土地利用和水文季节性调节汇入长江的支流的污染源贡献和水质变化模式

《Journal of Environmental Management》：Land use and hydrological seasonality regulate pollution source contributions and water-quality pattern shifts in tributaries discharging to the Yangtze River

　　

• •
  水文季节重新组织了59.6%的配对多变量水质状态。
• •
  土地利用在不同支流类型中建立了持续的污染源模板。
• •
  统一的PMF–GEE框架揭示了源信号表达的季相变化。
• •
  配对断面揭示了通过过程中有机质信号的选择性变化。

引言

支流是汇水区与大型受纳河流之间的重要纽带，因为它们输送由周围人类活动产生的营养物质、有机质及其他污染物。因此，其水质状况可能影响受纳主河道的水质时空变异（Wieczorek等，2024）。这一问题在人口密集、快速城市化的流域中尤为相关，如长江下游平原，那里密集的支流网络将城市与农业汇水区与主河道相连，并接收来自农业径流、生活污水、工业排放和城市雨水的混合输入（Yu等，2022）。

河网理论长期以来已认识到，河流不仅仅是下游输送的通道。河流连续体概念强调了沿河系统物质的耦合输运、利用和储存（Vannote等，1980），而河岸缓冲区研究则表明，营养物质可在下游输出之前被暂时滞留和转化（Mayer等，2007）。因此，汇入大型河流的支流既可作为汇水区来源污染物的输运通道，也可作为具有反应活性的界面，在此处源信号在到达主河道之前可能被改变。底质沉积物可作为沉积物质的暂时储库和二次来源，而有机质降解、沉积物耗氧量和沉积物–水相互作用可能进一步改变水体条件（Drummond等，2023；Huang等，2024）。因此，支流不应仅被视为被动的输运通道，还应被视为潜在的反应性河段，在此处汇水区来源的污染信号受到水体内物理和生物地球化学过程的改变。

土地利用决定了支流污染物输入的基线结构。农业汇水区通常与施肥、畜牧生产、土壤侵蚀和农村废水相关（Carpenter等，1998；Chen等，2019），而城市汇水区则受到生活污水、工业活动、排水系统和雨水径流的更强影响（Gomes等，2023；Müller等，2020）。以往研究表明，农业与建设用地比例不同的汇水区在水质和溶解性有机质特征上存在显著差异（Liu等，2019）。然而，仅凭土地利用可能无法完全解释观测到的污染模式，因为进入河道的源信号可能随当地水文和生物地球化学条件而被稀释、混合、输运或以其他方式改变。

水文季节可能进一步调节这些源信号的表达与输运。在汛期，降雨和径流增强可增加来自农业和城市地表的输入，加速污染物的下游输运；高流量事件还可能再动员此前储存在河床沉积物中的物质（Zhang等，2022）。与洪水相关的耗氧物质输入还可引发河流溶解氧条件的急剧恶化（Zhou等，2025）。相比之下，枯水期径流减少和水力交换改变可能影响稀释作用、滞留时间以及持续性源信号与河段内过程之间的相对重要性（Huang等，2024）。这种季节性对比在南京尤为相关，那里众多支流流经农业、城市和混合土地利用汇水区后汇入长江下游。尽管当地研究已记录了该地区河网退化、污水泄漏和有机污染等问题（Dong等，2024；Rong等，2025；Xia等，2024），但它们主要关注了系统的个别组成部分。在共同区域背景下，土地利用差异和水文季节如何共同塑造多条支流的源相关水质模式仍有待明确。南京段提供了一个有用的比较系统，因为其28条支流跨越农业、城市和混合汇水区，且全部汇入同一段长江下游，使得这些关系可在共同的气候和受纳河流背景下得到评估。

本研究利用整合框架，分析2016–2022年南京28条汇入长江支流的23项水质参数月观测数据，该框架结合了WQI-DET、趋势分析、SOM、PMF、GEE和水文观测。我们首先刻画了2016至2022年支流水质的长期演变轨迹，随后回答三个假设驱动的问题：（1）水文季节是否系统性地重组了各支流间的多变量水质状态？（2）土地利用相关的源模式在不同季节间是否持续存在，而其相对表达在水力条件差异下是否发生变化？（3）在受调控的水力交换条件下，有机质、氮组成和含氧状态指标在河段间是否表现出一致的变化，还是其响应在组分间存在差异？

各节摘要

研究区

南京位于中国东部，长江下游，介于北纬31°14′至32°37′和东经118°22′至119°14′之间。该地属北亚热带湿润气候，年平均气温15.4 ℃，相对湿度76%，年平均降水量1106.5 mm。汛期从5月至9月（Gao等，2025），梅雨季节一般从6月下旬至7月上旬。为验证这种基于历时的划分是否与对立的

长期水质演变与空间异质性

改良综合水质指数（WQI-DET）显示，2016至2022年南京28条汇入长江支流水质显著改善。WQI-DET中位数从?8.65升至76.36（图2a）。2016–2018年期间，45.6%的样品被归类为劣V类，而达到III类及以上的仅占34.1%。2019–2022年期间，达到III类及以上的比例增至77.9%，2022年进一步升至86.5%。季节性Mann–Kendall

长期水质改善与持续性制约

2018–2019年前后的水质转变与中国内陆水及长江流域已报告的总体改善趋势一致（Huang等，2021；Liu等，2022；Zhao等，2024）。重要的是，这种响应具有污染物特异性：NH₃-N和TP的下降幅度远大于COD_Mn，与长江流域尺度上报告的异步变化类似（Liu等，2022）。这一模式表明，总体水质改善并不代表

结论

• (1)
  2016至2022年，28条支流水质有所改善，约在2019年出现转变。总体而言，59.6%的配对河流–年份观测值在水文季节间在SOM推导的水质状态之间发生了迁移。
• (2)
  土地利用建立了不同的污染源结构，而水文季节改变了汇水区来源和持续性人为源信号的相对表达。
• (3)
  配对断面观测显示，在河流

CRediT作者贡献声明

Chengxu Liu（刘承旭）：撰写——初稿，可视化，软件，调查，形式分析。Yiping Li（李一平）：监督，项目管理，经费获取。Hongzhe Pan（潘洪哲）：监督，调查。Qiaoyi Jin（金巧怡）：软件，方法论。Haibin Yan（严海滨）：可视化，资源，方法论。Yuxuan Zhou（周雨轩）：撰写——审阅与编辑，资源。Song Bai（白松）：资源，项目管理。Jun Liu（刘军）：资源，项目管理。Natalia A. Politaeva：撰写——审阅与编辑，验证，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由基础与交叉学中国教育部的突破计划资助（JYB2025XDXM907）。

Chengxu Liu|Yiping Li|Hongzhe Pan|Qiaoyi Jin|Haibin Yan|Yuxuan Zhou|Song Bai|Jun Liu|Natalia A. Politaeva