富营养化是湖泊水环境安全与生态系统健康的核心挑战之一。在浅水湖泊中，总磷浓度时空变化同时受外源营养输入、风浪驱动的底泥再悬浮、藻类吸收与再释放以及气候条件变化等多重过程共同调控，呈现出显著的非线性和高度的时空异质性。

    由于磷并非光学活性物质，其遥感估算依赖于与叶绿素a和悬浮颗粒物等光学活性参数的间接关系，使模型在精度、稳定性和可解释性之间面临权衡。

    近日，中国科学院南京地理与湖泊研究所张运林研究员团队联合班戈大学、蒙大拿大学等科研机构，基于太湖流域湖泊长期原位监测资料与多源遥感数据，构建了一套具有可解释性的机器学习模型框架，系统重建了太湖流域湖泊总磷浓度的时空变化过程，并从外源输入、湖内过程与气候驱动等多个层面，深入解析了总磷变化的驱动机制，为浅水湖泊富营养化评估与精细化管理提供了新的科学依据。

一、湖泊总磷反演框架

    研究整合了太湖长期监测网络积累的大量原位观测数据，并结合MODIS-Aqua遥感影像，系统比较了14种机器学习算法的性能差异(图1)，最终选取LGBMR作为最优模型（R²=0.70）。进一步引入特征重要性分析与情景解析，使模型结果不仅“算得准”，也“讲得清”，显著提升了数据驱动模型在湖泊水质研究中的可解释性（图2）。其中，浮游藻华指数、水温和水体光学衰减系数是总磷浓度估算最重要的解释变量。

图1. 总磷反演模型构建与验证结果

图2. SHAP可解释性机器学习分析结果

二、太湖流域湖泊总磷时空分异特征

    研究重建了2005–2024年太湖总磷浓度时空分布序列。空间上，总磷浓度呈现冬季“南高北低”、其余季节“西高东低”的格局；季节上，夏秋季总磷浓度明显高于冬春季，与藻类生长和降雨径流的季节性一致。过去二十年，太湖总磷浓度呈显著下降趋势，平均每十年下降0.01 mg/L, 其中，2017–2024年下降速率达到每十年0.06 mg/L（图3）。

    研究还重建了太湖流域湖泊总磷浓度的时空变化过程（图4）。总磷在空间上呈现显著的“西高东低、上游高下游低”格局：入湖河流密集的湖湾及上游湖泊，总磷浓度长期维持在较高水平，而东部及下游湖区相对较低。2016–2023年间，太湖流域湖泊磷浓度普遍下降，其中，66个湖泊总磷浓度下降、55个湖泊颗粒态磷浓度下降。同时，所有面积超过50 km²的大型湖泊均检测到TP的显著下降，显示出流域尺度磷管理措施的整体成效。

图3. 太湖总磷的时空变化（2005–2024）

图4. 太湖流域湖泊总磷浓度的空间格局及时空变化（2016–2023）

三、总磷动态变化的主要影响过程与机制

    研究通过机器学习的可解释性进一步阐明了浅水湖泊中总磷浓度时空变化的关键生态系统过程（图5）。在强降水条件下，流域面源输入和河流入湖通量显著增强，短时间内抬升了局部水体中的总磷浓度；风浪过程则通过控制底泥再悬浮强度，调节沉积物中颗粒态磷向水体的动态释放。在藻类生长旺盛时期，总磷浓度与藻类生物量呈现出高度耦合关系，藻类对磷的吸收、转化及其后续的再释放过程，主导了水体中磷的空间分布格局。

图5. 影响太湖总磷浓度变化的主要过程：（a）暴雨；（b）风浪过程；（c）藻华爆发

    太湖总磷浓度变化是外源输入与湖内过程共同作用的结果。一方面，流域点源与面源污染控制显著降低了入湖河流总磷负荷，这是近年来太湖总磷浓度下降的重要前提条件；另一方面，湖内过程对总磷的调节作用同样不可忽视。遥感结果揭示悬浮颗粒物相关的磷像元百分比下降了12.4%，藻类相关的磷像元百分比下降了18.9%（图6）。湖泊内部磷负荷的下降，归因于营养物质的可利用性降低导致藻类活动的减弱以及风浪扰动减弱导致的沉积物再悬浮现象的减少。

图6. 2005–2024年太湖清水型、悬浮颗粒物主导型与藻类主导型磷像元百分比（PPC）变化

    相关研究成果近期发表在Water Research和Water Research X期刊。论文第一作者为2024级博士研究生林伟鹏，通讯作者为张运林研究员。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家公派留学基金等项目资助。

【文章信息】：Lin, W., Zhou, Y., Ren, Z., Zou, W., Guo, H., Li, N., Zhang, Y.*, Elser, J., Woolway, R.I., Shi, K., Zhu, G., Qin, B., Xue, Y. (2026). Interpretable data-driven modeling of total phosphorus dynamics from 2005 to 2024 in a large shallow lake. Water Research, 291, 125169.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.125169

Lin, W., Li, N., Zhang, Y*, Shi, K., Guo, H., Zhang, Y, Qin, B. (2025). Widespread decrease of phosphorus and the potential driving mechanisms in Taihu basin’s lakes. Water Research X, 29, 100430.

https://doi.org/10.1016/j.wroa.2025.100430