《Water Research》：Divergent controls on nitrogen and phosphorus export regimes across Chinese catchments
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摘要有效控制流域非点源污染的进程受到氮和磷在不同空间区域输出特征差异的阻碍。虽然浓度-流量关系可从数学上将这类复杂的输出机制分为基准积累型和水文驱动型，但目前尚不清楚氮与磷在控制机制上的差异程度。本研究于2021年至2024年间，针对中国四大流域的136个流域，运用随机森林模型和
摘要
有效控制流域非点源污染的进程受到氮和磷在不同空间区域输出特征差异的阻碍。虽然浓度-流量关系可从数学上将这类复杂的输出机制分为基准积累型和水文驱动型，但目前尚不清楚氮与磷在控制机制上的差异程度。本研究于2021年至2024年间，针对中国四大流域的136个流域，运用随机森林模型和SHAP分析方法，探讨与这两种物质输出机制相关的环境因素。结果发现，总氮和总磷受不同的控制因素影响：总氮的迁移属于源控过程，与土壤有机碳密切相关（平均|SHAP|值为0.049），这一现象表明其迁移主要受浅层地下生物地球化学过程调控，而非垂直方向的养分分布差异所致；而总磷的迁移则与水文气候条件（如蒸发蒸腾作用）以及人类对水文路径的改变有关，更偏向于运输限制型行为。两种物质的基准积累情况也存在类似差异——总氮的基准浓度与历史污染源的空间分布状况密切相关（斑块密度，平均|SHAP|值为0.181），而总磷的基准浓度则主要与人口压力相关，但关联强度较弱（平均|SHAP|值为0.009）。这些研究结果强调了动态生物地球化学过程的作用，进一步完善了静态的浅层-深层假设，指出应针对氮的生物地球化学来源因素和磷的物理运输路径采取差异化的控制措施。
引言
过量的氮和磷输入所引发的富营养化问题，一直是全球淡水生态系统和沿海生态系统面临的严峻挑战（Bouwman等人，2013；Smith和Schindler，2009；Li等人，2024）。中国面临的形势尤为严峻，尽管多年来持续开展治理工作并投入了大量资金，太湖、巢湖、滇池等大型湖泊依然存在富营养化问题（MEE，2021；Qin等人，2010；Tong等人，2020）。导致这些湖泊恢复进程迟缓的一个主要原因是，人们往往将氮和磷的治理视为相互关联的过程，因此制定的政策通常采用同步减排目标、标准化的景观干预措施（如河岸缓冲带）以及统一的农业改良方案。这类做法隐含着一个假设，即在地表减少养分输入后，两种污染物的水质状况会同步且按相同比例得到改善。
然而，这种统一的处理方式忽视了氮和磷不同的传输途径以及不同的时间尺度。氮主要以溶解态存在，会经历复杂的生物地球化学转化，在非饱和带和浅层地下水中形成大量长期积累的污染物库（Sebilo等人，2013；Van Meter等人，2016）。由于其在地下移动速度较慢，即使地表污染源的输入量有所减少，河流中的氮浓度仍可能长时间保持较高水平。相比之下，磷主要以颗粒态存在，主要通过地表径流和土壤侵蚀传播，其对短期水文事件的响应更为直接（Sharpley等人，2013；Bian等人，2026）。这种固有的时空差异意味着，针对某一种养分有效的治理措施，未必能对另一种养分产生同步的改善效果，因此有必要在流域尺度上明确氮和磷的输出途径在何处、如何出现差异。
要弄清这两种不同的输出机制，需要一个能够区分长期背景性养分输入与偶发性、水文驱动型养分脉冲的分析框架。浓度-流量关系（C-Q关系，即C=aQ^b）可为这一目的提供有效工具（Godsey等人，2009；Musolff等人，2015）。该关系可将养分输出分解为两个独立部分：截距a代表低流量条件下的基准浓度，反映了长期的污染源强度和历史积累情况；斜率b则体现了浓度对流量变化的响应程度，直接反映了水文驱动作用的强度，有助于区分冲刷作用和稀释作用的不同影响（Godsey等人，2009；Zhi和Li，2020）。通过在相同的空间范围内分别拟合总氮和总磷的C-Q关系，就可以从数学上判断二者输出差异是源于基准积累还是事件驱动的迁移作用。
以往的研究多利用C-Q关系来分析影响养分输出的宏观控制因素。流域特征和水文连通性会将养分输出划分为不同的类型（Musolff等人，2015；Minaudo等人，2019；Ebeling等人，2021），而且不同的养分成分也对应着来源、传输和连通性控制因素的不同组合（Liu等人，2022）。不过，这些研究大多是对多种养分成分进行并行比较，或是单独研究某一种养分。由于缺乏在完全相同的流域内对不同养分之间的直接对比，目前尚不清楚氮和磷的基准浓度及流量响应是否受相同的环境控制因素影响。这一区别具有重要意义，因为尽管氮和磷在流域中的迁移形式存在差异——氮以溶解态为主，磷以颗粒态为主——但目前的治理措施却将它们视为同一类污染物。C-Q关系中的截距a和斜率b可以分别反映这两个方面的特征，从而让我们能够在同一个分析框架内对二者进行比较。为此，我们分析了2021年至2024年间中国四大流域（松辽-海河、黄淮、长江和珠江-闽江）136个流域的每日总氮和总磷浓度及流量数据。我们结合机器学习技术和SHAP分析方法，识别出影响C-Q参数的非线性环境控制因素（Lundberg和Lee，2017）。我们的具体研究目标是：（1）描述并比较中国北方流域与南方流域中总氮、总磷浓度以及C-Q参数的空间分布特征；（2）确定影响氮和磷C-Q参数的主要控制因素，验证这两种养分的输出是否遵循不同的过程路径。研究结果将为判断中国各流域的养分管理是应该因地制宜还是采取统一标准提供依据。
章节节选
研究区域与数据收集
我们对中国四大流域（松辽-海河、黄淮、长江和珠江-闽江）的136个流域进行了2021年7月至2024年6月的浓度-流量关系分析，共涵盖三个水文年度。总氮和总磷的浓度数据是以4小时为间隔采集的（北京时间0:00、4:00、8:00、12:00、16:00和20:00），数据来源于中国生态环境部管理的国家地表水质量自动监测站：
8070/总氮和总磷的空间分布差异
在136个流域中，总氮和总磷的浓度空间分布存在明显差异（见图2）。北方流域（松辽-海河和黄淮流域）的总氮平均浓度显著高于南方流域（长江和珠江-闽江流域）（p<0.0001），形成了明显的南北梯度。而总磷的浓度在四个流域之间没有显著差异（p>0.05），也未出现类似的南北梯度。
总氮和总磷之间的关系在
氮和磷在基准浓度及流量响应上的差异
对136个流域的浓度-流量行为分析表明，氮和磷的输出机制在空间上是分离的。总氮的地域差异主要由其基准浓度决定（即截距a），而总磷的地域差异则主要体现在其对流量的响应上（即斜率b）。这一差异说明，氮和磷受不同的控制因素影响：氮的迁移与“源”相关的积累过程有关，而磷的迁移则与“流”相关的迁移过程有关（Musolff等人，2017；Bieroza等人，
结论
本研究表明，中国各流域中氮和磷的输出机制受截然不同的控制因素影响。浓度-流量分析结果表明，总氮和总磷分别对应不同的物理和生物地球化学过程。总氮的迁移属于源控过程，土壤有机碳与它的输出模式存在密切关联，这一现象支持这样一种假设，即土壤有机碳可能调控浅层土壤的反硝化作用。这一关联为
利益冲突声明
我们在提交本稿件时不存在任何利益冲突，同时确认本稿件的内容尚未在经过同行评审的期刊上发表，也不存在在其他地方待发表的情况。
未引用参考文献
Bowes等人，2008；Hu和Zhang，2024；Slater等人，2025；Basu等人，2010；Winter等人，2024
CRediT作者贡献说明
徐阳：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，方法学，正式分析，数据整理，概念构建。韩浩杰：写作——审阅与编辑，正式分析，数据整理，概念构建。严星：写作——审阅与编辑，正式分析，数据整理。谢玉婷：正式分析，数据整理。任彦宇：方法学，数据整理。张宇航：资源获取，正式分析。杨大明：概念构建。施东利：写作——审阅与编辑。黄轩：
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究的资金支持来自中国国家自然科学基金（项目编号：42430706、42477448）。
Xu Yang|Haojie Han|Xing Yan|Yuting Xie|Yanyu Ren|Yuhang Zhang|Daming Yang|Dongli She|Xuan Huang|Yongqiu Xia
中国南京，210098，河海大学农业科学与工程学院
