于颗粒进行扩散、传播，限制了其在大气中的存留时间和全球性扩散[1].与磷循环有关的一些生态环境问题(诸如水体富营养化等)进一步加剧，全球约60%左右的人口都生活在近海岸带地区(<100 km)，由于接受过量营养元素而导致的海岸带地区水体富营养化问题已经成为当前区域性乃至全球性的重要议题[2-3].

近年来，在估算区域性磷收支方面受到广泛关注[1,4-8]，对于经济发展迅速、城市化过程显著、人口密集的珠江三角洲地区，尚未见有关于磷收支评估的报道.本文以珠江三角洲地区作为研究区，选择了过去3个“五年计划”的收官之年2000年、2005年和2010年作为特征年份，通过对工业、农业、环保和人口等相关数据的数理统计分析，探讨了在过去10年中城市化进程迅速、人类活动加强的背景下，该地区磷收支变化的阶段性特征以及区域内部差异，以期增强对该地区磷收支的理解与管理.

1 资料与方法

1.1 数据来源

本文涉及的珠江三角洲地区包括广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门和肇庆市[9]，国土总面积约5.5×104km2，约占广东全省面积的30.4%，总人口约5 600万，约占全省总人口的50.8%(据2010年数据).统计数据源于历年《广东省统计年鉴》，包括国土面积、人口、农业、工业和环保等，涉及指标共12类，部分指标列于表1.

1.2 估算方法

区域性磷收支过程主要包括磷的输入、输出和盈余3个环节. 通过大量统计数据与分析，计算磷的输入、输出.

1.2.1 磷的输入 区域内磷的输入主要包括农业生产中化肥施用磷、人畜排泄物磷、大气干湿沉降磷及部分返田作物残体带来的磷. 为简化处理，不考虑自然状态下土壤风化释放以及农产品进出口等磷的收支情况，统计指标与计算方法如下：

(1)化肥磷：根据广东省2000年、2005年和2010年施用的磷肥折纯量和各市农作物播种面积占全省农作物播种面积的比例分开计算.其中，农作物播种面积为粮食作物、经济作物和其他农作物之和.

(2)人畜排泄物磷：按照年鉴中历年全省、各市人口和猪、牛存栏量及其各自的固磷转换参数分开计算.参照Russell等[6]提供的数据，人、猪和牛的磷输入参数分别约为1.00、3.03和16.06 kg·a-1，据此乘以数量即人畜排泄物含磷总量，其中成年人口按总人口的85%计算.

表1 2010年珠三角地区九市部分情况统计Table 1 Selected statistics data of the nine cities in the Pearl River Delta in 2010

(3)大气干湿沉降磷：珠三角地区大气磷的干湿总沉降通量参照樊敏玲等[10]提供的中山横门地区大气磷的干湿总沉降通量(约0.055 g·m-2·a-1)来计算.

(4)作物残体磷：以残体部分/食用部分比值计算作物残体部分的质量[11]，在作物收获部分中，约38%左右的作物残体将以肥料的形式返回农田[12]，因此在计算返田作物残体的磷输入量时仅计算38%的作物残体所包含的磷.不同作物残体含磷量参照表2[7,11].

表2各类农作物茎叶种子质量比及其磷含量

Table 2 The stems/seeds ratio and phosphorus concentration in different crops

作物种类磷含量[7]/%种子(果实)茎叶(秸秆)茎叶/种子质量比[11]稻谷类0.360.131.2豆类0.480.201.6油料(花生)0.310.151.7蔬菜0.10-0.5

1.2.2 磷的输出 磷输出主要考虑作物收获部分带走的磷、畜禽存储的磷和土壤侵蚀、水土流失等途径损失的磷. 统计指标与计算方法如下：

(1)土壤侵蚀、水土流失损失的磷：土壤侵蚀、径流淋洗和水土流失是区域内磷流失的重要途径，本文依据杨胜天等[13]提供的珠江流域因土壤侵蚀、水土流失等所导致的单位面积平均磷流失量(约95 kg·km-2)来进行估算.

(2)作物收获带走的磷：作物收获部分包括食用部分与非食用部分. 根据各种作物茎叶/种子质量比以及不同部位的平均含磷量(表2)，对作物收获部分带走的磷分开进行计算.

(3)畜禽储存的磷：参照Russell等[6]提供的数据，扣除掉以排泄物形式返还到环境中的磷外，一头猪和一头牛每年在其活体内储存的磷分别为0.82和6.02 kg·a-1，乘以数量即为畜禽活体从环境中带走的磷.

(4)径流输出磷：根据不同土地利用类型下磷的径流迁移系数(旱地和水田分别为1.65和0.45 kg·hm-2·a-1)[8]，结合同一时期种植面积，分别计算了不同时期通过径流输出的磷量.

2 结果与讨论

2.1 珠三角地区磷收支总体情况

根据珠三角地区九市2000年、2005年和2010年统计数据，估算了磷收支的总体变化情况(表3). 磷输入总量在2005年比2000年稍有下降，2010年比2000年略有增加，变化幅度约6%，然而，磷输出总量近10来年则显著减少，2010年的磷输出量比2000年缩减了约25%.由于磷输入、输出量之间的非协同变化，导致珠三角地区的磷盈余量明显增加，单位面积磷盈余量随之增加.实际上，当区域内磷的输入与输出量出现不均衡时，造成土壤贫瘠或水体富营养化等污染潜势. 在过去10年中，珠三角地区的磷盈余总量及单位面积磷盈余量均出现不同程度的增加，表明磷素污染潜势日益加剧，科学、合理的管理好本地区的磷收支已经成为当前珠三角地区生态环境保护的重要任务.

表3不同时期珠三角地区磷收支总体情况

Table 3 Phosphorus budgets of the Pearl River Delta in the past decade

磷收支年份200020052010输入磷/t144 506.38138 771.14147 317.40输出磷/t52 635.8045 584.8139 484.53磷盈余量/t91 870.5893 186.34107 832.88单位面积磷盈余量/(kg·hm-2·a-1)16.7917.0319.70

2.2 珠三角地区磷输入量及其地区差异

图1表明，在过去3个不同时期，珠三角地区磷输入的最大来源均为人畜排泄物磷，其历年贡献量均占输入磷总量的50%以上，其次为化肥磷，其平均贡献量约43%，而大气磷干湿沉降量和作物残体磷所占比例甚小，两者贡献量之和不足5%.这一结果同国内其他地区的研究[7,8]基本一致，人畜排泄物磷和化肥磷是区域内磷输入的主要来源. 其原因在于，珠三角地区工农业发展情况良好，经济发达，人口数量众多，以及由此引发对肉类、蛋禽、奶类等的需求量巨大，猪、牛等牲畜的畜养量很大，使该地区人畜排泄物成为磷输入的重要来源.化肥磷输入是珠三角地区磷输入量中仅次于人畜排泄物磷的另一重要来源，主要源于该地区农业较为发达，化肥施用量普遍较高. 土壤侵蚀、水土流失等途径损失的磷量相应增加.另一个显著特点是，从不同磷输入源的数量变化来看，人畜排泄物磷的输入量逐年增大，2000、2005和2010年磷输入量分别为72 434.87、74 834.97、80 074.78 t；与此相反，作物残体磷的输入量在过去10年中呈下降趋势，分别为2 850.72、1 693.14、1 405.76 t，在10年间总量减少了50%.上述现象在一定程度上反映了近10年来珠三角地区人口(特别是大量外来务工人员)数量的大幅度增加，而作物残体磷输入量的减少说明城市化发展较为迅速，农业种植面积有所降低.

图1 不同时期珠三角洲地区磷输入来源分布情况

Figure 1 Distribution and comparison of the phosphorus inputs in different periods

珠三角各地区磷输入量具有显著的区域差异(图2), 图中虚线表示珠三角地区平均状况，以肇庆地区磷输入总量最大，其余依次为广州、江门、惠州、佛山、东莞、深圳、中山、珠海，说明肇庆、江门、惠州等地区农业种植面积相对较大，化肥磷施用量大，化肥输入磷成为这些地区磷输入的重要来源.佛山、东莞、深圳、中山和珠海的农业种植面积较小，化肥的需求量较小，使人畜排泄物磷成为这几个城市磷输入的重要来源. 广州市面积较大、人口众多，且农业种植面积大，使得化肥磷和人畜排泄物磷两者所占比例基本相当.

图2 不同时期珠三角地区各市磷输入总量和单位面积输入量

从各地区单位面积磷输入量(图2)来看，除了深圳、东莞和珠海历年变化较为显著之外，其余城市总体变化幅度不大. 深圳的单位面积磷输入量由2000年的37.68 kg·hm-2·a-1持续上升至2010年的48.86 kg·hm-2·a-1，其中，以人畜排泄物磷的贡献量为最大并逐年增长，2000, 2005和2010年磷输入总量分别为6 837.24、7 417.0和9 130.89 t，在10年间总量增加了约33%. 同2000年相比，东莞和珠海在2010年的单位面积磷输入量均有显著降低，而化肥磷输入量的显著减少是主要原因. 特别是珠海的化肥磷输入量从2000年的4 430.55 t下降至2010年的843.08 t，在10年间总量缩减了约80%，反映了珠海市农业种植面积的减少以及快速的城市化发展过程.

2.3 珠三角地区磷输出量及其地区差异

不同时期珠三角地区磷输出的计算结果(图3)表明，珠三角地区磷输出途径主要以农作物收获带走的磷为主，其贡献量约占全部磷输出总量的60%以上，其次为畜禽存贮的磷，约占23%左右，经土壤侵蚀和水土流失等损失的磷所占份额相对较小，平均约占11%左右，通过径流损失的磷数量最少，约占2%左右.与王晓燕等[7]、刘京等[8]的研究一致，揭示了农作物收获带走的磷是区域内磷输出的最主要途径. 珠三角地区平原分布面积较广，植被覆盖度较好，水土保持工程和措施较为理想，因此珠三角地区因土壤侵蚀、水土流失等途径损失的磷所占份额相对较少.

图3 不同时期珠三角地区磷输出途径的分布

Figure 3 Distribution and comparison of the phosphorus outputs in different periods

图4是不同时期珠三角地区磷输出总量，虚线表示平均值，磷输出总量呈逐年降低趋势，从2000年的5 848.42 t降至2010年的4 387.16 t. 贡献量最大的是作物收获带走的磷，其输出量从2000年的36 150.91 t减少至2010年的24 753.81 t，在10年间数量减少了约1/3，说明珠三角地区作物种植面积有所减少；其次为畜禽存储的磷，2010年磷输出量较2000年时减少了约1 800 t.在磷输出的地区分布上，磷输出量最多的是肇庆，其余依次是江门、惠州、广州、佛山、中山、东莞、珠海、深圳，说明与农业种植面积、畜禽饲养量以及水土保持情况具有重要关系.特别是肇庆、江门和惠州3个地区，每年都会因农作物收获而带走大量的磷.此外，珠三角地区单位面积磷输出量显著降低.佛山、广州、江门、肇庆、中山等城市的单位面积磷输出量仍然偏高.

图4 不同时期珠三角地区各市磷输出总量和单位面积输出量

2.4 珠三角地区磷盈余变化

对珠三角地区磷盈余量的计算结果(表3，图5)发现，在过去10年中，珠三角地区的磷盈余总量逐年增加，由2000年的91 870.58 t增加到2010年的107 832.88 t. 从整个珠三角地区单位面积磷盈余量的阶段变化来看，2000、2005和2010年分别为16.79、17.03和19.70 kg·hm-2·a-1，呈增长趋势.同国内其他小流域[8]的磷盈余量相比，珠三角地区的单位面积磷盈余量尚偏低，略低于全国平均水平[14]. 从地区分布来看，珠三角地区磷盈余总量变化具有显著的区域差异，尤以肇庆磷盈余总量最大，其余依次为广州、江门、惠州、佛山、东莞、深圳、中山、珠海.从单位面积磷盈余量的平均状况来看，最高的是深圳，其余依次是东莞、佛山、广州、中山、珠海、江门、肇庆、惠州，特别是对于深圳、东莞、佛山、广州和中山等城市而言，其单位面积磷盈余量明显高于珠三角地区的平均水平，意味着上述5个城市的环境中潜在的磷素污染形势更为严峻.

图5 不同时期珠三角地区各市磷盈余总量和单位面积盈余量

3 结论

通过对2000年、2005年和2010年特征时段，珠三角地区工业、农业、环保、自然条件和人口分布等相关数据的收集与数理统计分析，探讨了该地区在过去10年中的磷收支演变情势及其区域内部差异.结果表明，在过去的3个不同时段：

(1)珠三角地区磷的输入、输出总量变化不同步. 导致珠三角地区的磷盈余量呈现出较为明显的增加趋势，单位面积磷盈余量也随之增加.

(2)在珠三角地区，人畜排泄物磷和化肥磷是磷输入的主要来源，作物收获带走的磷是区域内磷损失的主要途径.反映了近10年来人口(特别是外来人口)数量增加，城市化快速发展、农业种植面积及粮食产量等下降.

(3)珠三角地区磷收支变化具有显著的内部区域差异.特别是深圳、东莞、佛山、广州和中山等城市潜在的磷素污染形势较为严峻.

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