由于忽视了流域的潜在负荷，高估了人类活动对河流养分输出的年度影响

《Journal of Environmental Management》：Overestimating annual human impacts on riverine nutrient export by neglecting watershed potential loads

鄱阳湖流域2020-2023年人为氮磷输入显示氮输入下降（主要因化肥减少）而磷输入上升（因磷肥使用增加），通过构建多因素混合效应模型发现氮磷输出中潜在负荷（WPL）分别占比27.2%和68.7%，氮WPL主要来自大气沉降，磷WPL主因历史富积。研究揭示仅减少短期人为输入不足以改善水质，需关注长期累积效应。

　　

周玉玺轩|李佳琪|孟新怡|陈雷|沈振耀

中国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

摘要

集约化农业和快速城市化导致的过量氮（N）和磷（P）输入已成为全球大型湖泊流域持续富营养化的主要驱动因素，即使在严格控制人为输入的情况下，也对水质管理构成了重大挑战。以鄱阳湖流域为例，我们计算了2020-2023年间32个子流域的净人为氮输入（NANI）和净人为磷输入（NAPI），并估算了相应的河流营养物质输出。随后使用多因素混合效应回归模型来描述人为营养物质输入与河流营养物质输出之间的关系。

基于这一框架，我们引入了“流域潜在负荷”（WPL）的概念，即扣除年度人为输入影响后仍存在于流域出口处的持续营养物质输出。结果表明，由于氮肥施用量的减少，NANI显著下降；而由于磷酸盐和复合肥料使用的增加，NAPI有所上升。基于模型的估计显示，大约27.2%的总氮输出和68.7%的总磷输出可归因于WPL。偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）揭示，大气沉降是氮WPL的主要来源，而历史累积的磷是磷WPL的最大贡献者。这些发现表明，仅减少短期人为营养物质输入可能还不够，因为长期累积的营养物质负荷会维持较高的基础输出水平，从而削弱管理效果。

引言

自20世纪以来，农业集约化和快速城市化显著增加了内陆和沿海水域的氮（N）和磷（P）输入，导致广泛的富营养化（Hayat等人，2025年）。这导致了严重的生态系统退化、有害藻类大量繁殖、缺氧、鱼类死亡以及重大的社会经济和环境损失（Yu等人，2025年）。尽管采取了针对短期人为活动的政策干预措施，如限制工业排放、控制肥料施用和改善废物管理（Jiang等人，2024年；Xu等人，2024年），许多流域的河流氮和磷浓度仍然很高（Haase等人，2023年；Maggi等人，2023年）。

这种日益严格的水质政策与持续发生的富营养化之间的不匹配促使人们努力量化人为营养物质输入及其对河流营养物质输出的影响（Barth等人，2023年；Byrnes等人，2020年；Sarrazin等人，2022年；Van Meter等人，2021年；Wong等人，2021年）。物质平衡方法，如净人为氮和磷输入（NANI/NAPI），已被广泛用于估算流域尺度的营养物质输入（Han等人，2013年；Hong等人，2012年）。同时，基于回归的模型被用来关联流域营养物质输入与河流浓度和负荷，提供了关于河流输出如何响应人为活动的见解（Chen等人，2016a；Van Meter等人，2023年）。总体而言，这些研究表明，输入-输出响应模型是理解人类对河流水质影响的重要工具。

然而，基于输入-输出响应模型的分析表明，即使当前的人为输入大幅减少，大量的营养物质输出仍可能持续存在。Wu等人（2024年）表明，即使假设短期人为输入降至零，流域出口处的磷输出仍可能远高于自然背景水平。基于这一发现，本研究引入了“流域潜在负荷”（WPL）的概念，即无法归因于年度人为输入的河流营养物质输出部分。WPL代表了即使消除所有年度人为营养物质输入后，流域出口处仍将持续存在的显著升高营养物质负荷。WPL可能同时包括多种成分的贡献，包括流域营养池中储存的氮和磷的持续释放、森林或半自然土地覆盖带来的自然背景输出增加以及大气氮沉降。这些残余负荷主要通过非点源途径进入河流，其特征是空间异质性、时间变异性和滞后响应。在本研究中，我们关注总氮和总磷，“流域潜在负荷”特指流域内的潜在氮和磷负荷。

近年来，将NANI/NAPI与河流氮和磷输出联系起来的统计模型已在不同地区和空间尺度上得到应用（Chen等人，2014年；Han等人，2013年；Hu等人，2020年；Mao等人，2021年）。大多数先前的研究采用线性或指数回归模型（Chen等人，2014年），并且通常只考虑有限范围的影响因素（Chen等人，2016b）。相比之下，多因素混合效应元回归模型能够捕捉嵌套数据结构内的异质性（Gurevitch等人，2018年）。因此，本研究开发并应用了一个多变量混合效应模型到鄱阳湖流域，纳入了人为因素（包括点源和非点源变量）和多种环境预测因子。通过在其他流域特征保持不变的情况下统计去除年度人为营养物质输入项，该框架使得流域潜在负荷（WPL）的量化成为可能。

为了更好地理解氮和磷WPL对河流营养物质输出的影响，本研究解决了以下三个研究问题：(a) 鄱阳湖流域的人为氮和磷输入量是多少？(b) 河流氮和磷输出中有多少可以归因于WPL？(c) 导致WPL的主要来源是什么？为了解决这些问题，我们构建了一个多因素混合效应回归模型来量化鄱阳湖流域的潜在负荷。此外，还使用了结构方程建模（SEM）来进一步探索潜在负荷的来源。

研究地点

鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游的南岸，是中国最大的淡水湖。鄱阳湖流域（图1）面积约为162,225平方公里，占江西省总面积的94%，约占整个长江流域的9%；其年径流量约占长江流域总量的15%。作为主要的农业生产区，鄱阳湖...

鄱阳湖流域当前的人为输入状况

2020年至2023年间，鄱阳湖流域的年均NANI为3857.2公斤氮/平方公里每年，不同来源的贡献存在显著差异。最大的贡献来自肥料氮输入，总计2781.9公斤氮/平方公里每年，占总净人为氮输入的73.4%。特别值得注意的是，鄱阳湖流域大多数子流域的净食物/饲料输入（）为负值（图2），其年均值为...

讨论

研究结果表明，2020年至2023年间，鄱阳湖流域的净人为氮输入呈下降趋势，而磷输入则持续上升。从空间上看，这两种输入都集中在湖泊周边地区。相比之下，河流氮和磷的输出与其相应的输入没有同步的时间趋势，显示出明显的滞后效应和复杂的环境响应过程。混合效应模型分析进一步...

结论

本研究提出了“流域潜在负荷”（WPL）的概念，并在流域尺度的输入-输出响应建模框架内对其进行了定量估计。结果表明，在统计去除当年人为输入的影响后，仍有相当一部分河流氮和磷输出持续存在。具体来说，WPL分别占总氮输出和总磷输出的27.2%和68.7%。此外，PLS-SEM分析表明...

CRediT作者贡献声明

周玉玺轩：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。李佳琪：写作——审稿与编辑、资源获取、数据分析。孟新怡：写作——审稿与编辑。陈雷：写作——审稿与编辑、数据分析。沈振耀：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金创新研究组的财政支持（编号：52221003）。