降雨模式和集水区特征通过相互作用调节农业池塘中氮和磷的动态

《CATENA》：Rainfall patterns and catchment characteristics interactively regulate nitrogen and phosphorus dynamics in agricultural ponds

柑橘种植区降雨事件导致池塘氮磷浓度显著升高，降雨量和强度为主要驱动因素，而池塘形态和景观格局（如最大斑块指数）对磷的影响更显著。研究结果强调降雨水文过程与流域特征协同作用对农业面源污染控制的重要性。

　　

肖恒斌|陈亚萍|胡天姿|胡荣贵

中山大学生态学院，中国深圳518107

摘要

降雨期间，农业流域中的营养物质向地表水的输送会威胁水质。然而，降雨模式（即降雨量、强度、持续时间和间隔）如何与流域特征（如土壤养分、坡度、景观格局和池塘形态）相互作用，从而调节农业池塘中氮（N）和磷（P）的动态，目前仍知之甚少。本研究调查了降雨事件对柑橘种植流域中池塘内氮和磷浓度时间变化的影响。在监测期间，硝酸盐（NO??N）和溶解磷（DP）分别占总氮（TN）和总磷（TP）浓度的主导部分。降雨事件导致营养物质浓度增加，其中颗粒态氮（PN）和磷（PP）的浓度增幅（22–164%）大于其溶解态对应物。降雨量和强度是导致营养物质浓度增加的主要因素。降雨持续时间与颗粒态营养物质水平的变化呈正相关，而降雨间隔的影响较小。多元分析表明，降雨模式和池塘形态共同解释了观测到的营养物质浓度变化的65%。水深、流域坡度和土壤养分的差异显著促进了氮和磷浓度的增加。磷的动态受景观格局的影响比氮更强烈，尤其是通过最大斑块指数（LPI）和香农多样性指数（SHDI）体现出来。这些结果强调了需要采取综合策略来减轻集约化农业流域中的非点源污染。该研究强调了水文过程和流域特征在管理农业水质方面的关键作用。

引言

降雨在建立陆地污染源与地表水体之间的水文联系方面起着关键作用，从而影响地表径流量和土壤养分的输送（Simpson等人，2023；Zhuang等人，2022）。降水的时变性与地表水中养分浓度的动态变化密切相关。强降雨事件会加速土壤侵蚀，并通过增加径流来加剧非点源污染（Huang等人，2022；Ilampooranan等人，2022）。少数几次强降雨事件就可能占农业流域年氮和磷损失的近50%（Li等人，2019）。这种快速且过量的养分输入会降低地表水质，破坏水生生态系统，并影响下游水体。了解降雨模式如何影响地表水中的氮和磷动态对于制定有效的污染缓解策略至关重要。

降雨模式包括四个关键参数：降雨量、强度、持续时间和间隔（Williams和King，2020；Yue等人，2023）。降雨量的增加通常会导致更多的径流产生和更高的养分输出通量。然而，接收水中的养分浓度可能会根据前期条件和流域特征而产生不同的响应（Dupas等人，2024；Phlips等人，2007）。降雨强度定义为单位时间内的降水量，反映了降雨事件的侵蚀潜力。在西班牙的埃布罗河流域，Ramos等人（2019）报告称，农业用地的最大氮和磷损失分别发生在降雨强度为50毫米/小时和65毫米/小时时。降雨持续时间影响降雨后养分输送的时间动态。一些研究使用流量-浓度曲线来描述降雨事件过程中养分浓度的变化（D'Amario等人，2021；Xie等人，2022）。降雨间隔指的是自上次降雨事件以来的时间。较长的间隔可能会减少土壤湿度，限制污染物从土壤中的释放。尽管之前的研究已经探讨了单个降雨模式对养分损失的影响，但对这些降雨因素如何共同影响地表水中氮和磷浓度的综合评估仍然有限。

农田接受了大量的化学肥料输入，降雨事件可以迅速 mobilize 农业土壤中保留的养分，促进其转移到相邻的地表水中。全球范围内，农业活动被认为是富营养化的主要驱动因素（Basu等人，2022；Mekonnen和Hoekstra，2018）。养分污染的发生和严重程度受到流域异质性的强烈影响，例如作物覆盖类型、土壤养分、景观格局等。果园通常比其他种植系统施用更多的肥料，在降雨事件后地表径流中的氮和磷损失更大（Xiao等人，2024a）。土壤中长期积累的养分构成了一种需要特别关注的污染源，因为它对地表水中的氮和磷水平有显著贡献。景观元素的空间分布，如斑块多样性和破碎度等指标，与地表水中的氮和磷浓度存在强烈的统计关系（Talukdar等人，2021；Wu和Lu，2021）。此外，对573个湖泊的全球综合分析表明，水深是控制养分浓度的重要因素（Qin等人，2020）。降雨还可以改变水体形态，特别是通过水深的波动，进而调节养分浓度和动态。尽管人们对理解降雨效应的兴趣日益增加，但流域特征在调节地表水氮和磷动态方面的调节作用仍研究不足。

农业池塘作为重要的景观单元，提供了关键的生态系统服务，如雨水调节和季节性供水（Olmo等人，2022；Swartz和Miller，2019）。这些水体通常面积较小，空间上较为孤立，受到有限流域内产生的径流的强烈影响。当前的研究表明，茶园流域中的池塘水氮和磷浓度与降雨模式密切相关（Zhang等人，2020），但现有分析未能充分考虑流域特征的潜在影响。柑橘是世界上主要的水果之一，在中国亚热带地区，其种植面积和产量均位居世界首位（Spreen等人，2020）。然而，柑橘果园流域中池塘水氮和磷浓度对降雨模式的响应尚未得到系统研究。在这里，我们监测了柑橘果园流域在降雨事件前后池塘中氮和磷的动态变化。我们的目标是：（1）描述降雨事件后池塘氮和磷浓度的变化；（2）确定养分浓度、降雨模式和流域特征之间的关系，以及这些因素的相对贡献。

研究区域

研究区域位于中国湖北省班月镇流域，总面积为30.13平方公里（图1）。该地区属于长江中游从山区向平原的过渡地带，具有亚热带季风气候，年平均气温约为16.5摄氏度，年降水量约为990毫米。大部分降雨和高温度发生在4月至8月之间（Luo等人，2023a）。土壤母质为

流域特征

八个监测池塘位于具有明显异质性的流域中（表2）。水文测量显示，池塘深度从1.54米到1.81米不等，其中O4最深，O5最浅。除了O4、O7和O8的面积超过1公顷外，大多数池塘的覆盖面积不到流域面积的10%。流域的平均坡度从最低的3.67度到最高的7.77度不等，表明地形变化适中。土壤养分表现出

降雨影响氮和磷的动态

降雨事件增强了周围流域中养分向池塘系统的输送，不同形式的养分表现出不同的输送机制。与其它参数相比，颗粒态养分（NH??N、PN和PP参数）在降雨事件后的增加比例更高，反映了土壤颗粒向水体的侵蚀输送增强（Speir等人，2022；Zhao等人，2023）。另一方面，降雨引起的水柱扰动

结论

本研究表明，降雨事件影响池塘养分的动态，降雨量和强度是氮和磷浓度增加的关键驱动因素。尽管大多数池塘在降雨后的变化较小，但水深的增加引发了更明显的养分峰值，尤其是颗粒态养分。流域特征对磷的变化影响更为显著，而氮的波动主要受降雨控制

作者贡献声明

肖恒斌：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据整理。陈亚萍：撰写——审阅与编辑、资源获取。胡天姿：可视化、资源管理。胡荣贵：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD1900902）、中山大学的启动资金（77010-12240013）和高层次青年人才项目（77010-42150004）的财政支持。特别感谢编辑和匿名审稿人的建设性评论和建议。