从森林到农田：直河流域自1850年以来的变化

《Environments》：From Forest to Farmland in the Straight River Watershed: What Has Changed Since 1850?

　　

土地利用从自然植被向农业系统的转变显著影响流域水文和水质。本研究利用土壤和水评估工具Plus（SWAT+）模型，评估了美国明尼苏达州直河流域历史土地利用变化对水文过程和氮传输的长期影响。研究人员创建了三种土地利用情景，以评估水量平衡和硝酸盐水平的变化。这些情景代表了1855年重建的定居前条件、2006年已建立的农业发展和2022年的当前条件。结果显示，水分渗透和地下水补给显著增加。渗透量增加了一倍多，从重建的前殖民条件下的约118毫米增加到2022年的超过256毫米。河流流量在2022年增加到2.1 m³s^?1，表明水文连通性和地下水贡献增强。硝酸盐淋溶从约1.14 kg N ha^?1增加到超过32 kg N ha^?1（1850年代至2022年），硝酸盐输出增加了>2000%，表明硝酸盐负荷强烈。硝酸盐相对于水通量的显著增加表明农业是地下水污染和下游养分负荷的主要来源。这些发现强调了土地利用变化对水量平衡和养分行为影响的重要性，并指出了在流域评估中纳入历史基线的必要性。结果表明，在集约化管理的农业区域，需要更好的土地和养分管理策略以减少硝酸盐损失并保护水资源。

直河流域从森林向农田的转变：1850年以来水文与氮传输的变化——基于SWAT+模型的历史重建研究

**研究背景与问题**

土地利用/土地覆盖（LULC）从自然植被向农业系统的转变是全球流域水文和水质变化的主要驱动力。过去三个世纪，森林和湿地大面积转为农田，改变了陆地生态系统的结构与功能，导致水量平衡失调、养分流失加剧及水质恶化。现有研究多聚焦近几十年的变化，缺乏与前殖民时期重建条件的长期对比，限制了全面理解人类活动对流域的累积影响。尤其是北美中西部地区，如明尼苏达州，历史上曾经历大规模森林砍伐和农业扩张，但定量评估自19世纪中期以来水文和氮动力学的长期演变仍存在空白。直河流域是美国明尼苏达州重要的冷水鳟鱼栖息地，同时面临日益集约化的灌溉农业（玉米、大豆、马铃薯）和地下水污染风险，硝酸盐浓度局部超过饮用水标准（10 mg L^?1）。因此，建立历史基线并评估1850年以来土地利用变化对水文过程和氮传输的影响，对于制定兼顾农业生产与水资源保护的管理策略至关重要。

**研究内容与意义**

研究人员利用土壤和水评估工具Plus（SWAT+）模型，重建了直河流域1855年（前殖民时期）、2006年（已建立农业）和2022年（现代农业）三种土地利用情景，系统量化了水分渗透、地下水补给、河流流量、硝酸盐淋溶、地下水氮输入及硝酸盐输出的长期变化。研究整合了历史土地覆盖重建与过程建模，旨在：（1）量化与土地利用变化相关的水分渗透和地下水补给变化；（2）评估硝酸盐淋溶的幅度和空间分布；（3）评估水文变化与集约农业对地表水及地下水硝酸盐传输的联合效应。论文发表在《Environments》期刊，揭示了农业扩张显著改变了流域水文连通性和氮负荷，强调了纳入历史基线进行流域评估的重要性，并指出了优化养分管理、恢复湿地等保护措施的必要性。

**主要技术方法**

本研究采用SWAT+（版本61.0.02.61）过程模型，将流域划分为13个子流域和724个水文响应单元（HRU），基于30 m数字高程模型（DEM）、SSURGO土壤数据库和Daymet/NASA POWER气象数据（1985–2022年）建立模型。土地利用数据：1855年情景基于历史土地覆盖重建；2006年和2022年情景来源于美国农业部作物数据层（CDL）。模型针对河流流量（USGS监测站USGS-05243725，月尺度，1990–2022年）和硝酸盐负荷（MPCA监测站S002-960，月离散样本，2015–2017年校准，2020–2022年验证）进行校准与验证，采用Sobol全局敏感性分析、HydroPSO粒子群优化算法和手动调参，使用Nash–Sutcliffe效率（NSE）、Kling–Gupta效率（KGE）、决定系数（R²）和百分比偏差（PBIAS）评估性能。校准参数固定后应用于历史情景，保持气候条件一致以聚焦土地利用变化效应。

**研究结果**

**4.1 土地利用变化**
通过对比1855年、2006年和2022年三种情景的LULC转变矩阵，发现流域从自然植被（森林和湿地主导）急剧转向农业用地。至2006年，约64.6%的森林和31.6%的湿地转为耕地；至2022年，仅38.6%的原始森林保留，33.4%的湿地转化为农业用地。农业用地在2006–2022年间保持了77.3%的保留率，并持续从森林和开发用地扩张。这一转变反映了明尼苏达州及上密西西比河流域广泛的森林砍伐和农业集约化趋势。

**4.1.1 水文响应**
模拟显示，农业情景下平均年渗透量从1855年的117.9 mm增至2006年的206.2 mm和2022年的256.9 mm（增幅分别达75%和118%）。渗透分布从低值集中（100–130 mm）变为更宽、更高且变异性增强。这归因于深根多年生植被被浅根一年生作物替代，降低了蒸散发，延长了土壤水分下移活跃期，加之渗透性沙质土壤促进了水分垂直运动。

**4.1.2 硝酸盐淋溶与空间模式**
平均硝酸盐淋溶从1850年代的1.14 kg N ha^?1激增至2006年的23.45 kg N ha^?1和2022年的32.4 kg N ha^?1（增幅分别达1960%和2740%）。流域尺度总氮淋溶从24,351 kg增至500,765 kg（2006年）和692,047 kg（2022年）。空间分析显示，1855年情景下淋溶均匀且极低，而2006年和2022年出现高值异质斑块，部分HRU超过100 kg N ha^?1。这表明氮肥施用增加和自然养分缓冲能力丧失是主要驱动力。

**4.1.3 地下水补给与氮传输**
平均年地下水补给从1855年的124 mm增至2006年的216 mm和2022年的269 mm。硝酸盐向地下水输入则从1.14 kg N ha^?1升至23.55 kg N ha^?1（2006年）和32.5 kg N ha^?1（2022年）。总氮输入量从24.4吨（1850年代）激增至503吨（2006年）和694.5吨（2022年）。硝酸盐增幅远超补给量增幅，证明化肥源氮输入是地下水污染的主因，而非单纯水文变化。

**4.1.4 河流流量与硝酸盐输出**
流域出口平均年河流流量从1855年的0.85 m³s^?1增至2006年的1.43 m³s^?1和2022年的2.1 m³s^?1（增幅68%和147%）。硝酸盐总输出则从5.5吨增至20.1吨（2006年）和118.7吨（2022年），增幅超过2058%。硝酸盐输出增长远超流量增长，进一步证实农业氮输入增强是主要驱动，且沙质土壤与强地下水-地表水连通性加剧了硝酸盐输送。

**讨论与结论**

讨论部分强调，硝酸盐对水通量的偏离指示了农业作为主要污染源的强烈信号。空间异质性表明需要因地制宜的管理措施，如优化施肥、覆盖作物、缓冲带和湿地恢复。模型在硝酸盐模拟方面受限于观测数据频率和短期记录，但捕捉了不同情景间的相对差异。研究结论部分翻译如下：

本研究显示，自然植被向集约农业的转变显著影响了直河流域的水文过程和氮动力学。研究人员利用SWAT+模型比较了三种土地利用情景（1850年代前定居条件、2006年已建立农业和2022年现代农业），结果表明，随土地利用变化，水分渗透、地下水补给、河流流量、硝酸盐淋溶和硝酸盐输出显著增加。流域自然蓄水和养分保持能力下降，水文连通性增强，硝酸盐通过地表水和地下水途径运动加剧。空间分析揭示了现代农业条件下高淋溶热点的发展，表明景观异质性在养分传输中的重要作用。使用相同的参数集保证了结果差异仅由土地利用变化引起。结果强调了在评估流域变化及水质影响时纳入历史基线条件的必要性。本研究揭示了土地利用变化、水流增加与水质恶化之间的明确联系，突显了在集约化管理的农业流域中实施可持续土地和养分管理实践（如优化施肥、湿地恢复、覆盖作物和缓冲系统）以减少硝酸盐损失并保护地下水和地表水的迫切需求。