高频监测揭示了受降雨影响的磷和氮浓度及排放模式及其相关机制

《Journal of Hydrology》：High-frequency monitoring reveals rainfall-driven phosphorus and nitrogen concentration–discharge patterns and associated mechanisms

通过高频率监测25次降雨事件发现，流域水文-生物地球化学耦合主导了磷、氮各组分浓度-流量（C-Q）关系，极端降雨通过增强水力连通性加速远源磷释放（呈现逆时针滞后期），而近源氮因快速冲刷呈现顺时针滞后期，低频监测易掩盖此类动态差异。

　　

陈胜月|郑茹萍|黄金良|姜世杰

中国福建省厦门大学海岸污染预防与控制重点实验室，厦门361102

摘要

降雨事件将陆地营养物质带入河流网络，加剧了水体富营养化，威胁水生生态系统。捕捉这些瞬态营养物质动态及其与水流的相互作用对于理解事件尺度上的水文-生物地球化学过程至关重要，然而，营养物质响应的多样性和相关机制仍不甚明了。在此研究中，我们利用高频监测技术跟踪了一个代表性风暴引发的营养物质污染流域中25次降雨事件中的十种磷和氮成分，系统地描述了浓度-流量（C–Q）模式及其环境控制因素。结果表明，降雨破坏了基流稳定性，并引发了不同程度的营养物质脉冲，尤其是在暴雨期间，颗粒态磷的脉冲尤为明显。磷类物质以及氨和亚硝酸盐主要表现出逆时针方向的滞后现象，表明它们来自远端的丰富来源并延迟释放；相比之下，总氮、溶解氮和颗粒氮及硝酸盐则倾向于顺时针方向的稀释，这与近端有限来源的快速消耗一致。因果预测分析表明，事件尺度上的水文和生物地球化学过程主导了C–Q行为，极端风暴和加剧的生物地球化学活动会引发更早、更强的营养物质脉冲。前期条件和气象因素虽然直接影响有限，但通过调节水文-生物地球化学环境间接影响了C–Q响应。这些特征性的C–Q模式和机制在低频监测下容易被掩盖或误解。我们的发现深化了对风暴驱动营养物质传输和转化的理解，为有针对性的流域管理提供了基于过程的基础，以减轻河流营养物质污染。

引言

不断变化的环境条件正在全球范围内降低河流水质，通过增加营养物质（尤其是磷和氮）的输出量，威胁着河口和海岸的淡水资源（Basu等人，2022年；Gruber和Galloway，2008年）。气候变化，特别是风暴事件的加剧，通过增加河流营养物质动态的非线性和非平稳性，放大了这些风险，常常在短时间内高强度降雨导致土壤迅速饱和并加速营养物质淋溶，从而引发浓度急剧上升（Beusen等人，2022年；Wang等人，2020年；Yue等人，2023年）。尽管风暴在年水文记录中所占比例较小，但它们对河流营养物质输出的影响却不成比例（Blaen等人，2016年；Raymond等人，2016年）。一项涵盖965项研究的全球综合分析显示，在51%的情况下，风暴事件导致了水质恶化，主要是通过提高营养物质浓度（Van Vliet等人，2023年）。因此，阐明控制风暴驱动营养物质迁移和传输的机制对于理解流域水文-生物地球化学响应和制定有效的水质管理策略至关重要（Beusen等人，2016年）。

然而，对于不同降雨强度下磷和氮的组成、动态和输出量的定量理解仍然有限。这一限制不仅源于风暴驱动传输的偶发性，还因为普遍依赖低频采样，无法捕捉到瞬态河流过程（Kirchner等人，2004年）。这种粗略的时间分辨率会系统性地偏置事件尺度和长期的营养物质动态估计（Kong等人，2019年；Sun等人，2022年）。作为回应，高频监测（通常为每小时或每半小时一次）越来越多地被用来解析由水文和生物地球化学过程共同控制的风暴驱动营养物质动态（Rode等人，2016年；Ruhala和Zarnetske，2017年；Williams等人，2018年）。然而，大多数现场传感器部署仅针对少数几种溶质，最常见的是硝酸盐（NO₃-N）和可溶性活性磷酸盐（SRP），从而提供了不完整且可能有偏的事件尺度营养物质行为视图（Carey等人，2014年；Clinton-Bailey等人，2017年；Koenig等人，2017年）。因此，目前尚不清楚不同的磷和氮成分对风暴驱动的响应是一致的还是不同的，以及它们的浓度和输出动态如何随降雨强度系统性地变化。

高频监测还使得能够详细描述降雨事件期间的水文-生物地球化学过程（Musolff等人，2021年）。特别是浓度-流量（C–Q）关系，作为流域传输、混合和反应过程的综合诊断工具，揭示了水和溶质在短时间尺度上的迁移、储存和释放方式（Knapp等人，2020年）。因此，事件尺度的C–Q模式为动态驱动下的水文连通性和源可用性提供了关键见解（Li等人，2024年；Najafi等人，2021年）。例如，降雨期间增强的陆地-河流连通性可以动员远端的农业来源，导致磷富集和浓度峰值相对于流量出现延迟，表现为逆时针方向的滞后（Bowes等人，2005年）。相反，事件早期近岸区域的快速冲洗可能会稀释河流中的氮，产生浓度最小值，表现为顺时针方向的滞后（Fovet等人，2018年）。这些对比行为反映了前期湿度、降雨特征、水文响应和生物地球化学反应性的相互作用。尽管最近的研究表明极端风暴可以根本改变C–Q的时间和滞后方向（例如，使总磷（TP）峰值与流量峰值同步，而在极端风暴下使NO₃-N峰值滞后于流量峰值（Dupas等人，2024年），但大多数现有分析仍然局限于特定溶质（Duncan等人，2017年；Yue等人，2023年）。因此，尚不清楚在不同的水文气象条件下，不同的磷和氮成分是否表现出一致或不同的C–Q行为。此外，解释性研究通常依赖于C–Q指标与个别环境因素之间的成对或线性关联（Bolade和Hansen，2023年；Huang等人，2024年；Rodríguez-Blanco等人，2023年）。虽然这些方法可以识别出主要的相关性，但它们不足以区分耦合的控制因素和连接水文驱动与源可用性的因果路径。这一限制限制了对机制的解释，并阻碍了跨成分和风暴条件下的事件尺度营养物质行为的概括。

在这里，我们利用在一个代表性风暴引发的营养物质污染流域中25次降雨事件的高频监测数据，结合因果预测分析，系统地研究了多种河流磷和氮成分的事件尺度浓度和通量动态以及C–Q关系，揭示了这些响应背后的机制。具体来说，我们探讨了三个问题：（1）营养物质浓度和通量对降雨强度的响应；（2）磷和氮成分之间的C–Q模式是否趋同或分化；（3）事件尺度的环境条件如何共同调节这些模式。通过将高频观测与多组分、基于过程的框架相结合，本研究加深了对风暴驱动营养物质迁移和输出机制的理解，对事件尺度水质预测和非点源污染管理具有启示意义。

研究区域

艾都滩流域（ATTW；北纬24°50′29′′，东经118°08′42′′）位于中国东南部的福建省厦门市，流域面积为141平方公里（图1）。该流域具有亚热带季风气候，特点是温暖湿润的条件和明显的季节性流量变化。年平均温度约为21.8°C，年平均降水量为1370毫米，其中约75%的降水量发生在4月至9月之间。ATTW主要由森林覆盖（87.3%），其次是耕地（2.9%）等。

事件尺度上的流量、浓度和通量变化

降雨是事件流量的主要驱动因素（图3a），而营养物质浓度和通量在事件之间存在显著变化（图3b）。在事件尺度的总磷（TP）组成中，溶解态磷（DTP）略高于颗粒态磷（PP）（57%对43%），这种差异在基流条件下更为明显（64%对36%），表明颗粒物通过径流侵蚀或水流中的再悬浮作用有所贡献。对于氮来说，溶解态氮（DTN）占主导地位，约占...

高频监测的重要性

先前的研究表明，降低采样频率会偏置溶质动态的估计，尤其是在水文活跃期（Kirchner等人，2004年）。然而，大多数研究集中在采样分辨率如何影响平均浓度或累积负荷估计上（Kong等人，2019年；Sun等人，2022年），对其对C–Q行为诊断的偏置关注较少。我们的结果表明，低频采样会定性改变推断的C–Q模式及其...

结论

本研究基于高频监测，系统地研究了多种磷和氮成分对流量变化的事件尺度响应。尽管存在事件间的变化，但仍出现了一些稳健的模式：

• (1)
  事件尺度上的浓度变化率在不同营养物质之间有所不同。随着降雨强度的增加，TP、PP和NH₃-N的变化率增大，SRP和NO₂-N的变化率减小，其他成分的变化率保持稳定。
• (2)
  C–Q模式揭示了营养物质特有的...

CRediT作者贡献声明

陈胜月：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。 郑茹萍：撰写——审稿与编辑、调查、数据管理。 黄金良：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。 姜世杰：撰写——审稿与编辑、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告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（资助编号：42376225）、中国留学基金委（资助编号：202406310083）、谷歌气候行动学生研究基金（中国）（资助编号：PJ240067）以及厦门大学研究生野外工作基金（资助编号：2023FG008）的财政支持。