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为明确农业集水区氮（N）流失过程，设计有效减排措施，研究人员利用 8 年数据集，采用广义加性混合模型（GAMM），分析四农业集水区溪流水硝酸盐浓度与耕作强度等因素的关系。发现其与氮源负荷无明显关联，气候和水文特征起关键作用，为分区施策提供依据。
论文解读
在全球农业生产中，氮肥的大量投入虽提升了作物产量，却也导致过剩氮素流失，引发水体富营养化、饮用水污染等环境问题。欧洲数据显示，农业贡献了欧盟 27 国约 77% 的环境氮负荷，而爱尔兰河流因农业活动，硝酸盐水平居高不下或未改善。然而，农业集水区氮循环受人为、地球物理、生物化学和气候等多因素复杂交互影响，氮输入（及盈余）与进入溪流和河流的氮之间关系不明确，且土壤微生物多样性、水分和肥料利用效率、二氧化碳排放等不同机制，以及土壤渗透性、基岩类型等集水区地球物理特征会导致氮输入变化与溪流观测到的变化之间存在时间滞后，这些都使得理解氮流失的驱动因素和控制因素极具挑战性。为解决这一问题，爱尔兰农业集水区计划（ACP）的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Agricultural Water Management》上。
研究人员选取爱尔兰四个具有不同特征且农业用地占比超 95% 的中尺度集水区（Ballycanew、Castledockrell、Dunleer 和 Timoleague），利用 2010-2018 年的八年数据集展开研究。在技术方法上，通过高分辨率 LiDAR 数据创建数字高程模型（DEMs），经水文校正后生成流域拓扑驱动径流图，划分出 34 个子集水区；使用 Hach-Lange Nitratax SC-Plus UV 仪器每 10 分钟监测集水区出口的总氧化氮（TON），并采集子集水区月度水样分析硝酸盐浓度；获取爱尔兰研究期间的北大西洋涛动指数（NAO 指数）作为气候指标；依据爱尔兰土壤分类系统，确定各子集水区排水良好土壤的百分比。采用广义加性混合模型（GAMM），以耕作强度（源氮负荷）、土地利用（耕地百分比）、气候（NAO 指数）和排水（排水良好土壤百分比）为解释变量，分析其与溪流水硝酸盐浓度的关系，同时利用偏依赖图解读模型结果。
3.1 溪流水硝酸盐浓度和源氮负荷趋势
研究发现，源氮负荷与溪流水硝酸盐浓度无明显关联。如 Castledockrell 集水区源氮负荷最低（62 kg/ha），但溪流水硝酸盐浓度最高（7.04 mg/L）；Timoleague 集水区源氮负荷最高（131 kg/ha），溪流水硝酸盐浓度为 5.84 mg/L。研究期间，除 Dunleer 集水区源氮负荷基本稳定外，其他集水区均增加，而溪流水硝酸盐浓度均上升，增幅在 19%-51% 之间。这表明源氮负荷并非唯一决定因素，可能受氮在土壤中的盈余量、地下水径流的滞后效应及农艺措施等影响。
3.2 驱动因素与溪流水硝酸盐浓度的线性关系
在综合子集水区数据中，排水良好土壤百分比与溪流水硝酸盐浓度线性正相关最强（R2=0.51），耕地百分比呈弱正相关（R2=0.26），源氮负荷和 NAO 指数无明显相关性。不同集水区情况各异，如 Dunleer 集水区排水良好土壤百分比与溪流水硝酸盐浓度强正相关（R2=0.75），而 Castledockrell 集水区 NAO 指数与溪流水硝酸盐浓度呈弱正相关（R2=0.29）。
3.3 跨所有集水区趋势
GAMM 模型解释了超 90% 的数据偏差，NAO 指数模型表现最佳（AIC 最低）。耕地百分比与溪流水硝酸盐浓度正相关，NAO 指数与溪流水硝酸盐浓度的关系随数值范围变化，排水良好土壤百分比整体呈正相关，但在耕地百分比 20%-30% 间关系方向变化。源氮负荷与溪流水硝酸盐浓度无显著统计关系。
3.4 集水区内趋势
各集水区 GAMM 模型解释偏差能力不同（23%-95%）。NAO 指数和排水良好土壤百分比在所有子集水区均有显著影响，源氮负荷仅在 Ballycanew 集水区有显著影响，耕地百分比在除 Timoleague 外的集水区有显著正相关。不同集水区中 NAO 指数与溪流水硝酸盐浓度的复杂关系及排水良好土壤百分比的影响差异，体现了集水区特性的重要性。
研究表明，农业集水区溪流水硝酸盐浓度与源氮负荷无明确关联，氮动态受传输限制而非源限制，气候（如 NAO 指数代表的极端天气事件）和集水区水文特征（如土壤排水性）是氮流失的关键驱动因素。这意味着制定减排措施需考虑集水区水文特性，如在排水良好土壤占比高的区域，可推广冬季覆盖作物以改善土壤导水率、减少径流和氮流失。将 NAO 指数纳入研究，有助于提升研究结果在西北欧的可转移性，为应对未来气候变化下的水质管理提供参考。未来研究应建立关键驱动因素的经验关系，推动制定分区特定的减排策略，以实现更有效的农业面源污染控制和水质改善目标。
