文献分享 --NAT GEOSCI：通过管理氮盈余加速水质提升

农业氮污染引起的富营养化和地下水质问题日益严重，威胁着人类和生态系统健康。尽管世界各地在保护水质方面投入了数十亿美元，但水质的改善微乎其微（图1）。这种明显的失败可以部分归因于几十年来农业集约化过程中积累的氮盈余问题，这会导致水质改善周期的滞后性。本研究填补了氮盈余相关的关键知识空白，并提出了对应的管理方法。

1. 氮的盈余是在几十年的农业集约化中建立起来的

盈余的氮可以在许多景观中积累，包括土壤、地下水、水库、湖泊、沉积物等（图2），一般可以分为水文盈余和生物地球化学盈余。质量守恒在理论上可以用来估计氮盈余量，但是反硝化作用的强度在景观尺度是难以量化的。同时，目前也缺乏对各种环境单元中积累的盈余氮的定量认识，盈余氮渗入水体的时间也是不确定的。

2. 流域氮输入与河流氮负荷之间的关系

流域氮输入与河流氮负荷的量化影响到管理策略的有效设计。传统上认为，河流氮负荷与净氮输入线性相关（图3a），但这种线性行为通常只会在滞后时间最小的流域观察到（图3b,c）。通常来说，单个流域对于氮输入随时间的变化做出响应时，会发现明显的非线性响应（图3d-k），也就是说流域氮输入的减少并不会导致氮负荷成比例的减少。这种非线性响应被描述为滞后效应，不同的滞后曲线的影响因素包括：营养来源及分布、流域地形、土壤类型、气候、管网密度、地下水迁移时间等。

3. 模拟氮盈余和预测滞后时间

现有的营养运输模型包括统计模型：SPARROW、GlobalNEWS、GWLF等；过程模型：INCA、HBV、SWAT等。统计模型假设氮周期储于稳定状态，故无法解释盈余问题。过程模型理论上能够模拟盈余效应，但是却常常忽略历史的输入、累积和损耗。近几年，开发了ELEMeNT、LM3-TAN、SWAT-LAG等模型能够在一定程度模拟时间滞后，未来的研究需要考虑更明确的盈余过程。

4. 滞后性扰乱了经济分析和政策措施的制定

制定经济有效的水质改善策略需要严格分析成本和效益，明确考虑到盈余影响。用于对水质政策进行成本效益分析的工具一般有两类：综合评价模型（IAMs）和计量经济学方法。然而这两种方法大多把短期成本效益看得比长期水质改善更为重要，不考虑盈余的影响。如果不考虑时间滞后，水质效益是被高估的。

5. 保护水质的政策工具

对时间滞后的科学理解还没有充分地应用到政策领域，在政策上仍然存在着对水质短期改善的期望，主要是由于点源控制措施对水质的显著改善。例如1972年美国《清洁水法》、1970年加拿大《水法》、1991年欧洲《城市废水处理指令》以及中国广泛实施富营养化控制计划之后，由于点源得到控制，水质有明显的提高。但是点源和非点源污染的响应时间和尺度是完全不同的，时间滞后反而被认为是达不到水质目标的借口。当前面临两个关键挑战：一是缺乏适当尺度的水质数据，二是软性或自愿性措施采用率较低。

6. 加快水质改善的六个关键策略

策略1：量化滞后时间并调整预期

策略2：将营养盈余作为资源

策略3：研究流域生态保护的空间目标

策略4：结合场地尺度和下游措施，最大限度地减少滞后时间

策略5：多样化监测为适应性管理提供信息

这篇文章系统地分析了当前人们对于流域水质管理的误区，回顾了当前对于氮盈余以及时间滞后性的研究进展，并对于未来的水质改善模式提出了相应的策略。其中很多观点纠正了水环境管理的既定范式，对于水环境研究者来说无疑是一味“良药”。文中提到的盈余和滞后时间的量化、机理探究、多样化监测系统、成本效益分析、管理模式的探索都是非常值得深入挖掘的方向。

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