《Environmental Research》：Climate shifts decouple nitrogen and phosphorus redistribution patterns in China’s inland waters
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摘要内陆水体的营养元素动态受气候变化影响，然而气候变化如何重新组织氮和磷在水体中的分布仍缺乏充分阐明。本研究利用涵盖2021年1月至2023年12月间在中国3646个独立监测站点收集的117,212条验证级月度观测数据，结合地统计制图与气候-营养元素模型，评估了我国河流、水库
摘要
内陆水体的营养元素动态受气候变化影响，然而气候变化如何重新组织氮和磷在水体中的分布仍缺乏充分阐明。本研究利用涵盖2021年1月至2023年12月间在中国3646个独立监测站点收集的117,212条验证级月度观测数据，结合地统计制图与气候-营养元素模型，评估了我国河流、水库、湖泊和河口的水体季节性营养元素模式，并预测其在21世纪中后期SSP2-4.5气候情景下的响应。结果显示，氮和磷的平均浓度分别为2.57 ± 2.66 mg L-1和71 ± 66 μg L-1，且在不同水体类型间存在显著差异；河口的氮和磷平均浓度最高，而湖泊的氮浓度最低，水库的磷浓度最低。此外，氮浓度在冬季高于夏季，而磷浓度在夏季达到峰值。在配对监测站点中，冬季的摩尔氮磷比中位数比夏季高53%，全国月度平均氮和磷浓度呈强负相关。极端空间热点也表现出明显差异：在氮浓度前十分位中的站点中，仅有31.6%同时处于磷浓度前十分位。在SSP2-4.5情景下，预测的氮减少和磷增加使21世纪中后期季节性摩尔氮磷比降低约19%–36%。这些时间、空间和化学计量指标表明，气候调节下的氮-磷解耦反映的是不同的重新分配模式，而不仅仅是相反的平均浓度趋势。由此推论，未来需要区域差异化管控策略，而非统一的全国性营养元素目标控制策略。
引言
氮和磷是内陆水体初级生产力的基本调节因子，但其过量累积会导致严重富营养化、有害藻华、生物多样性丧失以及水生资源广泛退化。这些环境风险不仅日益受到农业、水产养殖、城镇化和工业活动等直接营养负荷的影响，还受到气候变化对水文季节性的调节作用的影响。降水格局变化、气温变化、融雪时间、蒸发速率和地表径流从根本上改变了营养物质在复杂流域中被动员、保留或生物地球化学转化的时空分布。因此，营养元素污染正演变为一种高度动态的空间和季节性风险，而不仅仅是由年度负荷指标或平均基线浓度所定义的静态挑战。
氮和磷在主要来源、传输途径和环境保留机制上存在显著差异：氮通常以高溶解形态传输，并受生物吸收、水文停留时间和微生物反硝化作用的动态调控；相反，磷的传输主要与颗粒物、土壤侵蚀、沉积物动态和局部点源排放相关。这些不同的生物地球化学特性意味着气候变暖和降水格局改变可能在不同季节和不同类型水体间解耦氮和磷的响应。虽然已有文献表明气象变化对河流化学组成、营养元素总负荷以及后续有害藻华风险具有强烈调控作用，但大多数宏观评估仍局限于单一集水区、孤立的水体类别、年度聚合或短期观测窗口。这使得在气候变化如何结构性重塑广袤异质内陆水网络中营养物质空间分布的定量实证证据方面存在关键空白。一个核心的未解问题是，季节性气候变率是平行调节受人为影响的氮和磷分布，还是在区域、季节和水体类型间贡献了分化的响应。
中国是应对这一研究空白的理想研究区域。其广袤的内陆水网络跨越多样气候梯度——从寒冷干旱的北方流域到温暖湿润的南方集水区——同时还承受着由集约化农业、高密度水产养殖和快速城镇工业化扩张所驱动的强大且空间不均等的营养元素压力。数十年的农业集约化和经济社会发展加速了营养物质向河流、湖泊、水库和河口的输送，使多个经济区持续面临富营养化挑战。与此同时，中国显著的气候和水文宏观异质性提供了一个天然实验室，用以考察温度和降水季节性变化如何与特定的水生生态系统类型及区域点源/非点源结构相互作用。因此，从这一系统中获得的机制性认识不仅对国内环境政策具有重要参考价值，也为其他面临气候变化和营养元素富集双重压力的全球快速转型地区提供借鉴。
在本研究中，我们系统分析了来自我国河流、水库、湖泊和河口3646个监测站的117,212条高分辨率月度观测数据，以量化氮和磷的季节性和空间配置。我们将经验贝叶斯克里金插值与稳健的气候-营养元素建模框架相结合，以描绘当代营养元素格局并预测其在21世纪中后期SSP2-4.5气候情景下的演变轨迹。具体而言，我们解决三个相互关联的问题：（1）氮和磷浓度在季节、地理区域和不同水体类型间如何变化？（2）温度和降水变化在多大程度上与这些变化模式经验性地相关？（3）未来的季节性变化是加强还是解耦氮和磷相关的生态风险？通过同时在时间和空间上解析营养元素再分配动力学，本研究旨在为气候适应性营养元素管理提供科学基线，将氮和磷视为不同的、随时间变化的威胁，而非将其视为统一的富营养化问题。
章节摘要
水环境空间分类
编制了来自中国生态环境部管理的自动化和人工监测基础设施的全面全国水环境数据集。该数据库提供了全国主要水网中总氮、总磷和溶解氧的月度同步观测数据。经过严格的数据清洗和质量保证/质量控制筛选以消除不完整记录后，最终数据集包含117,212
氮和磷的空间分异
氮和磷在我国内陆水体中表现出不同的空间结构。在所有监测站点中，2021年至2023年的平均氮和磷浓度分别为2.57 ± 2.66 mg L-1和71 ± 66 μg L-1。浓度在不同水体类型间存在显著差异。河口的两种营养元素平均浓度最高，氮平均为3.54 ± 3.31 mg L-1，磷平均为109 ± 71 μg L-1。河流也表现出较高的营养元素水平，氮和磷平均
氮和磷的空间分布
结果显示，氮和磷在我国内陆水体中并未遵循相同的空间逻辑，因为氮和磷通过根本不同的环境途径进入、传输并在内陆水体中留存。中国北方观察到的高氮浓度与此前证据一致，即集约化农业实践、肥料使用效率低和大气沉降加剧在
结论
氮和磷在我国内陆水体中表现出截然不同的空间和季节模式，包括北方广泛的氮富集、更为局部化的磷热点、冬季氮峰值和夏季磷峰值。气候-营养元素模型表明，在当代排放源和管控背景基本不变的情况下，预测的变暖和降水变化与多种水体类型中较低的氮浓度和较高的磷浓度相关。这些结果代表了
作者贡献声明
Mohammed Ombadi：撰写–审阅与编辑。Qiusheng He：撰写–审阅与编辑。Li Li：撰写–审阅与编辑。Yonghong Bi：撰写–审阅与编辑。Kai Zhu：撰写–审阅与编辑，概念设计。Cheyenne Lei：撰写–审阅与编辑。Anna Michalak：撰写–审阅与编辑。Yuan Li：撰写–初稿，调查，概念设计。Peter Reich：撰写–审阅与编辑
未引用参考文献
Chang et al., 2015; Liu et al., 2025; Peng,; Seybold et al., 2022.
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系或个人关系可能影响本文所报告的工作。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金资助（项目号：42207528，资助李元；项目号：31971477，资助毕永红），以及中国山西省奖学金委员会研究项目支持（项目号：2025-181，资助李元）。
李元 | Peter B. Reich | Cheyenne Lei | Anna M. Michalak | Li Li | Mohammed Ombadi | 何秋生 | 朱凯 | 毕永红
山西环境质量协同管控与调控重点实验室，太原科技大学环境科学与资源学院，中国太原030024
