水生所揭示气候变化驱动我国内陆水体氮磷再分配解耦机制

　　

近日，中国科学院水生生物研究所毕永红研究员团队联合太原理工大学、美国密歇根大学、斯坦福大学、宾夕法尼亚州立大学等多家单位，在Nature index收录的环境领域国际期刊Environmental Research发表题为Climate shifts decouple nitrogen and phosphorus redistribution patterns in China's inland waters的研究成果，揭示气候变迁驱动我国内陆水体氮、磷元素空间?季节再分配解耦的作用机制，为全面认识不同水体营养负荷的时空动态及面向气候变化的流域营养盐适应性管控提供科学依据。

图1 气候变化驱动我国内陆水体氮磷再分配的框架示意图

气候变化通过改变降水、温度、融雪与径流过程，重塑流域内营养盐迁移转化规律。但气候变迁驱动营养盐迁移转化重塑水体氮磷的时空分布格局缺少全国多类型水体同步观测大尺度数据的支撑，气候变迁如何改变氮、磷空间与季节分布格局，氮磷动态是协同一致还是分化解耦，尚未得到系统量化解析。本研究整合2021–2023年全国3600余个监测站点10万条月度质控观测数据，覆盖河流、水库、湖泊、河口等不同水体，结合经验贝叶斯克里金地统计插值、气候?营养盐响应模型，解析氮磷时空分布特征，并基于CMIP6的SSP2?4.5中等排放情景，对本世纪中叶（2051–2070）和世纪末（2081–2100）水体氮磷变化趋势开展情景预估。研究发现，我国河口水体氮、磷平均浓度最高，湖泊氮浓度最低，水库磷浓度最低。空间格局上，氮污染高值热点集中于北方流域，黄河流域氮浓度最高；磷高值区呈现东西分异特征，淮河流域磷浓度最高；氮和磷高污染热点空间重叠度仅31.6%，表明二者污染热点并不匹配。季节尺度上氮磷呈现显著错峰变化：氮冬季浓度高于夏季，磷夏季浓度达到峰值。定量耦合度量指标深入阐明了氮磷解耦内涵：氮与磷并非完全独立：其多年均值仍呈正相关性，这是由于许多流域同时接收来自相同来源的同类型养分；然而，氮磷重新分布模式存在显著差异，配对站点冬季摩尔N:P中位数较夏季高出53%，全国月度氮磷浓度呈显著负相关（r=-0.85）。因此，解耦是指季节性相位、极端风险地理分布及对未来气候条件响应的差异，而非所有氮磷相关性均不存在。SSP2-4.5 气候变化情景模拟显示，预计氮含量下降与磷含量上升将使季节性氮磷摩尔比在本世纪中后期降低约19–36%；这一数据为氮磷分布差异提供了额外衡量指标。气候驱动氮磷再分配发生明显解耦，营养盐化学计量关系被显著改写；由气候介导的季节性信号嵌入在空间异质性的人为营养盐输入中，气候变化下的温度、降水及水文季节性节律调控着养分的迁移、稀释、滞留及生物地球化学转化过程；而可供迁移的养分总量则受化肥施用、废水排放、土地利用方式、地表径流、大气沉降及累积养分遗留量的显著影响。

图2 中国内陆水体氮磷浓度的流域尺度空间异质性及其对未来气候变化的响应

该研究指出，氮主要以溶解态迁移，受反硝化、生物吸收调控；磷更多依附于颗粒物，受土壤侵蚀、沉积物释放、点源排放主导。二者截然不同的生物地球化学属性，造成气候改变下的响应分化。气候–养分模型进一步表明，在当代源输入与管理背景大致不变的情况下，预计的气温与降水变化与内陆水体较低氮浓度但较高磷浓度相关，这反映了氮磷分布受气候条件影响的敏感性。这些时间、空间及化学计量学指标表明，受气候条件影响的氮磷解耦现象反映的是再分布模式，而非仅仅是平均浓度的相反趋势，未来气候条件将使相对养分平衡向磷含量更高的方向转变，这意味着，传统“全国统一营养盐削减目标”管控模式难以适配未来气候扰动背景，需要推行分区、分季节、分水体类型的差异化营养负荷管控策略：北方流域重点管控冬季低流量条件下氮输入；淮河流域等磷高风险区域重点管控夏季降雨驱动的颗粒态磷流失；河口需要同时兼顾氮磷协同管控；湖泊、水库要格外关注沉积物内源磷释放风险。在耦合的气候–人类活动框架下，应将气候适应措施与直接源头减量措施及不同水体的水文管理相结合，对氮磷进行分别处理，而非统一的全国性营养负荷目标控制策略，这将为未来富营养化风险管控提供更稳健的支撑作用。

本研究得到国家自然科学基金（42207528、31971477）、山西省留学基金（2025?181）等项目资助。水生所毕永红研究员为通讯作者，太原科技大学李渊（水生所访问学者）为论文第一作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2026.125505