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        郭慶軍研究團隊在大流域磷、氮遷移過程及源解析方面取得系列進展

          水體富營養化是國際上普遍關注的水生態環境問題,磷、氮是流域水體藻類爆發的主要限制性營養元素。系統研究磷、氮誘導富營養化成因和各潛在端元貢獻比例對開展流域磷、氮管理工作至關重要。然而,磷、氮元素在大流域尺度上的遷移特征和定性及定量源解析是面臨的關鍵科學問題,缺乏精準開展流域磷、氮超標管理工作的科學依據。郭慶軍研究員團隊利用磷酸鹽氧同位素技術、硝酸鹽氮氧同位素技術等,并結合多端元、非線性擬合函數和貝葉斯等多模型手段,探明了中國長江流域磷、氮的遷移富集特征,定量解析了長江流域不同河段和不同子流域磷、氮的來源,驗證了磷酸鹽氧同位素技術對大流域尺度磷示蹤研究的有效性,取得的系列科研進展具體如下: 

          1. 厘清了流域尺度上磷遷移富集特征,從全球尺度上解析內源和外源磷相對負荷,計算了流域遺留磷儲量并定量解析了其恢復到安全水平所需要的時間跨度 

          1)以全球典型流域水體為主要研究對象,系統整理了流域水體、沉積物等多端元的磷酸鹽氧同位素信號,對比探討了沉積物-水界面磷釋放和外源磷輸入過程中磷酸鹽氧同位素信號值的變化規律,發現內源磷釋放和外源磷輸入對水體磷負荷均有著較大的貢獻。要想降低流域內的磷污染負荷,需要協同管控外源磷輸入和內源磷負荷,只有內外根治才能取得較好的效果。 

          2)以長江流域作為研究區域,評估了不同經濟發展時期長江流域磷累積量的變化趨勢和影響因素,基于分割線性模型定量識別了流域遺留磷的儲存閾值,并利用指數衰減過程估計遺留磷恢復到安全水平所需的時間。結果表明,長江流域儲存的遺留磷已經超過了其緩沖閾值,遺留磷恢復到安全水平以下需要近300年的時間。遺留磷的定量解析研究為流域尺度上磷管理工作的開展提供了科技支撐。 

          2. 定量解析了長江流域不同河段和子流域氮、磷多端元的貢獻比例 

          1)通過結合磷酸鹽氧同位素、端元混合模型和土地利用方式面積占比,定量解析了長江各子流域主要人為磷和自然磷來源。結果發現,強烈的農業活動是最主要的人為磷來源,其次是畜禽養殖的排泄物和城鎮建設過程中管道污水的排放。長江各子流域主要人為磷輸入的解析工作,有助于識別流域尺度上磷的主要貢獻來源。 

          2)通過結合磷酸鹽氧同位素技術、硝酸鹽氮氧同位素技術和貝葉斯模型,定量計算了長江流域不同河段磷、氮源的貢獻比例。結果發現,化肥磷輸入是長江流域外源磷管控的關鍵,三磷企業廢棄物、生活污水和畜禽養殖排泄物對干流水體磷、氮負荷也有著較大貢獻;土壤氮是長江流域水體硝酸鹽的最主要來源,NH4+肥料、糞肥和污水對長江水體氮負荷也有著重要貢獻。針對這些主要的磷、氮排放源,化肥磷、氮的減施增效、磷石膏等廢棄物的資源化利用、城鎮污水處理能力的改善和養殖業排泄物的堆肥還田是長江流域目前解決較高人為磷、氮輸入的有效措施。 

          3.建立了長江經濟帶高效可行的磷、氮排放估算系統,揭示其城鎮化過程中人類活動對磷、氮排放的影響 

          1)利用社會經濟大數據建立了長江經濟帶人類活動磷、氮排放系統,估算了2000–2019年長江經濟帶人類活動的磷、氮排放負荷,并通過障礙度模型分析了不同時期驅動各地區磷、氮排放增長的主要工農業因子。有助于促進經濟帶社會經濟健康和可持續發展,同時對于保障長江流域和河口地區的生態環境安全具有重要意義。 

          2)利用STIRPAT環境壓力模型、時間序列預測模型ARIMA以及灰色預測模型GM1,1)分別對長江經濟帶2030年的氮排放負荷進行了模擬預測,并提出了應對措施。 

          上述研究在《Water Research》等國際主流期刊上發表,獲得了國家自然科學基金重大項目等資助。 

          發表的系列論文: 

          Wang, Z., Tian, L., Zhao, C., Du, C., Zhang, J., Sun, F., Tekleab, T.Z., Wei, R., Fu, P., Gooddy, D.C. and Guo, Q. *, 2023. Source Partitioning Using Phosphate Oxygen Isotopes and Multiple Models in a Large Catchment. Water Research 244, 120382. (Nature Index). 

          Du, C., Guo, Q.*, et al., 2024.  Estimating atmospheric nitrogen deposition within a large river basin using moss nitrogen and isotope signatures. Chemosphere 347, 140617. 

          Zhang, J., Guo, Q.*, et al., 2022. Phytoplankton dominates the suspended particulate nitrogen source in the Yangtze River. Journal of Hydrology 615,128607. 

          Wang, Z., Guo Q.* and Wei, R., 2023. Legacy phosphorus delays the accomplishment of expected phosphorus management object. Journal of Environmental Management 345, 118883. 

          Zhang, J., Wei, R., Tekleab, T. Z., Wang, Z., Cui, M., Du, C., Yue, F., Guo, Q.*, et al., 2023. Nitrate sources and transformations along the Yangtze river and its changes after strict environmental regulation. Journal of Hydrology 617, 129037. 

          Wang, Z., Guo Q.* and Tian, L., 2022. Tracing phosphorus cycle in global watershed using phosphate oxygen isotopes. Science of the Total Environment 829, 154611. 

          Du, C., Guo, Q.*, Zhang, J., 2022. A review on moss nitrogen and isotope signatures evidence for atmospheric nitrogen deposition. Science of The Total Environment 806, 150765. 

          Cui, M., Guo, Q.*, et al., 2021. Temporal-spatial dynamics of anthropogenic nitrogen inputs and hotspots in a large River Basin. Chemosphere 269, 129411. 

          Cui, M., Guo, Q.*, et al., 2021. Anthropogenic nitrogen and phosphorus inputs in a new perspective: environmental loads from the mega economic zone and city clusters. Journal of Cleaner Production 283, 124589. 

          Cui, M., Guo, Q.*, et al., 2020. Human-driven spatiotemporal distribution of phosphorus flux in the environment of a mega river basin. Science of The Total Environment 752, 141781-141793. 

            


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