2020年5月8日，國際著名學術(shù)刊物《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）在線發(fā)表了關于湖泊中氮磷元素計量平衡與人為活動干擾影響的研究論文“Improvement in municipal wastewater treatment alters lake nitrogen to phosphorus ratios in populated regions”，揭示了我國大規(guī)模城市污水處理設施建設對人口稠密地區(qū)湖泊中營養(yǎng)元素計量平衡的潛在影響，并提出了針對性改善建議。該研究由天津大學環(huán)境學院童銀棟、表層地球系統(tǒng)科學研究院劉學炎等聯(lián)合清華大學、北京大學、挪威水環(huán)境研究所、西班牙全球生態(tài)研究院、美國北卡羅萊納大學、蒙大拿大學、荷蘭瓦格寧根大學等國內(nèi)外研究機構(gòu)學者共同完成，環(huán)境學院童銀棟為第一作者、天津大學為第一完成單位。西班牙全球生態(tài)研究院Josep Peñuelas、蒙大拿大學James Elser、北卡萊羅納大學Hans Paerl等多位國際知名水生態(tài)領域?qū)＜乙矃⑴c了此項工作。

生態(tài)化學計量學是探索碳、氮、磷等重要生命元素在各種生態(tài)過程中平衡狀態(tài)的一門科學，其核心是揭示生存環(huán)境和生物體元素組成變化對陸地、水體生態(tài)系統(tǒng)整體功能的影響。掌握水體中氮磷生態(tài)化學計量特征長期演變規(guī)律是明確水生態(tài)初級生產(chǎn)力變化、預測有害藻華爆發(fā)的前提，也是評價環(huán)境管理措施實施效果、制定未來營養(yǎng)物管控目標的基礎。課題研究團隊實地調(diào)查了我國46個主要湖泊營養(yǎng)狀態(tài)歷史變化，分析了覆蓋不同氣候條件、不同人為活動類型的地區(qū)湖泊長時間序列營養(yǎng)物濃度和元素計量特征變化趨勢。結(jié)果表明，從近十年變化趨勢看，我國東部地區(qū)部分湖泊已經(jīng)開始出現(xiàn)貧營養(yǎng)化特征，具體表現(xiàn)為湖泊磷濃度顯著下降、氮濃度基本穩(wěn)定，而氮磷元素計量比則迅速上升，這種變化可能導致受納水體非固氮類藍藻的爆發(fā)(如微囊藻、束絲藻等)。這一特點顯著不同于早前研究報道的湖泊富營養(yǎng)化過程中氮磷濃度和計量比的變化趨勢。

為了分析這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，研究團隊將“氮磷元素物質(zhì)流分析”和“流域水文傳輸模型”相耦合，追蹤湖泊中元素計量特征變化的人為活動驅(qū)動因素。研究結(jié)果表明，從2005年以來，我國湖泊營養(yǎng)物輸入量已經(jīng)實現(xiàn)從“普遍增加”到“局部下降”的轉(zhuǎn)變、城市生活源排放量下降顯著（尤其是在東部淺水湖泊）；同時發(fā)現(xiàn)，部分人為排放源中氮元素相對于磷元素開始出現(xiàn)了過剩、氮磷元素計量比嚴重失衡。尤其是城市生活污水排放，由于不同營養(yǎng)物污水處理去除效率差異導致出水中氮磷元素比相比十年前增加近2倍，提出需警惕對受納水體中營養(yǎng)元素平衡和水生態(tài)功能的負面影響(部分水生物滅絕、多樣性喪失)。這一研究成果表明，未來城市污水處理設施建設不僅應該考慮除氮、除磷功能，同時需要注意污水處理前后元素計量比變化對受納水環(huán)境的影響，提出在未來城市生活污水排放中增加氮磷元素計量比限值的指標。

【后記】

對于本文研究結(jié)論，“水進展”專家群進行了討論，有專家認為，一方面國內(nèi)外大多采取控磷的策略來防治湖泊富營養(yǎng)化，那么湖泊氮磷失衡本來就是控磷策略的結(jié)果；一方面對于污水處理廠而言，除TP比除TP容易；所以對于一些更嚴格的地標來說，從技術(shù)經(jīng)濟可行性的角度，采取了一種對TP更高的標準，而對總氮較為寬松。再一方面，每個湖泊都是一個生態(tài)系統(tǒng)，氮磷比是湖泊的屬性之一，但每個湖泊都有其獨特的規(guī)律；作者的這篇文章如果通過大數(shù)據(jù)分析將湖泊的氮磷比和湖泊的健康程度關聯(lián)起來分析，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，或為不同類型湖泊氮磷比控制策略提供科學依據(jù)，或許能夠起到更好的效果。

也有專家認為，N/P比不是關鍵，關鍵是P濃度是不是到了藻類生長的限制水平。

對此，文章作者童老師參與了討論并發(fā)表了觀點，他認為，水體富營養(yǎng)化的發(fā)生機制到目前為止仍然沒有定論。傳統(tǒng)的觀點認為，控磷是可以治理富營養(yǎng)化的話，代表人物是加拿大Alberta大學的Schindler教授，依據(jù)是加拿大的Lake 227的磷添加實驗結(jié)果。在實際過程中，控磷的好處在于：1. P容易控制，經(jīng)濟上可行；2.部分觀點認為，富營養(yǎng)化湖泊部分藻類可以固定氮，導致氮“不可控”。自從2010年之后，越來越多的觀點提到，氮和磷的雙控，代表性認為為北卡來羅那大學的Hans Paerl等。這一觀點上的爭論甚至在Science上進行了辯論式的討論（Conley et al., 2009, Controlling eutrophication: Nitrogen and phosphorus）�，F(xiàn)在越來越多的觀點認為氮和磷的協(xié)同控制很重要。在此過程中，多數(shù)觀點認為，P元素可以控制生物量，而N/P的比例可以影響浮游生物群落構(gòu)成，例如高N/P比水體有利于非固氮蘭的微囊藻和束絲藻的爆發(fā)（基本觀點是在湖泊為N/P為23:1，海洋中則是16:1），進而影響水生食物鏈的能量傳遞效率，最終影響浮游生物多樣性。持有此觀點的人包括美國科學院院士Jame Elser、西班牙科學院Josep教授等。我們總體認為，污水處理對于地表磷改善是有效果的，但對于氮可能并不如磷，所以造成無意識的氮磷計量比增加，可能會帶來潛在的水生態(tài)后果。

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