流域特征决定了多支流山区河流中氮污染的纵向分布和来源组成

《Ecological Indicators》：Basin characteristics determine longitudinal distribution and source composition of nitrogen pollution in a multi-tributary mountain river basin

长期氮污染时空分布及来源识别研究在汉江上游流域开展，通过双稳定同位素分析（δ1?N-NO??和δ1?O-NO??）结合MixSIAR模型和随机森林、结构方程模型，揭示氮污染沿程演变规律及驱动机制。研究发现：氨氮和硝氮浓度从汉中城至黄家堰水库呈递增趋势，但入丹江口水库后波动；混合同位素模型显示农田贡献率近50%，污水和林地各20%-30%，大气降水贡献率<5%；流域特征（流域面积、周长、坡度等）通过影响土地利用和人类活动间接调控氮源分配，其中流域面积、周长与总河网长度正向关联污水贡献率，海拔和坡度正向关联农田及林地贡献率。研究成果为流域差异化污染控制提供理论支撑。

　　在当今全球范围内，水体富营养化已成为一个亟需关注的环境问题。这一现象通常由过量的氮和磷输入引起，其中氮的控制尤为复杂。相比磷，氮更难去除，因为磷容易被颗粒物吸附并从水体中被清除，而氮则难以通过类似机制消除。因此，控制氮污染成为水环境治理中的关键挑战。本研究聚焦于汉江上游流域，探讨了氮污染的纵向分布及其来源，旨在为流域精细管理和污染源控制提供科学依据。

汉江作为南水北调中线工程的重要水源地，其水质状况直接关系到下游地区的生态安全。研究区域涵盖88,600平方公里，地形复杂，从秦岭山脉的南麓延伸至丹江口水库，经过多个峡谷和盆地，形成多样化的土地利用格局。这一地理特征为探索流域特性对氮污染源分布和机制的影响提供了便利。同时，研究发现该流域多个支流的源头氮浓度较高，这对氮污染源识别构成了挑战。因此，本研究对于推动水环境保护的实际工作和深化对复杂地理条件下氮污染源识别的科学研究具有重要意义。

本研究通过将汉江流域划分为95个子流域，并在两个季节（春季和夏季）收集了190个河口水样以及来自农田、森林与草地和污水处理厂的样本，进行空间分析。研究结果表明，主流中的铵氮、硝酸盐氮和硝酸盐同位素浓度在汉中市和黄金峡水库的河段逐渐增加。然而，从黄金峡水库开始，这些浓度并未持续上升，而是随着河流流入丹江口水库的河口区域而波动。这一现象可能与流域内的城市化程度、土地利用类型以及水库的水文过程有关。

通过MixSIAR模型分析发现，农田贡献了约50%的硝酸盐污染，而污水和森林与草地的贡献率分别在20%至30%之间。大气降水的贡献率通常低于5%。这一结果表明，在研究区域内，农田是主要的氮污染来源，而污水和自然生态系统也起到了不可忽视的作用。同时，研究发现，在主流中，污水的贡献率从上游的站点1HJ到下游的站点5HJ逐步上升，并在站点11HJ和12HJ达到较高水平，之后逐渐下降至站点21HJ的25%。这种趋势与流域内人口分布和土地利用变化密切相关。

为了进一步探讨流域特性、人类活动和土地利用类型对氮污染源分布的影响，研究采用了方差分解分析、随机森林模型和结构方程模型。结果显示，流域特性（如流域面积、周长、河网总长度、海拔和坡度）对污水和农田的贡献率具有显著影响。例如，流域面积和周长与污水贡献率呈正相关，而海拔和坡度则与农田和森林与草地的贡献率相关。这说明流域的自然条件通过影响人类活动，间接决定了氮污染的来源构成。

此外，研究还发现，人类活动对氮污染源的贡献率影响更为显著，尤其是在夏季。在研究中，通过分析不同河段的样本，发现土地利用和人类活动对氮污染源的贡献具有复杂的相互作用。例如，农田和污水的贡献率在主流中呈现显著的正相关关系，而森林与草地的贡献率则受到土地利用类型和人类活动的双重影响。这种复杂的交互作用表明，氮污染源的分布不仅仅取决于单一因素，而是多个因素共同作用的结果。

研究还指出，尽管农田和污水是主要的氮污染来源，但森林与草地在某些区域也对氮污染有重要贡献。这种贡献的差异可能与区域内的自然条件、土地利用模式以及人类活动强度有关。例如，在人口稀少、农田较少的上游地区，森林与草地的贡献率较高，但其污染负荷相对较小。而在人口密集、农田集中的下游区域，污水和农田的贡献率较高，但氮浓度也相应增加。

本研究的结论表明，汉江流域氮污染的纵向分布和来源构成受到多种因素的影响，包括自然地理条件、土地利用类型和人类活动。通过分析这些因素，研究为理解氮污染的累积和变化过程提供了新的视角。同时，研究还强调了在水环境保护工作中，需要更加关注污染源的空间分布，特别是在人口密集和土地利用集中的区域。此外，研究指出，未来的水环境管理应结合高频率的连续监测和更密集的采样网络，以提高对氮污染源识别的准确性和全面性。

总之，本研究通过对汉江流域氮污染的纵向分布和来源进行系统分析，揭示了不同污染源对氮浓度和同位素组成的影响。研究结果不仅有助于理解氮污染的形成机制，也为制定有效的污染控制措施提供了科学依据。同时，研究也指出了当前在氮污染源识别和水环境管理中的一些局限性，并提出了未来研究的方向，以进一步完善对氮污染的综合理解和控制策略。