磷元素被認(rèn)為是生命限制性元素（Life’s bottleneck）。著名化學(xué)家、科幻作家阿西莫夫曾在1974年的《阿西莫夫論化學(xué)》論述道：“Life can multiply until all the phosphorus has gone, and then there is an inexorable halt which nothing can prevent.”磷元素于1669年被煉金術(shù)士波蘭特發(fā)現(xiàn)，它的名字由“phos”（光）和“phorus”（承載者）組成，意味著“光的承載者。”磷是決定水體初級生產(chǎn)力的重要限制因子，其實(shí)驗(yàn)依據(jù)來自于上世紀(jì)70年代由已故美國科學(xué)院Schindler院士在加拿大實(shí)驗(yàn)湖進(jìn)行的磷添加實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同一湖泊添加碳氮元素水體并未出現(xiàn)藍(lán)藻水華，而添加碳氮磷的水體則出現(xiàn)大范圍水華時間。盡管全球范圍內(nèi)湖泊治理證據(jù)表明，并非所有湖泊都能夠通過單一磷元素削減來控制藍(lán)藻水華發(fā)生，但湖泊磷濃度控制仍然是現(xiàn)階段水體富營養(yǎng)化治理重要一步，并在很多地區(qū)被視為優(yōu)先策略。
隨著人口增長和食物結(jié)構(gòu)變化，人類對磷礦石資源開發(fā)利用強(qiáng)度不斷加大，加劇了磷資源的短缺和水體富營養(yǎng)化趨勢。從一個較長時間的維度來看，我國陸地向水體中磷輸入量存在顯著增加趨勢；但在2000年以后，由于環(huán)境管控措施不斷實(shí)施，水體磷輸入變化趨勢可能存在越來越大地區(qū)性差異。城鎮(zhèn)生活污水處理是我國現(xiàn)階段治理水體富營養(yǎng)化最重要措施，但對于其實(shí)施對區(qū)域受納水體營養(yǎng)狀態(tài)和元素計(jì)量平衡的影響缺乏定量評估，導(dǎo)致對大規(guī)模城鎮(zhèn)生活污水處理實(shí)施效果不明確、對水生態(tài)初級生產(chǎn)力和生態(tài)平衡影響并不清晰，造成“污水處理氮磷減排”與“水生態(tài)系統(tǒng)”實(shí)際需求可能出現(xiàn)脫節(jié)。
天津大學(xué)童銀棟教授團(tuán)隊(duì)將“氮磷物質(zhì)流分析”和“流域營養(yǎng)物輸移INCA模型”相耦合，實(shí)現(xiàn)從“區(qū)域源排放清單”到“局部入河/湖通量”跨尺度表達(dá)，研究展示大空間尺度（東部/中部/西部/東北）人為源磷排放（農(nóng)業(yè)/城市/農(nóng)村生活源等）的地域分異特征和時間演變規(guī)律。研究表明，湖泊磷輸入已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從“普遍增加”到“局部下降”的重要轉(zhuǎn)變，尤其是東部地區(qū)城市生活源排放下降顯著；同時，揭示了部分人為排放源的氮元素相對于磷開始出現(xiàn)過剩、氮磷計(jì)量比失衡（質(zhì)量比大于23:1），這可能有利于受納水體中非固氮類藍(lán)藻爆發(fā)（如微囊藻、束絲藻等），特別是城市生活污水的排放，由于不同營養(yǎng)物污水處理去除效率的差異（磷遠(yuǎn)高于氮）導(dǎo)致出水中氮磷計(jì)量比相比十年前增加了2倍，提出需要警惕對受納水體元素計(jì)量平衡和水生態(tài)系統(tǒng)功能的負(fù)面影響（如生物群落結(jié)構(gòu)異化、多樣性喪失等）。
同時實(shí)地調(diào)查全國46個重要湖泊和河口（長江、海河等）營養(yǎng)狀態(tài)變化，分析不同氣候條件、不同人類活動主導(dǎo)地區(qū)水體長時間序列營養(yǎng)物濃度和元素計(jì)量特征的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，從近十年變化趨勢看東部部分湖泊和近岸水域開始出現(xiàn)貧營養(yǎng)化（Re-oligotrophication），表現(xiàn)為水體磷元素濃度下降、氮濃度基本穩(wěn)定或輕微上升，而氮磷元素計(jì)量比則上升。同時，長期富營養(yǎng)化湖泊中限制性營養(yǎng)元素（如太湖、巢湖等）存在規(guī)律性季節(jié)轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為在夏/秋季節(jié)受到氮元素限制（TN/TP<9:1），而在春/冬季節(jié)則受到磷元素限制（TN/TP>23:1），這一結(jié)論揭示富營養(yǎng)化水體治理過程中需要重視內(nèi)源輸入季節(jié)性變化對水體營養(yǎng)狀態(tài)的影響，單一控制外源輸入難以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在短期內(nèi)快速改善。
(利用經(jīng)典貝葉斯先驗(yàn)分布耦合水質(zhì)機(jī)理方程，實(shí)現(xiàn)對湖內(nèi)氮磷循環(huán)過程與初級生產(chǎn)力反饋關(guān)聯(lián)的較準(zhǔn)確和長期歷史反演。研究發(fā)現(xiàn)，富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)部過程季節(jié)性變化（如反硝化、沉積物/水界面交換等）可以使得水體中氮、磷濃度在不同月份出現(xiàn)50%以上波動，導(dǎo)致限制性營養(yǎng)元素季節(jié)轉(zhuǎn)變；利用三維水動力/水質(zhì)模型耦合隨機(jī)森林算法，估算在考慮自然環(huán)境因素影響時典型富營養(yǎng)化湖泊（太湖、巢湖、滇池）藻華爆發(fā)營養(yǎng)物閾值。結(jié)果表明，湖泊氮磷閾值存在較大的時間和空間變異性，冬季閾值可以達(dá)到夏季的2–3倍；同時，未來情景模擬顯示，由于氣候變化導(dǎo)致湖泊升溫，富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)部氮磷循環(huán)過程季節(jié)性波動將進(jìn)一步增強(qiáng)、水華發(fā)生頻率將繼續(xù)增加。以上研究表明湖內(nèi)自然過程變化對水體營養(yǎng)狀態(tài)和初級生產(chǎn)力影響可能被低估，提出環(huán)境控制措施應(yīng)充分考慮湖泊季節(jié)性波動和個體間差異，為現(xiàn)行水體營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)（“全國、全年一刀切”）的改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)。
如何有效防控水體富營養(yǎng)化及其水生態(tài)風(fēng)險、促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)是全球水環(huán)境領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)和我國現(xiàn)階段水污染防治的重要任務(wù)。團(tuán)隊(duì)的研究成果從地學(xué)視角出發(fā)，思考了人類活動變化對水生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)狀態(tài)潛在影響，通過建立區(qū)域尺度生活污水排放與水環(huán)境營養(yǎng)狀態(tài)定量響應(yīng)關(guān)系，探索我國人為源氮磷排放地域分異規(guī)律；發(fā)現(xiàn)大規(guī)模環(huán)境保護(hù)措施實(shí)施導(dǎo)致營養(yǎng)物排放新變化特征，尤其是城市污水排放氮磷去除效率差異導(dǎo)致元素計(jì)量比增加。考慮到元素計(jì)量平衡的生態(tài)學(xué)意義，這些研究可能對我國與其他發(fā)展中國家未來城市生活污水排放管理政策的制定具有一定的啟示?，F(xiàn)階段，城市排放生活污水已經(jīng)成為了很多自然水體的組成部分。作為一項(xiàng)環(huán)境保護(hù)舉措，如何讓減少其對自然水體中元素物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)過程的影響（如初級生產(chǎn)力、浮游生物群落構(gòu)成等）可能是今后我們將長期面對和需要解決的一個問題。
