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【科研进展】华中农业大学 ES&T:耦合水文连通性与环境阈值,实现亚热带流域遗留磷靶向管控

  • 2026-10-27 22:19:07
【科研进展】华中农业大学 ES&T:耦合水文连通性与环境阈值,实现亚热带流域遗留磷靶向管控

Environmental Science & Technology

耦合水文连通性与环境阈值,实现亚热带流域遗留磷靶向管控

 文章信息

文章标题:Coupling Hydrological Connectivity with Environmental Thresholds for Targeted Legacy Phosphorus Management in Subtropical Watersheds

作者:Yunfei Cao 等

单位:华中农业大学 等

期刊:Environmental Science & Technology

出版日期:2026 年

doi:10.1021/acs.est.5c15335

 摘要

历史人为活动造成土壤中累积的遗留磷,会在水文条件变化下再次释放,破坏水质并形成滞后污染效应。现有磷管控策略未能充分考量遗留磷的动态变化与时滞特征,污染治理效果不佳。本研究以亚热带流域为对象,耦合水文连通性与可解释机器学习方法,构建全新管控框架;依托综合连通指数,阐明水文连通性对遗留磷迁移的调控机制,并识别关键环境阈值。结果表明,湘江流域磷输运滞后期长达十余年,遗留磷对河流总磷负荷的贡献率超过 80%。农田主导的高连通区域是遗留磷的主要来源区;林地等低连通区域会暂时截留磷素,但存在磷突然释放的风险。降水与地表温度是两大核心影响因子,且存在明显阈值效应,调控着水文连通性与遗留磷迁移的关联程度。研究最终提出一套结合水文连通性、基于环境阈值的动态管控体系,可为亚热带流域遗留磷精准治理提供支撑。

 研究背景

长期农业生产、人类活动使流域土壤大量富集遗留磷,这类磷并非当下新增污染,却可随水文过程持续活化迁移,形成滞后污染,即便削减外源磷输入,水质也难以短期恢复,成为流域富营养化治理的难点。

目前流域磷管理多聚焦关键源区与现行污染排放,普遍忽视遗留磷的长期动态、时空滞后效应,同时缺少对水文连通性的系统考量。水文连通性决定水土物质传输路径与效率,是调控遗留磷迁移的核心要素,二者耦合机制尚不明确。

不同下垫面(农田、林地)、气候条件下,水文连通性差异显著,降水、地表温度等环境因子还存在阈值响应特征,传统静态管控模式无法适配这种动态变化。

湘江为典型亚热带大型流域,农业活动密集,遗留磷问题突出。本文以该流域为案例,融合水文连通性、机器学习与阈值分析,建立靶向管控框架,弥补现有管理体系的缺陷。

 研究方法

1. 研究区域与数据

研究区为湘江流域,地处亚热带季风区,土地利用以林地(58.51%)、农田(36.95%)为主;划分 6 个子流域开展分区研究。收集 1982—2018 年共计 37 年长序列数据,包括气象观测数据、地形土壤数据、土地利用数据、水文水质监测数据、人为磷输入统计数据。

2. 核心测算与评价指标

人为净磷输入(NAPI):从肥料磷、种子磷、农牧产品净输入、非食品磷四大组分核算流域人为磷负荷,结合蒙特卡洛模拟开展不确定性分析。

综合连通指数(AIC):综合降雨侵蚀力、地形粗糙度、植被、土壤渗透性、坡度等因子,计算栅格尺度水文连通性,表征区域物质传输能力。

滞后效应分析:采用互相关分析,识别人为磷输入与河流总磷输出的时间滞后期。

3. 模型与统计方法

构建非线性回归模型,拆分河流总磷负荷为天然本底磷、土壤遗留磷、当期人为磷三部分,量化遗留磷贡献率。

趋势分析:Theil-Sen 估计 + Mann-Kendall 检验,分析水文连通性时空变化趋势。

相关性分析:采用 Chatterjee 相关系数,解析水文连通性与遗留磷占比的关联。

机器学习与阈值识别:运用 XGBoost-SHAP 模型筛选主控因子;结合分段回归、Davies 检验,确定降水、地表温度的临界阈值。

4. 框架构建

基于分区特征、连通性高低、环境阈值,搭建识别 — 诊断 — 施策三级流域遗留磷动态管控体系。

 研究结果

1. 人为磷输入时序特征

湘江流域 NAPI 整体呈 “先升后降” 趋势,2015 年达到峰值,此后受化肥减量、畜禽管控等政策影响明显回落;空间上农田占比高的子流域人为磷输入量显著更高。

2. 磷迁移滞后与负荷组成

全流域磷输运最大滞后期达 16 年;6 个子流域遗留磷对河流总磷贡献率均超 80%,说明当前河流磷污染主要来自历史累积的遗留磷,而非当期排放。不同子流域滞后期存在差异:林地为主区域滞后期更长,部分库区流域无明显滞后特征。

3. 水文连通性时空分布

1982—2018 年全流域水文连通性整体呈上升趋势,降雨侵蚀力增强是主要原因;空间上农田区连通性偏高,林地、平原城区低洼地带连通性偏低;高连通区域磷迁移传输能力更强。

4. 连通性与遗留磷的耦合关系

水文连通性与遗留磷输出呈显著相关,关联强度随土地利用、坡度发生分化:陡坡农田、林区二者耦合程度更高。

5. 环境因子与阈值特征

降水、地表温度是调控二者关联的两大主导因子,且存在明确临界阈值:

地表温度超过阈值后,会强化水文连通对遗留磷的驱动作用;

降水超过阈值后,该调控效应显著减弱。

 研究讨论

1. 遗留磷滞后效应的成因

林地植被截留、土壤有机质周转缓慢,磷素长期储存,因此滞后期更长;库区、水塘等水利设施会改变水文过程,打乱磷输入与输出的对应关系,弱化滞后现象。流域超高的遗留磷占比表明,仅削减当下外源磷无法快速改善水质,治理周期需要以数十年为尺度。

2. 水文连通性分异机制

农田地表径流路径通畅、水文连通性高,遗留磷易随水流向下游迁移;林地因冠层、枯落物截留作用,连通性偏低,磷暂时滞留,但存在突发释放风险。城区周边平缓地势会降低径流动能,局部出现低连通区,改变局部物质传输规律。流域整体连通性上升,意味着遗留磷向外输送的风险持续加剧。

3. 环境阈值的生态学解释

地表温度升高会加速土壤有机质分解与磷活化,提升可迁移磷含量,放大连通性的作用;强降雨阶段径流冲刷能力达到上限,系统由 “迁移限制” 转为 “物质供给限制”,水文连通的调控作用被削弱。两种阈值对应不同污染管控场景。

4. 现有管理体系的不足

传统管控聚焦 “污染源头”,属于静态管理;本研究证明遗留磷是长期隐患,且受水文、气候动态调控,必须结合传输路径、环境阈值开展动态分区管控。

5. 研究局限性

NAPI 无法细分化肥、粪污等不同磷输入类型;模型为经验统计模型,缺少原位示踪、过程模型交叉验证;研究仅考虑地表水文连通,未纳入地下径流、人工管网等传输路径。

 结论

湘江流域磷污染存在超长滞后效应,滞后期最高达 16 年;遗留磷是河流总磷的绝对主体,贡献率超 80%,历史累积污染是当前水质恶化的核心原因。

水文连通性存在显著时空差异:农田区为高连通区,是遗留磷主要输出源;林地等低连通区暂存磷素,存在突发释放风险。连通性强弱直接决定遗留磷的迁移效率。

降水、地表温度是关键调控因子并存在明显阈值,二者会改变水文连通与遗留磷的耦合强度,形成不同的污染响应模式。

研究构建水文连通性 + 环境阈值的三级动态管控框架,突破传统静态源区管理模式,提出分区、分情景的靶向治理思路:高连通农田区重点阻断传输路径;低连通林区以生态缓冲、稳定磷库为主;结合气象阈值开展动态预警。

对于亚热带农业流域,遗留磷治理必须树立长期理念,兼顾污染源、传输路径与环境动态变化;后续可纳入地下连通、过程模型与原位监测,进一步优化评估与管控体系。

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