水体富营养化是国际上普遍关注的水生态环境问题，磷、氮是流域水体藻类爆发的主要限制性营养元素。系统研究磷、氮诱导富营养化成因和各潜在端元贡献比例对开展流域磷、氮管理工作至关重要。然而，磷、氮元素在大流域尺度上的迁移特征和定性及定量源解析是面临的关键科学问题，缺乏精准开展流域磷、氮超标管理工作的科学依据。郭庆军研究员团队利用磷酸盐氧同位素技术、硝酸盐氮氧同位素技术等，并结合多端元、非线性拟合函数和贝叶斯等多模型手段，探明了中国长江流域磷、氮的迁移富集特征，定量解析了长江流域不同河段和不同子流域磷、氮的来源，验证了磷酸盐氧同位素技术对大流域尺度磷示踪研究的有效性，取得的系列科研进展具体如下： 

　　1. 厘清了流域尺度上磷迁移富集特征，从全球尺度上解析内源和外源磷相对负荷，计算了流域遗留磷储量并定量解析了其恢复到安全水平所需要的时间跨度 

　　（1）以全球典型流域水体为主要研究对象，系统整理了流域水体、沉积物等多端元的磷酸盐氧同位素信号，对比探讨了沉积物-水界面磷释放和外源磷输入过程中磷酸盐氧同位素信号值的变化规律，发现内源磷释放和外源磷输入对水体磷负荷均有着较大的贡献。要想降低流域内的磷污染负荷，需要协同管控外源磷输入和内源磷负荷，只有内外根治才能取得较好的效果。 

　　（2）以长江流域作为研究区域，评估了不同经济发展时期长江流域磷累积量的变化趋势和影响因素，基于分割线性模型定量识别了流域遗留磷的储存阈值，并利用指数衰减过程估计遗留磷恢复到安全水平所需的时间。结果表明，长江流域储存的遗留磷已经超过了其缓冲阈值，遗留磷恢复到安全水平以下需要近300年的时间。遗留磷的定量解析研究为流域尺度上磷管理工作的开展提供了科技支撑。 

　　2. 定量解析了长江流域不同河段和子流域氮、磷多端元的贡献比例 

　　（1）通过结合磷酸盐氧同位素、端元混合模型和土地利用方式面积占比，定量解析了长江各子流域主要人为磷和自然磷来源。结果发现，强烈的农业活动是最主要的人为磷来源，其次是畜禽养殖的排泄物和城镇建设过程中管道污水的排放。长江各子流域主要人为磷输入的解析工作，有助于识别流域尺度上磷的主要贡献来源。 

　　（2）通过结合磷酸盐氧同位素技术、硝酸盐氮氧同位素技术和贝叶斯模型，定量计算了长江流域不同河段磷、氮源的贡献比例。结果发现，化肥磷输入是长江流域外源磷管控的关键，三磷企业废弃物、生活污水和畜禽养殖排泄物对干流水体磷、氮负荷也有着较大贡献；土壤氮是长江流域水体硝酸盐的最主要来源，NH₄⁺肥料、粪肥和污水对长江水体氮负荷也有着重要贡献。针对这些主要的磷、氮排放源，化肥磷、氮的减施增效、磷石膏等废弃物的资源化利用、城镇污水处理能力的改善和养殖业排泄物的堆肥还田是长江流域目前解决较高人为磷、氮输入的有效措施。 

　　3.建立了长江经济带高效可行的磷、氮排放估算系统，揭示其城镇化过程中人类活动对磷、氮排放的影响 

　　（1）利用社会经济大数据建立了长江经济带人类活动磷、氮排放系统，估算了2000–2019年长江经济带人类活动的磷、氮排放负荷，并通过障碍度模型分析了不同时期驱动各地区磷、氮排放增长的主要工农业因子。有助于促进经济带社会经济健康和可持续发展，同时对于保障长江流域和河口地区的生态环境安全具有重要意义。 

　　（2）利用STIRPAT环境压力模型、时间序列预测模型ARIMA以及灰色预测模型GM（1,1）分别对长江经济带2030年的氮排放负荷进行了模拟预测，并提出了应对措施。 

　　上述研究在《Water Research》等国际主流期刊上发表，获得了国家自然科学基金重大项目等资助。 

　　发表的系列论文： 

　　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.