土地利用控制和地表过程对异质流域中营养物质形态变化的影响

《CATENA》：Controls of land use and surface processes on the variability in nutrient speciation in a heterogeneous watershed

非点源污染导致河流营养物时空异质性，本研究基于珠江流域观测与SWAT模型，揭示不同土地利用（农业、城市、自然）通过地表径流、土壤结构及生物地球化学过程影响氮磷迁移。农业区因施肥、土壤紧实化导致高营养输出强度（N:19.8 kg/ha·yr，P:0.37 kg/ha·yr），城市区地表径流主导但总输出受限，自然区通过土壤硝态氮储存和侧向流调控营养物。磷以地表径流为主，氮则依赖地下径流，全流域磷限制显著，无机氮占主导。

　　

张颖|甘建平|刘毅

香港科技大学香港及澳门海洋研究中心、数学系，中国香港

摘要

非点源（NPS）污染导致了河流水质的广泛恶化，其特征是营养物质种类的显著变化。然而，在流域尺度上，对异质景观中营养物质动态的主要控制因素仍知之甚少。在这里，我们结合观测数据和土壤与水资源评估工具（Soil and Water Assessment Tool），研究了土地利用和地表过程如何调节珠江流域的营养物质输送。研究结果表明，农业区表现出肥料投入、地表径流、侧向流动、沉积物输送以及与有机土壤库之间的强烈耦合，从而导致最高的营养物质浓度（氮为19.8公斤/公顷/年，磷为0.37公斤/公顷/年）。在城区，压实的土壤和不透水表面产生了最高的营养物质输送效率（平均18.6%），尽管总输出量主要受来源限制。相比之下，未受干扰的区域通过土壤过程选择性地调节营养物质种类。森林区域表现出大量的地下硝酸盐输出（10.1公斤/公顷/年）和较高的氮磷比，这得益于高土壤硝酸盐储存量和强烈的侧向流动。牧场区域贡献了相对较高的磷酸盐输出（0.11公斤/公顷/年），反映了活性土壤磷库与地表径流之间的耦合。在整个流域中，磷的营养物质浓度和输送效率始终低于氮，有机形式的营养物质低于无机形式，这促进了河流系统中无机营养物质种类的主导地位。总体而言，本研究为特定土地利用过程下的非点源污染提供了水文和生物地球化学控制的定量见解。

引言

河流中的营养物质对生态系统功能至关重要，其动态变化对环境可持续性有深远影响。然而，由于人为活动的加剧和气候变异性，近几十年来营养物质通量大幅增加，导致河流系统的水质普遍恶化（Hu等人，2023年；Wu等人，2019年）。非点源（NPS）污染是一个全球性的环境问题，其特点是营养物质种类多样且分布广泛，这使得管理变得困难（Zou等人，2020年）。这突显了全面研究NPS污染动态及其控制因素的必要性。

NPS污染源于农业实践、水文气候因素和生物地球化学过程之间的复杂相互作用（Metson等人，2020年；Webster等人，2019年）。径流和沉积物是营养物质输送的主要途径（Hamlin等人，2020年；Liu等人，2013年）。径流影响河流输出的营养物质比例，并且在雨季营养物质通量是旱季的三倍（Xie等人，2022年）。沉积物输送与颗粒状营养物质的移动密切相关，在坡度陡峭、侵蚀风险高的源头地区通常观察到较高的营养物质损失（Yan等人，2014年；Zhang等人，2007年）。尽管这些驱动因素的作用已被广泛认可，但在区分它们在不同土壤层中的组成和相互作用方面仍存在关键不确定性（Ren等人，2022年）。例如，地表径流会主动将营养物质从表土中移動，在强降水事件中导致营养物质飞溅和侵蚀，而侧向流动则输送从表土中淋溶出的营养物质以及来自土壤生物地球化学循环的营养物质（Nakayama等人，2025年）。

农业活动被认为是NPS污染的主要来源。化肥的使用提供了大量分子小且溶解度高的无机营养物质（Lan等人，2024年）。在中国，氮肥的利用效率仅为15%，磷肥仅为20%，远低于全球平均水平，特别是在雨季和湿润年份，导致大量营养物质流失（Wang等人，2024b；Zhu等人，2022年）。与高强度施肥相关的脉冲式和高通量营养物质输送不同，土壤过程以较慢但更连续的速度释放营养物质（Swart等人，2020年）。土壤过程，如植物残体分解、有机物矿化和微生物转化，在非农业土地上产生了大量的NPS污染；然而，这些过程受到的关注相对较少（Ahirwal等人，2021年）。

营养物质的物理化学性质进一步复杂化了这些输送途径和相互作用。例如，磷主要通过地表径流移动，因为它与土壤颗粒结合形成稳定的复合物。相比之下，溶解态营养物质更容易被淋溶并通过土壤垂直输送。此外，有机营养物质和无机营养物质的行为有所不同。有机营养物质常被吸附在沉积物颗粒上，而无机营养物质则更容易被淋溶，从而促进快速移动（Hao等人，2024年；Yuan等人，2024年）。这些不同的性质和相互作用表明每种营养物质受不同的机制支配。

地表过程通过改变水文过程和生物地球化学循环来调节营养物质动态（Yokohata等人，2020年）。例如，受人类影响的生态系统，如农业区和城市化地区，其土壤结构被破坏和压实，增加了地表径流，促进了表土中的营养物质流失（Wang等人，2024a）。相比之下，未受干扰的生态系统，如湿地和森林，具有以大孔隙为主的侧向流动路径，并通过吸附和微生物转化过程增强了营养物质的保留（Fu等人，2024年；Rinderer等人，2021年）。地质因素，如岩性、基岩类型和地形起伏，也影响水文途径并控制土壤中营养物质的储存、保留和释放（Yang等人，2024年）。大多数推断地表性质与营养物质通量之间关系的研究依赖于经验方法，如相关性分析和统计回归模型（Choi等人，2024年）。然而，这些方法往往无法区分这些在不同景观中驱动营养物质动态的水文和生物地球化学过程的作用，因此需要基于过程的理解（Gómez-Gener等人，2021年）。

鉴于对异质景观中营养物质动态的控制因素了解不足，本研究旨在通过观测和数值模拟来描述珠江流域（PRB）中营养物质种类的变化，并定量评估土地利用和地表过程的控制作用。我们的发现将为特定土地利用过程下的NPS污染提供水文和生物地球化学控制的定量见解。

研究区域

中国南部的珠江流域面积约为440,000平方公里，横跨北纬21°33′至26°50′和东经102°21′至115°51′（图1a）。珠江是中国流量第二大的河流，平均流量为9630立方米/秒（Zhang等人，2024年）。珠江流域具有典型的亚热带季风气候，平均气温在14至22摄氏度之间。降水量在空间和时间上分布不均：从中游和沿海地区向西北方向减少

模型性能

模拟的TN（总氮）和TP（总磷）通量再现了上游和出口处的观测时间模式（图3），所有指标均达到或超过了满意阈值。月度NSE值分别为TN的0.53和TP的0.61（上游）和0.72（出口）。相应的RSR值分别为TN的0.68和TP的0.69（上游）以及TP的0.62和0.53（出口）。PBIAS在两个区域均处于±15%以内。夏季的低估可能反映了SWAT模型的响应能力有限

讨论

我们的研究揭示了不同景观中营养物质动态和种类的异质性，这是由输送途径和营养物质来源之间的不同耦合驱动的（图9）。受人类影响的区域是营养物质的热点，因为这些区域的地表径流和土壤侵蚀非常活跃，这些现象因土壤压实和植被覆盖减少而加剧（Borrelli等人，2017年；Zhang等人，2024年）。在珠江流域，作为中国降水量最大的流域之一，高降水量

结论

通过将观测数据与珠江流域的数值模拟相结合，我们量化了土地利用和地表过程如何调节营养物质种类，并分离了农业实践、水文途径和生物地球化学过程在流域尺度上的各自影响。主要结论如下：

1.

受人类影响的区域由于土壤压实，营养物质输出加剧。在农业区，肥料投入、地表径流等要素之间表现出强烈的耦合

作者贡献声明

张颖：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，概念化。甘建平：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，数据管理，概念化。刘毅：验证，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了香港研究资助委员会（Hong Kong Research Grants Council）的卓越领域计划（AoE/P-601/23-N，EARTH-HK项目）和一般研究基金（GRF 16307423）的支持。香港及澳门海洋研究中心是老山实验室（Laoshan Laboratory）与香港科技大学（HKUST）之间的联合海洋研究中心。此外，我们感谢Rosa M. Poch和匿名审稿人对提高手稿质量的贡献。