生態環境中心：污水氮磷排放及其干預效應的全球熱區

　　近日，由中國科學院生態環境研究中心領銜，英國埃克塞特大學、美國密歇根大學、荷蘭瓦赫寧根大學等參與的研究團隊在污水氮磷排放管理方面取得重要突破，該研究從全球視角揭示了生活污水氮磷減排措施及其環境影響的時空異質性，為不同國家和地區的個體消費者、管理者以及決策者全方位參與氮磷點源污染控制與治理提供了科學的量化數據和關鍵信息，為社會經濟與生態環境協調發展提供科學支持。這一成果以《污水氮磷減排的影響熱區將隨人口發展與飲食習慣改變而發生全球規模轉移》（Impact hotspots of reduced nutrient discharge shift across the globe with population and dietary changes）為題發表在6月14日的國際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。

　　近半個多世紀，隨著人口和社會經濟的快速發展，污水排放已成為水體富營養化和水生態退化的一個關鍵因素。目前，各國主要通過完善污水收集處理以及提高污水排放標準進行氮磷點源排放控制。然而，極少有科學家和管理者關注氮磷排放干預措施的環境影響。有研究指出，污水強化脫氮除磷產生的高能耗、高藥劑及衍生污染很可能會對大氣或陸地系統造成看似無關的負面影響。水、大氣與陸地生態系統是一個相互影響的聯動體系；在一定條件下，當大氣與陸地生態系統破壞到一定程度，也能誘發水污染。污水氮磷管理及其減排措施對生物地球化學過程及環境系統可持續性的影響亟待闡明。但是，解決這一關鍵科學問題尚缺乏能夠從系統集成角度出發、且基于技術、空間和時間維度互饋的科學評估方法。

　　對此，研究團隊開發出能夠深度融合人口發展、城市化、飲食習慣、水與衛生基礎設施發展水平等關鍵社會、經濟、技術、環境數據的綜合評估模型（IDEAS）；在此基礎上，研究團隊利用IDEAS模擬了1990–2050年五大洲173個國家污水收集與處理設施發展對減少氮磷點源排放的環境影響及效應。研究顯示，污水設施建設與技術升級可有效減少氮磷進入淡水和沿海水體。但是，污水氮磷排放貢獻呈現顯著的時空異質性（圖1），這主要由人口基數與人均氮磷排放水平的時空差異共同決定；其中，高人均氮磷排放水平與該區域（或時期）的高人均膳食蛋白攝入量、低衛生設施覆蓋率、不完善的污水處理系統等因素相關。

　　文章還結合了地球環境容量閾值（planetary boundary）對污水基礎設施發展的宏觀環境影響及驅動因子進行系統評估（圖2）。結果顯示，從20世紀末到21世紀中葉，全球生活污水氮磷排放的重點區域正從東亞和中亞國家轉向以西非等人口激增、膳食攝入量提高、而水與衛生設施落后為代表的欠發達地區和國家。與此同時，污水集中強化處理產生的能耗、藥劑及衍生污染將導致污水氮磷排放的環境影響熱區從水體富營養化轉移到溫室氣體排放、氣溶膠負荷升高、化學污染、水資源消耗、平流層臭氧耗竭和生物多樣性流失等方面，其中，人口基數及其分布以及消費者飲食習慣是關鍵的驅動因子。

　　文章認為，污水氮磷排放格局的演變、氮磷減排措施的效應轉移均將深刻影響污水處理行業的未來發展。目前實現污水氮磷有效減排且避免效應轉移的可行方法是重構污水處理與管理體系，研發以氮磷回收利用為導向的污水處理綠色技術，構建有效減少衍生污染、降低環境影響的污水治理全系統調控策略。與此同時，文章呼吁通過多渠道引導消費者養成環境友好的飲食習慣和膳食結構。

　　中國科學院生態環境研究中心王旭副研究員是該論文的第一作者兼通訊作者。研究工作得到英國皇家學會牛頓學者基金、國家自然科學基金、北京市科技新星、北京市高創計劃青年拔尖人才、中國科學院青年創新促進會等資助。

圖1 生活污水氮磷排放的時空格局：（a）全球排放總量；（b）五大洲173個國家的氮磷排放量；（c）典型區域和國家的人均生活污水氮排放水平

圖2 基于地球環境容量閾值的污水氮磷減排及其環境影響：

（a）全球尺度；（b）洲際尺度

　　論文信息：

　　Xu Wang*, Glen Daigger, Wim de Vries, Carolien Kroeze, Min Yang, Nan-Qi Ren, Junxin Liu, David Butler. Impact hotspots of reduced nutrient discharge shift across the globe with population and dietary change. Nature Communications, 2019, 10: 2627. DOI: 10.1038/s41467-019-10445-0

　　全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10445-0