《Journal of Hydrology》：High-frequency observation reveals the impacts of suspended sediment and hysteresis effect on water quality in soil erosion areas
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土壤侵蚀区悬浮沉积物对水质的影响及滞后效应研究。基于六年高频观测数据，提出浓度-浑浊度（C-T）框架，发现高悬浮物加剧氮滞后效应，磷响应更迅速，浑浊度与水质关系呈现46.67%逆时针滞后特征，干湿过渡期污染风险显著增加。
林永强|孙志翔|李家成|江嘉宇|左青青|张腾宇|安坤|沈振耀|陈雷
北京师范大学环境学院区域环境与可持续发展国家重点实验室，北京100875，中国
摘要
土壤侵蚀和水质问题对全球可持续发展构成了重大挑战。然而，由于观测数据有限，悬浮沉积物对水质的影响、作用关系及其驱动因素仍不明确。本研究利用六年的高频观测数据，分析了中国土壤侵蚀区域中悬浮沉积物对水质的影响及其滞后现象，并提出了水质管理的建议。结果表明，在强降雨事件期间，磷浓度的动态变化增加了167%；高浓度的悬浮沉积物加剧了氮的滞后效应。浊度与其他水质指标之间的关系显示，46.67%的沉积事件会导致水质指标出现逆时针方向的滞后现象，这与河流流量与水质之间的传统关系不同。干湿季节特别容易受到悬浮沉积物滞后效应的影响，这会延缓营养物质的释放并增加下游污染的风险。本研究强调了悬浮沉积物的关键作用，并为以山区流域为代表的土壤侵蚀区域的水质监测和预警提供了科学依据。
引言
土壤侵蚀受到土地利用和水文循环的强烈影响，这些因素会改变流域内的水文过程（Borrelli等人，2020年；Thanh等人，2025年；van Vliet等人，2023年）。许多实证研究表明，降雨引起的土壤侵蚀是产生悬浮沉积物的主要外部因素，而沉积物的输入和输送直接影响水质浊度、营养物质转移和污染物负荷（Cao等人，2021年；Wang等人，2020年；Yue等人，2023年）。悬浮沉积物可以通过物理载体和生物附着作用输送大量颗粒态营养物质，在相似条件下其浓度高于溶解态物质（Walch等人，2022年）。河流中的氮和磷浓度被认为与沉积物浓度和降水量直接相关（Liu等人，2024年；Wang等人，2022年；Ji等人，2022年）。磷主要以颗粒态存在于径流中，并容易被有机物和金属氧化物吸附在沉积物表面（Liu等人，2019年），而氮则以多种形式存在，包括溶解态总氮以及在低氧条件下颗粒物上的反硝化作用（Li等人，2024年；Zhu等人，2023年）。降雨驱动的沉积物显著增加了水的浊度，并对营养物质输送和释放产生深远影响（Yang等人，2016年）。这些由沉积物驱动的输送过程还会进一步影响下游沉积环境，包括河口和河口湾，其中沉积特征和输送路径主要受水动力控制（Sucipto等人，2025年）。极端降雨事件会大大增加水体中沉积物和营养物质的输送频率和规模，扰乱水生系统的原始稳定结构，导致水质指标出现复杂的动态响应和明显的时空异质性（Kincaid等人，2020年）。
然而，沉积物与营养物质迁移之间的时空关系仍不确定。尽管在流量较大时浊度可以作为沉积物浓度的代理指标并表现出良好的线性相关性（Cao等人，2021年），但在实际降雨事件中研究沉积物-营养物质关系时，响应模式并不一致。先前的研究表明，由于物理性质和输送路径的原因，沉积物变化往往滞后于水流，使得在分析中难以将其与流量或溶质浓度同步（Haddadchi和Hicks，2020年；Lannerg?rd等人，2021年；Sadeghi等人，2019年；Wymore等人，2019年）。河流流量与水质成分浓度之间的关系（C-Q关系）被广泛用于解释水质对流量变化的响应（Liu等人，2021年；Mazilamani等人，2024年），但沉积物与水流之间的冲刷作用限制了沉积物作为营养物质载体的作用，使其在这种分析中成为流量依赖的变量（Bogen，1980年）。因此，仅基于流量变化的水质分析存在局限性。特别是对于总磷和总氮的输送，颗粒态和溶解态之间的形态差异进一步增加了响应的复杂性，使得传统的分析方法难以应用。
以往的研究主要集中在流量变化对水质的驱动因素和影响上。然而，对于悬浮沉积物作为水质输送和转化中的活跃变量及其滞后响应的机制，以及其作用机制，关注不足。大多数研究集中在流量驱动条件下的营养物质动态（Dupas等人，2024年；Husic等人，2023年；Kincaid等人，2020年；Tilahun等人，2024年）、沉积物（Al Sawaf和Kawanisi，2019年；Haddadchi和Hicks，2020年；Lannerg?rd等人，2021年；Rose和Karwan，2021年）、电导率（Koenig等人，2017年；Lakoba等人，2020年）、有机碳（Fovet等人，2018年；Li等人，2022年；Vaughan等人，2017年）和金属元素（Ogunkunle等人，2016年；Rodríguez-Blanco等人，2018年）上。尽管如此，对沉积物作为关键营养物质载体、其滞后机制及其对总磷和总氮等指标影响的系统分析仍不够充分（Mazilamani等人，2024年）。在极端降雨或高悬浮沉积物负荷事件中，营养物质浓度的峰值往往表现出与沉积物峰值不同的滞后模式，导致传统的流量驱动模型无法充分捕捉其变化。因此，有必要超越纯粹以流量为中心的滞后框架，明确研究沉积物-营养物质之间的联系，探讨河流浊度与水质成分浓度（C-T关系）之间的关系，并将沉积物视为调节水质变化的活跃驱动因素。
本研究的具体目标是：（1）确定悬浮沉积物对水质的影响程度；（2）阐明在沉积物控制下的水质滞后过程和机制。通过采用以沉积物为中心的C-T框架，本研究补充和扩展了以往基于C-Q的滞后分析。利用六年的高频观测数据，分析了悬浮沉积物输送和水质指标的动态响应特征。上述研究旨在为优化流域水质监测和污染控制预警提供理论基础和实际参考。
研究区域
滨江河流域（图1）位于长江上游的左岸。这条长102公里的河流流经1,055平方公里的侵蚀山区，海拔高度从200米到1,000米不等，坡度从东北向西南逐渐下降。平均流量为10.90立方米/秒（年径流量为2.86×10^8立方米）。平均降水量（1959-2013年）为1,048毫米，其中70.50%的降水量发生在5月至9月之间，6月单独贡献了16.20%的降水量。
不同事件下的水质特征
根据降水量和浊度的双重阈值，本研究将所有沉积事件分为LNSSE和HSSE两类。在图3所示的代表性站点共识别出193次降雨引起的沉积事件，其中78次为HSSE，115次为LNSSE。这些事件构成了本节比较分析的基础。在雨季（5月至9月），降水量和浊度都显示出明显的峰值，尤其是在HSSE期间。
不同事件下的水质特征
根据降水量和浊度的双重阈值，本研究将所有沉积事件分为LNSSE和HSSE两类。在图3所示的代表性站点共识别出193次降雨引起的沉积事件，其中78次为HSSE，115次为LNSSE。这些事件构成了本节比较分析的基础。
降雨期间沉积物对营养物质波动的影响
沉积物作为降雨期间的主要外部输入因素，对水体中的营养物质动态具有重要影响。山区强降雨引起的高沉积物通量增加了TP（总磷）和COD_Mn（化学需氧量）的变异性，如图3所示。在降雨和沉积物的共同作用下，TP对降水的响应变得更加明显。这一发现表明，沉积物不仅提高了营养物质浓度，还增强了水质响应。
结论
本研究表明，在易发生侵蚀的山区流域中，悬浮沉积物是营养物质动态的主要驱动因素。通过应用浓度-浊度（C-T）框架对六年的高频监测数据进行分析，发现沉积物介导的过程产生了传统浓度-流量（C-Q）方法无法捕捉到的清晰且可量化的滞后模式。TP（总磷）响应迅速，而TN（总氮）和COD_Mn（化学需氧量）表现出更强的逆时针方向滞后现象。
CRediT作者贡献声明
林永强：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、数据分析、概念化。孙志翔：撰写——审稿与编辑、调查、概念化。李家成：撰写——审稿与编辑、调查、数据分析。江嘉宇：调查、数据分析、数据管理、概念化。左青青：项目管理、调查、数据分析。张腾宇：可视化、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的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（项目编号：U2340219）、国家自然科学基金创新研究组（项目编号：52221003）以及中央高校基本科研业务费的联合资助。
