降雨驱动的流域农业非点源污染：变化特征与控制策略

《Journal of Environmental Management》：Rainfall-driven agricultural non-point source pollution in reservoir catchments: Variability and reduction strategies

　　**摘要**
农业非点源（NPS）污染是水库流域水质恶化的主要原因之一。现有研究主要集中在低地或大型流域上。然而，由于丘陵型水库流域地形复杂和表层条件特殊，使用传统监测方法难以有效描述氮的传输机制。因此，人们对降雨时空异质性对氮损失影响的理解仍然不足，尤其是在亚流域尺度上的精细模拟和管理方面。本研究以中国大连的一个大型水库流域为例，基于长期的降水、径流和进流水氮浓度数据，开发了一个校准后的SWAT模型，系统分析了不同水文年份类型和季节性降雨模式对氮损失的时空影响。通过源控制（减少化肥使用）和生态过滤（植被缓冲带）措施，量化了氮损失的减少量，并提出了基于亚流域的管理策略。结果显示，在湿润年份（≥870.55毫米降雨量），氮损失峰值出现在8月；而在正常年份（643.45–870.55毫米降雨量）和干旱年份（≤643.45毫米降雨量），氮损失峰值出现在5月。坡度较陡（>11.71°）和氮施用量较高（>123.30吨/年）的亚流域氮损失更为严重。情景分析表明，化肥使用量减少10%–30%并结合设置1–5米宽的缓冲带措施可以有效减少氮损失，特别是在湿润年份效果更为显著。本研究建立了一个整合水文变异性、氮动态和管理成本的亚流域尺度框架，为丘陵型水库流域中农业NPS污染的精细控制提供了科学支持。

**引言**
水库流域中的非点源（NPS）污染是水质恶化的主要因素（Cai等人，2022年）。统计数据显示，中国超过60%的湖泊和水库受到富营养化的影响，其中超过50%的氮（N）来自NPS污染（Hou等人，2022年；Ongley等人，2010年）。农业NPS污染，尤其是化肥的过量使用和氮的流失，是水库入水中氮流的主要来源（Tao等人，2023年）。随着全球农业集约化以满足日益增长的食物需求，化肥使用量持续增加。然而，相对较低的氮利用效率导致大量氮进入水生环境，使得营养管理成为区域资源治理的关键环节。作为农业大国，中国在水库水质管理方面面临巨大挑战。例如，在大型米云水库中，化肥氮损失是主要氮来源，年总氮（TN）损失量为5505.42吨（Cai等人，2022年）。因此，控制水库流域中的农业N污染是一个全球性挑战，这对于保护水质、保障区域生态安全和促进可持续资源治理至关重要（Hu等人，2026年；Lyu等人，2026年）。在农业NPS污染中，降雨是氮损失的主要驱动因素（Chang等人，2023年）。先前的研究表明，降雨强度和量的变化会显著影响氮向水体的迁移（Ying等人，2018年）。 Years）。此外，年际和季节间降雨的时空变异性也影响化肥氮损失（A. Wang等人，2025年）。G. Chen等人（2025年）研究了太湖地区的NPS输入情况，发现降雨对污染物传输有显著影响，湿润年份的TN污染明显高于其他年份。Kang等人（2025年）发现，正常年份的农业化肥氮利用效率高于湿润或干旱年份。因此，量化降雨变异性对水库流域中农业氮损失的影响已成为水库水质管理科学研究的重点。
与常规流域相比，丘陵型水库流域的特点是坡度陡峭、地形独特、流路径短，这使得其对降雨的水文响应更为迅速（Hallema等人，2016年；?zgen-Xian等人，2023年；Uchida等人，2005年）。陡峭的地形和高地表连通性增强了地表径流和侵蚀作用，加速了污染物从源头区域向河流的传输，增加了NPS污染的降雨敏感性（L. Wu等人，2024年；H. Zhang等人，2025年）。相比之下，常规流域通常具有更长的流路径、更大的水文缓冲能力和更强的地下水补给，使得营养物质在流域内停留时间更长，有利于氮的滞留以及硝化和反硝化等生物地球化学过程。因此，丘陵型水库流域的氮输出主要受地表径流和侵蚀作用控制，而低地或常规流域的氮传输则更多地受地下水流动和河流或地下营养物滞留过程的影响。此外，水文条件的变化会动态改变流路径、水文连通性和径流生成机制，进一步增加了丘陵型水库流域中污染物传输的时空复杂性（Zheng等人，2024年）。然而，现有的农业NPS污染研究主要集中在常规流域尺度上，对水库流域的关注较少。复杂的地形限制了传统监测方法的应用，阻碍了对NPS污染时空模式的详细描述。尽管已经开发出多种用于模拟农业非点源（NPS）污染的水文模型，如HSPF（Hydrological Simulation Program–Fortran）、AnnAGNPS（Annualized Agricultural Non-Point Source Pollution Model）和Xin'anjiang模型，但这些模型在复杂山区流域的应用受到数据需求高和计算复杂性的制约。相比之下，SWAT模型的许多参数可以从GIS数据集和其他易获取的信息中自动推导出来，使其特别适合大型和复杂流域的应用（Im等人，2007年；Ly等人，2019年；Q. Zhang等人，2025年）。例如，Rossi等人（2009年）和Shrestha等人（2013年）成功应用SWAT模型模拟了湄公河下游流域的水文过程，并获得了满意的结果。SWAT模型结合了DEM和土地利用数据，能够进行亚流域尺度的水文和传输过程模拟，有效量化了径流和侵蚀在氮损失中的作用，并阐明了丘陵型水库流域中NPS污染的主要机制。

**防治农业NPS污染**
除了适当减少化肥使用量（Ullrich和Volk，2009年）外，还可以通过在氮流失路径上设置生态过滤措施（如植被缓冲带、湿地和生物滞留池）来减轻水库流域中的农业NPS污染（G. Chen等人，2025年；M. Chen等人，2025年；L. Wu等人，2024年；Zhi等人，2025年）。Qu等人（2022年）使用SWAT模型模拟了水库流域中的氮损失，并评估了生态沟渠和植被缓冲带的效果，发现这些措施分别减少了52.41%和36.86%的氮入流。然而，这些措施的实施往往受到土地资源有限、农业生产竞争需求以及流域管理成本的限制。因此，在整个流域范围内统一实施这些措施通常不可行，需要优化其空间分配以平衡污染减少效果和管理成本。实际上，水库流域通常由多个子流域组成，这些子流域之间的氮损失差异较大（Y. Wu等人，2025年）。现有研究主要通过空间热点分析和模型模拟等方法识别污染贡献较高的子流域（Chen等人，2023年；Fang等人，2024年；Wang等人，2023a）。然而，在不同降雨条件下，系统性的子流域级优化和氮损失减少措施的总体设计仍缺乏。从更广泛的角度来看，农业NPS污染导致的氮损失不仅威胁水质，还反映了农业系统的资源利用效率低下。可持续农业发展依赖于优化后的输入分配和稳定的生产过程，而氮损失则是资源利用效率低下的直接体现。因此，阐明流域尺度上的氮传输和损失机制并优化缓解策略对于提高生产稳定性和资源利用效率至关重要（Jin和Xu，2025a，2025b）。一些研究从资源和环境的角度探索了农业系统的优化途径（Jin和Xu，2025c，2025d），强调提高资源利用效率是实现可持续农业的关键（Jin和Xu，2025e，2026年）。农业NPS污染及其控制机制的研究为此提供了重要支持。

**研究区域**
本研究的水库及其流域位于中国大连市的庄河市（122.72°E，39.87°N），是该市的饮用水来源之一。水库总储量为1.6562亿立方米，死库容为371万立方米，控制流域面积为260平方公里（图1）。该地区属于温暖温带大陆性季风气候，年平均气温为9.3°C，年平均降水量为757毫米。

**模型校准和参数敏感性分析**
SWAT模型的模拟范围为2010.01-2024.10年。为了确保模型稳定性，采用了两年的暖跑期（Daggupati等人，2015年；?zdo?an-Sar?ko?和Dadaser-Celik，2024年）。径流数据校准时间为2012.01-2019.12年，验证时间为2020.01-2023.12年；氮损失数据校准时间为2022.06-2023.12年，验证时间为2024.01-2024.10年。径流和氮损失的数据校准和验证结果详见表3。模型性能通过R2指标进行评估。

**模型性能和敏感性分析**
径流模拟的优越性能归因于氮传输和转化过程中涉及的更复杂的生物地球化学过程，这些过程受施肥、土壤性质和水文动态等多种因素影响，但在模型中通常被简化处理。此外，观测到的氮数据有限也影响了模拟性能。不过，由于研究区域为受保护的水源区，这一因素相对缓和了模拟效果。

**结论**
本研究系统分析了中国大连一个大型水库流域在不同降雨条件下的氮损失时空特征，并评估了各种管理措施的减排效果。采用标准化多元线性回归（MLR）模型评估了降雨、施肥和缓冲带宽度对氮损失的相对贡献。同时考虑了管理效果和成本限制，采用了多目标优化方法。

**作者贡献声明**
Cheng Zhigao：数据整理、调查、软件开发、可视化、初稿撰写；
Wu Bo：方法论设计、项目管理、监督、审稿与编辑；
Guo Shuhai：概念构建、资金筹措、监督、审稿与编辑。

**资助来源**
本研究得到了中国科学院应用生态研究所科技创新计划重点研究方向的资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本研究的工作。

**致谢**
本研究得到了中国科学院应用生态研究所科技创新计划重点研究方向的资助。