磷是地球上所有生命形式所必需的营养元素之一。人为磷添加(如化肥、洗涤剂)是满足不断增加的人口对粮食和能源需求的重要基础。然而,过量人为磷输入不仅造成了有限磷资源的浪费,而且引发了水体富营养化等环境问题。明确流域人为磷输入与河流磷输出通量之间的定量响应关系是有效控制水体磷污染的重要科学基础。长江作为我国的第一大河,加强其生态环境保护具有重要战略意义。近年来的研究结果表明,总磷已成为长江流域水体的首要污染因子。然而,对近几十年长江流域人为磷输入及其与河流磷输出通量之间的定量响应关系尚缺乏系统分析,阻碍了磷污染的有效控制进展。本文以长江流域为研究对象,估算了 1980-2015年净人为磷输入及其组分的时空变化特征,分析了大通站河流磷输出通量的时间变异特征及其影响因素,建立了河流磷输出通量对净人为磷输入、建坝库容、流量的定量响应关系,探讨了当年净人为磷输入和遗留磷对河流磷输出通量的贡献,并对未来35年河流磷输出通量作了情景预测,为长江流域磷资源高效利用和磷污染控制提供了科学依据。主要研究结果如下:(1)1980-2015 年长江流域净人为磷输入(Net Anthropogenic Phosphorus Inputs,NAPI)呈持续增加趋势(净增长了 1.4倍)。从NAPI的组分上看,化肥磷输入(56-67%)和食物饲料磷输入(28-35%)是主要来源。从空间分布看,流域NAPI及各组分总体上呈现出由西到东逐渐增加的趋势,其中最大值出现在下游的上海和中游的河南地区(>5000 kgPkm-2 yr-1),最小值出现在上游青海和西藏地区(<300 kgPkm-2 yr-1)。但是,上游和中游区域的NAPI时间增长速度显著大于下游区域。人口和畜禽密度的增长以及土地利用方式的变化是NAPI时空演化的主要驱动因素。(2)1980-2015年大通站的河流总磷(TP)、颗粒态磷(PP)以及悬浮泥沙(SS)的输出通量均呈现下降趋势,分别净降低了 52%、75%和75%。在1980-1985年、1986-2002年以及2003-2015年期间的TP和PP输出通量呈现出不同的下降速率。然而,1980-2015年河流可溶性磷(DP)输出通量则呈现显著的增加趋势(净增加了 7倍)。河流SS、TP和PP输出通量的降低可能主要是由于建坝库容和植被覆盖率的增加,减少了水土流失。然而,建坝库容和植被覆盖率的增加促进了磷的形态转化,加之洗涤剂和食物饲料磷输入的增加(点源污染增加),从而显著提高了 DP输出通量。(3)大通站河流PP占TP的比例由1980年的97%持续下降到了 2015年的50%,而DP占TP的比例由3%增加到了 50%。尽管河流TP和PP输出通量下降了,但是由于DP输出通量和比例的增加,加大了水库藻类爆发的风险。(4)1980-2015年期间,大通站河流累计TP输出量为3760 kgP km-2,占累计NAPI的6.3%。因此,剩余93.7%(56018 kg Pkm-2)的NAPI累积在流域土壤、沉降物等中,意味着遗留磷对河流磷通量具有较大的贡献潜力。(5)所建立的基于NAPI、建坝库容、流量的多元回归模型可分别解释河流TP和DP输出通量79%和86%的年际变异性。初步分析的结果表明NAPI对河流TP和DP输出通量的贡献率分别为54%(3-87%)和84%(78-89%),遗留磷的贡献率分别为46%(13-97%)和16%(12-22%)。到2050年,在“气候变化情景”下,大通站河流TP和DP输出通量将分别降低0.7%和1.3%;在“发展情景”下,将分别增加60%和62%;在“应对情景”下,将分别降低13%和39%。(6)为了有效控制长江磷污染,首先应重点降低化肥磷的输入,提高磷的利用率,特别是中下游地区。其次,应提高生活和畜禽有机废弃物的循环利用率,减少作物生产对化肥磷的依赖性。再次,应重视农田土壤遗留磷的二次开发利用,降低土壤磷流失风险。最后,应加大对城镇和工业废水的磷处理率,有效抑制DP的超标排放。