农业流域混合土地利用与季节性保护措施对养分和病原体输出模式的协同调控机制研究

推荐：本研究针对农业流域养分流失和病原体污染问题，通过分析不同覆盖作物(CC)覆盖率下硝酸盐(NO3 – -N)、铵态氮(NH4 + -N)、可溶性活性磷(SRP)和大肠杆菌(E. coli)的输出动态，发现CC可显著降低养分(降幅达31%)和病原体(降幅达48%)输出，为农业面源污染治理提供了季节性管理策略。

　　

农业活动在为人类提供粮食的同时，也带来了严峻的环境挑战。化肥和粪肥的施用导致大量氮磷养分进入水体，引发藻类暴发、海岸带缺氧等生态问题，而粪肥携带的病原体如大肠杆菌(E. coli)更直接威胁人类健康。尽管冬季覆盖作物(CC)作为保护性农业措施已被证实能减少养分流失，但其对病原体迁移的影响及在不同土地利用类型流域的效果仍不明确。美国密歇根州Paw Paw河流域的这项研究，通过四年观测揭示了混合农业景观中养分与病原体输出的季节性规律及其调控机制。

研究团队采用双周采样结合流量监测技术，在三个农业覆盖率不同(41%-77%)的子流域系统监测了NO₃
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-N、NH₄
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-N、SRP和E. coli浓度变化。通过流量历时分析(FDA)和负荷估算模型(Loadflex)量化污染物输出，并运用非度量多维标度(NMDS)解析水质特征。

3.1 水质参数浓度呈现流域和季节特异性
数据显示NO₃
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-N浓度在高农业区比低农业区高50%，而E. coli浓度呈现显著季节差异：夏季最高(840 CFU/100mL)，冬季最低(100 CFU/100mL)。NMDS分析证实冬季水质特征由NO₃
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-N主导，夏季则由E. coli驱动。

3.2 流域尺度输出量反映浓度规律
NO₃
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-N冬季输出量是夏季的43倍，印证了裸露农田在雨季的污染风险。出人意料的是，E. coli输出峰值出现在秋季而非夏季，可能与粪肥施用时间相关。覆盖作物使高CC流域的E. coli输出降低48%，但其在低农业流域的反常高值提示可能存在化粪池泄漏等其他污染源。

3.3 流量历时分析揭示输移动力学
暴雨事件(>90%流量)贡献了32%-41%的NO₃
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-N年输出量，但对E. coli的贡献仅7%-34%。这表明病原体管理需重点关注基流期间的温度驱动增殖，而非单纯依赖径流控制。

这项发表在《Journal of Great Lakes Research》的研究创新性地揭示了混合农业流域中养分与病原体输出的解耦规律：CC通过土壤固定和养分吸收显著降低NO₃
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-N(31%)和E. coli(48%)输出，但需配合粪肥施用时间调控才能实现全年水质保护。研究为制定季节性差异化农业管理策略提供了科学依据，对全球气候变化背景下流域综合治理具有重要指导价值。尤其值得注意的是，CC在77%农业用地的高实施率流域仍保持显著效果，这为推广覆盖作物提供了实践信心，同时提示需要进一步研究森林湿地等自然要素对病原体的特殊维持机制。