发布时间：2020-05-10
5月8日，国际著名学术刊物《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）在线发表了关于湖泊中氮磷元素计量平衡与人为活动干扰影响的研究论文“Improvement in municipal wastewater treatment alters lake nitrogen to phosphorus ratios in populated regions”，揭示了我国大规模城市污水处理设施建设对人口稠密地区湖泊中营养元素计量平衡的潜在影响，并提出了针对性改善建议。该研究由我院童银栋、表层地球系统科学研究院刘学炎等联合清华大学、北京大学、挪威水环境研究所、西班牙全球生态研究院、美国北卡罗莱纳大学、蒙大拿大学、荷兰瓦格宁根大学等国内外研究机构学者共同完成，我院童银栋为第一作者、我校为第一完成单位。西班牙全球生态研究院Josep Peñuelas、蒙大拿大学James Elser、北卡莱罗纳大学Hans Paerl等多位国际知名水生态领域专家也参与了此项工作。
生态化学计量学是探索碳、氮、磷等重要生命元素在各种生态过程中平衡状态的一门科学，其核心是揭示生存环境和生物体元素组成变化对陆地、水体生态系统整体功能的影响。掌握水体中氮磷生态化学计量特征长期演变规律是明确水生态初级生产力变化、预测有害藻华爆发的前提，也是评价环境管理措施实施效果、制定未来营养物管控目标的基础。课题研究团队实地调查了我国46个主要湖泊营养状态历史变化，分析了覆盖不同气候条件、不同人为活动类型的地区湖泊长时间序列营养物浓度和元素计量特征变化趋势。结果表明，从近十年变化趋势看，我国东部地区部分湖泊已经开始出现贫营养化特征，具体表现为湖泊磷浓度显著下降、氮浓度基本稳定，而氮磷元素计量比则迅速上升，这种变化可能导致受纳水体非固氮类蓝藻的爆发(如微囊藻、束丝藻等)。这一特点显著不同于早前研究报道的湖泊富营养化过程中氮磷浓度和计量比的变化趋势。
为了分析这一现象出现的原因，研究团队将“氮磷元素物质流分析”和“流域水文传输模型”相耦合，追踪湖泊中元素计量特征变化的人为活动驱动因素。研究结果表明，从2005年以来，我国湖泊营养物输入量已经实现从“普遍增加”到“局部下降”的转变、城市生活源排放量下降显著（尤其是在东部浅水湖泊）；同时发现，部分人为排放源中氮元素相对于磷元素开始出现了过剩、氮磷元素计量比严重失衡。尤其是城市生活污水排放，由于不同营养物污水处理去除效率差异导致出水中氮磷元素比相比十年前增加近2倍，提出需警惕对受纳水体中营养元素平衡和水生态功能的负面影响(部分水生物灭绝、多样性丧失)。这一研究成果表明，未来城市污水处理设施建设不仅应该考虑除氮、除磷功能，同时需要注意污水处理前后元素计量比变化对受纳水环境的影响，提出在未来城市生活污水排放中增加氮磷元素计量比限值的指标。
图1 我国湖泊中氮磷元素计量比及人为源排放历史变化特征
该研究团队长期致力于研究水体富营养化的发生和防控机制，探究大规模人为活动干扰对河湖中营养物浓度和元素生态计量平衡潜在影响并取得了一定的进展。近年来，相关成果已在Nat. Geosci.、PNAS、Environ. Sci.Technol.等学术期刊发表。本研究以湖泊氮磷生态化学计量平衡和潜在水生态学影响为切入点，为城市生活污水排放有效管理、减少对自然生态系统的影响和更准确地理解人为活动与水生态相互影响机制提供了新的视角。本研究的开展得到中国国家自然科学基金、国家重点研发计划、美国国家自然科学基金、荷兰KNAW SURE+计划、欧盟ERC IMBALANCE-P计划、天津大学“北洋青年学者计划”等资助。
原文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/05/07/1920759117
（撰稿人：童银栋；编辑：李云飞）
