以农业为主且受人类影响的流域中与基流相关的磷输运：利用基流分离和LOADEST进行定量分析

《Journal of Contaminant Hydrology》：Baseflow-related phosphorus transport in an agriculture-dominated, human-influenced watershed: Quantification using baseflow separation and LOADEST

　　### 摘要要点- 四种基流（基流=地下水补给形成的稳定基流成分）分离方法显示出依赖于方法本身的性能差异。- ECK–LOADEST 估算年均基流相关总磷（TP）负荷约为 8196 kg。- 基流相关总磷约占河流总磷年输出的 21%。- 在低流量期，基流相关总磷的贡献明显增加。### 引言农业流域中非点源（NPS）磷污染的治理至今仍是一个持续存在的难题（Mekonnen and Hoekstra, 2018）。尽管最佳管理措施（BMPs）已实施数十年，但切萨皮克湾、伊利湖等系统的水质改善仍不理想，这反映出流域系统内复杂且滞后的响应（Gémesi et al., 2011; Kleinman et al., 2011; Radcliffe et al., 2009; Smith et al., 2018; Yang et al., 2013）。越来越多的证据将这种难以恢复的现象归因于"遗留磷效应"，即历史上施用磷肥后在土壤和地下环境中长期积累并缓慢释放的过程（Sharpley et al., 2013; Wang et al., 2020）。这一发现对传统范式构成了挑战——传统观点强调磷的低迁移性以及其与土壤颗粒的强亲和力，因此长期主要关注通过地表径流和侵蚀导致的颗粒态磷输运（Holman et al., 2008; Kleinman et al., 2011）。因此，地下路径（尤其是基流）在磷输运中的角色长期被低估或忽视（Fenton et al., 2017; Zhang et al., 2026）。此处所说的基流通常指径流中变化相对缓慢的成分。在天然流域中，该成分通常以地下水排泄为主；但在受水库与闸坝调控、灌溉退水、岸边储存以及持续人为排放影响的流域，通过流量过程线分离得到的基流成分可能会整合多种缓慢响应的水源。然而，这一观点正逐步被修订。在高强度耕作且土壤磷饱和度高（即土壤中磷已达饱和吸附状态）的流域中，地下路径可能成为溶解态磷的重要输运通道（Holman et al., 2008; King et al., 2015; McDowell et al., 2015）。过去施肥积累形成的遗留磷可通过生物地球化学过程（如解吸、还原性溶解）（Doydora et al., 2020; McDowell et al., 2020; McDowell et al., 2015; Recena et al., 2016）以及水文驱动作用被活化，并进一步淋溶进入地下水。鉴于地下水系统所具有的特征性长滞留时间，这些淋溶出来的磷可形成弥散且持续存在的污染源，并通过基流被持续输运至河道，这有助于解释管理措施与水质恢复之间所观察到的滞后现象（Goyette et al., 2018; Hu et al., 2020; Kaandorp et al., 2018; Van Meter et al., 2016）。因此，基流目前已被视为一条关键但难以准确量化的遗留磷输运通道，可能会对主要聚焦于地表径流的污染控制策略的有效性造成削弱。因此，准确量化通过基流输出的磷负荷对于有效的非点源污染治理至关重要。然而，这一工作受到多重方法论不确定性的影响，从而妨碍了可靠的评估。首先，基流本身的估算并不简单。由于基流通常难以直接测量，其量化主要依赖间接方法，包括基于流量过程线的图解法和递归数字滤波器（RDF）方法，以及基于水化学或稳定同位素示踪剂的同端元混合方法（Gonzales et al., 2009; Klaus and McDonnell, 2013）。这些方法的适用性和表现会因流域特征（如地质和气候）以及水文条件的不同而变化，导致所估算的基流贡献存在显著差异（Partington et al., 2012）。与需要水化学或同位素示踪同步数据的方法相比，基于流量过程线的分离方法所需数据量更低，且可从长期流量记录生成连续的基流序列，因而适用于多年尺度的基流动态与污染负荷分析（Eckhardt, 2005; Zhang et al., 2017）。因此，基流估算对所选分离方法的敏感性是主要的不确定性来源之一（Xie et al., 2020）。其次，将分离得到的基流流量转化为磷负荷需要将通常稀疏的水质观测与连续的流量记录相结合，这又增加了一层依赖模型的不确定性（Runkel et al., 2004）。这些叠加的不确定性最终会影响所估算基流磷贡献的可靠性及其管理意义的解释。为解决与基流分离和负荷估算相关的方法论不确定性，本研究聚焦于中国北方的泗河流域。该流域农业用地及农业养分投入突出，但系统并非仅由农业活动所控制。流域内还分布有城市建成区和农村聚落，河道径流与总磷（TP）的输运可能共同受到城乡生活污水排放、水库与闸坝调控、灌溉退水以及地质空间异质性的影响。因此，本文将通过流量过程线分离得到的基流成分及其对应的总磷负荷，解释为水文输运路径的量化指标，而非农业、城市、农村生活或其他磷源的直接贡献估计。基于这一逻辑，本研究的主要目标为：（1）比较由不同分离方法得到的基流成分的数值量级与动态特征，并利用独立的水文信息评估其适用性；（2）基于流域特定的参数约束和流量过程线特征选择一个工作性分离情景，并将其与 LOADEST 集成以量化年均和季节性的基流相关总磷负荷；（3）评估基流相关总磷对河流总磷输出的贡献、其季节动态以及对分离方法选择的敏感性。通过从源头处理方法论不确定性，本研究旨在为评估基流相关磷输运及其方法论不确定性提供一个更可靠的框架，并为类似复杂且受扰流域的磷污染管理提供依据。### 章节摘录#### 研究区域泗河流域位于中国北方，农业活动突出，但城市排放和水调控同样发挥重要影响，因此被选为研究复杂调控系统中基流相关磷输运的案例流域。泗河是注入南四湖的主要支流，全长约 159 km，流域面积约 2357 km2（图 1）（Zhang et al., 2022）。该流域……#### 模型构建与选择在九个候选模型中，M3（包含流量对数 lnQ 及时间趋势项 t）的 AIC 和 SPPC 最低，因此被选用于河流总磷负荷估算。其具体形式如下：lnL = 231.9272 + 1.0812 lnQ ? 0.1141 t为便于展示，方程（9）以代数等价的非中心化形式书写；该变换改变了截距，但不影响拟合负荷或模型预测结果。拟合系数见方程（9）。#### LOADEST 模型表现与跨模型一致性M3 中包含的时间项表明，泗河总磷负荷在研究期内出现了显著的长期时间变化，其变化超出仅由流量变化所能解释的范围。与不含时间项的 M2 相比，M3 具有更优的模型选择指标与样本外预测性能，表明这种时间变化并非模型形式构建的产物。一种可能的解释是，总磷浓度与流量之间的关系在研究期内本身发生了逐步变化，使得总磷……#### 结论本研究系统地量化了泗河流域的基流相关总磷负荷，并揭示了其长期动态与季节贡献模式。主要发现如下：- （a）**方法论框架**：采用流域参数化的 ECK 基流序列作为工作情景，与 LOADEST 进行连续集成；同时通过与 LH、CM 和 UKIH 方法的比较，量化了基流分离方法选择所带来的不确定性。- （b）**总磷负荷下降但……**（原文截断）#### CRediT 作者贡献声明**Xu Chen（陈旭）**：撰写—审阅与修改，撰写—初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。**Ruiping Li（李瑞平）**：撰写—审阅与修改，监督指导，方法学，调查研究。**Yina Zhang（张怡娜）**：验证，形式化分析，数据管理。**Xiuqin Sun（孙秀琴）**：资源，数据管理。#### 利益冲突声明作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文所报告工作的公正性。作者署名顺序：陈旭 | 李瑞平 | 张怡娜 | 孙秀琴