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環境學院童銀棟等在《美國國家科學院院刊》發表成果闡述人為活動干擾對湖泊氮磷元素生態計量平衡的潛在影響

      2020-05-09       

本站訊(環境學院供稿)2020年5月8日,國際著名學術刊物《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,USA)在線發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”,揭示了我國大規模城市污水處理設施建設對人口稠密地區湖泊中營養元素計量平衡的潛在影響,并提出了針對性改善建議。該研究由我校環境學院童銀棟、表層地球系統科學研究院劉學炎等聯合清華大學、北京大學、挪威水環境研究所、西班牙全球生態研究院、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外研究機構學者共同完成,環境學院童銀棟為第一作者、我校為第一完成單位。西班牙全球生態研究院Josep Pe?uelas、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領域專家也參與了此項工作。

生態化學計量學是探索碳、氮、磷等重要生命元素在各種生態過程中平衡狀態的一門科學,其核心是揭示生存環境和生物體元素組成變化對陸地、水體生態系統整體功能的影響。掌握水體中氮磷生態化學計量特征長期演變規律是明確水生態初級生產力變化、預測有害藻華爆發的前提,也是評價環境管理措施實施效果、制定未來營養物管控目標的基礎。課題研究團隊實地調查了我國46個主要湖泊營養狀態歷史變化,分析了覆蓋不同氣候條件、不同人為活動類型的地區湖泊長時間序列營養物濃度和元素計量特征變化趨勢。結果表明,從近十年變化趨勢看,我國東部地區部分湖泊已經開始出現貧營養化特征,具體表現為湖泊磷濃度顯著下降、氮濃度基本穩定,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(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化過程中氮磷濃度和計量比的變化趨勢。

為了分析這一現象出現的原因,研究團隊將“氮磷元素物質流分析”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動因素。研究結果表明,從2005年以來,我國湖泊營養物輸入量已經實現從“普遍增加”到“局部下降”的轉變、城市生活源排放量下降顯著(尤其是在東部淺水湖泊);同時發現,部分人為排放源中氮元素相對于磷元素開始出現了過剩、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元素平衡和水生態功能的負面影響(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。

圖1我國湖泊中氮磷元素計量比及人為源排放歷史變化特征

該研究團隊長期致力于研究水體富營養化的發生和防控機制,探究大規模人為活動干擾對河湖中營養物濃度和元素生態計量平衡潛在影響并取得了一定的進展。近年來,相關成果已在Nat. Geosci.、PNAS、Environ. Sci. Technol.等學術期刊發表。本研究以湖泊氮磷生態化學計量平衡和潛在水生態學影響為切入點,為城市生活污水排放有效管理、減少對自然生態系統的影響和更準確地理解人為活動與水生態相互影響機制提供了新的視角。本研究的開展得到中國國家自然科學基金、國家重點研發計劃、美國國家自然科學基金、荷蘭KNAW SURE+計劃、歐盟ERC IMBALANCE-P計劃、天津大學“北洋青年學者計劃”等資助。

原文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2020/05/07/1920759117

(編輯 焦德芳 柴海凡)

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