生活汙水排放導致受納水體氮磷指標的失衡?

北極星水處理網訊: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）在線發表了關於湖泊中氮磷元素計量平衡與人為活動幹擾影響的研究論文「Improvement in municipal wastewater treatment alters lake nitrogen to phosphorus ratios in populated regions」，揭示了我國大規模城市汙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，並提出了針對性改善建議。該研究由天津大學環境學院童銀棟、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、天津大學為第一完成單位。西班牙全球生態研究院Josep Peñuelas、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徵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徵變化趨勢。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徵，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)。這一特點顯著不同於早前研究報導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徵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於磷元素開始出現了過剩、氮磷元素計量比嚴重失衡。尤其是城市生活汙水排放，由於不同營養物汙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，未來城市汙水處理設施建設不僅應該考慮除氮、除磷功能，同時需要注意汙水處理前後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汙水排放中增加氮磷元素計量比限值的指標。

原文連結：https://www.pnas.org/content/early/2020/05/07/1920759117

以上文章文字轉發自http://news.tju.edu.cn/info/1012/51363.htm.

【後記】

對於本文研究結論，「水進展」專家群進行了討論，有專家認為，一方面國內外大多採取控磷的策略來防治湖泊富營養化，那麼湖泊氮磷失衡本來就是控磷策略的結果；一方面對於汙水處理廠而言，除TP比除TP容易；所以對於一些更嚴格的地標來說，從技術經濟可行性的角度，採取了一種對TP更高的標準，而對總氮較為寬鬆。再一方面，每個湖泊都是一個生態系統，氮磷比是湖泊的屬性之一，但每個湖泊都有其獨特的規律；作者的這篇文章如果通過大數據分析將湖泊的氮磷比和湖泊的健康程度關聯起來分析，從而發現規律，或為不同類型湖泊氮磷比控制策略提供科學依據，或許能夠起到更好的效果。

也有專家認為，N/P比不是關鍵，關鍵是P濃度是不是到了藻類生長的限制水平。

對此，文章作者童老師參與了討論並發表了觀點，他認為，水體富營養化的發生機制到目前為止仍然沒有定論。傳統的觀點認為，控磷是可以治理富營養化的話，代表人物是加拿大Alberta大學的Schindler教授，依據是加拿大的Lake 227的磷添加實驗結果。在實際過程中，控磷的好處在於：1. P容易控制，經濟上可行；2.部分觀點認為，富營養化湖泊部分藻類可以固定氮，導致氮「不可控」。自從2010年之後，越來越多的觀點提到，氮和磷的雙控，代表性認為為北卡來羅那大學的Hans Paerl等。這一觀點上的爭論甚至在Science上進行了辯論式的討論（Conley et al., 2009, Controlling eutrophication: Nitrogen and phosphorus）。現在越來越多的觀點認為氮和磷的協同控制很重要。在此過程中，多數觀點認為，P元素可以控制生物量，而N/P的比例可以影響浮遊生物群落構成，例如高N/P比水體有利於非固氮蘭的微囊藻和束絲藻的爆發（基本觀點是在湖泊為N/P為23:1，海洋中則是16:1），進而影響水生食物鏈的能量傳遞效率，最終影響浮遊生物多樣性。持有此觀點的人包括美國科學院院士Jame Elser、西班牙科學院Josep教授等。我們總體認為，汙水處理對於地表磷改善是有效果的，但對於氮可能並不如磷，所以造成無意識的氮磷計量比增加，可能會帶來潛在的水生態後果。

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