在2023年6月5日世界環(huán)境日之際，中國科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體向社會(huì)發(fā)布了2022年度"中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展"。由北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、國家環(huán)境保護(hù)河流全物質(zhì)通量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭完成的科研成果“湖泊氮磷截留效應(yīng)及其內(nèi)循環(huán)影響機(jī)制”入選本次評比（知識創(chuàng)新類）。

2022年度中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展“湖泊氮磷截留效應(yīng)及其內(nèi)循環(huán)影響機(jī)制”（來源：中國科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體）

自1960年代以來，人類活動(dòng)排放導(dǎo)致全球氮磷污染突出、超過地球安全邊界。尤其是全球氮磷比在持續(xù)上升，氮磷循環(huán)嚴(yán)重失衡。高強(qiáng)度氮磷排放與高氮磷比疊加，誘發(fā)湖泊水華與海域赤潮爆發(fā)，導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，嚴(yán)重威脅水安全。湖泊是地球表層生態(tài)系統(tǒng)中氮磷截留和平衡調(diào)節(jié)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其氮磷截留量占全球淡水生態(tài)系統(tǒng)的1/5以上。但由于湖泊對氮磷的截留能力受到入湖通量及湖泊水溫、深度、水力停留時(shí)間、營養(yǎng)狀態(tài)等因素的復(fù)合影響，且當(dāng)前大尺度的入湖氮磷通量數(shù)據(jù)匱乏、湖內(nèi)氮磷循環(huán)過程多且難以直接測定，導(dǎo)致在湖泊是“加劇”還是“減緩”全球氮磷失衡這一重大科學(xué)問題上還缺乏直接證據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)在我國多個(gè)重點(diǎn)湖泊開展了水文、水質(zhì)、水生態(tài)、出入湖通量等的持續(xù)觀測、樣品采集與數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建了全球湖泊的氮磷濃度與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)數(shù)據(jù)庫，研發(fā)了“入湖通量-湖泊生物地化循環(huán)-內(nèi)外源直接解析”的綜合模擬新方法，從全球和局地兩個(gè)尺度開展研究。

研究團(tuán)隊(duì)首先量化了全球湖泊的氮磷入湖（Inflow）、湖內(nèi)供給（Enrichment）、湖內(nèi)損耗（Depletion）、出湖（Outflow）等內(nèi)外循環(huán)過程中的氮磷通量變化。研究發(fā)現(xiàn)，在全球約90%的湖泊中，出湖氮磷比要高于入湖（均值升高約1倍）；且隨著營養(yǎng)等級升高，二者的差值在增大。為進(jìn)一步表征湖泊內(nèi)循環(huán)過程對入湖通量變化的響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)提出了湖泊內(nèi)循環(huán)活躍度的概念與計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)其由自然物理特征和營養(yǎng)狀態(tài)共同決定，這也揭示了全球湖泊整體呈優(yōu)先截磷的規(guī)律，同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)劃分了4種截留模式：釋氮釋磷（8%）、截氮釋磷（1%）、釋氮截磷（10%）、截氮截磷（81%）。對其作用機(jī)制的分析發(fā)現(xiàn)，湖內(nèi)供給過程中的氮磷比要高于損耗，導(dǎo)致湖泊的氮磷比整體升高。該發(fā)現(xiàn)首次證實(shí)了湖泊內(nèi)循環(huán)過程加劇了全球的氮磷循環(huán)失衡，提供了湖泊截留強(qiáng)度差異及內(nèi)循環(huán)影響的科學(xué)證據(jù)。

在全球尺度規(guī)律探究的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)開展了我國重點(diǎn)湖泊的通量模擬與內(nèi)外源源解析，發(fā)現(xiàn)湖泊的內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度決定了外源控制的成效。通過進(jìn)一步的機(jī)制解析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度的波動(dòng)受季節(jié)性外源影響顯著，且湖泊內(nèi)循環(huán)在年際和年內(nèi)存在相反的作用路徑。具體而言，對于處于恢復(fù)過程中的湖泊，“外源降低-水質(zhì)改善-內(nèi)循環(huán)減緩-藻類減弱”是年際演變的基本規(guī)律，但在年內(nèi)也同時(shí)存在短期外源高通量沖擊下的“內(nèi)循環(huán)增強(qiáng)-水質(zhì)惡化-藻類升高-內(nèi)循環(huán)更強(qiáng)”影響路徑。這種看似矛盾但卻在不同時(shí)間尺度共存的長期減緩與短期增強(qiáng)機(jī)制，回答了長期困擾科學(xué)界的“氮磷濃度長期持續(xù)下降，但藻類水華短期依然頻發(fā)”的觀測事實(shí)。

研究團(tuán)隊(duì)據(jù)此揭示了在湖泊治理中亟需引起重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)問題：其一，不僅要關(guān)注當(dāng)前已處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊，更要特別關(guān)注和保護(hù)處于貧、中營養(yǎng)狀態(tài)，但湖內(nèi)供給/損耗比值呈持續(xù)增加的湖泊；其二，不僅要關(guān)注氮磷濃度等表觀監(jiān)測指標(biāo)的變化，還需充分考慮湖泊內(nèi)循環(huán)活躍度所處的狀態(tài)，因湖施策以減緩氮磷比的增長幅度與可能產(chǎn)生的生態(tài)危害。綜上，研究團(tuán)隊(duì)提出了以內(nèi)循環(huán)調(diào)控為基礎(chǔ)，內(nèi)源-外源協(xié)同、長期-短期協(xié)同相結(jié)合的精準(zhǔn)治理模式，并在我國重點(diǎn)湖泊得到示范應(yīng)用。

上述研究成果2022年發(fā)表于Nature Geoscience、National Science Review、Environmental Science and Technology及Water Research等國內(nèi)外期刊。Nature Geoscience在同期配發(fā)了Limnology and Oceanography前主編、康奈爾大學(xué)教授Robert W. Howarth與編輯團(tuán)隊(duì)的評述，認(rèn)為“研究具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，揭示了湖泊氮磷截留的全球模式，提出了湖泊氮磷內(nèi)外源協(xié)同控制的新視角”。基于上述成果，研究團(tuán)隊(duì)撰寫了我國湖泊綜合治理存在的薄弱環(huán)節(jié)及對策、加強(qiáng)湖泊治理氣候變化應(yīng)對、制定更加均衡的氮磷控制計(jì)劃等政策建議，向相關(guān)部門提交并得到重要批示和采用。該成果得到了國家自然科學(xué)基金（42142047 、51721006）等的資助。

主要完成單位：北京大學(xué)、中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所、中國環(huán)境科學(xué)研究院

主要完成人：劉永、秦伯強(qiáng)、周豐、霍守亮、吳楨、李金城、蔣青松、季寧寧、黃吉霖、孫延鑫、劉曉鈺

新聞鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/YG9OMEPpcXHAoDgPJxYKzw

延伸閱讀：

為反映生態(tài)環(huán)境科技領(lǐng)域前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，引領(lǐng)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，為我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)和美麗中國建設(shè)提供科技支撐，中國科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體開展了2022年度“中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展”遴選工作。經(jīng)兩院院士、聯(lián)合體各成員單位和全國大專院校、科研機(jī)構(gòu)推薦，聯(lián)合體對推薦進(jìn)展進(jìn)行形式審查、公示、初評并組織院士和學(xué)部委員終評。入選的項(xiàng)目需要在科學(xué)技術(shù)方面有重大進(jìn)展，且具有創(chuàng)新性、先進(jìn)性、重大學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景或良好的社會(huì)效益。