通过SAS函数和硝酸盐同位素揭示了瓦片排水农业流域中硝酸盐输出的水文与生物地球化学耦合响应

《Water Resources Research》：Coupled Hydrologic and Biogeochemical Responses of Nitrate Export in a Tile-Drained Agricultural Watershed Revealed by SAS Functions and Nitrate Isotopes

研究通过整合水年龄建模与硝酸盐同位素分析，揭示了人工排水农业流域中硝酸盐流失的机制。分析发现高流量条件下硝酸盐浓度呈现化学稳态，其同位素组成变化与地下水波动和排水系统激活密切相关。研究证实土壤硝酸盐生产、反硝化作用与水文传输路径的动态耦合控制了硝酸盐输出模式，湿度条件显著影响反硝化速率，从而在长期中维持硝酸盐的化学稳态。

　　在现代农业高度发展的背景下，氮（N）输入的增加成为影响流域水文与氮生物地球化学过程的重要因素。特别是在采用地下排水系统（如地膜排水）的流域中，氮的损失往往表现出显著的季节性和年际变化。本研究结合了水龄建模与硝酸盐（NO??）同位素分析，以深入探讨硝酸盐在高氮输入的地下排水农业流域中流失的机制。研究对象为美国中西部的一个典型中等规模的农业流域——上Embarras河流域（UER），该流域具有广泛存在的地膜排水系统，使得其水文与氮循环过程呈现出独特的特征。研究通过分析水龄与硝酸盐浓度和同位素的动态关系，揭示了水文流动路径变化与土壤氮循环之间的相互作用，从而更好地理解流域尺度的硝酸盐反应性传输机制。

研究发现，在高流量条件下，水龄建模揭示了明显的逆存储效应和对年轻水的偏好。这种水龄的变化反映了地下水波动和地膜排水系统激活所驱动的水体混合行为。通过将硝酸盐浓度-同位素-流量关系与水龄动态结合，研究能够解析流量路径变化和地下氮循环在塑造季节性硝酸盐出口机制中的作用。进一步的模型开发表明，硝酸盐的传输时间尺度与氮的来源可用性和反硝化过程的响应密切相关，这说明流域尺度上的硝酸盐化学静态（chemostasis）是由土壤氮生产、反硝化和流量路径激活的耦合响应驱动的。

在高流量季节，硝酸盐浓度-流量关系呈现出一种线性趋势，表明硝酸盐的出口具有相对稳定的行为，这与化学静态的概念相吻合。然而，在低流量时期，硝酸盐浓度和同位素值的变化更加显著，反映了水体来源的多样性以及地下水流动路径的调整。例如，当流量低于一定阈值时，硝酸盐浓度和同位素值会随着流量的增加而下降，这可能是因为更多的年轻水进入出口，而这些水体可能携带较低的同位素信号。这种现象表明，水体混合和反应性传输是硝酸盐浓度-流量关系的关键因素。

此外，研究还揭示了氮循环过程对流量路径的依赖性。例如，在干旱年份，硝酸盐的出口可能受到浅层流动路径的主导，而在湿润年份，深层和长距离地下水流动路径的激活则增强了年轻水对出口的贡献。这种流动路径的变化，结合氮的生产和反硝化过程，共同塑造了硝酸盐的浓度和同位素特征。硝酸盐的同位素信号，如δ1?N和δ1?O，能够反映氮循环过程的动态变化，例如反硝化反应在湿润条件下的增强。通过将这些同位素数据与水龄分布结合，研究能够更精确地识别氮循环的主导机制，以及它们如何影响硝酸盐的运输。

研究结果还强调了农业流域在氮传输和转化方面的双重功能。这种双重性使得流域对氮输入的变化具有一定的缓冲能力，同时也表明，针对氮损失的控制措施可能在相对较短的时间内显现效果。例如，改变施肥时间或引入覆盖作物等农业管理实践，能够有效减少地膜排水系统中的氮输入，从而降低硝酸盐的流失。这种缓冲效应可能是由于土壤中存在大量可溶性氮，使得即使在氮输入减少的情况下，硝酸盐的浓度仍能保持相对稳定。

在方法上，研究采用了水龄建模和硝酸盐同位素分析相结合的方式，以克服单一指标在解析复杂水文与氮循环过程时的局限性。水龄建模基于StorAge Selection（SAS）函数，通过将流域简化为一个控制体积，模拟水体的存储和传输过程。同时，通过分析硝酸盐同位素的变化，可以识别出反硝化等生物地球化学过程对硝酸盐浓度和同位素的影响。这种综合方法不仅能够揭示硝酸盐的来源和转化路径，还能够提供关于氮循环动态的定量信息。

研究还发现，硝酸盐的浓度和同位素信号在不同年份表现出显著的差异，这可能与流域的湿润程度有关。例如，在湿润年份，硝酸盐的浓度较高，但同位素值较低，这表明反硝化作用在这些年份中更为活跃。而在干旱年份，硝酸盐的浓度较低，但同位素值较高，这可能是因为反硝化作用受到抑制，导致更多的硝酸盐通过水流路径被输送到流域出口。这种湿润度对硝酸盐出口的影响，进一步强调了水文与生物地球化学过程之间的耦合关系。

从实际应用的角度来看，本研究的结果对制定农业氮管理策略具有重要意义。它表明，通过优化氮输入的时间和方式，可以在较短时间内显著减少氮的损失。例如，将施肥时间从秋季调整到玉米种植前，能够减少冬季和春季土壤中氮的积累，从而降低地膜排水系统中的硝酸盐浓度。此外，引入覆盖作物或改用多年生作物种植系统，也有助于增强土壤对氮的保留能力，减少硝酸盐的流失。这些发现为未来的氮管理提供了理论支持和实践指导。

同时，研究还揭示了水文与生物地球化学过程之间的相互作用。例如，水体的存储时间与反硝化反应速率之间的关系，能够解释硝酸盐浓度和同位素信号的变化。通过将这些过程整合到一个统一的模型框架中，研究展示了如何通过水龄和同位素分析，更好地理解流域尺度上的氮反应性传输机制。这种模型不仅能够模拟硝酸盐的浓度和同位素信号，还能揭示其与水文条件之间的动态关系。

最后，研究还讨论了模型的局限性以及未来研究的方向。虽然当前模型在一定程度上能够模拟硝酸盐的浓度和同位素信号，但由于参数估计的不确定性，模型在某些时段的表现可能不够理想。因此，未来的工作需要进一步优化模型参数，并考虑更复杂的氮循环过程，以提高模型的准确性。此外，研究还指出，通过结合水龄建模与硝酸盐同位素分析，可以揭示流域尺度上的氮循环机制，这为理解和预测农业流域对环境变化的响应提供了新的视角。