土地覆盖变化对混合用途城郊和郊区流域硝酸盐输出量的长期影响

《Science of The Total Environment》：Long-term impacts of land cover change on nitrate export in mixed-use exurban and suburban watersheds

1. 通过分析宾夕法尼亚州六个混合用途流域1998-2020年的硝酸盐（NO?-N）浓度变化，研究发现管理实践（如污水和化肥使用）是硝酸盐输出的主要驱动因素（MTC贡献率超80%），而土地利用/覆盖（LULC）格局对水质的影响体现在 riparian 缓冲带的空间配置上，如高破碎度和复杂形状的建成区显著增加硝酸盐浓度。研究还揭示氮输入与硝酸盐输出的时空滞后效应（1-8年），并指出郊区化扩张与农业集约化是主要矛盾。

　　该研究探讨了氮素（N）输入与土地利用/覆盖（LULC）变化对六个位于美国宾夕法尼亚州东南部、面积小于1000平方公里的混合用途流域（1998-2020年）中河流水中硝酸盐（NO??N）浓度的影响。这些流域处于郊区与远郊的交界处，见证了过去二十年显著的人口增长，导致农业、森林和开发用地之间的过渡。研究的主要目标是评估长期流域尺度上的氮素输入以及土地利用变化对硝酸盐浓度和负荷的影响，从而为流域管理提供科学依据。

### 硝酸盐浓度的变化趋势

通过对河流水中硝酸盐浓度的流速标准化处理，研究发现，四个流域的硝酸盐浓度呈上升趋势，而另外两个流域则呈下降趋势。这种变化在秋季和冬季尤为明显，显示出季节性的波动。流速标准化的硝酸盐浓度变化趋势表明，人类管理活动是硝酸盐浓度变化的主要驱动因素，而非流速变化。这表明，流域内的管理措施，如废水排放、肥料施用和土地利用模式的调整，对硝酸盐浓度产生了显著影响。

### 氮素输入的来源

长期氮素输入分析显示，商业肥料和人类废物是氮素输入的主要来源，其次是农业输入。这一发现强调了城市化进程中，非农业氮素输入的增加对硝酸盐浓度的贡献。此外，大气沉降在过去几十年中因《清洁空气法》的实施而显著减少，但在某些地区仍可能对氮素输入起到重要作用。

### 氮素输入与硝酸盐输出的时间滞后

通过交叉相关分析，研究发现了氮素输入与硝酸盐输出之间存在1至8年的滞后效应。这一现象表明，氮素的积累和释放可能受到多种因素的影响，包括土壤特性、地下水流动以及历史土地利用模式的残留效应。这种时间滞后效应意味着，即使当前的氮素输入减少，硝酸盐浓度仍可能在数年内保持较高水平。

### 土地利用变化与硝酸盐浓度的关系

尽管所有流域中农业和森林用地的比例都出现了下降，而开发用地的比例增加，但土地利用构成本身并未能显著解释硝酸盐浓度的变化。相反，研究发现，流域内河岸缓冲区中开发用地的格局，特别是斑块连通性和形状复杂性，与硝酸盐浓度的升高呈正相关。这一发现表明，土地利用的配置比其简单比例更能影响硝酸盐的输送。例如，开发用地的斑块连通性较高时，可能会减少森林缓冲区的净化能力，从而导致硝酸盐浓度上升。

### 土地利用格局的景观指标分析

研究利用景观指标（如斑块密度、平均斑块大小、斑块连通性等）来评估不同土地利用格局对硝酸盐浓度的影响。结果显示，开发用地的连通性和形状复杂性与硝酸盐浓度之间存在显著的正相关关系。这表明，开发用地的分布模式可能对氮素的输送产生更大的影响。此外，农业用地的斑块破碎性（即斑块分布的不连续性）与硝酸盐浓度呈负相关，表明农业用地的破碎化可能降低其对氮素的拦截能力。

### 氮素输入与硝酸盐浓度的关联性

在五个流域中，商业肥料和人类废物输入的增加与硝酸盐浓度的升高密切相关。这种关联性在研究的5年平均时间段内尤为显著。相比之下，农业用地的减少并未显著降低硝酸盐浓度，这可能是因为农业活动的持续性以及历史氮素积累的残留效应。

### 人类健康风险

研究还评估了硝酸盐浓度对人类健康的潜在影响。尽管最高年均流速标准化硝酸盐浓度（4.75 mg/L）低于美国环境保护署（USEPA）设定的饮用水最大污染物浓度（10 mg/L），但仍有47个样本处于60百分位，7个样本处于80百分位，均来自Chester流域。这表明，尽管整体浓度未超过限值，但某些流域仍存在较高的健康风险。

### 研究的意义

该研究揭示了混合用途流域中氮素输入与硝酸盐浓度之间的复杂关系，强调了人类管理活动和土地利用格局的重要性。这些发现对流域管理具有重要指导意义，表明应采取综合措施，包括保护和恢复河岸缓冲区、推广农业最佳管理实践以及改善城市废水处理系统，以减少氮素输入并保护水质。此外，研究还指出，未来的研究应关注更精细的空间尺度和季节性动态，以进一步理解氮素输送机制并制定有效的管理策略。