引言

长江经济带横跨我国东、中、西三大区域，沿线覆盖了11个省市，面积约205万km²，是新时期我国经济发展的重要战略支撑带，也是引领我国经济高质量发展的生力军。磷资源是长江经济带的重要战略资源，是经济社会发展的重要物质基础，据资料统计，全国98.2 % 的磷矿石产自长江经济带^①。自2016年习近平总书记在推动长江经济带发展座谈会上提出“修复长江生态环境，不搞大开发”以来，在“生态优先、绿色发展”核心理念的指导下，长江经济带沿线各省市生态环境破坏和污染趋势减缓。然而，受困于资源与能源的过度消耗，目前，长江经济带水资源与水生态维护依然面临“生态支出成本上升”与“生态质量恶化加剧”的双重压力^[1]，并且随着化学需氧量、氨氮减排工作的不断推进，长江经济带水体首要污染指标已转变为总磷污染^{[2, 3]}，主要表现为中下游湖泊水体富营养化和长江口赤潮问题，究其根本原因是磷的社会代谢结构不合理所引发的生态后果^[4]。因此，如何整体把握并系统调控磷代谢过程、识别水体磷的主要来源对遏制持续恶化的磷污染难题具有举足轻重的意义。那么，现阶段长江经济带总磷污染特征究竟如何？其水体磷负荷又主要来源于哪些关键环节呢？这都是值得政府、学术界及长江沿岸利益群体深入研究的重要问题。

① 数据来源于2017年长江经济带沿线11个省市统计年鉴。

针对上述问题，目前学者们主要通过监测法、排污系数法从水质演变特征^[5-7]、沉积物及土壤磷分布特征^[8-10]、磷污染影响因素^[11-13]等方面对长江部分流域的总磷污染问题展开研究，重点关注了沱江、岷江、三峡库区、长江口等流域总磷污染情况。续衍雪^[2]等利用地表水检测断面水质数据及沿线省份涉磷污染源的调查数据，分析了长江经济带总磷污染的现状与来源。以上文献主要研究了基于废水减排和处理的长江流域总磷污染问题，为长江经济带总磷污染减量化研究奠定了理论和实证基础，但存在对总磷污染负荷与来源的方法研究较少的问题，估算方法较为单一，更鲜有全面、系统地从相互关联的角度考虑总磷污染物减量化的研究，对样本环境监测数据的依赖较大，适用范围较为片面。

本文认为，关于长江经济带总磷污染的治理研究不应该只是涉及某一具体环节或某一行为主体，而应该是从源头到最终排放的全过程的减量化研究。基于此，本文运用元素流分析方法，解析长江经济带社会经济系统磷代谢主要过程，建立磷代谢框架和磷流核算模型，以湖北长江经济带为例，系统地审视磷代谢过程及其规律，定量地追溯水体磷来源，并提出了减少长江经济带总磷污染的建议与对策，为减少区域水体总磷污染、实现长江经济带绿色高质量发展提供决策依据。

1 长江经济带社会经济系统磷代谢方法与代谢过程解析 1.1 基于元素流分析的磷代谢方法

从物质代谢角度考察社会经济系统中的物质流动与环境问题的关联关系是近年来经济学研究中的热点，有关物质代谢的研究方法较多，目前应用较为广泛的有物质流分析、生命周期评价、生态足迹分析、投入产出表、可持续过程指标等。其中，元素流分析（SFA）作为物质流分析方法中的一种，依据物质守恒定律，定量分析某一特定系统的特定化学元素或化合物输入与输出及其背后的隐流问题^{[4, 14]}，是研究系统代谢过程对自然生态环境造成的直接和间接影响的有力工具。其优点在于能解决具体的环境问题，通过分析元素在系统中流动的源、路径及汇，探寻主要污染来源和元素流动关键环节，模型简洁易懂、数据需求和政策模拟适中^[4]。目前，尽管已有学者基于元素流分析方法对社会经济系统中的磷流展开了分析^[15-22]，为本文的研究提供了一定的经验与方法，但遗憾的是，现有研究以国家尺度为主，重点关注农业或食品消费等某一具体过程或某一行为主体对水体富营养化的影响，较少从系统整体的角度研究社会经济系统全过程的总磷污染减量问题。基于此，本文选择元素流分析方法，就磷元素在长江经济带社会经济系统的流动过程开展深入研究，全面、系统地解决总磷污染减量的问题。

元素流分析研究步骤如下：

（1）目标和系统界定。明确问题，根据问题确定研究目标，并界定系统边界，主要包括物质、时间、空间。

（2）分析框架的确定。根据社会经济系统磷代谢过程构建代谢框架图，确定各个节点需要核算的指标。

（3）建立磷流核算模型。提出相关模型假设，通过3类物质平衡方程（定值方程、从属方程和平衡方程）列出各个磷流核算指标方程式，并确定相应参数的含义。

（4）数据的获取和计算。通过相关统计年鉴及参考文献确定相应参数的取值，并计算各个节点的磷输入输出量。

（5）分析结果的解释。综合分析讨论社会经济系统磷的流动情况，以物质输入为基准，通过相应指标与物质输入的比值计算系统的物质生产率、养分循环率、废物累积率以及污染排放率，如表 1所示，剖析磷流动过程及其流动效率，解剖磷最终进入水环境的总体强度及其比例分配，探寻影响水体生态环境的关键途径。

1.2 长江经济带社会经济系统的磷代谢过程

为了更好地剖析长江经济带磷流路径和污染关键节点，必须深入分析磷在长江经济带社会经济系统中的代谢过程。一般来说，基于磷元素的环境属性特征，磷的社会经济活动对于磷在陆地—海洋之间的地质分布影响不大，故磷在环境系统中的迁移路径一般不在分析范畴内，它从社会经济系统向环境系统的排放才是本文研究的重点所在。因此，在综合考虑长江经济带的实际情况、数据的可获得性和理论假设的基础上，参考相关研究成果^{[4, 14, 15, 18, 22]}，本文确定磷在长江经济带社会经济系统中所有代谢路径包括“磷矿开采”“磷产品制造加工”“磷产品消费”“含磷废物处置” 4个主要环节。

（1）基于磷矿开采过程的磷代谢。磷矿开采是磷进入社会经济系统的源，磷矿资源通过开采由自然生态系统进入社会经济系统，开采出来的磷原矿经过选矿、洗矿等物理加工以及化学冶炼过程形成磷精矿进入磷产品制造加工系统供生产利用。

（2）基于磷产品制造加工过程的磷代谢。磷精矿在不同加工工艺的处理下，输出化肥、饲料、农药及洗涤用品等主要含磷产品，同时排放含磷工业废水和以磷石膏为主的化工废渣，对区域生态环境造成重大影响。

（3）基于磷产品消费过程的磷代谢。磷产品消费主要包括农业种植、畜禽养殖、居民消费三大系统，并根据磷代谢特征的差异，进一步将畜禽养殖分为规模养殖和家庭散养，将居民消费区分为城镇居民消费和农村居民消费。农业种植和畜禽养殖两大生产性系统分别产出农畜产品供给居民消费，上述过程中产生的废弃物一部分以有机肥形式返回农田，另一部分经过某种形式的末端净化控制后，以废水或固体废物形式进入自然生态系统中。

（4）基于含磷废物处置过程的磷代谢。含磷废物处置过程相当于在污染的末端安装昂贵的过滤装置，以减轻对环境特别是地表水体的污染，其中，固体垃圾经过卫生填埋、焚烧和堆肥等处置进入非耕地土壤，生活污水、工业废水经过生化处理后排入地表水体。

2 长江经济带社会经济系统磷代谢框架和核算模型 2.1 长江经济带社会经济系统的磷代谢框架

基于元素流分析方法和研究步骤，根据磷代谢主要过程，本节构建出长江经济带社会经济系统磷代谢框架。如图 1所示，方框表示节点，箭头表征磷流流向，与连接线上符号的下角标相对应。节点可分为“只有源没有汇”“只有汇没有源”“既有源又有汇” 3类，其中区域外（进口/出口）用I/O表示，系统内磷矿资源、磷化工、农业种植、城镇居民、农村居民、规模养殖、家庭散养、城市污水处理、固体废物处置、非耕地土壤、耕地土壤、水环境，分别用字母P₁~P₉、S₁、S₂表示。连接线上的符号即下文所需核算的指标，计算出的数值表示相应的物质流通量强度，在下文中以“符号，数值”的形式位于连接线上。

需要说明的是，本文所考虑的进入社会经济系统中磷的来源是指在当前技术经济条件下的陆地可开采磷矿资源，且本文只考虑长江经济带社会经济系统的物质代谢，因此风蚀、水蚀、底泥释放、大气沉降等自然因素引起的物质流过程不纳入本文研究范畴。基于此，该模型可以简化为，磷经由社会经济系统代谢后的最终归宿主要是非耕地土壤、水环境、耕地土壤、磷产品出口四个方面。由以上长江经济带社会经济系统磷代谢框架可知，造成总磷污染的主要来源为局部性的、集中排泄的点源污染（如工业废水和城镇生活污水等）和区域性的、分散排泄的面源污染（如农用化肥、农药、畜禽粪污和农村生活污水等），集中表现为地表水体的富营养化。

2.2 长江经济带社会经济系统磷流核算模型

深入分析长江经济带社会经济系统磷代谢路径是探寻造成总磷污染关键节点的前提和基础，本文进一步建立磷流核算模型，为系统定量地解析磷代谢路径提供技术支持。

综合考虑本文的研究目的和数据的可获得性，在长江经济带社会经济系统磷流核算模型中，磷加工子系统出口部分不区分磷矿石与磷化工产品，假设全部作为产品输出；磷消费子系统中，考虑其他作物量少且含磷率较低的情况，因此本文主要以稻谷、小麦、油菜籽、花生、芝麻、棉花、蔬菜瓜果、玉米、豆类、薯类等为农业种植中的主要作物；考虑到马、驴、骡、兔等其他动物的养殖数量远小于猪、牛、羊和家禽4类，本文中的养殖畜禽主要考虑猪、牛、羊和家禽4类；城镇居民和农村居民消费中，经由农村居民生活代谢返回农田的磷养分由有机肥和生活垃圾两部分构成。值得注意的是，该模型假设城镇居民摄入畜禽产品中的磷养分量全部由规模养殖提供，农村居民摄入畜禽产品全由家庭散养提供，本文不区分城镇居民和农村居民的年人均磷代谢排放。

基于以上分析，本文假设长江经济带社会经济系统中物质代谢处于稳定状态，即在生产和消费子系统中磷的积累和释放可以相互抵消，依据物质守恒定律，各子系统的“物质输入=物质输出+ 累积－释放”，因而该系统的物质守恒定律可以进一步简化为“输入＝输出”，继而我们可以采用3类物质平衡方程对每个节点及系统整体进行物质衡算。磷流路径中存在某一节点的物质流输出是另一节点输入的情况，导致计算过程重复，因此本文对重复部分只做一次讨论。

长江经济带社会经济系统磷流具体需要测算的指标、核算模型及模型方程的参数说明，分别如表 2、表 3、表 4所示。

在确定表 4中相应参数取值的基础上，运用物质守恒定律，可以计算出表 2、表 3中各个相应指标的数值，进而了解磷在代谢框架中各个关键节点的输入输出量，根据结果判断出磷污染减排的关键节点和路径。这也是运用元素流方法分析长江经济带社会经济系统总磷污染减量化问题的关键所在。

3 湖北长江经济带社会经济系统磷代谢分析 3.1 研究区概况

湖北长江经济带是促进中部地区崛起的“重要战略支点”，更是支撑长江经济带的“龙腰”，在长江中游地区发展中发挥着重要的引擎作用。据资料统计，长江经济带覆盖湖北全域，其湖北段区域内土地面积达18.59万km²，常住人口5902万人^①，湖北全省除长江、汉江外，有长度5km以上河流4228条，纳入全省保护名录的湖泊755个、水库6921座^②，水资源条件优越。与此同时，湖北长江经济带又是我国五大磷矿基地之一，2017年磷矿保有资源储量达74.87亿t，占全国的29.61 % ^③，在省域范围内位居全国首位。长期以来，作为国民经济社会发展重要支柱的磷矿业及磷化工业在快速发展的同时，造成了区域内水体总磷污染，水体富营养化现象日益严重^[13]。尽管近几年来，通过提高对生产企业的排放要求、加强对长江沿线磷化工企业的整改等措施，该区域水体富营养化程度有所缓解，但总磷污染形势依旧严峻。因此，深入研究区域内磷流动过程及其流动效率，探寻造成水体总磷污染的关键途径，对减少总磷污染、推动长江经济带绿色高质量发展具有重要的实践意义。基于实证分析数据的难获得性，本文的系统边界在空间上选取行政区划湖北省的地理区域边界。

① 参见2017年出台的《湖北长江经济带生态保护和绿色发展总体规划》《湖北长江经济带产业绿色发展专项规划》。

② 数据来源于湖北省水利厅。

③ 数据来源于2017年《湖北省矿产资源统计年报》。

3.2 数据来源及参数确定

本文中，磷矿石产量和平均品位数据来源于2017年《湖北省矿产资源统计年报》《湖北省矿山企业矿产资源开发统计年报》，城镇和农村人口数据来源于《湖北统计年鉴》，化肥和农药施用量、饲料添加剂年产量、耕地面积、各类农作物播种面积和产量、畜禽养殖出栏数及存栏数来源于《湖北农村统计年鉴》，按出栏比例推算规模养殖和家庭散养的年末存栏数，合成洗涤剂产量来源于《中国轻工业年鉴》，各类畜禽人均消费量来源于《中国住户调查年鉴》，清运垃圾量来源于国家统计局数据，其他相关参数来源于相关参考文献^{[4, 14-22]}。由于数据的难获得性，本文选取了2017年数据，建立静态磷物质流分析模型从总体上分析磷元素的流动问题。

3.3 结果与讨论 3.3.1 磷物质流核算结果

根据实地调研，磷元素流向遵循就近原则，即系统内生产出的物质优先满足系统内的需求，不足或剩余的产品由系统外进口或出口，从而简化各子系统之间、子系统与自然环境之间以及系统与区域外的物质关联。据此，根据物质守恒定律，经过计算，我们得到2017年湖北长江经济带社会经济系统磷物质流动情况，如图 2所示。

3.3.2 磷代谢结构特征分析

（1）磷代谢基本特征

基于图 2中磷物质流动情况，本文计算出系统的物质生产率、养分循环率、废物累积率以及污染排放率，剖析湖北长江经济带社会经济系统的磷流动过程及其基本规律，进而识别磷代谢过程中各环节之间的结构关联，计算结果详见表 5。

由表 5可知，整个系统物质生产率较高，为91.42 %，系统养分循环率、废物积累率与污染排放率均较低，分别为17.91 %、5.46 %、2.20 %，故长江经济带湖北段社会经济系统磷代谢基本特征可以概括为“一高三低”，即物质生产率较高，养分循环率、废物累积率、污染排放率整体较低，呈现单向式物质流结构。

（2）磷资源流动效率

为了解湖北长江经济带社会经济系统中磷资源流动效率，本文进一步描述2017年磷代谢模型中各生产和消费子系统的效率特征，如图 3所示。

通过比较可知：

从磷化工子系统来看，该系统的物质生产率较高，为96.44 %，磷的损失主要以磷石膏等固体废物为主，污染排放率较低。究其原因，主要是区域内以湖北宜化、兴发集团、黄麦岭磷化等为首的一批磷矿开发与加工企业^①，在当前最严格的化工行业环境规制下，自觉加大了研发的投入，一方面保证了磷矿资源的高效开发，使得物质生产率较高，另一方面又提高了废石、矿渣等废弃资源的利用效率，减少了磷污染排放。

① 来源于2017年《湖北省矿山企业矿产资源开发统计年报》。

从农业种植子系统来看，该系统物质生产率较高，研究结论显示约90.62 % 的肥料养分转化为可供利用的植物磷，污染排放率较低，对水体磷负荷贡献度不高。但值得注意的是，以秸秆还田为主的内部养分循环率较低，仅为4.23 %，而3.71 % 的磷废弃物积累在非耕地土壤中，增加了磷随农田径流进入地表水体的风险。

从养殖子系统来看，规模养殖的物质生产率为69.33 %，而家庭散养的物质生产率为2.69 %。与此同时，规模养殖过程中仅有15.10 % 的磷以有机肥形式返回农田，养分循环率比家庭散养低77.97 %，规模养殖中15.57 % 的磷直接排入地表水体，污染排放率是家庭散养的3.67倍。这反映出该区域规模养殖对地表水环境造成威胁较大。

从终端消费子系统来看，城镇居民污染排放率与农村居民污染排放率相当，分别为9.59 % 和7.95 %，但城镇地区的废物累积率达到72.09 %，比农村地区高出68.32 %，且养分循环率仅为农村地区的1/5。这表明在含磷废物处置过程中，城镇居民对总磷污染的贡献度要远超农村居民。

由上可知，在湖北长江经济带磷代谢结构中，磷化工、农业种植、规模养殖是支撑湖北长江经济带磷代谢系统的重要生产性节点，而在消费环节，城镇污水管网、集中处理系统与农村地区传统的养分循环网络效果相当，但在当前污染控制水平下，城镇市政环卫部门所发挥的废物分解功能远不及农村地区高效。

3.3.3 磷流排入水体情况

磷代谢系统的物质流结构与物质利用效率特征决定了磷最终进入湖北长江经济带水环境的总体强度及其比例分配。为了探寻影响水体生态环境的关键途径，我们进一步剖析了该区域磷代谢系统水体负荷来源，如图 4所示。

由图 4可知，2017年湖北长江经济带磷代谢系统的水污染负荷共为4.58万吨，其中，规模养殖、农业种植、磷化工、城镇居民消费是地表水体主要的磷污染来源，累计负荷达到89.30 %，具体分析如下：

（1）规模养殖中产生的磷代谢物是目前湖北长江经济带总磷污染的最主要因素。由图 2可知，在规模养殖中，磷代谢废物中未有效处理的畜禽粪便有2.59万t磷以有机肥还田，而2.67万t磷直接排入地表水体，对地表水体造成高强度、持久性的破坏。这主要是因为随着规模养殖的兴起，强度过高的畜禽粪污没有得到及时有效的处理，种植—养殖之间养分循环失衡，使得有机肥利用率不高，磷元素损失严重，加剧了总磷污染。因此，规模养殖已成为目前湖北长江经济带总磷污染的最主要环节，占水体磷负荷总量的58.30 %。

（2）农业种植过程的养分流失是造成总磷污染的第二大来源。同理，由图 2、图 4可知，农业种植过程中0.69万t的磷代谢物通过农田排水进入水环境，占水体磷负荷的15.07 %，该现象是造成总磷污染的第二大来源。另外，由图 5也可知，区域内农业种植过程中的养分主要来源于化肥、有机肥（畜禽和人类粪便），分别占比76.37 %、23.57 %。这表明肥料尤其是化肥使用过量或不当，导致磷元素不能被充分利用，经农田排水等方式流失，使面源污染呈现加重趋势。

（3）磷化工产生的总磷污染在长期的环境规制及污染治理过程下已初步得到控制。磷化工产生的工业废水造成的总磷污染较严重，占水体磷负荷的8.73 %，但就磷化工子系统而言，污染排放率仅0.19 %，表明在长期的环境规制下区域内磷化工业的总磷污染治理已初见成效。

（4）城镇居民消费过程排放的生活污水是造成地表水体磷负荷过高的另一诱因。随着湖北长江经济带城镇化进程加快和市政基础设施建设力度加强，该区域的城镇污水处理设备日益完善，污水处理能力不断提高，但是城镇居民消费过程产生的生活污水仍有近0.33万t直接排放入水体，占总磷污染的7.20 %，是造成区域内水体磷负荷过高的另一诱因。

事实上，湖北长江经济带总磷污染减量化控制的重心已由磷化工产生的点源污染转向农业面源污染，这是有迹可循的。一方面，近年来该区域加大了对矿产资源开发及生态环境管控力度，特别是贯彻落实了沿江15 km范围内的化工企业关改搬转等各项工作方案，使得长江沿线磷化工业得到大力整治，遏制了磷化工产生的总磷污染。另一方面，依托丰富的淡水资源，湖北长江经济带区域内的粮食生产、畜禽养殖因水而盛，土地肥沃的江汉平原、鄂东平原更是我国水稻、棉花的主产区，大规模的农产品种植和畜禽养殖导致了农业面源污染持续恶化。

3.4 研究结论

本文以湖北长江经济带为例，系统地审视了长江经济带磷代谢过程及其特征，并定量地识别了水体磷负荷的主要来源，得出以下结论：

（1）湖北长江经济带磷代谢系统整体结构不协调，其基本特征可以概括为“一高三低”，即物质生产率较高，但养分循环率较低、废物累积率、污染排放率较低，呈现典型的单向型物质流结构。

（2）磷化工、农业种植、规模养殖是支撑湖北长江经济带磷代谢体系的重要工业化生产性子系统，随着矿物磷—植物磷—动物磷的转换，磷的物质生产效率逐渐退化，污染排放率、废物累积率、养分循环率次第升高。在终端消费环节，城镇居民对总磷污染的贡献度要远超农村居民。

（3）规模养殖产生的畜禽粪污、农业种植过程的养分流失、磷化工废水排放、城市生活污水处理是导致总磷污染的主要诱因，总磷污染治理应以优先优化这些节点的磷流路径为重点，制定出主动的和预防性的环境政策。

值得思考的是，未来应如何改变以畜禽粪污随意排放为特点的粗放式养殖模式和以过量的养分投入为特点的化学集约型农业发展模式，这已成为减少农业面源污染的关键问题。

以上研究结果较准确地反映了湖北长江经济带磷代谢现状及总磷污染路径，证实元素流方法适用于长江经济带总磷污染减量化研究，可在其他区域进行推广。

4 建议与对策

以上元素流分析为减少水体总磷污染、实现长江经济带绿色高质量发展提供了新的认知视角和有效的技术范式，与此同时，也验证了元素流分析方法的科学性和可行性。然而，推动长江经济带的绿色高质量发展是一项系统工程，需要政府、企业、公众等各界的共同持续努力，为此，本文提出以下政策建议及对策：

（1）强化政府主导。沿江各省份应成立由生态环境部牵头，自然资源部、农业农村部、水利部等部门以及高校科研院所等机构协同的总磷污染减量化工作小组，加强舆论引导，完善数据统计工作，提高物质利用率，推动磷代谢特征向“两高两低”（物质生产率、养分循环率较高，污染排放率、废物积累率较低）转变。

（2）加强磷流核算。应建立工作专班对长江经济带进行磷流核算，有效识别区域磷代谢体系结构和效率特征及影响水体生态环境的关键节点和重要环节，并制定针对性环境规制政策，倒逼总磷污染重要节点单位实现生态化转型。

（3）综合考虑社会经济发展水平和区域性差异、产业结构差异，实现分类管理，精准施策。按照不同区域的磷代谢特征及污染特点，确定各区域政策实施优先顺序，对畜牧养殖、农业种植、磷化工企业、城乡居民等对象制定因地制宜的污染防治措施，促进长江经济带区域协调绿色发展。

（4）建立动态监管机制体制。完善现有水体环境监测网络，全面评估现建有的监测点位的布局、监测指标、监测频率，适时开展现场核查，实现长江经济带总磷污染动态监管。

需要指出的是，本文由于简化处理了磷在局部过程中的迁移转化过程，忽略了一些微量磷流，从而给研究结果带来一定的不确定性。本文认为，在今后的研究中可对这些参数进行实地抽样检测，并结合环境化学和生物等相关方向对磷在水体和土壤中的迁移代谢过程进行深入研究。