灌区氮素的迁移主要是由灌溉引水和排水驱动，特别是在降雨量少的地区，如宁夏回族自治区29年年均降雨量仅有294 mm，年均引水量67.9亿立方米，排入河流的农田退水量为22.7亿立方米，同时携带大量氮素。因此，为了明确宁夏灌区氮素与水量的响应关系，根据灌区引排水驱动氮素迁移的特点，采用并优化氮足迹模型，分析灌区引水和排水对氮素输出的影响。
本研究将氮足迹模型分为植物、动物和人类子系统，并将黄河引水和沟渠排水纳入各子系统中，并重点细化植物子系统氮素的输入输出结构（图1）。通过优化后的氮足迹模型，基于宁夏回族自治区29年（1991-2019年）的统计数据，评估了黄河引排水对农业、畜牧业和人类生活的氮素贡献，确定了氮素输出与水源因素之间的相关性。
图1 氮足迹的系统边界和结构
在氮足迹向环境输出方面，明确了主要贡献的比例。氮素农村生活污水占34.5%、种植业肥料占28.3%、经过净化的养殖废水占16.4%、地表水占6.8%，其它还有反硝化、淋溶等损失。相关分析研究表明，降雨对灌区氮素的输入和输出具有调节作用，降雨与引水量、农业耗水量、灌区氮素呈负相关关系（图2）。引排水研究表明，宁夏灌区引水和排水在氮足迹总系统中分别占总氮输入和输出的10.3%和13.8%，存在氮素潜在污染风险（图3）。因此，在计算灌区所需肥料中氮素的用量时，应考虑从河流引水灌溉所携带的氮素含量。
图2 氮损失参数与水文参数之间的相关系数（左下角）和相关程度（右上角）
图3 宁夏回族自治区氮素时空特征和输入输出关系。a.氮损失的总体组成和VNF的时变特征；b.根据行政区划的氮损失空间分布；c.根据氮平衡计算的氮输入和输出。
该研究成果以“Optimization of the N Footprint Model and Analysis of Nitrogen Pollution in Irrigation Areas: A Case Study of Ningxia Hui Autonomous Region, China”为题，近期在线发表在国际学术期刊《Journal of Environmental Management》（IF 8.91），中国农业科学院农业资源与农业区划研究所博士研究生张天鹏为第一作者，雷秋良研究员和杜新忠研究员为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金项目（U20A20114、42107076）资助。
【引文方式及原文链接】
ZHANG Tianpeng, LEI Qiuliang, LIANG Xia, LINDSEY Stuart, LUO Jiafa, PEI Wei, DU Xinzhong, WU Shuxia, AN Miaoying, QIU Weiwen, LIU Hongbin. Optimization of the N Footprint Model and Analysis of Nitrogen Pollution in Irrigation Areas: A Case Study of Ningxia Hui Autonomous Region, China. Journal of Environmental Management. 2023,118002.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118002
