近日，我院直偉教授在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（《PNAS》）發(fā)表題為“Increasing phosphorus loss despite widespread concentration decline in US rivers”的研究論文，揭示了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下面源污染治理的復(fù)雜性與長(zhǎng)期性。

磷是生命活動(dòng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是一種不可再生資源。土地向水體的磷流失會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、損害水生生態(tài)系統(tǒng)健康，并危及糧食安全。由于傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏、時(shí)空分辨率不高以及數(shù)據(jù)不一致等限制，在國(guó)家尺度上系統(tǒng)分析總磷的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)因素一直極具挑戰(zhàn)性。

研究團(tuán)隊(duì)借助流域水文大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)模型，在逐日尺度上模擬和重建了430個(gè)流域過(guò)去40年（1980-2019）的總磷濃度和通量數(shù)據(jù)（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，盡管城市人口持續(xù)增長(zhǎng)，城市河流的總磷濃度卻顯著下降，充分體現(xiàn)了點(diǎn)源污染治理的成效；然而，農(nóng)業(yè)地區(qū)的總磷濃度呈普遍上升趨勢(shì)，反映了非點(diǎn)源污染控制相對(duì)不足。總體而言，雖然60%的流域總磷濃度呈下降趨勢(shì)，但在氣候變化導(dǎo)致的河流徑流增加的影響下，河流總磷通量以每十年6.5%的速度持續(xù)增長(zhǎng)，這一發(fā)現(xiàn)凸顯了氣候變化背景下面源污染治理的復(fù)雜性與長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

該研究是在前期工作基礎(chǔ)上（文末相關(guān)成果），運(yùn)用了氣象水文和流域大數(shù)據(jù)以及多任務(wù)深度學(xué)習(xí)模型（圖2），突破了總磷數(shù)據(jù)稀缺、分辨率不足的限制，實(shí)現(xiàn)了國(guó)家尺度上對(duì)總磷濃度和通量的逐日、長(zhǎng)時(shí)序模擬；研究揭示了不同類(lèi)型河流總磷的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)和季節(jié)性變化，為評(píng)估污染治理效果和優(yōu)化流域管理提供了更全面的視角。此外，通過(guò)模型可解釋方法，揭示了氣候變化導(dǎo)致的徑流增加，是驅(qū)動(dòng)了總磷通量持續(xù)上升的主要因素，凸顯了氣候變化對(duì)面源污染的放大效應(yīng)，以及加強(qiáng)流域面源治理的緊迫性和重要性。

河海大學(xué)為論文第一單位，署名單位包括水災(zāi)害防御全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院、水利部水循環(huán)與水動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和水文水資源學(xué)院。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402028121

相關(guān)成果：

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• Zhi, W., Appling, A.P., Golden, H.E., Podgorski, J., & Li, L. (2024). Deep learning for water quality. Nature Water, 2, 228–241. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00202-z
• Zhi, W., Ouyang, W., Shen, C., & Li, L. (2023). Temperature outweighs light and flow as the predominant driver of dissolved oxygen in US rivers. Nature Water, 1(3), 249-260. https://doi.org/10.1038/s44221-023-00038-z