ESE|从工业到农业:区域发展转型如何加剧遗留磷对水质的威胁
- 2026-05-14 14:03:35
论文的视频解读由NotebookLM AI智能生成，内容仅供参考，具体研究请查阅原文。
导语
01
在流域治理实践中，人们往往更关注当年的污染输入是否下降，却容易低估另一个更顽固、也更具延迟性的风险来源——遗留磷。所谓遗留磷，是指过去人类活动长期累积在土壤、沉积物和水体中的磷，它不会随着当年排放的下降而立即消失，反而可能在多年之后持续释放，拖慢水质恢复进程。发表于Environmental Science and Ecotechnology的一项研究，以松花江流域1981—2020年的长期数据为基础表明：当区域发展格局由工业主导逐步转向农业主导，遗留磷风险并没有减弱，反而被显著放大；到近十年，遗留磷已经超过当年新增输入，成为推动河流磷污染变化的主导力量。
研究背景：遗留磷是水质治理中被延后显影的“历史负担”
02
磷既是生态系统必需的营养元素，也是水体富营养化的重要驱动因子。当外源输入超过环境承载阈值，藻类暴发、缺氧和生物多样性下降等一系列水环境问题便会随之出现。过去几十年，点源控磷取得了不少进展，但问题并未因此彻底缓解，其关键原因之一，就在于大量历史积累的磷仍然滞留在流域景观之中，并在降雨、侵蚀、洪水等条件下重新进入河流系统。也正因为如此，很多流域在“已经减排”的情况下，水质改善仍然慢于预期。
这项研究关注的正是遗留磷与区域发展格局之间的深层联系。研究团队指出，区域发展路径的变化不仅改变土地利用方式，也会重塑流域的生物地球化学缓冲能力，进而改变遗留磷的累积、滞留与释放过程。真正需要回答的并不只是“今天排了多少磷”，而是“过去几十年的发展方式，把多少磷留在了流域里，又会在未来多长时间里继续影响水质”。
从工业高地到农业基地：松花江流域经历了什么
03
松花江流域是观察这一问题的典型区域。研究表明，在1981—2020年的40年间，松花江流域整体上经历了由工业主导向农业主导的显著转变，只是不同子流域发生转变的时间并不一致。历史上，这一地区曾是东北亚重要的工业增长极，资源开发、能源与制造业发展带动了早期工业化；而自20世纪80年代以来，伴随国家经济结构调整和农业政策推进，流域逐渐转向以粮食生产和农业集约化为重要特征的发展模式。
为了刻画这一转变，研究团队将区域发展转型系数、净人为磷输入、河流总磷输出和时间滞后分析结合起来，并进一步引入地理—时间加权回归、偏最小二乘路径模型以及面向2050年的机器学习情景预测，从而系统回答三个问题：遗留磷如何形成，何时开始主导河流污染，以及未来通过何种策略更有可能实现风险缓释。这样的研究设计，使文章不只是对历史过程的回顾，更是对未来流域治理路径的一次前瞻性诊断。
主要发现：从“当年排放”到“历史库存”，风险正在转向
04
研究最值得重视的发现之一，是遗留磷库存的急剧扩大。结果显示，随着区域发展格局由工业偏重走向农业偏重，松花江流域累积遗留磷从1981年的93.5 kt上升至2020年的7995.6 kt，40年间增长了86倍，而且与发展转型系数呈显著正相关。这意味着，发展方式的转变并非只是改变了磷的当年输入结构，更从根本上放大了流域对“历史磷负担”的长期承接能力。
如果进一步追溯来源结构，这一变化就更加清晰。1981年，松花江流域年净人为磷输入为179.3 kg km-2 yr-1；到2015年升至554.2 kg km-2 yr-1，2020年仍维持在498.9 kg km-2 yr-1的较高水平。化肥磷始终是最主要来源，而且其占比从44%升至63%；与之相对，主要与工业排放相关的大气沉降磷占比则从29.4%下降至17.5%。也就是说，当流域由工业化走向农业化，磷压力并没有消失，而是由工业排放型压力逐步转向农业累积型压力。
比库存增大更值得警惕的，是主导因素的变化。研究显示，在1981—1990年，推动河流磷负荷上升的主要还是当年磷输入，其贡献占比为62.3%—67.9%；但到了2011—2020年，遗留磷的贡献已上升至65.4%—69.9%，超过当年新增输入，成为河流磷变化的首要驱动因素。换言之，今天河流中的磷污染，越来越不是“今年排了多少”可以解释的，而是“过去几十年留下了多少”在起决定作用。
这一过程伴随着明显的时间滞后。研究测得，松花江流域不同子流域从磷输入变化到河流响应之间的滞后时间为4—23年，平均为13.5年。部分地形较陡、经济活动相对较弱的区域，遗留磷更容易向河流迁移，滞后较短；而一些经历较强发展转型、耕地与建设用地更密集的区域，则呈现更长的滞后期。这说明，流域治理成效之所以常常“见效慢”，并不一定意味着措施无效，而可能是遗留磷仍在持续释放，其环境响应本就具有跨年度、跨阶段甚至跨代际的延迟性
关键控制因素发生迁移：从工业排放与排水设施，到黑土保持与耕作方式
05
这项研究的另一重要价值，在于揭示了关键控制因素的迁移。工业主导阶段，遗留磷与化石能源消费、清洁能源占比、降水过程和排水网络密切相关，说明当时的风险更多受到工业排放、大气沉降以及城市排水基础设施的共同影响。尤其在强降雨条件下，排水系统和合流制溢流可能加速磷由陆地进入河流，从而放大水质压力。
而当区域发展进入农业主导阶段，决定遗留磷命运的关键变量明显改变。黑土性质、土壤有机质含量、耕地坡度、地膜覆盖以及冻融和积雪条件的重要性显著上升。研究指出，黑土因其较强的吸附与保持能力，更容易积累遗留磷；较平缓地形则有利于磷在土壤中滞留；寒区常见的地膜覆盖、冻融过程和雪被效应，也会改变土壤水热环境，进一步影响磷的保存与迁移。也就是说，在农业强化背景下，遗留磷治理已不只是“减排”问题，更是一个与土壤保持、耕作制度、寒区农业管理和景观缓冲能力密切相关的综合性问题。
从自然调控因子看，这种转变同样明显。工业主导时期，湿地在拦截磷径流、减缓遗留磷风险方面作用突出；进入农业主导时期后，随着湿地退化和土地利用改变，其缓冲作用减弱，而植被在减轻风险方面的重要性上升。这一变化提示我们，流域治理不应仅仅盯住排口和施肥量，还必须把湿地保护、景观恢复与生态缓冲能力重建纳入治理框架。
图表解读：四幅关键图读懂遗留磷风险的形成、滞后与治理
06
图1｜区域发展格局由工业转向农业，遗留磷库存迅速攀升
论文首先通过图1展示了1981—2020年松花江流域区域发展格局的演变，以及这一变化与遗留磷累积之间的紧密联系。
图1a显示，不同子流域在过去40年间经历了由工业主导向农业主导的转变。图中颜色越偏蓝，表示农业主导性越强；越偏红，则表示工业主导性更强。可以看到，流域内多数区域在20世纪90年代前后逐步转向农业发展，这一转型具有明显的空间差异，但总体趋势十分清晰。
图1b进一步显示，发展转型系数与遗留磷累积呈显著正相关（R2 = 0.83，p < 0.01）。也就是说，随着区域越趋向农业主导，遗留磷库存越高。
图1c则给出了累积遗留磷的时间变化。1981年松花江流域遗留磷库存为93.5 kt，至2020年增至7995.6 kt，40年间增长了86倍。其中，较早转向农业的嫩江流域占据了更大比例的遗留磷库存。图1直观说明，区域发展方式的变化并非只是经济结构上的调整，同时也深刻改变了流域中磷的长期累积过程。
图1 区域发展格局转变与遗留磷累积。a，松花江流域（SRB）从工业发展格局向农业发展格局的转变。子流域上标代表松花江流域的四个主要汇水区：“1”代表嫩江汇水区，“2”代表第二松花江汇水区，“3”代表牡丹江汇水区，“4”代表松花江干流汇水区。发展转型系数反映农业与工业总产值之间的相对变化，其中“*”表示发展格局在系数为1.0时发生转变。b，遗留磷与发展转型系数之间的相关关系。c，1981—2020年遗留磷的时间累积。在本研究中，1981年被设定为计算遗留磷累积的起始年份。1981年前累积遗留磷的“0”表示本研究计算的基线。
图2｜化肥成为遗留磷的主导来源，农业强化改变了磷输入结构
图2从来源结构上解释了为何遗留磷会在农业主导阶段迅速累积。
图2a显示，1981—2020年松花江流域年净人为磷输入（NAPI）整体呈上升趋势，由1981年的179.3 kg km-2 yr-1增加到2015年的554.2 kg km-2 yr-1，2020年仍维持在498.9 kg km-2 yr-1。不同来源中，化肥磷（Fertilizer P）始终占据最大比例，而且其贡献不断增强；与此同时，主要与工业活动相关的大气沉降磷（Deposition P）占比则逐渐下降。这表明，当流域由工业化走向农业化，磷压力并未减轻，而是从工业排放型压力转向农业累积型压力。
图2b展示了空间差异。第二松花江流域等区域的NAPI明显高于嫩江和牡丹江流域，这与当地较高的农业强度、人口和土地开发程度有关。
图2c显示，各类人为磷源对遗留磷库存的相对贡献中，化肥磷在不同阶段都居首位，而且随着发展格局转向农业主导，其贡献由60.1%升至70.2%。相反，非食物磷输入和大气沉降磷的贡献随工业影响减弱而下降。图2清楚地揭示，农业强化尤其是化肥使用，是推动遗留磷长期累积的关键机制。
图2 在发展格局转变背景下，人为磷来源的动态及其对遗留磷的贡献。a，1981—2020年各类人为磷来源的历史变化。b，1981—2020年流域内平均净人为磷输入（NAPI）的空间分布。c，根据地理与时间加权回归模型，不同人为磷来源对遗留磷的贡献。
图3｜遗留磷逐步取代当年输入，成为河流磷污染的主要驱动因素
图3是全文最能体现“时间滞后”特征的一幅图，揭示了为什么流域在已经采取减排措施的情况下，河流总磷仍可能长期居高不下。
图3a显示，1981—2010年前后，NAPI与河流磷负荷之间的关系轨迹发生了明显变化。早期，随着人为磷输入增加，河流磷负荷也同步上升；但在后期，两者关系出现“逆时针回环”，说明河流磷负荷不再仅仅由当年输入决定，而开始受到历史累积遗留磷的显著影响。这正是遗留污染的典型特征。
图3b表明，不同子流域的河流磷负荷与时间滞后存在明显空间差异。研究测得，松花江流域的滞后时间为4—23年，平均为13.5年。这意味着，即使当前实施减磷措施，其对河流水质的改善也可能要在多年之后才体现出来。
图3c和3d更直观地给出了这一变化。在1981—1990年，河流磷负荷的增加主要由当年磷输入驱动，其贡献为62.3%—67.9%；而到了2011—2020年，遗留磷的贡献上升至65.4%—69.9%，超过当年输入，成为河流磷变化的主要来源。也就是说，松花江流域的磷污染已经从“当年污染”问题演变为更复杂的“历史库存释放”问题。
图3 河流水环境对遗留磷的响应。a，整个流域内净人为磷输入（NAPI）与河流磷负荷之间随时间变化的关系（蓝色箭头具有指示性，即箭头方向的变化表明NAPI与河流磷负荷之间的关系随时间呈非线性变化）。b，1981—2020年流域内河流磷负荷和时间滞后的地理分布。c，1981—2020年流域内当年磷输入对河流磷负荷变化的相对贡献。d，1981—2020年流域内遗留磷输入对河流磷负荷变化的相对贡献。
图4｜到2050年，综合治理情景有望显著降低磷流失和遗留磷风险
如果说前几幅图展示了问题的形成机制，那么图4则进一步给出了未来治理的可能路径。
图4a显示，在“维持现状”（BAU）情景下，受遗留磷持续释放影响，未来一段时间内河流磷流失仍将维持较高水平，到2050年仅预计下降4.5%。这意味着，单靠当前趋势和自然消解，遗留磷风险不会快速消退。
图4b显示，不同治理策略对遗留磷库存的控制效果存在显著差异。相较于BAU，膳食结构改善（DSI）、化石能源消费减少（FER）和磷利用效率提升（PUE）均可降低遗留磷风险，而将这些措施叠加的综合情景（COM）效果最好，到2050年可使年遗留磷库存下降66%，河流磷流失下降30%。
图4c和4d进一步表明，不同子流域的减排效果与遗留磷库存和滞后时间存在显著负相关：遗留磷库存越高、滞后越长的区域，未来磷流失的下降幅度越小。例如，第二松花江流域等历史负担较重的区域，未来即使实施综合治理，其改善幅度也相对有限。这提示治理必须更加重视分区分策，不能寄希望于“一刀切”的统一方案。
图4 可持续管理策略对磷流失风险和遗留磷污染的缓解。a，2020—2050年不同未来情景下的磷流失。b，到2050年不同未来情景下遗留磷的累积强度。BAU：维持现状情景；DSI：膳食结构改善情景；FER：化石能源消费减少情景；PUE：磷利用效率提升情景；COM：组合情景。c，在COM情景下，到2050年磷流失降低（相对于2020年基线）与遗留库存之间的关系。d，在COM情景下，到2050年磷流失降低（相对于2020年基线）与滞后时间之间的关系。
未来治理：单一减排难以迅速见效，综合策略更具潜力
07
在未来情景预测部分，研究团队设置了常规发展、膳食结构改善、化石能源消费减少、磷利用效率提升以及综合优化五类情景。结果显示，即使在不追加新措施的常规情景下，受前期净人为磷输入下降影响，到2050年流域磷流失也仅预计下降4.5%，年遗留磷库存仅下降2.6%。这意味着，单靠自然消解和既有趋势，遗留磷风险的衰减速度仍然偏慢。
相比之下，结构性调控能够显著改善结果。到2050年，膳食结构改善情景预计可使磷流失下降18.9%，遗留磷库存下降24.3%；化石能源消费减少情景分别可下降20.7%和29%；磷利用效率提升情景分别可下降25%和46%。而将多项措施叠加的综合情景效果最好，预计可使磷流失降低30%，年遗留磷库存降低66%。这一结果清楚表明，真正有效的流域控磷策略，不会来自单一环节的小幅修补，而应来自能源、农业、消费和流域管理的协同优化。
值得注意的是，即使在综合情景下，不同子流域的改善空间仍然存在显著差异。遗留磷风险较低的区域，未来磷流失降幅可达33%—40%；而第二松花江流域等遗留磷库存更高、滞后更长的区域，降幅可能只有21%—28%。这再次说明，流域治理必须走向分区分策。对高风险区域而言，统一化、平均化的治理安排并不足以应对其长期累积形成的历史约束。
研究意义：从“看当年”转向“看历史”，是理解流域磷污染的关键
08
这项研究的重要意义，不仅在于识别了松花江流域的遗留磷风险，更在于提出了一个对很多流域都具有参考价值的判断：区域发展格局一旦发生深层转向，污染的主导机制、治理的关键因子以及修复见效的时间尺度，都可能随之改写。对于长期受富营养化困扰的流域而言，治理视角需要从“年度控排”进一步转向“历史库存管理”，从“单一污染源控制”转向“土地利用—农业实践—景观缓冲—能源结构”的综合调控。
论文还提出一个非常值得关注的判断：按照研究估算，松花江流域现有遗留磷库存理论上可在不增加外部磷输入的条件下支撑约13年的作物生产。这一结果并不意味着可以忽视施肥管理，恰恰相反，它提示我们，流域中相当一部分“历史磷”实际上仍具资源属性，关键在于如何通过更加精细的农业管理，把它从水环境风险转化为可被作物利用的养分来源。对于面向未来的流域治理来说，这种从污染负担识别到资源化利用重构的思路，或许正是破解长期磷风险的关键一步。
引用信息
09
Zhan, W., Gao, Y., Zhang, H., Tian, Y., Zou, Y., Li, X., ... & Ren, N. (2025). Shifting regional development scenarios amplify legacy phosphorus threats to water quality. Environmental Science and Ecotechnology 26: 100569.
ESE启动“115计划”
“115计划”是ESE期刊专属快速发表通道。若您的研究成果经历了顶刊*审稿流程，最终未能如愿发表，可参与该计划。
ESE期刊愿以最简化的审校流程助力您的学术成果加速面世：15个工作日内完成刊发决策并全程免除出版费用（APC），助力您无缝开启开放获取学术传播新征程。
*关注ESE期刊公众号，后台留言回复“115”获取顶刊名单。
推荐阅读
· 从碳中和走向温室气体中和：中国2030年后的转型路径与政策
· 废糖蜜制氢实现全规模验证：100 m3连续流反应器稳定产氢
· 二氧化碳减排这道传统难题，正在被过程集成与智能工具重新求解
期刊简介
在生态环境部部长黄润秋亲自提出和指导下，ESE于2020年1月创刊。ESE由中国科协主管，由中国环境科学学会、哈尔滨工业大学和中国环境科学研究院共同主办。ESE为双月刊，面向全球开放获取，全部论文皆可免费阅读、下载。
ESE编委会由150余位全球生态环境研究领域的顶级专家学者构成。哈尔滨工业大学任南琪院士担任主编，中国环境科学学会理事长、生态环境部环境规划院王金南院士和中国环境科学研究院吴丰昌院士担任副主编。Danny Reible院士、席北斗院士、张彤教授、王爱杰教授、宋永会研究员、Korneel Rabaey教授、孙建中教授等15位世界顶尖学者担任执行主编和执行副主编。
ESE已入选中国科技期刊卓越行动计划二期项目、中关村发展项目，并已入选3个 “一区”，即中国科协高质量科技期刊T1区、中科院一区TOP和JCR报告Q1区。2025年的JCR影响因子在“环境科学”类别的374本期刊中排名全球第11；Scopus引用分在“环境科学（综合）”、“环境科学（生态）”类别均位居全球Top 2%（2025年引用分为20.0）。
期刊官网：https://www.sciencedirect.com/journal/environmental-science-and-ecotechnology
如何免除ESE期刊的出版费（APC）？
ESE期刊已加入Research4Life计划（详情请访问：https://www.elsevier.com/researcher/author/open-access/choice）。来自Research4Life计划列表国家的作者，在ESE期刊发表论文时可免缴出版费。而对于非Research4Life计划列表国家（例如中国）的作者，若因经费紧张原因确实无法承担出版费，可通过ESE期刊编辑部向爱思唯尔提出免缴APC的申请。
