气候变化和高强度人类活动深刻改变了全球物质循环，显著增加了流域高质量发展和保护的难度。以后流域管理往往依赖于特定年数据并采取静态视角，忽略了降雨、土地利用和人类活动的动态变化，而这种静态假设方法可能会导致对流域物质循环的错估，进而导致管控措施在变化环境背景下的失效。如何在“不断变化的环境中开展高效的流域管理”是当前流域高质量发展和保护面临的重大挑战。
针对上述问题，北京师范大学环境学院教授陈磊团队以我国长江重要水系——巢湖流域为案例研究区，通过遥感反演、野外观测、模型模拟和时间序列分析等多种手段，构建了巢湖流域高精度源清单和8条支流、环湖区的长时序评价模型，实现了湖泊流域氮磷物质来源的精准解析；进而从趋势性、周期性和随机性等多维视角系统解析了过去近四十年巢湖流域氮磷来源和陆水迁移过程的变化规律，并采用STL模型对影响氮磷来源及其循环变化的关键因素进行了量化识别；最终，提出了包括稳健性模式、长期模式在内的湖泊流域适应性管理对策。
图1 巢湖典型流域40年间氮磷来源及其贡献占比
研究结果表明，流域内的氮磷来源及其贡献差异显著，且同时呈现趋势性、周期性和随机性特征。其中，趋势成分主要受气候变化、人口增加和经济发展等因素影响，周期性波动主要受降雨变化的影响且具有固定的长度、幅度，而随机性则主要受国家政策在内的各种因素影响。使用STL模型可实现基于关键影响因素的氮磷源动态解析。
在此基础上，本研究在综合考虑源贡献率、趋势性及其变化鲁棒性基础上，提出变化环境下的流域适应性管控策略。这种适应性策略可根据不断变化的环境条件和人类活动强度调整管理措施和政策，是一种更为灵活、高效的方法。相比之下，传统的源解析依赖于静态数据和预先设定的措施；而适应性管理可识别出具有增长趋势和变化鲁棒性的氮磷关键源，这加深了对源动态变化及其主要驱动因素的理解，为制定有效的流域管控对策提供了科学依据。
图2 氮磷来源的周期、趋势、随机性特征及流域适应性管控对策
该研究成果以“Enhancing watershed management through adaptive source apportionment under a changing environment”为题发表在2024年4月份Nature集团合作期刊npj Clean Water上。北京师范大学环境学院博士生王文卓为第一作者，陈磊为通讯作者；合作者包括北京师范大学环境学院教授沈珍瑶，研究生刘国王辰、张宇涵、王明净、潘妍、孟欣懿，中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员熊俊峰等学者。该研究主要由国家自然科学基金联合重点项目（U2340219）、创新群体项目（52221003）和重点研发项目（2021YFD1700600）资助。