《Journal of Contaminant Hydrology》：Assessing the impacts of afforestation on nitrogen load into the northern gulf of America
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本研究通过HAWQS模型和K-S检验，评估了珍珠河流域混交林造林对北部墨西哥湾氮负荷的影响，发现造林使年均总氮和硝酸盐氮负荷分别降低26%和28%，并揭示了日氮负荷的两个阶段特征（水流速≤1200 m3/s缓慢加载，＞1200 m3/s快速加载），为优化沿海造林策略提供了依据。
欧阳颖|约翰尼·M·格雷斯|普雷姆·帕拉朱利|万永山|黄彦博
美国农业部林业局，南方研究站，河岸硬木研究中心，775 Stone Blvd., Thompson Hall, 309室，密西西比州立大学，MS 39762，美国
摘要
由于营养物质过剩，北墨西哥湾（NGOA，也称为北部墨西哥湾）发生了富营养化现象，导致有害藻类大量繁殖、缺氧区域形成，并对海产品生产、休闲活动和海上运输产生了负面影响。随着人们越来越重视通过植树造林来增加木材产量和改善水质，迫切需要研究植树造林对NGOA氮（N）负荷的影响。我们利用位于密西西比州和路易斯安那州的珠江流域（PRB），结合HAWQS（水文和水质系统）模型以及Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验方法，评估了1990年至2020年这31年间将PRB内的所有玉米和大豆用地转换为混合森林用地对NGOA总氮（TN）和硝酸盐氮负荷的影响。模拟结果显示，在基准情景下，年平均TN和硝酸盐氮负荷分别比植树造林情景高26%和28%，并且根据K-S检验结果存在统计学上的显著差异。这一结果表明，植树造林通过增强森林土壤对氮的吸附和固定作用、减少合成氮肥的施用量以及降低地表径流，显著减少了从PRB向NGOA的氮负荷。值得注意的是，氮负荷的减少幅度与耕地转换面积并不成正比，这表明其他因素（如植树造林的具体位置、地形坡度以及种植的树种类型）也可能对氮负荷产生显著影响。研究观察到两个不同的日氮负荷阶段：1）日径流量≤1200 m3/s时的缓慢加载阶段；2）日径流量>1200 m3/s时的快速加载阶段。这些发现尚未在文献中报道，强调了战略性植树造林在优化墨西哥湾地区氮负荷减少方面的价值。此外，很少有研究探讨植树造林对NGOA日氮负荷的影响，本研究有助于填补这一研究空白。
引言
北墨西哥湾（NGOA，也称为北部墨西哥湾）是一个重要的经济区域，因其海产品生产、休闲活动和海上运输而备受关注（McKinney等人，2021年）。由于来自密西西比河流域（MRB）及其他邻近河流域的氮（N）和磷等营养物质过剩，该海域发生了富营养化现象，导致有害藻类大量繁殖和缺氧区域的形成（Breitburg等人，2018年；Goolsby等人，2001年；Lu等人，2020年；Rabalais和Turner，2019年；Rabalais等人，2002b年；Tian等人，2020年）。Goolsby等人（2001年）利用历史数据应用回归模型估算了MRB向NGOA的年氮负荷。他们报告称，1980年至1996年间，NGOA的年平均总氮负荷为1,568,000吨/年，而硝酸盐氮负荷在1970年至2000年的30年间增加了两倍。此后，年平均氮负荷保持相对稳定，但年际间变化较大，主要受降水影响。这些作者进一步指出，氮的主要来源是玉米带地区的农业用地，包括明尼苏达州南部、爱荷华州、伊利诺伊州和俄亥俄州。Lu等人（2020年）使用基于过程的水生生态模型研究了阿查法拉亚河流域极端降水对NGOA氮负荷的影响，发现自2000年以来该流域60%以上的地区经历了极端降水事件，导致超过80%的氮流失。Tian等人（2020年）利用动态陆地生态系统模型预测了1901年至2014年间MRB向NGOA的长期氮负荷，发现21世纪第一个十年的总氮负荷是20世纪第一个十年的两倍。这些作者还指出，尽管过去三十年实施了氮负荷减少策略，但NGOA的TN负荷并未显著下降。这些过量的氮和其他营养物质使NGOA成为世界上最大的人为造成的缺氧区域之一（溶解氧浓度≤2 mg/L），无法维持正常的水生生物种群（Rabalais等人，2002b年）。NGOA的季节性缺氧区域始于20世纪50年代，并在70年代恶化。NGOA缺氧区域的底部面积和体积分别约为23,000平方公里和140立方公里（Rabalais和Turner，2019年）。Turner和Rabalais（2022年）报告称，1985年至2019年间，7月底至8月初缺氧区域的面积在40至22,720平方公里之间，平均为13,829平方公里。
森林砍伐是指为农业、住宅和商业开发以及木材采伐而清除和/或破坏森林的行为。MRB地区的森林砍伐导致营养物质、沉积物、除草剂和病原体的负荷增加（Dosskey等人，2012年；Goolsby和Battaglin，2001年；Stanturf等人，2000年）。Goolsby和Battaglin（2001年）报告称，1950年至1970年间MRB地区农业用氮肥的施用量增加了500%，这是MRB向NGOA氮负荷增加200%的主要原因。尽管有许多研究探讨了森林砍伐对NGOA的生态和环境影响（Chakravarty等人，2021年；Rabalais等人，2002a年；Rabalais等人，2007年），但很少有研究评估植树造林和森林恢复对NGOA周边流域氮负荷的潜在减少作用。植树造林是指在原本非森林植被或土地利用区域重新种植森林。它可以减少地表径流、过滤污染物，并降低进入水体的营养物质和沉积物负荷（Haghverdi和Kooch，2020年；Mitsch和Day，2006年；Ouyang等人，2015年；Qiu等人，2022年）。
随着人们越来越认识到植树造林在支持木材生产、改善水质以及维持陆地和水生生物（包括海产品生产和休闲活动）方面的作用，迫切需要研究其对NGOA氮负荷的影响。本研究的目的是利用HAWQS（水文和水质系统）模型来估算植树造林对NGOA氮负荷的影响。研究选定了位于密西西比州和路易斯安那州的珠江流域（PRB）作为研究地点（图1）。我们的具体目标是：1）开发针对PRB的HAWQS模型，以模拟氮负荷从PRB向NGOA的传输过程，包括模型校准和验证；2）使用Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验方法比较植树造林和非植树造林情景下的氮负荷；3）确定植树造林后氮负荷减少的关键因素。
研究地点
珠江流域（PRB）的流域面积为22,533平方公里，涵盖密西西比州的24个县和路易斯安那州的3个教区（MDEQ，2007年）。珠江发源于密西西比州中东部，最终流入NGOA。PRB由五个流域组成：上游珠江流域（6,379平方公里）、中游Pear-Strong河流域（5,120平方公里）、中游Pear-Silver河流域（3,156平方公里）、Bogue Chitto河流域（3,130平方公里）和下游Pear河流域（4,717平方公里）（Ouyang等人，2023年）。年平均降水量为1,412毫米。
模型性能
图2显示了1999年至2008年模型校准期间以及2008年至2017年模型验证期间模型预测与实际观测值的日径流量对比情况。模型校准期间的统计指标R2、NSE、PBIAS和p值分别为0.85、0.47、13.51和<0.001（图2a），模型验证期间的统计指标分别为0.85、0.5、19.38和<0.001（图2b）。这些统计指标表明模型在预测方面表现良好。结论
模型校准和验证期间模型预测与实际观测值在径流量和氮（N）浓度方面的对比表明，HAWQS模型在估算PRB向NGOA的TN和硝酸盐氮负荷方面具有较好的预测能力。
在基准情景和植树造林情景下均发现了两个不同的日氮负荷阶段：1）日径流量≤1200 m3/s时的缓慢加载阶段；2）日径流量>1200 m3/s时的快速加载阶段。
作者贡献声明
欧阳颖：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法论设计、数据分析、概念构思。约翰尼·M·格雷斯：撰写——审稿与编辑。普雷姆·帕拉朱利：撰写——审稿与编辑。万永山：撰写——审稿与编辑、数据调查。黄彦博：撰写——审稿与编辑。
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的研究结果。
致谢
本文表达的观点仅代表作者个人观点，不一定反映美国农业部、美国环境保护局及其他作者所属机构的立场或政策。
