溶解性无机氮（DIN）是诱导近海富营养化、底层缺氧等生态问题的关键营养盐。渤海为典型半封闭海域，水交换能力有限，陆源输入强烈且空间异质性显著。然而，DIN不具备卫星遥感可直接探测的光学特征，加之传统船载现场监测时空覆盖有限，长期、全海域的DIN评估长期面临空间非平稳、物理约束缺失等技术瓶颈。

针对上述难题，中国科学院烟台海岸带研究所海岸带土壤物质循环与健康培育研究组整合2013—2023年渤海及邻近海域 5412 个表层水体样品、卫星遥感数据与水动力-气象再分析数据，筛选获得 4409 组高质量匹配样本，自主构建了地理加权－物理引导的极端梯度提升模型（GW-PGML-XGBoost）。该模型将通过关键环境因子地理加权回归提取的季节性空间系数输入全局XGBoost模型，刻画DIN与环境因子间关系的区域分异特征；同时嵌入基于盐度保守混合的物理约束，抑制违背质量守恒原则的异常预测结果，有效提升模型在时空外推中的物理一致性。

图1 GW-PGML-XGBoost（a）及其对照模型（b、c、d）的独立测试性能比较

图2 不同季节近岸与远岸海域环境因子对DIN预测的SHAP贡献

独立测试结果表明，GW-PGML-XGBoost的R²为0.73，RMSE为0.094 mg L^-1，预测性能显著优于常规单一XGBoost模型，且在近岸与离岸海域均保持稳定的预测精度。不确定性分解显示，预测误差主要来源于观测噪声，而非模型结构缺陷，近岸与离岸区95%预测区间覆盖率均接近90%，为识别 DIN长期变化趋势提供了可靠支撑。SHAP解释性分析表明，海表盐度、海表高度和水深为模型的主要预测因子，其中海表盐度在各季节、各海区均居首位，反映了淡水输入与水团混合过程对DIN空间格局的主导调控作用。

依托该模型，研究重建获得2013—2023年1km 分辨率逐月表层DIN空间数据集。结果显示，渤海表层DIN长期呈现近岸高、外海低的梯度格局；高值区集中于辽东湾北部、莱州湾及渤海湾近岸，近岸峰值常超过0.30 mg L^-1，莱州湾浓度最高；渤海中央海盆多介于0.05-0.15 mg L^-1，渤海海峡及邻近北黄海西部普遍低于0.10 mg L^-1。季节尺度上，各海区DIN浓度6-8月降至全年最低，秋冬季浓度总体高于春夏季，表明陆源输入、浮游植物吸收、层化作用及垂向混合共同控制DIN季节演变。

图3 2013—2023年渤海表层DIN的年际空间分布和季节变化

十年趋势分析进一步揭示出全海域氮污染整体改善、河口局地恶化的显著空间分异特征。渤海湾DIN下降最为显著，年变化率为(−2.11 ± 1.17)×10^-3 mg L^-1 yr^-1，中央海盆与渤海海峡同样呈显著下降趋势；莱州湾DIN长期维持高浓度水平，无显著变化；黄河、海河、滦河及辽河河口区DIN呈上升趋势。研究认为，渤海DIN总体改善与污水氮负荷下降、大气氮沉降降低、农业氮肥施用降幅超过40%等管控成效相契合；河口区DIN升高则与河流脉冲式输运密切相关。据此提出管控意见：在年度总量削减策略的基础上，强化重点河口、丰水期的空间精准管控，完善河流氮通量的长期监测与预警体系。

图4 2013—2023年渤海表层DIN变化趋势及分区时间序列

相关成果以“Decadal basin-wide nitrogen recovery and localized estuarine deterioration in the Bohai Sea revealed by physics-guided spatially adaptive machine learning”为题发表在国际水文领域权威期刊 Journal of Hydrology。联合培养硕士生孙瑞腾为论文第一作者，李远副研究员和姜德娟副研究员为共同通讯作者。研究得到山东省自然科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

论文信息：

Ruiteng Sun, Yuan Li*, Longwen Fu, Kun Wang, Jing Yu, Fengshuo Yang, Yanfang Li, Xiaoguang Li, Shichao Tian, Youcai Liu, Dejuan Jiang*, Yongming Luo. Decadal basin-wide nitrogen recovery and localized estuarine deterioration in the Bohai Sea revealed by physics-guided spatially adaptive machine learning. Journal of Hydrology, 2026, 678: 136081. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2026.136081