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自：早晚地理
期刊：
nature sustainability
英文题目：
Impact of groundwater nitrogen legacy on water quality
作者：
Xiaochen Liu, Arthur H. W. Beusen, Hans J. M. van Grinsven, Junjie Wang, Wim Joost van Hoek, Xiangbin Ran, José M. Mogollón & Alexander F. Bouwman
农业氮（N）的流失是造成全球富营养化以及淡水和沿海缺氧的主要原因。尽管制定了欧盟氮指令等监管措施，淡水中的氮浓度仍然很高。由于地下水的流动时间比地表水慢几个数量级，因此地下水中过量的氮浸出和积累形成了一个巨大的氮库。在这项研究中，我们重建了莱茵河、密西西比河、长江和珠江四大流域地下水中过去和未来的氮动态，展示了不同的氮轨迹。自 20 世纪 50 年代以来，莱茵河和密西西比河流域一直在积累氮，虽然减少过量农业氮的战略在莱茵河流域取得了良好效果，但在密西西比河流域，地下水遗留氮仍然存在。长江和珠江流域于 20 世纪 70 年代进入氮积累阶段，预计氮积累将持续到 2050 年。减少化肥氮污染的政策并没有阻止氮的积累，这凸显了考虑地下水遗留氮的重要性。因此，与莱茵河（9 年）和密西西比河（15 年）相比，通过减少氮沥滤将地下水中的氮储存量恢复到 1970 年的水平在长江和珠江中需要更长的时间（大于 35 年）。要实现流域的可持续管理，就必须制定长期战略，解决遗留氮的影响，并推广符合可持续发展目标的可持续农业实践，以平衡农业生产力与水资源保护之间的关系。
地表水中过量的氮（N）输入是对全球环境的一大威胁。氮的增加会加速初级生产，造成富营养化，导致有害的藻类大量繁殖和浮渣。这些会加速异养分解，导致缺氧，最终形成死亡区。在全球范围内，合成氮肥在农业中的使用量已从 1900 年的微不足道增至2015 年的 1.07 亿吨/年。氮的急剧增加影响了全球几乎所有水体。此外，过剩的氮还会造成大气中氮的排放（以氨、一氧化氮、分子氮和一氧化二氮的形式），并在土壤有机质中积累。
我们评估了地下水氮遗产对四大流域（莱茵河、密西西比河、长江和珠江）淡水氮循环的影响，这些流域的水文地质和地球化学特征以及历史上的农业用地使用情况各不相同。我们利用 0.5° × 0.5° 分辨率的全球环境综合评估模型-全球养分模型 (IMAGE-GNM) 重建了 1900 年至 2015 年地下水氮的累积情况，并采用五种共享社会经济路径 (SSP)以及四种代表性浓度路径评估了 2015 年至 2050 年的未来情景。该模型结合了农业系统的长期历史数据和土壤-地下水-地表水水文系统的描述。利用 IMAGE-GNM，我们分析了地下水氮遗留的停留时间及其对不同养分污染控制策略效果的影响。我们还评估了两种极端情况，即从 2015 年开始零渗滤和从 2015 年开始每年减少 1%的渗滤，2015 年后其他条件保持不变，以估算恢复到 1970 年储量水平所需的时间。有效的流域管理需要制定战略来解决地下水中的氮遗留问题，这对地表水的水质有很大影响。至关重要的是要制定有针对性的政策，专门解决氮的遗留问题，使农业实践与可持续发展目标下的可持续水资源保护相一致。
（1）大陆 N 的历史动态
农业氮过剩的显著变化始于四个被评估流域的不同时期（图1）。莱茵河和密西西比河流域在第二次世界大战后氮过剩量大幅增加，而长江和珠江流域则在几十年后才出现氮过剩量的增加。莱茵河流域的氮过剩量从 20 世纪 80 年代开始下降，而密西西比河流域的氮过剩量到 21 世纪才开始下降（图1a）。相比之下，中国两大流域的养分使用量和土壤氮过剩量仍在增加。目前，在所有四个流域中，地下水的氮外流是各自淡水系统的主要来源。2015 年，莱茵河流域的地下水氮占溪流总氮输送量的 50%，而在其他流域，地下水氮的贡献率更高：密西西比河流域为 66%，长江流域为 56%，珠江流域为 65%（图1b、d、f、h）。虽然自 20 世纪末至今，地下水对中国流域的贡献一直占主导地位，但莱茵河和密西西比河在土壤氮过剩量大幅增加之前，污水和地表径流等其他来源的贡献更为重要。
图1
1900 年至 2015 年四个流域的氮动态变化
。a-h，1900-2015 年莱茵河流域(a,b)、密西西比河流域(c,d)、长江流域(e,f)和珠江流域(g,h)的土壤氮盈余、向溪流输送的氮和向沿岸水域输出的氮(a,c,e,g)，以及向溪流输送氮的主要来源(b,d,f,h)。由于氮在土壤和地下水中的滞留，向地表水（a,c,e,g）模拟输送的氮仅为土壤预算的一小部分。
地下水氮储存量和向地表水输送量的流域间差异源于其水文地质特征（即移动距离和停留时间）、历史农业生产和养分管理。1900-2015 年间，莱茵河、密西西比河、长江和珠江流域地下水的总氮储量（估计为流入量减去流出量）分别为 1.8 兆吨氮、32 兆吨氮、18 兆吨和 2.2 兆吨（图2a-d和图3）。
图2
1900 年至 2015 年四个流域的年氮淋失通量和地下水氮遗留。
（2）未来大陆氮动态
到 2050 年，莱茵河向地表水输送的氮总量（即来自地下水、地表径流、污水、水产养殖、洪水和大气沉积的氮总量）将减少 25-40%。尽管到 2050 年，密西西比河淡水系统的氮输送量将出现与莱茵河类似的下降，但在绝对减少之前，密西西比河的地下水储量将经历一个氮输送量增加的时期（图4a-j）。根据预测，莱茵河流域的氮储量在所有 SSPs 条件下都将下降（图5a），而密西西比河流域的氮储量将在 “稳定阶段 ”波动（图3和5b），与 1988-2005 年期间莱茵河流域的时间模式类似（图2a和3）。
图4
四条河流的氮输出和来源
。2015—2050 年五个 SSP 下莱茵河 （a–e）、密西西比河 （f–j）、长江 （k–o） 和珍珠江 （p–t） 流域河口氮出口量及氮来源。
图5
不同情景下地下水中的氮储量
。1970-2050 年间莱茵河 (a)、密西西比河 (b)、长江 (c) 和珠江 (d) 流域在 SSP1-SSP5 情景和两种极端情景下的氮遗存。
我们的研究揭示了四个流域在历史氮管理、氮动态和氮输送方面的本质区别。尽管如此，大量氮仍暂时储存在所有四个流域的地下水中，而地下水已成为向淡水输送氮的主要来源。减少地下水氮负荷的策略在莱茵河流域取得了成功，在密西西比河流域也取得了一定程度的成功。我们的研究结果表明，由于大量氮暂时储存在地下水中，即地下水氮遗产，任何减少农业氮过剩的行动都将延迟生效。
目前的长江流域与 20 世纪 70 年代的密西西比河流域有许多相似之处。然而，长江流域的情景表明，2020 年后停止增加化肥使用量的现行政策不足以减少地下水中的氮积累。这些政策会导致农业中的氮过剩趋于稳定。然而，通过淋溶流入地下水系统的氮仍然超过从地下水流出的氮，因此未来遗留氮的积累仍将继续。这将不可避免地导致越来越多的氮排入溪流，再加上某些方案中点源氮排放量的预期增加（图4），可能会导致水质恶化。地下水外流恢复到累积前水平所需的时间取决于水文地质和氮储存总量。因此，鉴于地下水系统的明显惰性，对环境政策有效性的预期需要考虑到过去过度使用氮的遗留问题。
文献来源：
https://doi.org/10.1038/s41893-024-01369-9
以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
