氮、磷等营养盐污染是导致水体富营养化、藻类暴发、生态退化的主要原因之一，但当前国家尺度营养盐的演变规律尚不清晰，特别是传统模型难以量化这种时空演变的非线性特征和关键阈值。为此，北京师范大学环境学院教授陈磊团队联合中国科学院生态环境研究中心、浙江大学等研究团队，基于全国1606个监测站、超过300万条日尺度水质数据，结合气候、土地利用、社会经济等41个驱动因子，构建了区域定制的随机森林模型，预测了2023-2100年中国河流营养盐污染的时空演变。相关成果以“Machine learning reveals disruptive nutrient pollution shifts in Chinese rivers to 2100”为题，于2026年3月发表在《自然》合作刊物《npj Clean Water》。

研究发现，当前中国河流营养盐污染呈现冬夏双峰型特征，夏季污染最严重，占高峰站点的42.6%，冬季次之，占30.3%。然而在高排放情景（SSP5-8.5）下，到2100年，春季和秋季的污染将分别上升12.6%至20.1%和19.7%至28.3%，而夏季污染反而下降14.8%至27.0%。与此同时，季节性波动显著减弱，月度变异系数从当前的0.1降至0.01至0.02。这意味着传统的“夏季治污窗口”将逐渐失效，污染高峰将转向春秋两季。这种转变与气候变暖导致的降雨模式改变和温度季节迁移密切相关。

图1 营养污染的年际时间变化和未来演变

a-e：基于监测站点的季节性NPI和相关波动；

f-i：根据日NPI值和特定污染物识别的四种变化类型；

j-n：2040-2100年四种变异类型下的月度NPI预测。

基于时间变化模式及空间分析，研究团队将全国划分为三个“热点过程功能区（PFZ）”和一个“冷点区”。其中，华北平原和辽河流域等属于PFZ-1，以氮污染为主导；松花江流域属于PFZ-2，以磷与有机污染为主导；淮河、长江下游和珠江上游属于PFZ-3，表现为多污染物复合污染；而青藏高原边缘和云贵高原等地区目前污染极低，被归为冷点区。令人关注的是，到2100年，污染中心将向西南方向迁移。冷点区的营养盐污染指数中位数增长超过70%，局部地区甚至超过200%。空间变异系数从0.5降至0.2，表明不同区域之间的污染差距正在缩小，污染格局趋于均质化。而这些冷点地区恰恰是人口密度低、GDP低、基础设施薄弱的生态脆弱区，其适应能力非常有限。尽管绝对污染水平仍低于东部热点区，但相对变化如此剧烈，意味着这些区域的生态缓冲能力正在丧失，环境不公平问题正在加剧。

图2 营养污染的空间格局和未来演变

a：营养污染的空间热点分析和聚类模式；

b：2023年至2100年污染中心的空间轨迹；

c-g：2023年至2100年年度NPI的空间分布；

h：2023年至2100年，基于变异系数（CV）的NPI的空间演化程度。

为揭示营养盐污染及其演变格局，研究使用SHAP方法解析模型，发现景观配置（如森林斑块密度、耕地连通性、不透水面复杂度）是主导因子，其贡献度高达64.5%，而气候因子的贡献仅为7.2%至35.5%。未来气候模型的不确定性对预测结果的影响极小。进一步分析还识别出多个关键驱动因子的“临界转变阈值”，即当某一因子超过特定数值时，其对污染的影响方向或强度会发生突变。在冷点区，耕地面积扩张、不透水面复杂度上升以及GDP增长等因子，预计将在2100年前后超过其历史临界阈值，从而在模型中引发营养盐污染指数的非线性暴增，最高增幅可达218.1%。这一发现表明，未来的污染演变并非过去趋势的线性外推，而是可能由突破多个阈值所触发的系统性重组。

图3 营养污染时空演化的驱动机制

a-d：分别是四个PFZs营养污染的主要驱动因素；

a1-c4：三个热点PFZs中关键驱动因素的相互作用效应；

e：导致寒冷地区污染加剧的主要驱动因素；

f: 2023年和2100年冷点关键驱动因素的统计数据。

这项研究给我们带来了几个重要的治理启示。首先，传统的静态水质标准和统一减排目标已经不足以应对未来的非线性变化，我们需要转向基于临界阈值的动态预警机制，当关键驱动因子接近阈值时，可以提前触发干预措施，如季节性限肥或缓冲带检查。其次，景观格局被证明是未来污染的主导因素，这意味着战略性土地利用规划比单纯依靠气候适应更为有效，我们应该把更多的管理资源投入到土地利用结构的优化上。最后，西部地区虽然历史上排放较低，但未来面临的风险却更高，因此治理资源不应只盯着当前的热点区，而应向前瞻性脆弱区倾斜，以避免新型环境不公的产生。该研究不仅适用于中国，也为全球大型河流系统（如密西西比河、恒河、湄公河）提供了一个可迁移的分析框架。这一框架结合了高分辨率监测数据、可解释的机器学习模型和阈值识别方法，能够帮助其他国家和地区在数据相对有限的条件下，预测营养盐污染的未来演变，并设计更具前瞻性的治理策略。

北京师范大学教授陈磊、中国科学院生态环境研究中心研究员张洪为通讯作者，中国科学院生态环境研究中心张潇月（北京师范大学获博士学位）为论文第一作者。交通运输部规划研究院印定坤、浙江大学环境与资源学院教授谷保静为论文合作作者。该研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目（52388101）资助。