《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Water conservation in arid and semi-arid basins exhibits a nonlinear effect on water quality improvement
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• 干旱与半干旱流域的水源涵养（water conservation）对水质改善表现出非线性效应；
• 构建了面向干旱与半干旱流域的分布式时变增益水源涵养模型（distributed time-variant gain water conservation m
• 干旱与半干旱流域的水源涵养（water conservation）对水质改善表现出非线性效应；
• 构建了面向干旱与半干旱流域的分布式时变增益水源涵养模型（distributed time-variant gain water conservation model，DTVGM-WC）；
• 揭示了总氮（total nitrogen，TN）对水源涵养在月尺度上的非线性响应；
• 建立了水源涵养—TN耦合方程，并识别了用于有效水资源管理的关键生态水文阈值区。
研究背景与问题：在环境变化和多重人类活动影响下，全球流域生态系统发生显著变化，干旱半干旱流域水文过程与生态环境系统耦合机制复杂。水源涵养（water conservation，WC）是生态系统在特定时空尺度拦截、储存和调节降水的过程与能力，影响区域水循环及污染物迁移转化。气候变化和人类活动对水文循环形成双重压力，WC退化常伴随水体净化、洪水调节和供水能力下降；污染物负荷升高又威胁水安全并加剧水资源短缺。已有研究多分别关注WC或河流水质，WC多作为独立生态系统服务评估或分析其对水文气象变化的响应，对水质动态调控作用认识不足，尤其干旱半干旱流域多时空尺度非线性响应与耦合机制尚不清楚。因此，研究人员以渭河流域（Weihe River Basin，WRB）为对象，量化WC与总氮（total nitrogen，TN）浓度关系，识别影响水质的关键WC阈值，为基于自然的解决方案（Nature-based Solutions，NbS）和WC—水环境综合管理提供依据。研究人员构建DTVGM-WC，分析WC和水质多尺度时空变化，建立WC—TN非线性响应函数并识别阈值；结果表明WC对水质改善呈非线性效应，TN是对WC变化敏感的水质指标，关键阈值区内提高WC可缓解氮累积并改善水质。其意义在于为干旱半干旱流域生态水文过程调控、优先管理时段识别及WC与水质协同管理提供科学依据。
关键技术方法：研究以WRB为研究区，采用日尺度DTVGM-WC：基于数字高程模型、土地利用和土壤划分水文响应单元（Hydrological Response Units，HRUs），以分布式时变增益模型（Distributed Time-Variant Gain Model，DTVGM）模拟蒸散发、土壤水和径流等过程，并以纳什效率系数（Nash-Sutcliffe efficiency，NSE）、相关系数（r）、Kling–Gupta效率（Kling–Gupta efficiency，KGE）等及流量历时曲线（flow-duration curves，FDCs）评价；再将日DTVGM输出与水量平衡方程结合，按WC=P?ET?SF计算WC并聚合至月、季、年尺度，用Mann-Kendall和Sen's slope检验趋势。月尺度上分别以二次函数拟合WC、余弦函数拟合TN，耦合求得以WC为自变量的TN响应方程；以|dTN/dWC|超过数据驱动阈值0.07识别高敏感期，并用Z-score标准化确定阈值区。数据包括2014—2019年国家地表水水质监测数据集月度COD、NH
3-N、TN、TP，黄河水利委员会（YRCC）6个水文站日流量，80个气象站资料，90 m SRTM DEM及中国科学院资源环境科学与数据中心土壤和土地覆盖数据。
研究结果：4.1 干旱半干旱流域分布式水文模型构建。研究人员将WRB划分为529个子流域并以日步长模拟，校准与验证期多数水文站NSE>0.7、r>0.8，FDC分析显示模拟与观测流量分布基本一致；结论是DTVGM合理再现日径流动态，为2008—2019年WC模拟提供水文基础。4.2 干旱半干旱流域水源涵养与水质时空变化特征。基于DTVGM输出和水量平衡方程，2008—2019年WRB多年平均WC为47.6 mm，呈不显著增加趋势（1.67 mm·a
?1）；湿季增加2.83 mm·a
?1，干季不显著下降?4.419 mm·a
?1；子流域湿季与干季WC显著负相关（R
2=0.792）。空间上低值区主要在关中平原和北洛河中下游，高值区在秦岭南山麓、渭河源区和天水一带。水质2014—2019年总体改善，NH
3-N、COD、TP显著下降（P<0.05），TN下降不显著（P>0.05）；干季NH
3-N、TP、TN高于湿季，COD相反；TN多年平均5.3 mg·L
?1、季节波动最大且下游污染最突出。结论是WC与水质均存在明显时空异质性，TN是需重点关注指标。4.3 干旱半干旱流域水环境与水源涵养非线性响应及阈值识别。月尺度相关分析显示NH
3-N、TN、TP总体随WC增加而降低；Spearman分析中TN与WC显著负相关（r=?0.59，P<0.001），其他指标不显著。月序列显示6—9月WC高，其他月份低值甚至负值。1—4月WC增加8.1 mm·month
?1、TN降低0.69 mg·L
?1·month
?1；早期干季WC下降27.6 mm·month
?1、TN增加0.1 mg·L
?1·month
?1；湿季TN均值4.1 mg·L
?1、回归斜率?0.008 mg·L
?1·mm
?1，干季TN均值6.1 mg·L
?1、斜率?0.039 mg·L
?1·mm
?1。二次函数拟合WC（R
2=0.703）与余弦函数拟合TN（R
2=0.86）后，耦合得到以WC为自变量的TN非线性响应方程，识别出4月5—15 mm和10月4—8 mm两个关键WC阈值区。结论是TN对WC呈显著月尺度非线性响应，干季更敏感，阈值区为管理关键期。
讨论部分：方法学上，研究将分布式水文模型与统计函数耦合，DTVGM通过时变增益因子（time-variant gain factor，TVG）随时间和水文条件变化，兼顾物理真实性与参数复杂度，可模拟日尺度水文过程并在月尺度滤除高频波动；物理约束统计框架保留过程表达，避免显式模拟复杂污染物输运，适用于数据有限区。累积响应规律上，WC与TN呈“累积—峰值—耗竭”型相位互补，湿季较高WC维持较低TN，干季WC赤字削弱稀释与净化并改变氮输运；空间格局受降水、蒸散、土壤性质、植被和城市化农业活动共同控制；TN反映流域氮输入、水文输运与滞留及生物地球化学转化的综合响应，不应视为WC单一直接因果；NH
3-N、TP、COD响应较弱与其组分特异性来源、输运和转化过程有关。阈值机制上，4月和10月阈值区对应响应曲线高变化率阶段，受水文情势、季节变异和非点源污染（non-point source pollution）过程共同影响；机制包括水文路径调节、反硝化（denitrification）、生态恢复、不透水面（impervious surfaces）与人工排水以及外源氮输入，阈值应作为本研究条件下区域特定参考而非普适阈值。结论翻译：本研究聚焦干旱半干旱流域WC与水质响应的交叉问题，通过建立水文模型与非线性统计方法集成框架，识别月尺度WC与水质非线性响应格局并划定敏感水文阈值。DTVGM-WC将WRB划分为529个子流域，有效模拟和表征WC时空动态；2008—2019年WC不显著增加，增量主要集中于湿季，空间上南高北低。TN被识别为对WC变化敏感的水质指标，月尺度与WC显著负相关且非线性响应明显；水源涵养—水质耦合方程量化该动态响应，显示明显季节差异，干季更敏感；关键阈值区内增加WC有助于缓解氮累积和改善水质。研究局限包括数据可得性限制，植被动态、施肥等污染输入以及硝酸盐和溶解氧等指标未纳入；未来可整合更高分辨率多源数据区分水文气候、景观和人类活动贡献。研究结果可为识别优先管理时段、WC与水质协同管理以及流域水生生态保护和水资源管理提供依据。
