土壤样品收缩对离心试验所得土壤-水特性曲线的影响：基于微观结构变化的见解

《Journal of Hydro-environment Research》：The impact of soil sample shrinkage on the soil–water characteristic curve obtained by centrifugation test: insights based on microstructural changes

氮去除效率时空尺度差异及改进潜力研究。通过耦合模型分析生物滞留系统降雨、季节、年度尺度的Rc和Rl指标，发现长期效率被低估12.4%-19.8%。外部氮贡献不足五成，内部 legacy氮和土壤本底氮占主导。管理多源氮淋失可使年度Rl提升至80.2%±4.4%。

　　氮去除评估是理解生物滞留系统在城市非点源污染治理中作用的关键。然而，当前的评估指标R_C（氮浓度去除率）和R_L（氮负荷去除率）主要关注降雨尺度下流入与流出氮的对比，未能全面反映系统在长期尺度上的氮去除性能及其提升潜力。本研究通过构建一个耦合模型，预测不同时间尺度（降雨、季节、年）下的氮去除效果，并探索通过管理多源氮淋溶来提升氮去除能力的潜力。研究结果表明，随着时间尺度的扩展，R_C和R_L呈现出幂律增长趋势，且在长期尺度下的氮去除效率分别被低估了12.4%和19.8%。外部来源的氮（如降雨径流）仅贡献了总氮淋溶量的不到五分之一，而内部来源的氮，如降雨径流的残留氮和土壤本身的氮，才是主导因素。通过控制土壤氮的释放，可能将长期氮去除率从46.5%±8.5%提升至80.2%±4.4%，尽管外部氮及其残留氮也起到了一定作用。这些发现有助于理解不同时间尺度下的氮去除差异，并建议在生物滞留系统中管理内部氮以提高氮去除性能。

生物滞留系统作为城市雨水径流治理的重要措施之一，其设计通常包括植被、种植土壤层、沙子过渡层和砾石排水层。氮的去除主要依赖于物理过程（如过滤）和生物化学过程（如吸附、反硝化和同化）。近年来，研究者们通过多种策略（如介质改良和植物选择）来增强这些氮去除过程。为了评估氮去除效果，研究者们普遍采用氮浓度去除率和氮负荷去除率作为主要指标。然而，这些指标在降雨尺度下表现出较大的波动性，有时甚至会出现负值，表明流出的氮浓度或负荷高于流入。例如，溶解有机氮（DON）的去除率范围为?509%至42%，硝酸氮的去除率范围为?146%至87%。这种不稳定性限制了其在长期评估中的应用，也使得研究者们开始关注更长时间尺度下的氮去除效果，如季节、年和十年尺度。尽管已有研究在不同时间尺度下探讨了氮去除性能，但目前仍缺乏对不同时间尺度下氮去除效果进行系统比较的研究。

本研究基于一个耦合模型，结合对某一现场生物滞留系统的十年降雨径流数据的重建，预测不同时间尺度下的氮去除效率，并追踪多源氮淋溶（即时淋溶、快速淋溶和慢速淋溶）。研究的主要目标包括：（1）揭示不同时间尺度下的氮去除差异；（2）阐明不同来源对氮淋溶的贡献；（3）探索通过管理多源氮淋溶来提升长期氮去除性能的潜力。研究结果表明，氮去除效率随着时间尺度的扩展呈现出幂律增长趋势，这在环境和城市科学研究中已有广泛报道。本研究首次将这种幂律关系应用于生物滞留系统的氮去除效率评估，表明在不同时间尺度下，氮去除效果存在显著差异。通过分析这些差异，研究者可以更好地理解生物滞留系统在不同时间尺度下的表现，并为长期性能评估提供科学依据。

氮淋溶的来源对于理解氮去除性能至关重要。已有大量证据表明，生物滞留系统的氮淋溶并非仅来源于当前的降雨径流，而是可能来自多个来源。首先，净淋溶现象在生物滞留系统中已被广泛记录，尤其是在Lucke和Nichols（2015）研究的现场生物滞留系统中，即使没有向合成降雨径流中添加污染物，系统仍表现出氮的输出。其次，残留氮可能在过去的降雨事件中积累，并在后续的淋溶过程中增加氮的可利用性。具体而言，这种残留氮可能以溶解形式存在于土壤水和淹没区的水体中，或者以土壤有机氮的形式存在于生物地球化学过程中。最后，氮淋溶可能来源于当前的降雨径流、近期的降雨径流以及土壤氮的转化，这些来源具有可量化的分布（即时淋溶、快速淋溶和慢速淋溶）。Ding等人（2023）和Xia等人（2024）基于同位素标记实验和过程模型分别提出了这一观点。例如，Ding等人（2023）发现，当前降雨径流导致的氮淋溶（即时淋溶）仅占总淋溶量的17%至32%。然而，不同来源的氮淋溶在长期氮去除评估中的相对重要性尚未被充分理解。

本研究通过构建一个耦合模型，将氮去除效率与多源氮淋溶进行关联，以评估不同时间尺度下的氮去除效果。该模型整合了水文、氮和植物模块，以模拟生物滞留系统中水的平衡和流动交换。水文模块将生物滞留系统划分为三个串联的储水层（滞留层、土壤层和砾石层），并模拟水的流入、流出、渗透和蒸发等过程。这一模块的构建使得研究者能够更准确地模拟生物滞留系统在不同时间尺度下的行为，并揭示其氮去除机制。通过将水文模块与氮模块相结合，研究者能够追踪氮的来源及其在不同时间尺度下的分布，从而更全面地评估生物滞留系统的氮去除性能。

在对538场降雨事件的分析中，研究发现R_C和R_L的平均值分别为31.7%±41.6%和26.7%±55.4%，中位数分别为41.8%和44.4%。R_C和R_L之间没有显著差异（p > 0.05）。R_C反映了氮浓度的减少，而R_L则进一步考虑了径流量的减少。在52.0%的降雨事件中，R_L高于R_C，表明生物滞留系统在减少径流量方面具有显著作用。这一发现强调了在评估生物滞留系统性能时，同时考虑氮浓度和径流量的重要性。此外，研究还发现，随着时间尺度的扩展，R_C和R_L呈现出非线性增长趋势，表明其与时间尺度之间存在显著的幂律关系。这一关系的发现为理解生物滞留系统在不同时间尺度下的表现提供了新的视角。

本研究的另一个重要发现是，生物滞留系统中内部氮的贡献远大于外部氮。尽管外部氮在某些情况下可能起到一定作用，但主要的氮去除能力来自于系统内部的氮来源。例如，残留氮可能在之前的降雨事件中积累，并在后续的淋溶过程中增加氮的可利用性。这种残留氮可能以不同的形式存在，如溶解形式的水文残留氮或土壤有机氮的生物地球化学残留氮。通过控制这些内部氮的释放，可以显著提升生物滞留系统的长期氮去除性能。这一发现表明，生物滞留系统的设计和管理应更加关注内部氮的控制，以提高其整体性能。此外，研究还发现，通过管理多源氮淋溶，可以有效提升生物滞留系统的氮去除能力，特别是在长期尺度下。

本研究的结果对于未来生物滞留系统的优化和管理具有重要意义。首先，研究揭示了不同时间尺度下氮去除效果的差异，表明短期评估可能无法准确反映系统的长期性能。因此，在进行生物滞留系统的评估时，应考虑更长时间尺度的数据，以获得更全面的性能分析。其次，研究阐明了不同来源对氮淋溶的贡献，表明生物滞留系统的设计和管理应更加关注内部氮的控制，以提高其氮去除能力。最后，研究探索了通过管理多源氮淋溶来提升长期氮去除性能的潜力，表明这一策略可能成为未来生物滞留系统优化的重要方向。

通过本研究，研究者们不仅加深了对生物滞留系统氮去除机制的理解，还为未来的系统设计和管理提供了科学依据。研究结果表明，生物滞留系统的氮去除性能受到多种因素的影响，包括降雨特征、土壤性质、植物类型等。因此，在进行生物滞留系统的设计时，应综合考虑这些因素，以提高系统的氮去除能力。此外，研究还表明，生物滞留系统的长期氮去除性能可能受到残留氮的影响，因此在管理系统时，应关注残留氮的积累和释放，以减少其对系统性能的负面影响。这些发现为未来生物滞留系统的优化和管理提供了重要的参考，也为相关政策的制定提供了科学支持。

本研究的实施得益于多个科研项目的支持，包括国家自然科学基金（项目编号：52070003，H.Q.；42507636，S.Y.）以及广东省普通高校创新团队项目（项目编号：2023KCXTD050）。这些资金的支持使得研究者能够获得高质量的实验数据和先进的分析工具，从而更准确地评估生物滞留系统的氮去除性能。此外，研究团队还利用同位素标记实验和过程模型，对氮的来源及其在不同时间尺度下的分布进行了深入分析，为研究提供了坚实的科学基础。

综上所述，本研究通过构建一个耦合模型，揭示了生物滞留系统在不同时间尺度下的氮去除效果及其差异。研究结果表明，R_C和R_L随着时间尺度的扩展呈现出幂律增长趋势，且长期氮去除效率被低估。内部氮的贡献远大于外部氮，通过控制土壤氮的释放可以显著提升长期氮去除性能。这些发现不仅加深了对生物滞留系统氮去除机制的理解，还为未来的系统设计和管理提供了科学依据。研究强调了在评估生物滞留系统性能时，应考虑更长时间尺度的数据，并关注内部氮的控制，以提高系统的整体氮去除能力。