论文标题：CRITICAL PROCESSES AND MAJOR FACTORS THAT DRIVE NITROGEN TRANSPORT FROM FARMLAND TO SURFACE WATER BODIES（农田氮素向地表水体输移的关键过程及影响因素）

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Wenchao LI, Wen XU, Gaofei YIN, Xulin ZHANG, Zihan ZHANG, Bin XI, Qiuliang LEI, Limei ZHAI, Qiang ZHANG, Linzhang YANG, Hongbin LIU

发表时间：15 Dec 2023

DOI：10.15302/J-FASE-2023518

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农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

· 第四篇 ·

▎论文ID

Critical processes and major factors that drive nitrogen transport from farmland to surface water bodies

农田氮素向地表水体输移的关键过程及影响因素

发表年份：2023年

第一作者：李文超¹，许稳²

通讯作者：杨林章³, 刘宏斌⁴

：lzyang@issas.ac.cn,

liuhongbincaas@163.com

作者单位：1. 河北农业大学资源与环境科学学院；2. 中国农业大学资源与环境学院；3. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所；4. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所。

Cite this article :

Wenchao LI, Wen XU, Gaofei YIN, Xulin ZHANG, Zihan ZHANG, Bin XI, Qiuliang LEI, Limei ZHAI, Qiang ZHANG, Linzhang YANG, Hongbin LIU. CRITICAL PROCESSES AND MAJOR FACTORS THAT DRIVE NITROGEN TRANSPORT FROM FARMLAND TO SURFACE WATER BODIES. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 541–552 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023518

· 文 章 摘 要 ·

农业氮素面源污染是导致地表水环境恶化的重要原因。当前，关于农业氮素面源污染的研究主要集中在田块尺度上，对田块尺度氮素流失与地表水体水质响应关系及机制的研究相对较为缺乏，制约了对农业氮素面源污染的系统治理。氮素从田块流失向流域尺度输移的关键过程及因素是解决田块尺度流失与地表水体水质响应的关键。因此，本文系统综述了氮素从农田向地表水体迁移的关键过程和主要影响因素，并提出了相应的防控措施，阐明了完善该方面的研究对评估农田氮素流失的流域/区域尺度环境效应和开展农业面源污染防控具有重要理论意义。

· 文 章 亮 点 ·

1. 本文系统阐明了氮素从农田向地表水体迁移的关键过程和主要影响因素。

2. 土壤贮量、外源输入和水文气候是决定农田氮素流失的关键因素。

3. 水文、土壤地球化学和氮素输入影响着沟渠和河流中氮素的输移转化过程。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎研究背景

氮是农田生态系统中最活跃的营养元素之一，也是影响环境的主要因子之一，因此，农田氮素流失机理及环境影响一直是植物营养学、土壤学、环境科学、生态学等领域的研究热点。迫于粮食增长的压力，当前向农业生态系统投入的氮越来越多，氮素利用率下降，造成农田中氮素的盈余，过量的氮素以径流、淋溶等方式流失到水体，造成水体富营养化等环境问题。近年来，围绕农田氮流失现状及影响在全国开展了大量监测、评估研究，田块尺度氮素的流失特征及主要影响因素已基本被摸清。然而，当前对农田氮素流失的研究多集中在田块尺度，对其与流域/区域地表水质响应关系的研究较为不足，且以经验分析为主，因此，对田块尺度氮素流失的流域/区域尺度水体环境效应的认识有待提高。梳理农田氮素从田块流失到进入地表水体的关键过程及影响因素，对评估农田氮素流失的水环境效应，开展流域/区域农业面源污染综合防控具有重要理论意义。

▎农田氮素向地表水体输移的关键过程

农田氮素向地表水体迁移需要经历氮素在土水界面迁移、氮素农田向沟渠迁移、氮素在沟渠/河流中输送过程中的沟内转化等多重过程，对应农田氮素向地表体迁移的三个尺度，即农田尺度、农田单元和流域尺度 (图1)。农田向沟渠输出的过程是农田氮素进入地表水体的初始过程，氮素在土–水界面的迁移是农田氮素向沟渠输出的前提和关键环节。只有当土壤水或径流中的氮进入沟渠时，才意味着农田氮实际上进入了地表水。氮在沟渠/河流迁移过程中会发生一系列物理、化学和生物转化过程。

图1 农田氮素向地表水体输移的关键过程。(审图号: GS 京 (2023) 2266 号)

▎农田氮素向沟渠输移的关键过程及影响因素

田块尺度氮素流失包括土壤氮素的流失及外源氮素的流失过程 (图2)。土水交互过程是土壤氮素流失的关键环节，氮素可能以溶解、解吸、离子交换、悬浮颗粒携出等不同作用方式从土壤进入土壤水溶液及径流水。矿质氮是土壤中主要的易流失氮，田块尺度氮素的流失 (淋失) 与土壤有机氮矿化产生的氮 (内源氮) 的相关性高于外源投入的氮，矿化过程促进土壤易流失氮的增加，同时土壤易流失氮对土壤氮的矿化过程具有调控作用。农田外源氮素主要来源于施肥。低氮条件下，外源氮素的主要流失机制是肥料氮经过土壤固持、再矿化和硝化而流失的过程，高氮条件下，外源氮素的主要流失机制是施入的肥料氮有部分直接进入渗漏水，而不经过土壤固持与矿化过程。

前人研究发现，土壤氮素存量对田块尺度氮素流失的贡献较大，施肥等外源投入对土壤易流失氮水平也具有显著影响。农田氮的输出负荷与降雨径流等气象水文条件显著相关，降雨径流是大多数流域农田氮输出的主要影响因素。一般来说，降雨增加，农田径流增加，土壤氮素流失增多，向流域下游迁移过程中衰减率降低，流域氮输出负荷增加。

图2 农田氮素向沟渠输移的关键过程。

▎氮素在沟渠/河流中输移的关键过程及影响因素

氮在河流/沟渠中迁移发生的转化过程可以概括为滞留和释放 (图3)。滞留指氮在河流或沟渠中受吸附、沉积、吸收、气态损失 (如氨挥发、反硝化) 等作用的影响，使其经河流或沟渠迁移后输出氮负荷减少的现象，即发生了衰减；释放指氮在河流或沟渠中受解析、溶解、降解等作用的影响，滞留在河流或沟渠中氮重新释放出来使输出氮负荷增加的现象。

氮素在河流的输移主要通过影响水力停留时间、接触面积、生物活性、氮素入河形态及量来影响其过程的发生。影响因素归结为生物因素和非生物因素两类，生物因素包括水生植物 (种类、覆盖面积、植物斑块结构、新陈代谢过程等)、藻类、细菌、真菌等。非生物因素包括河道地质 (土壤类型、质地、结构等)、地形 (坡度、坡长、坡降等)、河流形态 (河长、河宽、弯曲情况)、河流部位、水文状况 (流量、流速、水深、泥沙沉积速等)、流域面积 (尺度效应)、土地利用类型、陆地氮素输入量 (浓度)、水温 、光照等。

氮在沟渠中的转化过程与在河流中类似。但与河流去除过程相比，氮在沟渠中的转化过程受生物因素的影响更大。植物对沟渠中氮转化的影响体现在以下几个方面：(1) 植物光合作用产生的氧在根系释放，创造了根际好氧环境，具有除氮作用的好氧微生物在有氧条件下先将有机氮吸附，并通过自身酶系统分解有机氮转化成溶解态的无机氮，促进植物吸收、底泥吸附、沉淀等；(2) 植物的存在破坏了水-底泥界面养分的吸附-解析平衡，促进了底泥吸附；(3) 延缓流速，增加水力停留时间，使反应更加充分；(4) 植物通过根部吸收底泥空隙水中的氮，使水体与底泥之间产生浓度梯度，打破了底泥-水界面的平衡，促进氮在界面的交换作用，进而促进氮向下迁移。

图3 氮素在沟渠/河流中输移的关键过程及影响因素。

· 结 论 与 展 望 ·

本文系统地综述了氮素从农田向地表水体迁移的关键过程和主要影响因素。以下是文章的总结和今后的防治应用：(1) 农田氮素的流失既与外源投入有关也与土壤存量有关，此外还受到气象水文条件的制约，因此，当前以控制农田氮素流失为目标的管理不应只考虑减少氮素投入，还应全面考虑土壤存量的历史贡献，并考虑到气候变化对氮素流失削减目标实现的影响。(2) 河流/沟渠对氮素的滞留能力较强，将显著影响农田氮素进入地表水体的进程，因此开展农田氮素对地表水质影响评估及污染防控，应综合考虑河流/沟渠的滞纳能力。(3) 影响氮素迁移转化的因子可以概括为四类：① 影响水力停留时间的因子，② 影响接触面积的因子，③ 影响生物活性的因子，④ 氮素入河形态及量。相较于河流，沟渠系统的生物 (植物、微生物等) 活性更强，氮素在沟渠中的转化受到生物因子作用的影响更大，生物因子对氮素在沟渠中转化的影响大于非生物因子。在制定污染预防和控制战略时，可以建造生态沟渠，以增加生物活性，减少进入水体的过量氮。

编辑 | 唐静月 李云舟

审稿 | 许建香

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