秘鲁兰巴耶克沿海受纳水体硝酸盐、碳与氧的季节性协同变化模拟研究（2022–2025）

《Hydrology》：Modelled Seasonal Nitrate, Carbon and Oxygen Covariability in Coastal Receiving Waters of Lambayeque, Peru (2022–2025)

　　

农业排水进入沿海水体，其营养盐浓度同时受海洋环流与内部生物地球化学循环的影响。研究人员分析了2022年1月至2025年12月秘鲁兰巴耶克海岸沿线的哥白尼海洋（Copernicus Marine）48个月度表层记录，每个区域各48条记录。所有硝酸盐、碳与氧的关系均源自同一数值模拟框架，缺乏独立的同期本地验证。两个不同的模型序列分别代表毗邻四个排水口的北部与南部受纳水体区域。硝酸盐平均值分别为10.672 ± 2.623与12.210 ± 2.906 mmol m?3，且在所有48个配对月份中南部始终较高。两个区域均在5–10月呈现富集现象。去除日历月均值后，硝酸盐与溶解无机碳（DIC）仍呈正相关（北部r = 0.812，南部r = 0.908），与溶解氧呈负相关（r = ?0.678与?0.784），四项关联的名义月调整p值均小于0.001。区块自助法（block-bootstrap）区间及重新估计季节性均值的重采样均保持上述方向。复现的四点农业关系提供了辅助背景信息。研究结果揭示了该产品内部超越平均季节循环的持续性受纳水体差异与协方差，支持协调开展排水与海岸监测，而非进行来源归因。

一、研究背景与问题

农业灌溉景观中的氮素管理不仅需要关注施肥田块本身，更需重视承接农业排水的受纳水体。硝酸盐可通过排水与地下水路径便捷迁移，但其下游浓度综合了水体运动、稀释、生物吸收与转化等多重过程，因此受纳水体中的硝酸盐浓度并不能单独识别农业来源或量化其贡献。这一区分在秘鲁沿岸的东边界上升流海域尤为重要：风驱动上升流将次表层水体引入上层海洋，混合、生物同化、再矿化与脱氮过程共同改变营养盐分布，氧条件进一步影响氮转化过程。兰巴耶克海岸承接来自灌溉农业平原的排水，当地水稻生产与氮肥供应构成相关土地管理背景，但区域生产数据无法量化排水流域内的实际施氮量。以往研究缺乏对受纳水体变率的系统刻画，难以在排水影响解释之前建立可靠的海洋背景参照。本研究旨在利用哥白尼海洋全球海洋生物地球化学分析与预报产品（GLOBAL_ANALYSISFORECAST_BGC_001_028，DOI 10.48670/moi-00015）提供的月度表层生物地球化学场，评估2022–2025年兰巴耶克海岸两个模型区域的季节性硝酸盐变率及硝酸盐–碳–氧协同变化，为独立现场检验提供空间与季节假设。

二、研究设计与技术方法

研究人员采用回顾性分析设计，选取2022年1月至2025年12月共48个月度记录。北部区域对应排水1000出口，南部区域对应排水1600、1700与4000出口，三个南部出口提取产生相同时间序列，仅保留一次以避免伪重复。两个模型单元中心坐标分别为80.250° W、6.750° S（北部）与80.000° W、7.000° S（南部），名义网格间距约28 km。硝酸盐为焦点状态变量，分析前预先指定七个伴随变量：总碱度、溶解无机碳（DIC）、表层二氧化碳分压（pCO₂）、叶绿素a、浮游植物碳、净初级生产力（NPP）与溶解氧，所有三维变量取自约0.494 m深处的浅层。数据来源于PISCES模拟框架，属于模型输出而非排水口直接测量。质量控制包括源文件清单、SHA-256校验和、日期与单位核查及南部重复序列检查，最终数据集包含两个独立区域各48条完整月度记录，无任何缺失值插补。统计分析涵盖描述性汇总、年内皮尔逊相关（每区域每年12个月度配对，共56项比较）、Benjamini–Hochberg多重比较校正、滞后一阶有效样本量诊断、日历月异常分析（以四年月均值为季节参考）、配对圆形移动区块自助法（6个月主区块，10,000次重复，种子20261026）、季节均值重估计敏感性（枚举256种四年有序选择，剔除4种单年重复后保留252种有效组合）、留一年交叉验证、Spearman相关与去趋势分析，以及温盐与风场协变量调整和盐度归一化敏感性检验。辅助农业指标包括兰巴耶克水稻产量（MIDAGRI来源）与秘鲁全国农用尿素进口量（SUNAT来源），均为年度配对数据（n = 4）。全部计算使用Python 3.12.14、NumPy 2.3.5、pandas 2.2.3与SciPy 1.17.0，完整可复现代码与数据随补充材料发布。

三、研究结果

完整性与配对区域硝酸盐差异。 数据集包含两个独立区域各48条月度记录。北部平均硝酸盐为10.672 ± 2.623 mmol m^?3，南部为12.210 ± 2.906 mmol m^?3。南部硝酸盐在所有48个配对月份均超过北部，平均配对差异为1.538 mmol m^?3，六个月区块自助95%区间为1.204–1.870 mmol m^?3，三、六、十二个月区块区间均保持在零以上。两条硝酸盐序列高度同步（r = 0.965，名义p < 0.001），表明共同时间模式叠加在持续区域偏移之上。两区域年均值均在2023年最低、2024年最高，未呈现单调趋势。

季节结构与时间特征。 两区域均呈现5–10月硝酸盐广泛升高。北部5–10月均值为12.805 mmol m^?3，11–4月为8.538 mmol m^?3；南部对应均值为14.440与9.980 mmol m^?3。四年日历月均值中，两区域均在3月出现最低值（北部7.519，南部8.463 mmol m^?3），北部峰值在6月（13.397 mmol m^?3），南部峰值在9月（14.815 mmol m^?3）。各年峰值月份不同：2022年9月、2023年6月、2024年9月，2025年北部在8月、南部在10月。这反映的是年中至年末的广泛富集期而非固定峰值月份。

年内硝酸盐关联。 北部各年硝酸盐–DIC相关均为正（r = 0.614–0.893），硝酸盐–pCO₂在2022–2024年为正（r = 0.835–0.877）但2025年减弱（r = 0.135），硝酸盐–氧相关持续为负（r = ?0.948至?0.711）。南部硝酸盐与碱度（r = 0.785–0.906）、DIC（r = 0.885–0.941）与pCO₂（r = 0.671–0.918）均为正相关，氧相关持续为负（r = ?0.967至?0.864）。生物关联年度间变化较大，叶绿素a与浮游植物碳系数在不同年份差异显著。56项比较中39项名义Benjamini–Hochberg q值低于0.05，但滞后一阶诊断将有效样本量降至1.04–9.62，15项比较有效样本量≤2无法估计调整概率，且所有可估计比较在诊断调整后均未保留q < 0.05，说明年内结果对序列依赖敏感，需依赖多年异常与区块重采样结果进行持久性评估。

超越平均季节循环的关联。 去除日历月均值后，硝酸盐–DIC系数北部从0.819变为0.812，南部从0.912变为0.908（名义p均< 0.001），六个月区块异常区间分别为0.698–0.908与0.851–0.951。硝酸盐–氧系数北部从?0.828减弱至?0.678，南部从?0.917减弱至?0.784（名义p均< 0.001），异常区间为?0.864至?0.411与?0.892至?0.655。平均季节循环解释了部分但非全部硝酸盐–氧关联。异常pCO₂相关为北部0.518、南部0.663；碱度系数降至北部0.332、南部0.548。生物异常相关保持为正：NPP、叶绿素a与浮游植物碳在北部为0.438、0.546与0.516，南部为0.601、0.698与0.666。留一年交叉验证中DIC系数北部0.758–0.864、南部0.853–0.939，氧系数北部?0.819至?0.466、南部?0.815至?0.748，均保持方向。季节均值重估计分析中DIC区间为0.692–0.903与0.835–0.969，氧区间为?0.854至?0.326与?0.840至?0.734，但北部碱度（?0.172至0.623）与NPP（?0.018至0.707）区间包含零，说明不同变量的持久性存在差异。历史电子表格表示保留了主要异常方向，DIC系数为北部0.782、南部0.894，氧系数为?0.702与?0.791，均与所选CSV序列方向一致。

辅助年度农业汇总。 水稻产量与全国尿素进口正相关（r = 0.988，R² = 97.66%，n = 4，名义p = 0.0118）。水稻–硝酸盐系数北部为0.762（R² = 58.06%，p = 0.238），南部为0.774（R² = 59.83%，p = 0.226），均无法在常规双侧检验下与零区分。这些四点拟合既不能确立稳定的农业关系，非显著结果也不证明农业影响不存在。

四、讨论与结论

讨论部分指出，最直接的水质评估结果是两区域间持续的硝酸盐差异，南部在所有配对月份均高于北部，同时两序列共享强烈时间模式，这与共同区域影响叠加区域依赖偏移的结构一致。5–10月硝酸盐升高与补充物理序列中较低温度（北部18.63 °C对20.94 °C）和较高风速（5.05对3.51 m s^?2）同期出现，与北部洪堡体系的区域季节强迫一致，但风速并非上升流输送指数。氧在南部所有48个配对月份均较低（北部均值208.339 ± 12.910，南部193.554 ± 17.282 mmol m^?3，配对差异?14.784 ± 9.011 mmol m^?3），支持配对营养盐–氧监测。硝酸盐–DIC协方差在去除季节循环和排除个别年份后仍然存在，联合残差化后偏系数北部0.804、南部0.838；氧偏系数为?0.866与?0.828。盐度归一化敏感性显示DIC关联减弱但保留方向（北部0.428、南部0.597），碱度系数转负且不显著，说明DIC关联不能推广至碱度。pCO₂关系较DIC关系不稳定，产品文档报告东边界上升流区存在正偏差。生物关联年度间不均匀，营养盐可用性仅是生产与生物量的控制因素之一。月度表层氧范围北部5.432–7.592 mg L^?1、南部4.692–7.224 mg L^?1，无月度值低于2 mg L^?1（62.5 mmol m^?3）的常规低氧比较值，但月度表层均值不能排除短期事件或底层水耗竭。2017年6月IMARPE调查在Dren 4000口记录到2.20 mg L^?1，说明近岸异质性但无法验证2022–2025年月度网格序列。农业源序列可复现但空间尺度不匹配：水稻产量覆盖兰巴耶克，尿素进口覆盖全国，均不能量化排水流域内施氮量。名义0.25°网格远大于单个排水口或近岸羽流，三个南部请求仅返回一个有效序列，不提供南部区域内独立重复。共享PISCES方程、物理强迫与边界场可在季节调整后维持相关，产品级评估不能提供这两个沿岸单元的局部误差估计。研究提出最低监测设计为四个排水口与两个沿海区域同步月度采样至少一个完整年度，5–10月加倍频率，排水事件期间追加采样，每个出口断面包括出口站、近岸海洋站与离岸参考站，同时记录灌溉作业、施肥时间与排水释放。管理应用是优先配对位置、对比季节与同步硝酸盐、DIC和氧测量，后续阶段结合各排水口流量加权氮输出与近岸至离岸梯度和海流观测，在评估流域管理措施前检验模型差异并区分排水输送与区域海洋变率。

研究结论为：完整的2022–2025年月度记录识别了两个模拟沿海受纳水体区域间的持续差异，南部硝酸盐在全部48个配对月份超过北部，平均差异1.538 mmol m^?3，氧在南部平均低14.784 mmol m^?3。两区域呈现5–10月广泛硝酸盐富集，年度峰值时间可变，这些是哥白尼产品内部的模式而非独立验证的本地变化。硝酸盐–DIC正相关与硝酸盐–氧负相关在季节去除、替代区块长度、季节均值重计算与排除个别年份后仍然存在，方向在补充物理协变量调整中亦保持。碱度与部分生物关联对分析规范更敏感。经核实的四年农业序列提供可复现背景，全国尿素进口与兰巴耶克作物生产需区分对待。下一研究阶段应在完整季节循环中配对月度排水流量与营养盐测量与沿海水文、碳和氧剖面，增加针对性排水事件采样，以检验模型区域差异并量化流域尺度陆–海输送。