南京地湖所赵国强等WR|水生态系统磷循环跨尺度研究的机遇与挑战

近日，中国科学院南京地理与湖泊研究所赵国强等联合中国环境科学研究院、中国科学院地球化学研究所和东南大学等单位，在环境科学领域国际著名期刊《Water Research》发表题为《Making Waves: Bridging the Scale Gap in Aquatic Phosphorus Cycling》的论文。文章聚焦水生态系统磷循环研究中的“尺度鸿沟”难题，提出连接微观实验与宏观模型的跨尺度研究框架，为深入理解全球变化背景下磷循环过程及其环境效应提供了新思路。

磷是维系水生生态系统健康运转的重要生命元素，也是引发湖泊与流域等水体富营养化的关键限制因子。长期以来，科学家围绕磷循环开展了大量研究：一方面，通过实验室培养、分子表征和界面观测等手段，不断揭示磷在矿物表面、沉积物界面及微生物作用下的转化机制；另一方面，依托监测网络、遥感观测和机器学习模型，持续解析区域乃至全球尺度磷循环的时空变化规律。然而，两类研究长期“各自发展”，导致微观机制难以有效扩展到区域和全球尺度，而宏观模型又缺乏坚实的机制支撑，成为制约磷循环预测与管理的重要瓶颈（图1）。

图1. 微观和宏观磷循环研究中的“尺度鸿沟”

针对这一挑战，研究团队系统梳理了国际水体磷循环研究的发展脉络，提出“机制发现-参数提取-模型构建-尺度扩展”的跨尺度研究新框架。文章结合团队近年来在水陆交错带水生植物根际元素循环领域取得的系列研究成果，总结了两种具有代表性的跨尺度研究路径：一是通过提取关键控制参数并结合大数据平台，实现实验发现向区域尺度的快速拓展；二是结合大范围野外调查、多参数训练和机器学习分析，构建机制驱动模型，提升区域乃至全球尺度预测的准确性和可靠性。该框架有望推动磷循环研究从“发现机制”迈向“预测效应”，实现从分子机制到全球影响的跨越（图2）。

研究团队指出，未来环境科学的发展亟需推动实验科学与数据科学深度融合，加强长期观测、野外验证和模型集成，构建全球协同监测网络与开放共享数据平台。该研究提出了水体磷循环跨尺度研究新框架，为生源要素循环及污染物环境行为研究提供了借鉴。打通“从微观机制到宏观效应、从实验发现到全球预测”的尺度鸿沟，将为提升全球变化背景下生态环境风险预测与科学管理能力提供重要支撑。

图2. 多参数训练方法实现跨尺度耦合

论文第一作者为盛虎副研究员，通讯作者为赵国强副研究员。东南大学丁士明教授、中国科学院南京地理与湖泊研究所徐华成研究员、中国科学院地球化学研究所王敬富研究员、中国环境科学研究院朱元荣研究员等参与了论文指导。该研究得到国家自然科学基金（42577464, 52525904, 42407535）、湖泊与流域水安全全国重点实验室等项目资助。

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