解析中国东部典型流域土地利用与景观格局对遗留氮污染的影响：开启流域氮治理新征程

为解决流域氮污染遗留效应影响治理效果且其空间景观差异不明等问题，研究人员以永安流域为对象，研究土地利用和景观格局对遗留氮污染的影响。结果表明二者影响显著，还确定了关键景观指标阈值。这为流域氮管理提供依据。

　　在环境治理领域，河流氮污染一直是个棘手难题。以往人们致力于减少流域的氮输入，可河流氮污染依旧顽固。就像美国实施的总最大日负荷计划，在切萨皮克湾、密西西比河、伊利湖等水体治理上未达预期；欧洲遵循水框架指令努力治理，可流入欧洲沿海水域的河流氮负荷依旧很高。这背后的 “元凶” 之一就是遗留氮污染。遗留氮（Legacy nitrogen，LN）指积累在植被、土壤、地下水中的氮，即便当前氮输入减少，其重新释放仍会影响水质。它能长期 “作祟”，主要靠水文滞后和生物地球化学滞后这两种机制。但目前，对于大流域内遗留氮污染的空间异质性，相关研究还远远不足。同时，土地利用和景观格局对河流氮污染遗留效应的影响机制也不明确。在这样的背景下，开展相关研究迫在眉睫。

为了攻克这些难题，来自国内的研究人员聚焦中国东部典型的永安流域（Yongan watershed）展开研究。该研究成果发表在《CATENA》。研究人员通过对永安流域 2014 - 2022 年河流氮输出、净人为氮输入（NANI）、水文气候条件、土地利用和景观格局变化的研究，得出了一系列重要结论。这些结论对于深入理解流域尺度遗留氮污染对河流水质的影响过程，明确土地利用影响遗留效应的机制意义重大，为制定科学的流域氮管理策略和河流水质恢复措施奠定了坚实基础。

研究人员在研究过程中用到了多种技术方法。首先是利用去趋势波动分析（detrended fluctuation analysis）来研究遗留氮污染的空间差异，该方法中 H > 0.5 就表明存在遗留效应。其次，运用同位素源解析技术，明确了不同氮源的贡献比例。另外，研究还涉及对历史 NANI、河流氮负荷等数据的统计分析，以及对土地利用类型、景观格局指标的测定与分析。

研究结果

1. 河流氮污染遗留效应的空间变化：永安流域历史 NANI 呈现先上升、后下降，最后趋于稳定的趋势。从 1980 年到 1998 年，NANI 从 3.5×10³ kg N km^?2 yr^?1 增长到 6.9×10³ kg N km^?2 yr^?1 ，到 2010 年降至 5.4×10³ kg N km^?2 yr^?1 并保持稳定。而流量归一化总氮负荷变化不同，1980 年为 2.02×10³ kg N yr^?1 ，在某一年达到 4.49×10³ kg N yr^?1 的峰值。通过分析发现，流域出口处总氮（TN）和硝酸盐氮（NO₃^–-N）存在较强的遗留效应，H 值分别为 0.70 和 0.87。利用同位素源解析得知，土壤氮贡献（40 ± 8 %）是主要影响因素。不同子流域的遗留效应存在显著空间差异，TN 的 H 指数在 0.42 - 0.85 之间，NO₃^–-N 的 H 指数在 0.58 - 0.91 之间。
2. 不同土地利用类型对遗留氮污染的影响及途径：研究发现，土地利用类型对遗留氮污染影响很大，能解释 90% 的遗留效应变化。其中，草地、不透水表面和果园是关键影响类型。草地通过减少土壤和地下水向河流的氮输入，减轻了遗留效应；不透水表面增加了生活污水作为氮源的比例，从而降低了遗留效应；相反，果园、水田和旱地等农业用地则因增加土壤氮贡献，加剧了遗留效应。
3. 关键土地利用类型景观格局变化对遗留氮污染的影响及阈值：研究还确定了关键景观指标的阈值，这些阈值能有效缓解遗留效应。比如，将草地边缘密度（ED）增加到 0.16 km/km² ，果园连通性（CONNECT）增加到 32%，不透水表面聚集度（AI）增加到 91%。

研究结论与讨论

本研究表明，流域氮污染遗留效应存在显著空间变异性，主要由土地利用和景观格局驱动。永安流域中，草地、不透水表面和果园等土地利用类型在遗留效应中扮演着重要角色。明确这些影响和阈值，能帮助相关部门制定更精准的流域景观管理策略。例如，可以通过合理规划土地利用，增加草地面积、优化果园布局、提高不透水表面的聚集度等方式，来减少遗留氮污染对河流水质的影响。这对于改善流域水环境质量、保护水生生态系统健康意义非凡，为流域非点源氮污染治理提供了新的思路和科学依据，也为其他类似流域的研究和治理提供了重要参考。