综述：针对关键区域：流域磷迁移异质性识别方法及其驱动机制的综述

《Journal of Contaminant Hydrology》：Targeting critical zones: A review of heterogeneity identification methods and driving mechanisms of watershed phosphorus transport

非点源磷污染呈现显著空间异质性、时间不连续性和结构耦合性，传统识别方法难以精准定位风险单元。本文提出三维H-M-C框架并优化为高风险异质核心单元概念，整合阈值法、分布式模型、同位素示踪与数据驱动方法，揭示"水文扰动-土地利用-地貌调控-多源反馈"机制链，为流域磷管理提供跨尺度方法论支撑。

　　

吴青轩|王然|杨静|王浩|李思敏|金鑫

河北工程大学能源与环境工程学院，中国邯郸056038

摘要

非点源磷（P）的传输具有明显的异质性，表现为空间聚集、时间间歇性和结构耦合，这些特征共同对流域管理构成了严峻挑战。基于对现有研究的系统综合，本文提出了一种三维识别框架——热点-关键时刻-关键源区（H-M-C），并将其细化为高风险异质核心单元的概念，以表征在事件尺度上由多维条件共同激活的功能单元，并这些单元主导了磷的通量输出。在方法论上，我们追踪了从基于阈值的准则、分布式建模、稳定同位素和地球化学指纹识别到智能数据驱动方法的发展历程，强调了它们在维度覆盖、机制解释和跨尺度适用性方面的互补性和局限性。此外，我们从四个角度总结了“激活-放大-调节-反馈”机制链：水文扰动、土地利用实践、地貌调节和多源反馈。本文强调了认识非稳态过程的必要性，发展适应不同尺度的识别粒度，并构建以策略为导向的反馈循环，从而为连接磷传输的机制理解与实际管理响应提供了结构框架和方法路径。

引言

磷（P）是淡水生态系统中的关键限制性营养元素，其过量输入已成为全球水环境管理中的核心问题（Paerl等人，2024年；Singh和Yadav，2025年）。过量的磷会引发藻类暴发、缺氧和水质恶化，导致生态系统退化，对流域生态安全和可持续发展构成严重威胁（Michalak等人，2013年；Sharpley等人，2013年）。随着对点源污染控制的显著进展，农业径流、土壤侵蚀和城市非点源已成为主要污染源，使得非点源磷污染成为流域管理中的关键挑战（Chen等人，2025年）。磷的传输过程表现出明显的空间异质性、显著的时间变异性和多因素驱动，这些因素共同给精确的源控制和政策决策带来了巨大困难（Sabo等人，2023年；吴等人，2024a年）。

异质性是流域磷传输的本质特征，表现为空间聚集、时间间歇性和结构耦合（Musolff等人，2017年）。这些特性使得基于平均浓度或低频监测的传统识别方法无法准确定位关键风险单元，从而在负荷估算和管理策略中引入了相当大的不确定性（Johnes，2007年；Zhang等人，2024年）。多种环境因素，如水文扰动、土地利用变化和地貌条件，共同作用重塑了传输路径，进一步加剧了异质过程的复杂性（Fraterrigo和Downing，2008年；Goyette等人，2019年）。因此，有效识别和表征流域磷传输中的高风险异质核心单元已成为科学研究和管理实践中的关键问题。

近年来取得了显著进展。提出了几个重要概念——热点（H）、关键时刻（M）和关键源区（CSA）——以捕捉磷传输的非稳态空间、时间和结构特征（Bol等人，2018年；Shrestha等人，2021年；Zhang等人，2020年；Zhou等人，2022年）。同时，基于分布式过程的模型、地球化学指纹识别、稳定同位素技术和数据驱动方法已被广泛应用于异质过程的识别和解释（Jensen等人，2018年；Ouyang等人，2016年；Singh等人，2021年）。每种方法在特定维度上具有独特的优势，并为更准确地识别磷传输过程提供了理论和技术支持。

然而，现有研究在多个方面仍存在局限性。大多数分析局限于单一维度，缺乏对空间、时间和结构领域之间相互作用的系统探索（Li等人，2023年；吴等人，2024b年；Zhang等人，2019年）。方法论上的碎片化也很明显，不同方法往往孤立应用，缺乏有效整合。此外，尽管当前模型和技术在局部取得了成功，但它们的跨尺度适用性和预测能力仍然有限。这一差距在跨流域管理和动态预警应用中尤为明显，迫切需要提高准确性和操作可行性。

基于对现有文献的系统综合，本文将热点-关键时刻-关键源区的概念线索进行了结构整合，提出了H-M-C三维识别范式，以统一表征流域磷传输的空间聚集、时间间歇性和结构耦合。在此基础上，我们进一步引入了高风险异质核心单元的概念。围绕这一范式，我们追溯了从经验阈值筛选和基于分布式过程的建模到地球化学和稳定同位素追踪以及数据驱动方法的方法演变，并比较了它们在维度覆盖和适用性方面的优势和局限性。然后，我们综合了关键过程——包括水文极端事件、土地利用和管理实践、地貌组织以及多源输入与系统反馈——并提出了“激活-放大-调节-反馈”的综合机制链，以解释异质磷输出的起源。最终，本文旨在推动流域磷管理从统一的、泛化的措施向针对高风险异质核心单元的精准干预转变。

部分摘录

异质磷传输的多维识别框架

在流域尺度上，磷（P）的传输表现出明显的异质性，这种异质性受到地貌、土壤物理化学性质、水文连通性、生物扰动和人类活动等多种因素的共同影响（Savenko和Savenko，2022年；Wang等人，2022a年；Watt等人，2021年）。大量实证证据表明，磷的输出往往集中在少数局部区域或短期事件中，这使得传统方法难以准确识别关键源区。

异质流域磷传输的驱动机制

随着热点（H）、关键时刻（M）和关键源区（CSA）三维识别范式的逐步建立，以及系统化的识别路径的发展，研究逐渐从基于单元的识别转向了机制解释。流域磷（P）传输的异质性不仅仅是空间分布不均的表现，而是源于多种因素之间的耦合差异。

未来方向

尽管在表征非点源磷（P）传输的空间聚集、时间间歇性和结构耦合方面取得了实质性进展，但将H-M-C识别的结果转化为可操作的治理措施仍是一个关键挑战。这一挑战源于异质磷输出越来越多地表现为在扰动条件下通量和传输路径的非稳态、类似阈值的重构，而非稳定的空间分布。

结论

流域磷传输的异质性是由空间聚集、时间间歇性和结构耦合在外部负荷和内部反馈的共同影响下形成的内在属性，其核心特征表现为“少数单元主导通量”的模式。通过系统综合现有研究，本文提出了热点-关键时刻-关键源区（H-M-C）三维识别范式，以共同表征这些现象。

CRediT作者贡献声明

吴青轩：撰写——初稿。王然：撰写——初稿。杨静：监督。王浩：方法论、调查。李思敏：撰写——审稿与编辑、资金获取。金鑫：撰写——审稿与编辑、监督。

未引用参考文献

Shi等人，2025b

Wang等人，2022b

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（青年基金，项目编号：42207092）和河北省自然科学基金（项目编号：B2025402028）的支持。