王焰新院士：湖泊富营养化成因与防治的环境地质研究
当下，全球的内陆湖泊水库面临着一个共性问题，那就是富营养化。2018年的最新调查结果显示，世界上63%的湖泊水体存在富营养化问题（图1），这个问题已经成为全球性的挑战。中国也不例外，2019年的调查结果显示，我国69.5%的湖泊处于富营养化状态，高于世界平均水平。
图1 全球内陆湖泊/水库营养状态分级（Wang et al., 2018）
以长江为例。在整个长江流域范围内，40%的湖泊不仅富营养化，而且是重度富营养化。这些湖泊水体接纳大量的氮和磷，水的局部流动又带来或拦截相当一部分的营养物质；同时，由于底泥的沉降和富集，使湖泊的沉积物成为营养物质的“内源”，它也会持续释放氮和磷，加速富营养化的过程。所以，单纯地关注水体本身已不足够，还有底泥内源污染物消除的问题，也需要引起重视。
相比广袤的农村来说，城市湖泊更容易发生富营养化的问题。这是因为，城市的容量虽比较有限，但人类活动产生的污染物却更多，所以问题也更突出。号称“百湖之市”的武汉市有166个湖泊，在对比了24个典型湖泊的富营养化状态后，发现武汉城区的湖泊富营养化程度普遍高于郊区。
富营养化会导致什么问题？有两大方面的后果。首先，最直观的就是水华，水体气味难闻，还带有一些毒性，这对动物、人体健康会产生直接的影响，饮食安全难以保证；第二，会引发一系列的生态损害，进而导致经济损失，如水质变差会影响供水和水产业，还会影响交通运输业、物流等，旅游业也会受到波及，所以，富营养化是一个很大、很复杂的问题。
由于富营养化问题，藻类和一些其他微生物在湖泊内大量繁殖，速度超出想象。这会导致营养消耗，使得很多湖泊不再适合鱼类生长。那污染物是如何进入湖泊的呢？有两大来源：一是外源输入，即通过点源或者非点源的输入，比如通过城市的下水道管网排放污水，从而进入湖泊。中国一些城市的管网逐渐老化，大量市政污水在管道输运过程中会泄露到环境中去，最后通过水循环进入到我们赖以生存的水体中，这是非常重要的污染源；还有一个是内源污染，即前面讲的底泥，其中同样富集污染物，它们释放的氮和磷也会加速这一过程。
联合国环境署2019年发布了题为《健康星球，健康人类》（Healthy Planet, Healthy People）的第六次地球体检报告（GEO-6）。报告指出，全球进入到生物圈和海洋里面的氮和磷的通量已经超过了全球可持续水平（图2），世界两大经济体——中国和美国都是氮和磷的通量超出了可持续水平的典型地区。
图2 全球进入到生物圈和海洋里面的氮和磷的通量已经超过了全球可持续水平（UN Environment, 2019）
如何控制富营养化？关键是控源。控源问题跟城市规划、城市韧性建设直接相关。在城市规划当中，可以考虑通过工业结构的调整、流域的管理或者小的景观水体周围的小流域的管理来控制外源的输入。另外就是控制内源氮磷的释放，比如现在有很多清淤的工程会对湖泊底泥进行氧化，还有一个办法，是对受损湖泊开展生物修复。
在控制富营养化的实践中，国际上有大量的案例。比如美国有个湖泊，20世纪70年代采取措施后，富营养化程度持续降低，修复效果很好；但到了90年代中期，因某种原因，又回到了富营养化的状态。丹麦有个湖泊也是这样，通过生物调控之后富营养化程度下降，后来又出现了波动、反复。
二、地下水和湖泊富营养化的关系
富营养化为何如此难以根除，甚至经常反复？其中有一个很重要的原因，那就是地下水。长期以来，我们一直关注地表水，却忽视了地下水。要知道，除了地表和面源污染以外，富营养化有相当一部分原因是通过地下水的排泄输入营养盐造成的（图3）。比如美国那个例子，为什么会反弹呢？就是地下水在“作怪”。丹麦那个例子也是这样，也是由于地下水的输入。人们觉得已经治理好了湖泊富营养化的问题，却不知表面治理完了，地下还在不断输入，所以才出现了后面的反弹。
再看看长江。长江流域从上游到中下游地区，富营养化浓度呈现越来越高的趋势。在研究长江中游沿岸地下水水质时，发现大型淡水湖——洪湖在内的各个湖泊周边，高铵或高磷地下水都有一定空间范围的分布。进而剖析了长江流域著名的牛轭湖——天鹅洲，做了详细研究。过去不清楚天鹅洲的地表水和地下水是否有关系。通过在野外调查发现，水里面有冒泡的地方，很明显，这是地下水在排泄。于是，使用一些新的示踪技术，发现每天每平方米地下水排泄出来的铵达到将近370毫克，磷达到29毫克，占比较高。所以，在讨论湖泊富营养化的时候，必须要将地下水循环也考虑进去。
图3 地下水排泄对于湖泊氮、磷富集的贡献
（Lewandowski et al., 2015）
三、如何控制氮磷点源污染
控制富营养化的关键是控源。
首先是氮。市政污水携带大量的氮，有的经过地表水或者是面源污染带走，剩下的一半则进入污水处理厂，而通过污水处理厂实际上只能去除10%的氮，其他又全部回到水环境中。难题是：如何提高污水处理厂的效能，把进入污水处理厂的这些氮从水中有效去除或转化？
其次是磷。以湖北为例：磷化工企业大都沿着汉江和长江分布，边上有大量的湖泊存在。这些磷化工企业产生的磷石膏主要以堆存方式处置，必然会导致磷的进一步释放，并进入水体里面，进而导致湖泊富营养化。怎么解决呢？我们做了很多探索，始终基于一个出发点：若想从根本上解决这个问题，就必须把磷石膏资源化。经过长期探索，我校周俊教授团队形成了直接从磷石膏生产出石膏板的技术，产品可直接作为建材使用。这一技术不仅获得了国家专利，在国际期刊发表了论文，近期还建成了一个年产150万平方米的生产线，摸索出磷石膏资源化的一条有效途径。
四、展望
我用较大篇幅讲地下水，并不是说地下水比其他因素都重要，而是想要强调，当研究一个城市湿地生态学或者做城市景观设计的时候，设计者们一定要有水循环的概念，一定要和水文地质学紧密结合。这种跨学科的研究非常重要。因为任何的韧性城市建设，不能仅顾眼前的事情，一定要考虑整个城市环境系统的可持续性。
说到城市韧性和可持续发展，无外乎是好的城市治理、经济韧性、去中心化等；其实还有一个问题不能忽视，那就是监测——监测全球变化对地下水、地表水和它们对城市湖泊水生态的影响。这是非常重要的，没有监测作为基础，谈城市韧性和供水系统韧性就缺乏“底气”。
如何才能实现“健康星球、健康人类”的目标？实际上，维系人类生存，涉及到生物多样性、土地、淡水、空气、海洋等自然因素，也包括人口、技术、气候变化、城市化等人为因素，它们互相作用，驱动地球表层系统的演进。如果方向不对，或选择了一个错误的政策，整个系统会受到干扰，甚至局部崩溃。现在，人类生产生活方式的改变迫在眉睫，比如使用清洁能源、推行循环经济、建设宜居城市、采取气候适应性策略等。人类社会必须共同为“健康星球、健康人类”这一目标做出努力。相信在不久的将来，我们的星球会更加宜居、更加健康，人居环境也会越来越好。
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