发布时间：2025-11-23
图文摘要
成果简介
近日，天津大学环境科学与工程学院童银栋课题组在Water Research上发表了题为“Machine learning reveals global drivers of dissolved nitrogen dynamics in aquatic ecosystems: Implications for N₂O emissions and regional management”的研究论文（DOI:10.1016/j.watres.2025.124450），探究了全球尺度下水生生态系统中溶解氮（溶解有机氮DON、溶解无机氮DIN）动态变化的驱动机制及其对氧化亚氮（N₂O）排放的影响，为区域氮污染管控提供科学依据。
成果详情
本研究聚焦全球水生生态系统中DON与DIN的动态变化，旨在厘清其浓度水平、空间分布、驱动机制及生态风险。研究团队整合全球703个湖泊和1061条河流的1764组实测数据，结合气候、水文、土地利用及人类活动等变量，创新性采用随机森林（RF）机器学习模型，突破传统区域研究局限，实现了溶解氮浓度的全球预测与驱动因子量化。
结果显示，亚洲和北美洲水域氮浓度显著高于其他区域，亚洲湖泊DIN浓度更是其他区域的10倍，且驱动机制存在区域差异：亚洲受温度、降水等气候因子及农业活动调控，北美等发达区域则受GDP和土地利用模式主导。同时，研究证实DIN/DON比值对N₂O排放潜力的表征能力优于单一氮形态，为温室气体评估提供关键指标。基于此，研究提出区域差异化氮污染管控策略，为全球水生生态系统保护和可持续发展提供科学支撑，但非洲、南美洲等区域数据缺口可能导致模型预测存在偏差。
全球溶解氮浓度预测
预测结果显示，全球湖泊DON浓度范围为5.11-48.46 μM，河流为 3.38-58.89 μM；湖泊DIN浓度范围为0.47-174.07 μM，河流为0.42-100.11 μM。空间分布上，湖泊和河流的DON高浓度区均集中于美国中部、欧洲中部及中国沿海，DIN高浓度区则在印度、中国东海岸，其次是欧洲和美国南部。
经济发展水平维度，湖泊DON高浓度出现在中高收入和高收入区域，河流DON高浓度在低收入和高收入区域；湖泊和河流中收入区域DIN污染严重，高收入区域因严格环保政策和完善污水处理设施，DIN浓度降低。
Fig. 1. 河流和湖泊中DON和DIN浓度的全球格局。
四种主要土地利用类型（URB、PST、FOR和CRP）对氮浓度影响显著（P<0.05）。湖泊中CRP和FOR区域DON浓度最高，河流中CRP和URB区域DON浓度较高；无论湖泊还是河流，CRP和URB区域DIN浓度均最高，表明城市扩张和农业活动显著增加氮排放，加剧水体氮污染。
氮形态与N₂O通量关系
Fig. 2. DON、DIN和DIN/DON与N₂O排放的关系
线性回归分析结果显示，N₂O通量与DON、DIN、DIN/DON比值均显著相关，且河流中的相关性比湖泊更强（P<0.0001）。DIN/DON比值与N₂O的相关性强于单一DON或DIN，能更全面表征当前氮形态动态。
主要作者简介
第一作者：柴广硕，天津大学环境科学与工程学院23级硕士研究生。主要从事全球内陆水体氮循环与氧化亚氮排放估算。
共同通讯作者：崔洪洋，天津大学环境科学与工程学院副研究员，研究方向涵盖环境污染物暴露组学、毒理机制解析，新污染物非靶向鉴定及致疾病代谢靶点分析，揭示污染物通过蛋白修饰、代谢紊乱等途径对人体健康的潜在危害。在Environmental Science & Technology、Water Research等国际知名期刊发表学术论文40余篇。
共同通讯作者：崔晓宇，天津大学环境科学与工程学院副研究员，研究方向利用机器学习实现微塑料快速识别与定量，构建风险评估模型，为污染防控和生态安全提供依据。在Water Research、Science China Chemistry等国际知名期刊发表学术论文40余篇。
共同通讯作者：童银栋，天津大学环境科学与工程学院英才教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。研究工作主要聚焦流域水生态健康保障科技创新。以第一或者通讯作者在Nature Geoscience (封面论文，高被引论文）、Proceedings of the National Academy of Sciences、Environmental Science & Technology（封面论文）、Water Research等期刊发表SCI论文150余篇。
（来源：童银栋 编辑：田淑洁）
