《Journal of Hydrology》：Human activities subtly reshape the nitrogen-to-phosphorus stoichiometry of large lakes across China
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随着全球气候变化和人类活动加剧，湖泊氮磷化学计量比（TN/TP ratio）的长期动态及其主导驱动力的演变模式尚不清晰。为解决该问题，研究人员系统分析了中国12个大型湖泊数十年数据，量化了人为与气候因子在不同时期对TN/TP变化的影响。研究揭示，湖泊TN/TP总体呈上升趋势，人类活动（特别是面源污染）是主要驱动力但影响力在减弱，而气候因子的贡献虽低但不确定性最大且持续增强。这强调了协同控氮控磷及增强生态系统应对气候变化韧性的重要性。
在全球气候变化和人类活动双重影响下，湖泊这个看似宁静的水体正在经历一场肉眼不易察觉的“化学风暴”。这场风暴的主角不是某一种单一化学物质的浓度，而是两个关键生命元素——氮（N）和磷（P）之间的比例关系，即氮磷化学计量比（TN/TP ratio）。这一比值不仅是评估湖泊营养状态的“隐形罗盘”，更是深刻塑造着浮游植物群落结构，乃至整个水生食物网功能和稳定性的幕后推手。过去的研究多聚焦于氮磷浓度的变化或TN/TP的剧烈季节波动，但对于这种化学比例关系的长期、跨年度演变趋势，以及背后驱动因素的力量对比是否也随时间发生了根本性转变，我们仍知之甚少。
为此，来自中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的研究团队，以“Human activities subtly reshape the nitrogen-to-phosphorus stoichiometry of large lakes across China”为题，在《Journal of Hydrology》上发表了一项重要研究。他们汇集了12个中国大型湖泊（包括鄱阳湖、太湖、巢湖、滇池等）长达数十年的监测数据，像侦探一样追踪TN/TP的时间轨迹，并量化分析了人类活动（如施肥、土地利用、社会经济发展）与气候因子（温度、降水）在不同历史时期（1995-2001，2002-2008，2009-2015）对湖泊氮磷比变化贡献的“权力变迁”。
为开展此项研究，研究人员主要应用了几项关键技术方法：首先，他们基于多来源（如国家环境监测中心数据及已发表文献）汇编了各湖泊的年均总氮（TN）和总磷（TP）浓度长期时间序列，用以计算TN/TP质量比并分析其趋势。其次，为探究驱动机制，他们选取了八大驱动因子（包括施肥强度、施肥N:P比、气温、降水、人均GDP、人口密度、耕地比例、城市用地比例），采用主成分分析（PCA）结合主成分回归（PCR）的统计建模方法，将这些因子降维整合，并分别量化了它们在三个时期对TN/TP变化的贡献度，有效避免了多重共线性的问题。
研究揭示了几个关键发现：
1. 长期时间格局下的湖泊氮磷质量比：
通过对12个湖泊的数十年数据分析，研究团队将TN/TP的演变趋势分为四类：上升型、U型、下降型和无明显趋势型。其中，巢湖、洱海、白洋淀、滇池和千岛湖属于典型的上升型湖泊。特别是千岛湖，其TN/TP比值上升速度最快，这主要是由TP浓度的显著下降所驱动，而TN浓度则没有明显变化趋势。总体而言，大部分湖泊的TN/TP比值集中在9到23之间，即处于氮磷“共限制”（co-limitation）区间。与此同时，这些湖泊的TN和TP浓度普遍超过了地表水环境质量标准（GB 3838-2002）的Ⅲ类水限值，突显出在管理实践中协同控制氮和磷的必要性。
2. 氮磷比变异的驱动因素：
量化分析表明，在影响湖泊TN/TP比变化的四大类驱动因子中，化肥相关因子、社会经济因子和土地利用变化因子的贡献中位数相当（约26-28%），而气候因子（年均温和年降水）的贡献中位数最低（19.8%）。然而，气候因子在所有因子中表现出最大的变异系数，意味着其虽在平均贡献上不占优，但却是最不确定的影响来源。时间尺度上，化肥因子的贡献在不同时期变化不大，而社会经济因子和土地利用变化的贡献在后期显著下降。与此相反，气候因子的贡献则从早期的15.2%显著上升到后期（第二、三期）的约20-26%，表明气候的影响力正在稳步增强。
3. 湖泊间主导驱动力的转变：
研究进一步考察了不同时期各湖泊的首要主导因子。结果显示了一个清晰的时序转换过程：在早期（1995-2001年），土地利用变化是绝对的主导因子，超过70%的湖泊受其支配，这与中国快速的城镇化阶段相吻合。随着时间的推移，主导因子趋于多元化，化肥因子和气候因子也开始在一些湖泊中占据主导地位。特别是在人类活动内部，点源污染（与GDP、人口密度、城市用地相关）的贡献显著下降，而非点源污染（与施肥强度、施肥N:P比、农地面积相关）的贡献则相对稳定。这标志着驱动机制从早期以点源和土地利用变化为主，逐渐转向了以非点源污染和气候影响为主导的更加复杂的多元驱动格局。
研究在结论与讨论部分深刻阐述了其重要意义。该研究揭示了中国大型湖泊TN/TP比值的普遍上升趋势，并首次系统量化了其驱动力的长期演变。这一“权力转移”过程——从单一的人类活动主导（早期是土地利用，后期是农业非点源）转向人为与气候多重驱动共存——对湖泊管理具有深刻启示。它表明，传统的、侧重于削减点源污染的控磷策略可能已不足以应对当前和未来的挑战。因为随着污水处理效率提升（通常除磷效率高于除氮），以及非点源污染和气候变率的相对重要性日益凸显，湖泊的氮磷平衡可能会变得更加脆弱和难以预测。
该研究特别强调了气候变化带来的“不确定性放大”效应。尽管气候因子的平均贡献份额仍低于人类活动，但其带来的变异性和不可预测性最大，且影响力在持续增强。未来，极端气候事件（如强降雨、热浪）的频发，可能通过改变营养盐输移路径、加剧内源释放、影响微生物过程等方式，进一步扰动湖泊的氮磷化学计量平衡，使管理效果面临更大挑战。
因此，论文最终呼吁，在持续实施“双氮磷控制”策略的基础上，必须将增强水生生态系统本身的韧性（resilience）提升到与削减外部营养盐输入同等重要的战略高度。这包括保护流域缓冲带、恢复湖滨带生态功能、维持健康的湖泊内部营养盐循环过程等，以帮助湖泊生态系统更好地缓冲和适应未来气候变化带来的冲击。这项研究不仅为中国大型湖泊的营养盐管理提供了基于长期证据的科学依据，也为全球类似水体的可持续治理贡献了重要的理论框架和前瞻性视角。
