【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

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。

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。

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。

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。

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。