前沿关注 研究：污水高标后排放致受纳水体氮磷指标失衡？!

2020年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。该研究由天津大学环境学院童银栋、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，环境学院童银栋为第一作者、天津大学为第一完成单位。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。


$ {- {* P. L( V) D$ L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。

! N! d& @3 X/ H% V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。




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, K; }/ x1 `6 Y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

0 X. C7 l" H) \2 U% k- M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。

) d$ ~( m' ?) V/ y对于本文研究结论，相关专家进行了激烈讨论，有专家认为，一方面国内外大多采取控磷的策略来防治湖泊富营养化，那么湖泊氮磷失衡本来就是控磷策略的结果；一方面对于污水处理厂而言，除TP比除TP容易；所以对于一些更严格的地标来说，从技术经济可行性的角度，采取了一种对TP更高的标准，而对总氮较为宽松。再一方面，每个湖泊都是一个生态系统，氮磷比是湖泊的属性之一，但每个湖泊都有其独特的规律；作者的这篇文章如果通过大数据分析将湖泊的氮磷比和湖泊的健康程度关联起来分析，从而发现规律，或为不同类型湖泊氮磷比控制策略提供科学依据，或许能够起到更好的效果。
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也有专家认为，N/P比不是关键，关键是P浓度是不是到了藻类生长的限制水平。

对此，文章作者童老师参与了讨论并发表了观点，他认为，水体富营养化的发生机制到目前为止仍然没有定论。传统的观点认为，控磷是可以治理富营养化的话，代表人物是加拿大Alberta大学的Schindler教授，依据是加拿大的Lake 227的磷添加实验结果。

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在实际过程中，控磷的好处在于：1. P容易控制，经济上可行；2.部分观点认为，富营养化湖泊部分藻类可以固定氮，导致氮“不可控”。自从2010年之后，越来越多的观点提到，氮和磷的双控，代表性认为为北卡来罗那大学的Hans Paerl等。这一观点上的争论甚至在Science上进行了辩论式的讨论（Conley et al., 2009, Controlling eutrophication: Nitrogen and phosphorus）。
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现在越来越多的观点认为氮和磷的协同控制很重要。在此过程中，多数观点认为，P元素可以控制生物量，而N/P的比例可以影响浮游生物群落构成，例如高N/P比水体有利于非固氮兰的微囊藻和束丝藻的爆发（基本观点是在湖泊为N/P为23:1，海洋中则是16:1），进而影响水生食物链的能量传递效率，最终影响浮游生物多样性。持有此观点的人包括美国科学院院士Jame Elser、西班牙科学院Josep教授等。
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我们总体认为，污水处理对于地表磷改善是有效果的，但对于氮可能并不如磷，所以造成无意识的氮磷计量比增加，可能会带来潜在的水生态后果。
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