在2023年6月5日世界环境日之际，中国科协生态环境产学联合体向社会发布了2022年度“中国生态环境十大科技进展”。北京大学环境科学与工程学院、国家环境保护河流全物质通量重点实验室牵头完成的科研成果 “湖泊氮磷截留效应及其内循环影响机制”入选（知识创新类）。
2022年度中国生态环境十大科技进展“湖泊氮磷截留效应及其内循环影响机制”（来源：中国科协生态环境产学联合体）
自1960年代以来，人类活动排放导致全球氮磷污染突出、超过地球安全边界。尤其是全球氮磷比在持续上升，氮磷循环严重失衡。高强度氮磷排放与高氮磷比叠加，诱发湖泊水华与海域赤潮爆发，导致水生态系统严重退化，严重威胁水安全。湖泊是地球表层生态系统中氮磷截留和平衡调节的关键节点，其氮磷截留量占全球淡水生态系统的1/5以上。但由于湖泊对氮磷的截留能力受到入湖通量及湖泊水温、深度、水力停留时间、营养状态等因素的复合影响，且当前大尺度的入湖氮磷通量数据匮乏、湖内氮磷循环过程多且难以直接测定，导致在湖泊是“加剧”还是“减缓”全球氮磷失衡这一重大科学问题上还缺乏直接证据。
研究团队在我国多个重点湖泊开展了水文、水质、水生态、出入湖通量等的持续观测、样品采集与数据分析，构建了全球湖泊的氮磷浓度与社会经济活动数据库，研发了“入湖通量-湖泊生物地化循环-内外源直接解析”的综合模拟新方法，从全球和局地两个尺度开展研究。
研究团队首先量化了全球湖泊的氮磷入湖(Inflow)、湖内供给(Enrichment)、湖内损耗(Depletion)、出湖(Outflow)等内外循环过程中的氮磷通量变化。研究发现，在全球约90%的湖泊中，出湖氮磷比要高于入湖（均值升高约1倍）；且随着营养等级升高，二者的差值在增大。为进一步表征湖泊内循环过程对入湖通量变化的响应，研究团队提出了湖泊内循环活跃度的概念与计算方法，发现它由自然物理特征和营养状态共同决定，揭示了全球湖泊整体呈优先截磷的规律，并划分为4种截留模式：释氮释磷（8%）、截氮释磷（1%）、释氮截磷（10%）、截氮截磷（81%）。对其作用机制的分析发现，湖内供给过程中的氮磷比要高于损耗，导致湖泊的氮磷比整体升高。该发现首次证实了湖泊内循环过程加剧了全球的氮磷循环失衡，提供了湖泊截留强度差异及内循环影响的科学证据。
在全球尺度规律探究的基础上，研究团队开展了我国重点湖泊的通量模拟与内外源源解析，发现湖泊的内循环强度决定了外源控制的成效。进一步的机制解析发现，内循环强度的波动受季节性外源影响显著，且湖泊内循环在年际和年内存在相反的作用路径。具体而言，对于处于恢复过程中的湖泊，“外源降低-水质改善-内循环减缓-藻类减弱”是年际演变的基本规律，但在年内也同时存在短期外源高通量冲击下的“内循环增强-水质恶化-藻类升高-内循环更强”影响路径。这种看似矛盾但却在不同时间尺度共存的长期减缓与短期增强机制，回答了长期困扰科学界的“氮磷浓度长期持续下降，但藻类水华短期依然频发”的观测事实。
研究团队据此揭示了在湖泊治理中亟需引起重点关注的两个问题：①不仅要关注当前已处于富营养化状态的湖泊，更要特别关注和保护处于贫、中营养状态，但湖内供给/损耗比值呈持续增加的湖泊；②不仅要关注氮磷浓度等表观监测指标的变化，还需充分考虑湖泊内循环活跃度所处的状态，因湖施策以减缓氮磷比的增长幅度与可能产生的生态危害。综上，提出了以内循环调控为基础，内源-外源协同、长期-短期协同相结合的精准治理模式，并在我国重点湖泊得到示范应用。
上述研究成果2022年发表于Nature Geoscience、National Science Review、Environmental Science and Technology及Water Research等国内外期刊。Nature Geoscience在同期配发了Limnology and Oceanography前主编、康奈尔大学教授Robert W. Howarth与编辑团队的评述，认为“研究具有很强的创新性，揭示了湖泊氮磷截留的全球模式，提出了湖泊氮磷内外源协同控制的新视角”。基于上述成果，研究团队撰写了我国湖泊综合治理存在的薄弱环节及对策、加强湖泊治理气候变化应对、制定更加均衡的氮磷控制计划等政策建议，向相关部门提交并得到重要批示和采用。该成果得到了国家自然科学基金（42142047 、51721006）等的资助。
主要完成单位：北京大学、中国科学院南京地理与湖泊研究所、中国环境科学研究院
主要完成人：刘永、秦伯强、周丰、霍守亮、吴桢、李金城、蒋青松、季宁宁、黄吉霖、孙延鑫、刘晓钰
新闻链接：https://mp.weixin.qq.com/s/YG9OMEPpcXHAoDgPJxYKzw
延伸阅读：
为反映生态环境科技领域前沿发展动态，引领生态环境领域技术创新，为我国生态环境保护和美丽中国建设提供科技支撑，中国科协生态环境产学联合体（以下简称“联合体”）开展了2022年度“中国生态环境十大科技进展”（以下简称“十大进展”）遴选工作。经两院院士、联合体各成员单位和全国大专院校、科研机构推荐，联合体对推荐进展进行形式审查、公示、初评并组织院士和学部委员终评。入选的项目需要在科学技术方面有重大进展，且具有创新性、先进性、重大学术价值和应用前景或良好的社会效益。
