文章题目：Innovative approach for assessing nitrogen loss risk to surface waters from crop production in a watershed scale through nitrogen surplus index method
发表期刊：Journal of Cleaner Production
影响因子：9.7
第一单位：河北农业大学
在线日期：2024-09-18
随着经济的发展，许多河流和湖泊受到人类活动的强烈影响，导致水体严重的富营养化。农业氮素排放尤其令人担忧，因为农作物的生长需要大量氮素，而在农业实践中人为过量使用氮肥是一个普遍现象。农业非点源污染，即农田氮素流失，是导致水质恶化的重要因素。农业非点源污染的严重程度取决于多种因素，包括土壤中未被植物吸收的氮素残留量、降雨或融雪引起的地表径流，以及污染物的迁移路径等。
尽管在田间尺度上已采取了多种措施来控制农田氮素流失，但在流域尺度上，针对氮素流失的有效控制策略仍然缺乏。原因在于对不同尺度下氮素流失风险的理解还不够深入。现有的研究表明，农田中过量施用的氮素有可能通过地表径流被带入邻近的水体，进而导致水质污染。此外，土壤氮素过剩与污染风险密切相关，而不同的作物种植系统由于施氮量和氮素利用效率的差异，产生的氮盈余也各不相同。这种氮素流失随之增加，尤其是在暴雨或融雪期间，未被利用的氮素会随径流进入邻近的水体，进一步加剧水体污染。
由于污染物在迁移和转化过程中的复杂性，监测和控制这些污染变得尤为困难。现有研究表明，氮素流失具有显著的空间和时间变化特征，污染物会在流域范围内逐渐积累并产生延迟效应。因此，识别区域污染的关键源区并评估其氮素流失的风险，成为有效控制非点源污染的重要前提。
尽管目前已有多种方法用于评估非点源污染损失，如监测分析、系数法、模型法和指数法，但这些方法主要应用于小尺度的研究，并且大多数评估集中在磷流失的风险上，氮素指数法的研究还处于起步阶段。因此，在流域尺度上开发更精准的氮素流失风险评估工具，以识别关键污染源区和影响氮素流失的主要因素，对于改进农业管理和控制非点源污染至关重要。
因此，本研究旨在通过氮盈余指数法评估农田氮素流失风险，特别是在中国北方农业主导的白洋淀流域，为流域氮素管理和非点源污染控制提供科学依据。
1. 流域尺度下农田氮素流失风险的空间分布
研究结果表明，在白洋淀流域范围内，不同作物种植系统（玉米单作和小麦-玉米轮作）的氮素流失风险存在显著差异。通过对氮素流失风险进行分级，氮素流失风险被划分为五个等级：非常低、低、中等、高、非常高。
玉米季节：大部分农田氮素流失风险处于非常低或低风险水平，只有少量区域表现出中等及以上风险。中等风险区域占总面积的11.1%，高风险区域占2.2%，非常高风险区域仅占0.8%。
小麦-玉米轮作系统：与玉米季相比，小麦-玉米轮作系统的氮素流失风险显著增加。中等风险区域占11.2%，高风险区域占3.5%，非常高风险区域占1.8%。与玉米季节相比，高风险和非常高风险区域的面积分别增加了58.3%和141.4%。
总体而言，氮素流失的关键高风险区域集中在靠近水体的农业区，特别是在氮盈余较高的区域。
2. 氮素流失到湖泊的风险
与流入河流的氮素流失相比，流入湖泊的氮素流失风险相对较小：
玉米季节：中等风险区域占流域面积的4.5%，高风险区域占0.9%，非常高风险区域仅占0.3%。
小麦-玉米轮作系统：中等风险区域占4.9%，高风险区域占2.1%，非常高风险区域占0.9%。与玉米季节相比，轮作系统下高风险和非常高风险区域的面积分别增加了129.6%和220.6%。
总体来看，靠近河流入口的区域是氮素流失到湖泊的关键高风险区域，且主要受到距离因素的影响。此外，湖泊氮素流失风险区域较河流氮素流失风险区域面积减少了59.5%和61.3%（玉米季节）以及41.2%和48.6%（小麦-玉米轮作系统）。
3. 氮素流失风险与源项和迁移因素的关系
氮盈余：氮盈余与附近河流的氮素流失风险呈强正相关关系，而与湖泊的氮素流失风险相关性较弱。
表面径流：表面径流显著影响了氮素流失风险，不论是流入河流还是湖泊的氮素流失风险，表面径流都是重要的迁移因素。
距离因素：距离因素对氮素流失风险的影响显著，尤其是与河流的距离对氮素流失到河流的风险有较强的相关性。而运输系数与湖泊氮素流失风险高度相关，但与河流氮素流失风险的相关性较弱。
4. 情景模拟分析的结果
研究通过情景模拟分析了不同氮素管理措施对氮素流失的减少效果：
S1情景（氮盈余<20 kg/ha）：在所有单一措施中，对减少流入河流的氮素流失风险效果最佳，显著降低了高风险区域的面积。
S4情景（河流周围500米禁施区）：与氮盈余减少措施相比，迁移因素的控制效果较弱。
S5情景（氮盈余<20 kg/ha与500米禁施区结合）：该组合措施效果最佳，显著减少了流入河流和湖泊的氮素流失风险。S5情景下，流入河流的氮素流失风险减少了94-95%，而流入湖泊的氮素流失风险减少了89-95%。
5. 高风险区域的空间变化
情景模拟结果表明，优化的氮素管理措施能够显著减少高风险区域的面积，特别是在湖泊和河流周围的关键高风险区域。研究结果强调了对这些高风险区域进行有效管理的重要性。
图1.白洋淀流域的位置。（a） 中国白洋淀流域的位置;（b） 白洋淀流域包括的县;（c） 白洋淀流域数字高程模型。
图2.白洋淀流域氮指数评价体系。
图3.小麦-玉米轮作和玉米季节氮素损失风险的空间变化。（a） 小麦-玉米轮作中附近河流氮损失风险的空间变化，（b） 玉米季节附近河流氮损失风险的空间变化，（c） 小麦-玉米轮作中湖泊氮损失风险的空间变化，（d） 玉米季节湖泊氮损失风险的空间变化。
图4. 玉米季节氮风险与 （a） 氮过剩，（b） 地表径流的来源因素，以及 （c） 从来源到附近河流的距离，（d） 运输系数的运输因素之间的关系。
图5.在高风险和高风险地区降低氮损失风险的情景。（a） 玉米季节附近河流有氮流失风险的面积的减少比例;（b） 在小麦-玉米轮作系统中，附近河流有氮流失风险的面积的减少比例;（c） 玉米季节湖泊中具有氮流失风险的面积的减少比例;（b） 小麦-玉米轮作系统中湖泊有氮流失风险的面积减少比例。
图 6.小麦和玉米轮作 （a） 和玉米季节 （b） 中氮过剩的预测值与实际值之间的关系。
