《Journal of Environmental Management》：Variable response in riverine nitrogen exports to long-term temporal changes in watershed inputs
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人类活动已从根本上改变了全球氮（N）循环。通过哈伯-博施法（Haber-Bosch process）大规模合成肥料，工业规模上固定了大气中的氮，使地球生物圈中循环的生物可利用氮（bioavailable N）增加了一倍以上（Galloway et al.， 2
人类活动已从根本上改变了全球氮（N）循环。通过哈伯-博施法（Haber-Bosch process）大规模合成肥料，工业规模上固定了大气中的氮，使地球生物圈中循环的生物可利用氮（bioavailable N）增加了一倍以上（Galloway et al.， 2003；Galloway and Cowling， 2021）。氮肥的生产既通过集约化作物农业直接增加了陆地输入，也通过化石燃料使用增加了大气氮沉降，从而间接增加了陆地输入（Logan， 1983）。尽管这一新的活性氮（reactive N）来源通过提高粮食产量满足了人类需求，从而缓解了人口增长的限制（Erisman et al.， 2008），但陆地氮输入向河流的输出已导致水生生态系统退化，如造成沿海富营养化进而引发水体缺氧（coastal eutrophication leading to hypoxia）（Diaz and Rosenberg， 2008；Rabalais et al.， 2001），以及地下水硝酸盐污染（groundwater nitrate pollution）（Hansen et al.， 2011）等。为支撑人类活动而增加的陆地活性氮已导致全球内陆水域和沿海地区的氮污染急剧增加，据估计造成了数十亿美元的损害（Sobota et al.， 2015）。因此，减少向水生生态系统传输的氮量日益紧迫。
为最大程度减少水生氮污染，研究人员已提出并实施了多项减缓策略以减少陆地氮输入。其中一些较为成功的策略基于立法，并在不同地理尺度上得到采纳。例如，1991年加拿大与美国之间的《空气质量协定》（Air Quality Agreement）通过技术发展减少了汽车和各类工业的氮氧化物（NOx）排放，使1990年至2020年间加拿大和美国的区域尺度大气氮排放分别降低了58%和78%（Canada - United States Air Quality Agreement Progress Report， 2020-2022；Carslaw et al.， 2019）。其他立法，如欧盟1991年的《硝酸盐指令》（Nitrates Directive），侧重于限制以牲畜为主的地区施用粪肥氮（Nimmo Smith et al.， 2007），使欧盟农业投入的氮盈余减少了30%（Bouraoui and Grizzetti， 2011）。美国也存在其他监管框架，如《清洁水法》（Clean Water Act），尽管非点源污染主要通过自愿和激励性方法进行管理，如环境质量激励计划或保护储备计划，导致结果各异（USEPA， 2011）。近期，中国出台了“双零”政策，于2015年至2018年间取消合成肥料补贴，以在2020年前稳定购买量，并在2021年被认为取得成效，使用量降低了37.5%（Cheng et al.， 2025）。针对不同陆地氮输入组分的多项减排策略似乎行之有效。
已有若干不同的流域养分收支计算方法（Billen et al.， 2014；Byrnes et al.， 2020；Howarth et al.， 1996），并已成功用于检验较长时间段内输入组分的变化，包括净人为氮输入（Net Anthropogenic N Inputs， NANI）质量平衡法（Gao et al.， 2020；Goyette et al.， 2016）。NANI量化输入陆地的氮量，为食物、饲料、肥料、作物生物固氮和大气沉降之和，即维持给定年份内人类活动所需投入的氮量。报告各组分的变化趋势可揭示整体收支变化的潜在原因，包括政策实施所导致的变化。例如，加拿大魁北克省圣劳伦斯河流域NANI的时空核算显示，作为《空气质量协定》的积极成果，大气氮沉降自1990年代初开始下降（Goyette et al.， 2016）。在中国，跟踪NANI组分的多项研究表明，约2014年至2018年间NANI的略有下降主要归因于化肥使用量的减少（Wu et al.， 2022；Xu et al.， 2023；Xv et al.， 2021）。其他核算方法显示，在多个欧洲国家，养分利用效率的提高在很大程度上归因于《硝酸盐指令》实施后的化肥减量（Lassaletta et al.， 2014；van Grinsven et al.， 2012），而在美国，尽管2002年至2012年间国家层面输入相对稳定，但存在相当大的区域差异，一些地区有所减少，另一些地区有所增加（Sabo et al.， 2019）。后者还包括大气沉降减少带来的改善被更集约化的农业所掩盖的区域，显示了氮输入变化的动态性。
从空间评估来看，陆地输入通常与受纳水体的输出呈线性关系，尽管文献中分数输出（fractional export）差异显著，介于11%至69%之间（Boyer et al.， 2002；Ehrhardt et al.， 2021；Goyette et al.， 2016， 2019；Han and Allan， 2008；Hong et al.， 2017；Huishu et al.， 2018；Swaney et al.， 2012）。多种特征会影响从流域输入到河流传输的比例，包括气候变异（Han et al.， 2009；Howarth et al.， 2012）、景观和水体景观特征（Goyette et al.， 2019），以及不同的农业实践（如暗管排水；McIsaac and Hu， 2004）。输入强度似乎也影响分数输出，当NANI超过1070 kg-N km?2（每平方公里公斤氮）阈值时，较大比例的陆地氮似乎被传输至河流（Howarth et al.， 2012）。越来越多的研究正考虑河流对流域输入随时间变化的响应，尽管历史上陆地氮输入的减少应带来水质改善，但由于前述因素以及与遗留效应（legacy effects）相关的非线性动态，情况并非总是如此（Basu et al.， 2022；Cao et al.， 2025；Van Meter et al.， 2017）。遗留氮（Legacy N）包括数十年输入在土壤和地下水中积累的所有氮，在实施减排后可能需要数年才能被消除。在欧洲、北美和中国不同规模的流域中，已观测到超过10年的滞后期（Dupas et al.， 2018；Van Meter et al.， 2023；Chen et al.， 2015）。在美国，河流对氮盈余减少的响应大致呈现三种不同模式：线性下降、滞后响应和加速响应（Van Meter et al.， 2023）。对该数据的一项最新分析提供了一个框架，包含氮盈余和河流输出的四种总体百分比变化趋势（Byrnes et al.， 2026）。这些不同的流域轨迹与氮源类型、遗留效应、水文连通性和气候约束相关，与其他研究的观察相似，但以更全面的方式在国家尺度上呈现。该研究的作者提出，有效的氮管理需要考虑流域特异性响应，这可能包括理解区域尺度上各轨迹间分数输出随时间变化的主要驱动因素。
NANI已在加拿大魁北克省圣劳伦斯河下游的76个不同子流域中追踪了近一个世纪，并与近几十年河流氮输出呈线性相关（Goyette et al.， 2016）。研究人员还评估了气候和地形特征对分数输出的影响，在该地区18个不同流域中发现年径流量是空间差异的重要驱动因素（Goyette et al.， 2019）。过去100年中广泛的农业集约化以及圣劳伦斯河下游流域的氮积累也已被观测到（Goyette et al.， 2023）。然而，这些研究均未考虑输入-输出随时间变化的轨迹，也未考虑分数输出是否可能随气候变异、输入组分变化或潜在遗留效应而在时间上发生转移。在此，研究人员使用1986年至2021年间的四十年数据，评估了圣劳伦斯河7条主要支流的33个子流域中NANI与河流氮输出的长期时间趋势如何变化，并识别出若干种输入-河流输出轨迹类型。随后，研究人员考虑了气候、土地利用（作为氮输入组分）和景观变量对具有相同输入-输出轨迹的流域分组间分数输出时间变异性的相对重要性。
论文解读：河流氮输出对流域输入长期变化的差异化响应——基于圣劳伦斯河流域三十三个子流域的多轨迹分析
一、研究背景与科学问题
人类通过哈伯-博施法大规模合成氮肥，使全球生物圈中生物可利用氮的数量增加了一倍以上，由此引发的河流氮输出增加已导致沿海富营养化、水体缺氧和地下水硝酸盐污染等严峻生态问题。为缓解水生氮污染，多国实施了基于立法的氮输入削减策略，如美加《空气质量协定》、欧盟《硝酸盐指令》以及中国“双零”政策等，均在不同程度上降低了特定氮输入组分的输入量。然而，流域氮输入的历史性削减并未总是带来预期的水质改善。其原因在于：一方面，气候变异、景观特征和农业实践等会影响氮从陆地到河流的传输比例（即分数输出）；另一方面，数十年输入在土壤和地下水中积累的遗留氮可造成响应滞后，滞后期可超过十年。尽管已有研究考察了氮输入与输出的空间关系，但针对输入-输出轨迹随时间变化及其驱动因素的研究仍然缺乏。该研究以加拿大魁北克省圣劳伦斯河下游的7条主要支流的33个子流域（1986—2021年数据）为对象，旨在评估氮输入与河流氮输出随时间变化的长期轨迹，并识别影响不同轨迹类型中分数输出的主要驱动因素，以期为制定有效的流域氮管理策略提供科学依据。
二、研究数据与方法概述
该研究利用加拿大魁北克省环境与气候变化、野生动物和公园部（MELCCFP）提供的监测站总氮（TN）浓度数据（1985年起），结合魁北克南部水文气候图谱的日流量资料，采用LOADEST/loadflex模型预测日浓度并计算年河流氮输出。净人为氮输入（NANI）依据质量平衡法核算，以5年为间隔（1981—2021年）在市级尺度汇编，再按面积加权上采样至各子流域。景观变量基于2米分辨率LiDAR数据提取，包括流域面积、平均坡度、坡度标准差（作为地形粗糙度代理）、湖泊面积百分比、水坝面积百分比和河网密度。气候变量包括年降水量、年径流量、径流-降水比（R∶P）、日降水和日流量的变异系数。统计分析包括：随机森林算法识别影响河流氮输出的关键预测变量；线性和非线性回归（广义加性模型GAM）量化长期趋势；广义加性混合模型（GAMM）评估不同轨迹分组中分数输出与各变量的关联。研究区域涵盖加拿大地盾、阿巴拉契亚高地和圣劳伦斯低地三个地质省，土地利用从北部森林到南部集约农业梯度变化。
三、研究结果
3.1 氮输入与河流输出的空间格局
在49个子流域中，年河流TN输出范围为89至5152 kg-N km?2（中位数611），NANI范围为371至13696 kg-N km?2（中位数2243）。随机森林分析表明，在所有景观、气候和土地利用变量中，NANI是年河流TN输出的最佳预测因子，其次是流域坡度（反映低地地区更集约的农业分布）、玉米覆盖率、年降水量和径流量，以及河流长度。
3.2 氮输入与河流输出的长期时间趋势
对具有超过25年连续数据的33个子流域分别分析，河流TN输出呈现三种趋势类型：15个点位稳定、13个点位增加（年增加速率5.6至41.3 kg-N km?2）、5个点位减少（年减少速率?1.6至?3.3 kg-N km?2）。NANI则呈现四种趋势类型：10个子流域呈非线性变化（约2000年代中期前下降后回升至1980年代水平）、3个线性增加（年积累速率3.1至43.7 kg-N km?2）、6个无显著趋势、14个线性减少（年减少速率?4.2至?36.7 kg-N km?2）。将趋势类型映射到NANI-TN输出关系中发现，输出增加的子流域NANI值均高于此前文献报道的1070 kg-N km?2阈值，而输出减少的子流域NANI最低。整体分数输出为25%，未观测到加速分数输出的阈值效应。
3.3 长期NANI-TN输出轨迹及分数输出的驱动因素
综合每个子流域NANI和TN输出的时间趋势，研究人员识别出七种由三个及以上子流域共享的轨迹类型（共覆盖30个子流域）：其中11个子流域呈线性追踪响应（3个双增、4个双稳、4个双减，黄色系）；10个子流域呈解耦响应（NANI减少而TN稳定或增加，各5个，蓝色系）；9个子流域呈非线性响应（NANI在2011年前减少后增加，其中5个TN稳定、4个TN增加，红色系）。所有年份和子流域的分数输出范围为0.12至0.77（中位数0.29），各子流域内部分数输出随时间变化幅度为1.3至3.6倍。以随机森林预测整体分数输出时，验证集R2仅为0.17，表明变量间关系在子流域间可转移性较差。GAMM分析显示，不同轨迹组中分数输出的最优支持变量存在差异：在NANI减少而TN增加的子流域中，大豆覆盖率和放牧土地面积支持最强；在NANI减少而TN稳定的子流域中，湖泊覆盖率和降水量支持最强；在非线性动态且NANI最高的子流域中，径流量支持最强；在线性增加的追踪子流域中径流量再次为最强支持变量；在线性稳定的子流域中，水坝面积、湖泊面积和径流比受到最佳支持；在线性减少的子流域中，大豆覆盖率和径流量为最强支持变量。
四、讨论与结论
该研究揭示了流域氮输入长期变化与河流氮输出之间并非单一的线性响应关系，而是呈现多种不同的轨迹类型，其中约半数并非简单的线性追踪。在输入减少但输出增加或稳定的子流域中，遗留氮效应、输入组分向更易迁移的形态转变（如大豆种植扩张和化肥施用增加）、水文地质条件（如浅层砂质含水层有利于地下水储存）以及景观拦截能力（湖泊和水坝的氮滞留）共同调节了分数输出的变化。在非线性轨迹的子流域中，年径流量是分数输出的最强关联因子，输入强度的高低决定了输出增加与否。在追踪类子流域中，径流和输入组分变化同样显著关联于分数输出，减少型轨迹的子流域以高森林覆盖、大气沉降为主要输入和低牲畜密度为特征，与国际上的“亮点”流域特征相符。
研究结论认为，仅仅依赖于整体氮输入量削减的评估方法不足以预测河流氮输出的响应，尤其在考虑滞后期时，输入组分向高迁移率形态的转变可导致输出持续增加。增加化肥使用（主要服务于玉米和大豆生产）已在许多高强度流域导致最令人担忧的输入-输出模式。圣劳伦斯河下游流域的氮利用效率（N use efficiency）平均仅为0.42，远低于0.75的低效阈值。区域层面的法规目前仅关注磷的管理，而氮肥购入量在过去四十年间增加了近三倍，与圣劳伦斯湾底层水体缺氧加剧形成鲜明对比。因此，将氮更明确地纳入农业法规、实施双养分管理策略，并在高强度流域推广4R肥料管理策略（正确的来源、正确的用量、正确的时间、正确的地点）、减少肉类密集型饮食以降低对饲料作物的需求，是改善淡水和海洋水质的潜在途径。该研究强调了理解分数输出动态的重要性，特定流域的响应轨迹需要针对性的管理对策。
