地下水硝酸盐污染已成为全球普遍存在的环境问题，尤其是在华北平原等集约化农业区（Zhang et al., 2014; Yang et al., 2021）。农业是硝酸盐污染的主要来源，因为过量施用氮肥不仅会导致地表水富营养化，还会使硝酸盐渗入作物根区以下，最终污染含水层（Huang et al., 2017; Wang et al., 2019a）。这对以地下水为主要饮用水和灌溉水源的地区构成了严重的安全风险（Wang et al., 2019a; Leng et al., 2020）。除了影响地下水质量外，硝酸盐淋失还意味着肥料投入的损失，并间接增加了温室气体排放（Hartmann et al., 2014; Xu et al., 2020; Lu et al., 2021）。
华北平原是中国生产力最高的农业区之一，以夏玉米和冬小麦的集约化双季种植系统、高灌溉率和广泛使用矿物肥料为特点（Mack et al., 2005; Meng et al., 2022）。肥料施用量通常超过作物需求，常见值达到数百千克/公顷/年，远高于自然草原的几十千克/公顷/年（Power and Schepers, 1989; Wang et al., 2019b）。再加上粗粒土壤和夏季降水量变化大的特点，这些因素加剧了硝酸盐的淋失风险（Meng et al., 2022）。同时，华北平原严重的地下水枯竭进一步复杂化了氮的迁移和管理（Famiglietti, 2014; Qiu et al., 2018）。地下水位下降会导致硝酸盐在土壤中积累，形成“遗产”氮储库。这一现象在其他高投入农业系统（如密西西比河流域和中国半湿润耕地）中也得到了直接证实（Zhou et al., 2016; Weitzman et al., 2022）。因此，地下水中硝酸盐的存在不仅反映了当前的氮肥施用量，还反映了这种“遗产”氮的释放过程，这一过程受水文条件的强烈影响。量化硝酸盐淋失通常依赖于“淋失因子”——即从农业系统中淋失的氮肥比例。对于大规模调查，这一因子常被假设为恒定（Wang et al. 2019b, 2025b）。然而，证据表明该因子会随环境和管理条件的不同而变化（Wang et al., 2025b）。因此，了解硝酸盐淋失如何随地下水位深度和施肥制度的变化而变化，对于预测损失并指导可持续的养分管理至关重要。
尽管许多研究记录了农业对地下水硝酸盐富集的作用（Wang et al. 2019a, 2025b），但大多数研究集中在浅层土壤（<2米）或短期动态上，深层土壤中硝酸盐的命运仍不清楚（Weitzman et al., 2022）。施用在表面的氮肥有相当一部分（约30%）会向下方迁移，并可能在数十年后才到达地下水（Van Meter et al., 2016）。先前的研究估计，3-73%的施用氮会通过淋失损失（Huang et al. 2011, 2017; van der Laan et al., 2014; Wang et al., 2025b），但关于硝酸盐在何时以及何种条件下到达地下水的定量证据仍然稀缺——尤其是关于地下水位深度和施肥速率之间的相互作用。
现有的研究氮淋失的方法（如陶瓷吸盘和排水渗漏计）提供了重要的见解，但也有明显的局限性。具体来说，吸盘可以重复采集孔隙水样本，但由于土壤持水量低和难以建立完整的质量平衡而受到限制（Creasey and Dreiss, 1988; Wolf et al., 2023）。排水渗漏计可以提供淋溶液体积和浓度，但在安装过程中会干扰自然土壤水文条件（Brown et al., 2021; Zheng et al., 2024）。
为了解决这些局限性，我们采用了一个受控地下水位的中尺度系统，可以自动调节地下水位深度并直接测量相对未受干扰的8米深土壤剖面中的排水通量，从而弥合了小规模渗漏计实验与田间异质性之间的差距（Ouyang et al., 2021）。该系统能够同时监测水文和养分传输、检测瞬态淋失事件，并量化对施肥和降雨的响应（Ouyang et al., 2021）。
我们假设硝酸盐淋失受地下水位深度和氮肥施用量的共同调节，它们的相互作用决定了硝酸盐损失的时间和程度。具体来说，我们假设浅层地下水会加速硝酸盐向含水层的传输，而深层地下水位会延缓但不会阻止淋失。为了验证这一假设，我们在华北平原进行了为期一年的中尺度实验，模拟夏玉米-冬小麦轮作体系，比较了两种地下水位深度（2米和4米）和两种施肥水平（420千克/公顷和560千克/公顷）。我们的目标是：1）量化地下水位深度和氮肥施用量对硝酸盐淋失动态和年淋失量的影响；2）评估偶发性淋失事件对总硝酸盐损失的贡献；3）为华北平原及类似地区的灌溉作物系统中硝酸盐淋失管理提供参考。
