通过水文连通性的级联框架量化坡面向河流输送的磷对水质的影响

《Journal of Hydrology》：Quantifying hillslope-to-river phosphorus contributions to water quality through a cascading framework of hydrological connectivity

　　•将SWAT模型与基于图的级联框架相结合，实现斑块间磷的传输。•整合了结构拓扑与事件驱动的连通性衰减机制。•将来自破碎上坡斑块的磷通过级联作用转化为连续的空间分布。•稻田在洪水季节成为重要的中转节点，其贡献率可达24.09%。•该框架能够精准定位磷的源头、传输路径及汇合区域，从而实现有针对性的控制。

引言
河流水质恶化对淡水资源安全构成了日益严重的威胁，尤其是在丘陵农业流域，那里的面源污染仍是主要的治理难题（Levia等人，2020；Wu等人，2026）。与点源污染不同，非点源营养盐的排放具有空间分散性，且受事件驱动，其排放强度取决于降雨何时以及如何触发源区、山坡与河道之间的水文联系（Hua等人，2026；Shen等人，2025；Wang等人，2026）。因此，河流中的总磷含量往往表现出明显的季节性变化、事件性的峰值以及显著的空间异质性（Liang等人，2025；Ma等人，2023）。然而，科学上的挑战不仅在于磷源分布广泛，还在于现有的治理和建模框架往往以平均或静态的方式描述营养盐风险，从而低估了景观尺度上的传输过程如何将山坡上的磷转化为下游的水质污染（Ferin等人，2026；Glendell等人，2022）。在这种背景下，仅基于长期平均负荷或静态土地利用模式的管理策略可能无法识别出真正的关键影响因子，从而导致在时间和空间上都无法实现精准的污染控制。

最近的研究逐渐从单纯的源头识别转向以机制为导向的框架，这类框架更注重景观结构、连通性以及源-路径-汇过程（Stephens等人，2021）。土地利用类型、格局以及地形条件是决定营养盐从陆地向水体传输的空间路径和效率的关键因素（Chen等人，2008）。早期的源-汇景观理论及指标，如位置加权景观指数（LWLI）和连通性指数（IC），通过结合监测点或河道相对于特定位置的距离、海拔高度和坡度等信息，将景观格局与营养盐流失风险联系起来（Borselli等人，2008；Chen等人，2009）。近年来，这类研究进一步拓展到了拓扑结构（Foltête和Vuidel，2025；Heckmann和Schwanghart，2013）、小型水体网络（Liu等人，2026；Xia等人，2021）、自然与人工混合的传输路径（Sun等人，2021）以及源-路径-汇机制（Qi等人，2026；Tan等人，2026）等方面，这反映出研究重点从单纯探究污染物生成地点，转向研究它们在景观中的传输、中转和滞留方式。这些进展有助于解释为何那些局部排放量不大的区域，由于网络连通性的优势，仍可能对下游产生较大影响。不过，尽管在源-汇景观研究方面已取得一定进展，现有方法仍无法准确量化污染物在相邻的水文响应单元尺度之间的逐步侧向传输、衰减和重新分布过程。

水文连通性研究为描述景观斑块间的侧向中转提供了重要依据（Dwivedi等人，2025；Najafi等人，2021）。现有研究通常将定义景观潜在传输结构的结构连通性与决定特定降雨及前期湿度条件下传输路径是否被激活的功能连通性区分开来（Bracken等人，2013；Xie等人，2025）。此外，最近的实证和研究方法学研究表明，农业流域中的有效传输网络并非简单的树状排水系统，而是由微地形、沟渠、道路、梯田以及局部汇聚区域共同构成的网状级联结构（Hoang等人，2017；Lane等人，2009；Qin等人，2025；Shi等人，2025）。同时，关于水文距离、基于事件的连通性以及源-路径-汇机制的最新研究也表明，污染物风险往往由有限的“有效贡献域”决定，而非整个流域内的均匀作用（Huang等人，2024；Wang等人，2025）。综合来看，这些研究表明，山坡上的磷传输本质上是一种斑块间的中转过程。因此，要对其加以量化，首先需要明确表示景观单元之间的邻接关系以及向下坡方向的传输潜力。在此基础上，若要更真实地量化基于景观的营养盐传输贡献，就需要利用基于图的拓扑结构来表示静态景观斑块之间的结构连通性。在这样的框架中，共享的边界可用于定义相邻斑块之间的侧向接触，而海拔差异则可限制污染物传输的可能方向，从而为山坡尺度的级联中转提供明确的结构基础。

然而，仅依靠结构拓扑是不够的，因为潜在的连接并不必然意味着实际的传输（Golden等人，2025；Zhang等人，2025），实际传输还受到降雨强度、前期湿度以及沿路径衰减等因素的共同影响（Li等人，2025；Lu等人，2025）。营养盐在景观中的传输不仅取决于拓扑连接，还取决于拦截、滞留、衰减，甚至在传输过程中出现局部放大现象（Li和Xu，2026；Rinderer等人，2018；Wu等人，2026）。与此同时，降水量和前期湿度都会显著影响径流的生成、响应传播以及物质输送的效率，这意味着在不同的事件条件下，相同的结构连通性也可能导致截然不同的传输能力（Eccles等人，2023）。因此，关键问题不仅在于斑块之间是如何连接的，还在于这些连接何时会变得具有水文活性，以及磷沿这些路径能持续传输多远。除了图拓扑之外，考虑由事件驱动的效率变化和距离衰减效应对于体现功能连通性以及描述污染物在景观网络中的重新分布至关重要。从这个意义上说，下游污染物的迁移不应被视为沿着固定路径的简单传输，而应视为一种由水文事件触发、受结构连通性约束、并受沿路径衰减影响的动态级联过程。

目前广泛使用的半分布式流域模型的一个共同特点是，它们更侧重于在出口处进行数据聚合，而非详细模拟内部的空间传输过程。虽然像AnnAGNPS（年度农业非点源污染物负荷模型）（Zhang等人，2019a）和SPARROW（基于空间参考的流域属性回归模型）（Zhang等人，2019b）这样的模型能够准确模拟流域出口处的径流和营养盐输出，但它们对斑块间传输过程的描述——尤其是相邻水文响应单元尺度之间的侧向中转和重新分布——仍然较为有限（Chen等人，2025）。例如，在标准的土壤与水资源评估工具（SWAT）框架中，水文响应单元的概念隐含着假设子流域内的各个单元之间不存在相互作用，通常会分别计算各单元的负荷，然后再在更高的层级上进行汇总（Bieger等人，2017；Zhao等人，2024）。这种结构虽然提高了计算效率，但也限制了对破碎农业景观中级联传输过程的准确描述。因此，尽管现有的建模方法能够有效估算整个流域的污染物输出总量，却无法揭示负荷的来源、传输路径，以及景观异质性如何影响下游的水质状况。要克服这些结构上的限制，就需要将级联效应纳入SWAT框架中，从而准确描述景观尺度上的逐步传输过程。

天目湖流域为开发和测试这一框架以及研究其中的目标空间机制提供了理想的场所（Zhang等人，2023a；Zhang等人，2023b）。该流域是典型的丘陵农业饮用水源地，具有显著的景观异质性、强烈的人为干扰，且对水质管理具有重要意义（Wang等人，2026）。先前的研究表明，该流域的营养盐动态存在明显的季节性变化（Zhang等人，2020a），茶叶种植和施肥活动导致了硝酸盐的渗漏、池塘中营养盐的积累，以及明显的上下游水质梯度（Zhang等人，2020b）。正是这些特点使得天目湖特别适合用于评估基于景观的级联框架，并检验其在更广泛场景下的适用性。

本研究的主要贡献在于将半分布式的SWAT模型与基于图的级联框架相结合，从而准确描述斑块间的磷传输过程。通过将结构拓扑与事件驱动的连通性衰减机制相整合，该方法突破了传统模型的局限，从数学上实现了将来自破碎上坡斑块的磷传输转化为相互连接的连续空间分布。因此，该研究能够精准定位景观中的磷源头、传输路径及汇合区域。这种基于拓扑的分析视角为将流域管理从传统的空间均匀策略转变为有针对性的磷控制提供了坚实的理论和定量基础。基于这一概念框架，本研究旨在回答三个相关问题：（1）级联效应如何改变总磷负荷的空间分布？（2）它们是否改变了不同景观类型、土壤类型和坡度类型所带来的影响程度？（3）哪些特定的景观、土壤和坡度组合构成了驱动流域磷输出的主要传输路径？据此，我们提出以下假设：（H1）级联效应通过将负荷从破碎的上坡斑块转移到下游的连续区域，从而改变总磷的空间分布；（H2）侧向传输路径通过揭示某些景观作为动态中转节点的作用，而非仅仅是简单的源头或汇点，进而改变各因素的影响程度；（H3）某些高风险组合，如集约化农业斑块，将成为驱动流域磷输出的主要传输路径。从更广泛的意义上来说，本研究不仅定性分析了景观格局的影响，还建立了一个定量框架，用于解释景观格局如何通过级联传输过程影响流域的营养盐风险。

研究区域
天目湖流域位于北纬31°16′08″、东经119°24′32″，是长江流域太湖水系上游的重要组成部分（图1a）。该流域的集水面积达245.18平方公里，其水文过程受两个主要水库的调控，这两个水库的表面积共计21平方公里，占整个流域面积的8.54%。从地貌上看，该流域位于伊犁山区，地形以显著的地形起伏为特征。

SWAT-CE模型的性能
为了评估包含级联效应的SWAT-CE模型的可靠性，我们在两个具有代表性的监测点——上洲村（图4a）和潘村桥（图4b）——将模拟得到的总磷浓度与实际观测数据以及传统SWAT模型的模拟结果进行了对比。统计分析表明，加入级联模块后，模型的预测精度有所提升。在上洲村，SWAT-CE模型的预测效果明显优于传统模型，R2值……

以结构性和功能性水文连通性为级联传输的基础
大量研究表明，流域尺度上的磷传输并非仅由污染源的强度决定，而是由污染源的产生、山坡上的传输、沿路径的滞留以及下游的积累等多种因素共同作用的结果。结构连通性与功能性连通性之间的差异会显著改变营养盐从景观流向接收水体的有效贡献范围，这也解释了为何相似的景观格局却可能导致截然不同的污染结果。

结论
通过开发和验证整合了级联效应的SWAT-CE框架，我们能够更深入地理解流域中磷的动态变化过程，尤其是那些复杂的陆地表层之间的相互作用。模型模拟结果与最初的假设高度吻合。首先，级联效应在改变总磷的空间分布方面起着关键作用，它将营养盐负荷从破碎的上坡区域转移到相互连接的下游区域。其次，侧向传输路径会改变各种因素的影响程度，因为某些景观会作为动态的中转节点，而不仅仅是简单的污染源或汇点。

作者贡献声明
王燕楠：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论、研究实施、资金获取、正式分析、概念构思。杨桂山：写作——审稿与编辑、监督、方法论、概念构思。欧伟新：写作——审稿与编辑、方法论、概念构思。李恒鹏：写作——审稿与编辑、研究实施、数据整理。

未引用文献
Tuladhar等人，2025年。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢天目湖流域生态观测与研究站为本研究提供的关键数据支持。本研究得到了国家自然科学基金（42501128）、江苏省基础研究计划（BK20251493）、江苏省优秀博士后人才资助计划以及河海大学生态环境与农村振兴研究院的开放研究项目资助。此外，感谢王燕楠、杨桂山、欧伟新、李恒鹏的支持。