磷元素被认为是生命限制性元素（Life’s bottleneck）。著名化学家、科幻作家阿西莫夫曾在1974年的《阿西莫夫论化学》论述道：“Life can multiply until all the phosphorus has gone, and then there is an inexorable halt which nothing can prevent.”磷元素于1669年被炼金术士波兰特发现，它的名字由“phos”（光）和“phorus”（承载者）组成，意味着“光的承载者。”磷是决定水体初级生产力的重要限制因子，其实验依据来自于上世纪70年代由已故美国科学院Schindler院士在加拿大实验湖进行的磷添加实验，发现同一湖泊添加碳氮元素水体并未出现蓝藻水华，而添加碳氮磷的水体则出现大范围水华时间。尽管全球范围内湖泊治理证据表明，并非所有湖泊都能够通过单一磷元素削减来控制蓝藻水华发生，但湖泊磷浓度控制仍然是现阶段水体富营养化治理重要一步，并在很多地区被视为优先策略。

随着人口增长和食物结构变化，人类对磷矿石资源开发利用强度不断加大，加剧了磷资源的短缺和水体富营养化趋势。从一个较长时间的维度来看，我国陆地向水体中磷输入量存在显著增加趋势；但在2000年以后，由于环境管控措施不断实施，水体磷输入变化趋势可能存在越来越大地区性差异。城镇生活污水处理是我国现阶段治理水体富营养化最重要措施，但对于其实施对区域受纳水体营养状态和元素计量平衡的影响缺乏定量评估，导致对大规模城镇生活污水处理实施效果不明确、对水生态初级生产力和生态平衡影响并不清晰，造成“污水处理氮磷减排”与“水生态系统”实际需求可能出现脱节。

天津大学童银栋教授团队将“氮磷物质流分析”和“流域营养物输移INCA模型”相耦合，实现从“区域源排放清单”到“局部入河/湖通量”跨尺度表达，研究展示大空间尺度（东部/中部/西部/东北）人为源磷排放（农业/城市/农村生活源等）的地域分异特征和时间演变规律。研究表明，湖泊磷输入已经实现从“普遍增加”到“局部下降”的重要转变，尤其是东部地区城市生活源排放下降显著；同时，揭示了部分人为排放源的氮元素相对于磷开始出现过剩、氮磷计量比失衡（质量比大于23:1），这可能有利于受纳水体中非固氮类蓝藻爆发（如微囊藻、束丝藻等），特别是城市生活污水的排放，由于不同营养物污水处理去除效率的差异（磷远高于氮）导致出水中氮磷计量比相比十年前增加了2倍，提出需要警惕对受纳水体元素计量平衡和水生态系统功能的负面影响（如生物群落结构异化、多样性丧失等）。

同时实地调查全国46个重要湖泊和河口（长江、海河等）营养状态变化，分析不同气候条件、不同人类活动主导地区水体长时间序列营养物浓度和元素计量特征的变化规律。研究发现，从近十年变化趋势看东部部分湖泊和近岸水域开始出现贫营养化（Re-oligotrophication），表现为水体磷元素浓度下降、氮浓度基本稳定或轻微上升，而氮磷元素计量比则上升。同时，长期富营养化湖泊中限制性营养元素（如太湖、巢湖等）存在规律性季节转换，表现为在夏/秋季节受到氮元素限制（TN/TP<9:1），而在春/冬季节则受到磷元素限制（TN/TP>23:1），这一结论揭示富营养化水体治理过程中需要重视内源输入季节性变化对水体营养状态的影响，单一控制外源输入难以实现水质在短期内快速改善。

(利用经典贝叶斯先验分布耦合水质机理方程，实现对湖内氮磷循环过程与初级生产力反馈关联的较准确和长期历史反演。研究发现，富营养化湖泊内部过程季节性变化（如反硝化、沉积物/水界面交换等）可以使得水体中氮、磷浓度在不同月份出现50%以上波动，导致限制性营养元素季节转变；利用三维水动力/水质模型耦合随机森林算法，估算在考虑自然环境因素影响时典型富营养化湖泊（太湖、巢湖、滇池）藻华爆发营养物阈值。结果表明，湖泊氮磷阈值存在较大的时间和空间变异性，冬季阈值可以达到夏季的2–3倍；同时，未来情景模拟显示，由于气候变化导致湖泊升温，富营养化湖泊内部氮磷循环过程季节性波动将进一步增强、水华发生频率将继续增加。以上研究表明湖内自然过程变化对水体营养状态和初级生产力影响可能被低估，提出环境控制措施应充分考虑湖泊季节性波动和个体间差异，为现行水体营养物标准（“全国、全年一刀切”）的改进提供了科学依据。

如何有效防控水体富营养化及其水生态风险、促进水生态系统恢复是全球水环境领域的长期挑战和我国现阶段水污染防治的重要任务。团队的研究成果从地学视角出发，思考了人类活动变化对水生态系统营养状态潜在影响，通过建立区域尺度生活污水排放与水环境营养状态定量响应关系，探索我国人为源氮磷排放地域分异规律；发现大规模环境保护措施实施导致营养物排放新变化特征，尤其是城市污水排放氮磷去除效率差异导致元素计量比增加。考虑到元素计量平衡的生态学意义，这些研究可能对我国与其他发展中国家未来城市生活污水排放管理政策的制定具有一定的启示。现阶段，城市排放生活污水已经成为了很多自然水体的组成部分。作为一项环境保护举措，如何让减少其对自然水体中元素物质循环和生态过程的影响（如初级生产力、浮游生物群落构成等）可能是今后我们将长期面对和需要解决的一个问题。