气候变化正在重塑中国农田氮污染版图｜NSR论文

近日，中国科学院南京土壤研究所夏永秋团队在气候变化影响农田氮污染空间格局转移方面取得重要进展。相关成果以“Climate-driven spatial reorganization of cropland nitrogen pollution hotspots toward arid and semi-arid regions”为题，发表在National Science Review (《国家科学评论》，NSR)。

该研究依托团队自主研发的“知源”农业面源污染模型（Water Network Framework，WNF），整合了中国1485个田间观测数据，将农田氮径流模拟与湖泊、水库和河流中的氮迁移消纳过程相结合，系统评估了当前及未来气候情景下中国农田氮污染的空间变化。

研究发现，当前湿润南方仍是农田氮输出的主要区域，但未来污染增长最快的区域可能转向干旱和半干旱北方。到2050年，北方农田氮入海输出预计增加18.8%—53.2%，而南方总体保持稳定或略有下降。这表明，气候变化不仅可能加剧农田氮污染，还将重新塑造污染风险的空间格局，亟须实施气候适应性的分区氮污染防控。

中国农田氮污染未来格局亟待查明：

未被作物吸收的肥料氮和土壤氮，可在降雨作用下随地表径流进入沟渠、河流和湖库，进而影响下游水质。过去，降雨充沛、水网密集的湿润地区通常被视为农田氮污染的主要风险区，而北方因降雨少、径流弱，氮素迁移受到限制。然而，未来北方部分地区的降雨量和强降雨事件可能明显增加，升温也会促进土壤氮释放。与此同时，水体消纳氮污染的能力还受到温度和水网结构影响。因此，仅依据当前径流损失，难以准确判断未来的高风险区域。

图1. 中国农田氮径流的南北差异化驱动机制

当前农田氮输出呈现显著的“南高北低”格局：

研究估算，2019年中国农田氮径流损失总量约为0.86 Tg，其中湿润南方贡献0.59 Tg，约占全国总量的69%，北方贡献0.27 Tg。南方丰富的降雨和密集排水网络增强了农田与水体之间的连接，使氮素更容易随径流输出。农田氮进入水环境后，部分可在湖泊、水库和河流中被沿途消纳，全国水网总体消纳了约45.9%的农田氮径流。经过水网消纳后，南方农田氮入海输出仍约为0.31 Tg，明显高于北方的0.16 Tg。

图2. 中国主要流域农田氮径流在水网中的级联效应

气候变化将推动污染增长热点向北方转移：

尽管当前南方农田氮输出更高，但研究预测，未来增长最快的区域将集中在干旱和半干旱北方。到2050年，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，北方农田氮入海输出预计分别增加18.8%和53.2%，南方则总体稳定或下降约5%。其中，海河流域表现出极高的气候敏感性，在高排放情景下，农田氮入海输出可能增加88.1%。研究还发现，当北方年降水量达到约457 mm后，氮径流对降雨增加的响应明显加快，长期积累的土壤氮可能在强降雨中被集中冲刷。

图3. 2050年SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下中国农田径流氮负荷的南北格局

南北方需要实施差异化的氮污染治理策略：

未来农田氮污染治理应由统一防控转向适应区域气候和水文条件的分区管理。在海河、黄河和辽河等北方高风险流域，应优先采用天气响应型施肥、控释肥和分次施肥，根据降雨预报调整施肥时间和用量，减少干旱期土壤残留氮积累及暴雨期间的集中流失。对于水网密集的南方流域，则应在控制农田氮源的基础上，通过河岸湿地恢复、水生植被管理和分散式滞留塘建设，维持并提升水网的氮消纳能力，形成北方强化源头减排、南方重视过程调控的治理模式。

图4. 面向气候变化的我国南北农田氮污染差异化管理策略

亮点

该研究依托自主研发的“知源”农业面源污染模型，将全国尺度田间观测、农田氮径流模拟与水网沿程消纳过程相结合，揭示了气候变化不仅会改变农田氮污染总量，还会重新塑造污染风险的空间格局。研究表明，当前农田氮输出较高的湿润南方并非未来增长最快的区域，干旱和半干旱北方可能因降雨增加、土壤氮积累、强降雨冲刷和水网缓冲能力有限，逐渐成为新的污染热点。研究结果为制定气候适应性的农业氮污染分区治理策略提供了科学依据。

中国科学院南京土壤研究所邱捷为论文第一作者，中国科学院南京土壤研究所夏永秋研究员为论文通讯作者。合作作者包括中国科学院南京土壤研究所严星、赵娣、黄泽林和颜晓元研究员，新西兰生物经济科学研究院胡伟研究员，以及农业农村部农业生态与资源保护总站李旭冉。

该研究得到了国家自然科学基金项目（42430706和42177401）的资助。

研究论文

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag455