论文标题：HOTSPOTS OF NUTRIENT LOSSES TO AIR AND WATER: AN INTEGRATED MODELING APPROACH FOR EUROPEAN RIVER BASINS（养分向大气和水中流失的热点地区——欧洲河流流域的综合建模方法

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Aslihan URAL-JANSSEN, Carolien KROEZE, Jan Peter LESSCHEN, Erik MEERS, Peter J.T.M. VAN PUIJENBROEK, Maryna STROKAL

发表时间：15 Dec 2023

DOI：10.15302/J-FASE-2023526

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农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

· 第七篇 ·

▎论文ID

Hotspots of nutrient losses to air and water: an integrated modeling approach for European river basins

养分向大气和水中流失的热点地区：欧洲河流流域的综合建模方法

发表年份：2023年

第一作者：Aslihan URAL-JANSSEN

通讯作者：Aslihan URAL-JANSSEN

：aslihan.ural@wur.nl

作者单位：瓦赫宁根大学，水系统与全球变化研究小组

Cite this article :

Asl?han URAL-JANSSEN, Carolien KROEZE, Jan Peter LESSCHEN, Erik MEERS, Peter J.T.M. VAN PUIJENBROEK, Maryna STROKAL. HOTSPOTS OF NUTRIENT LOSSES TO AIR AND WATER: AN INTEGRATED MODELING APPROACH FOR EUROPEAN RIVER BASINS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 579–592 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023526

· 文 章 摘 要 ·

大气和水体的养分污染是欧洲一个长期存在的问题。然而，研究往往单独分析污染源，导致无法制定综合解决方案。本研究为欧洲开发了一个新的MARINA-Nutrients模型，用于计算陆地和河流的氮和磷输入量、排放到大气中的活性氮以及由河流流域向海洋的养分输出量，旨在量化农业生产对大气、河流和沿海水污染的贡献。研究结果发现，每年陆地的氮和磷输入量分别为34.4和1.8 Tg。然而，只有12%的氮和3%的磷进入河流。农业贡献了河流中55%的氮，污水贡献了67%的磷。每年排放到大气中的活性氮为4.0 Tg。近五分之二的氮排放来自动物的圈舍和粪污储存。近三分之一的流域被认为是污染热点区域。超过25%的河流输出的氮最终进入了大西洋，磷最终进入了地中海。该结果可以支持环境政策，减少大气和水体污染，避免交叉污染。

· 文 章 亮 点 ·

1. 开发了一个新的MARINA-Nutrients模型，用于评估欧洲的空气和水污染情况。

2. 河流中55%的氮和67%的磷分别由农业生产和污水处理造成。

3. 排放到大气中的活性氮有五分之二来自于动物圈舍和粪污储存。

4. 近三分之一的流域贡献了一半以上的大气氮排放和水体养分污染。

5. 超过25%的河流输出的氮最终进入大西洋，磷最终进入地中海。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

集约化农业和高人口密度往往是欧洲大气和水污染的主要原因。一些研究对大气的氮素损失进行了量化，通常是在行政范围内进行。其它研究侧重于河流和沿海流域的氮磷损失，通常以栅格和流域尺度。然而，欧洲的现有研究很少同时关注大气和水污染。通常，大气和水分析的空间尺度不匹配，这就造成了环境影响评价和管理方面的偏差。为此，迫切需要对大气和水污染进行一致的评估，以确定污染源的贡献，这需要综合方法来协同减少污染。MARINA-Nutrients是一个稳态的综合模型，它是一种基于过程的模型，量化从陆地流向河流和海洋的氮和磷损失。然而，这种模型没有考虑欧洲农业活动向大气中排放的氮。MITERRA-Europe是一个确定性和静态的养分循环模型，它量化了欧洲区域尺度上每年向大气排放的温室气体 (如N₂O) 和氨，以及农业的氮和磷的流量。将这两个模型(MARINA-Nutrients和MITERRA-Europe) 结合起来，为评估欧洲大气和水污染的主要来源提供了机会。

本研究旨在量化农业活动对大气、河流和沿海水污染的贡献，同时关注欧洲流域的养分。为此，本文将MARINA-Nutrients和MITERRA-Europe结合起来。欧洲的新MARINA-Nutrients模型考虑了农业向大气中流失的活性氮 (如NH₃、N₂O)，以及农业、污水和自然活动向河流和沿海水域流失的营养。流域尺度模型可以对水污染进行空间明确分析，并探索具体的实施措施。本文的研究结果可以为欧洲环境政策提供帮助，以分配有效的养分管理策略，并通过流域尺度的大气和水污染分析避免交叉污染。

▎研究方法

（1）量化土地的氮、磷输入

欧洲的新MARINA-Nutrients模型简单来说是将MITERRA-Europe 模型的输出结果用作MARINA-Nutrients模型的输入 (图1)。农业用地的氮和磷输入来自合成肥料和动物粪便的施用、放牧、大气氮沉降、生物固氮、有机质淋溶和磷风化 (图1)。同时考虑了动物饲养和粪便储存过程中氮和磷的损失 (例如，反硝化和淋溶)。非农业用地的氮输入包括大气沉降、有机质淋溶和自然植被的生物固氮；磷输入包括有机质淋溶和磷风化 (图1)。

图1 欧洲新MARINA-Nutrients模型的框架。

（2）量化河流的氮、磷输入

通过新的欧洲MARINA-Nutrients模型计算了从面源和点源向河流输入的养分量。该模型量化了河流中溶解无机氮 (DIN)、溶解有机氮 (DON)、溶解无机磷 (DIP) 和溶解有机磷 (DOP)。无机形态和有机形态的总和等于总溶解氮 (TDN)和总溶解磷 (TDP)，同时考虑了土地截留和水土流失来计算TDN和TDP对河流的输入。

通过MITERRA-Europe模型，计算了动物和作物生产系统向大气中排放的氨 (NH₃)、氧化亚氮 (N₂O) 和氮氧化物 (NO_x)，量化氮向大气中的排放。新的MARINA-Nutrients模型还将欧洲流域的DIN、DON、DIP和DOP的河流输出作为河流养分输入、滞留和损失的函数，量化河流氮、磷的输出。

（3）确定氮、磷损失热点

将污染程度分为五组：第一组 (20%的流域) 污染程度最低，第五组 (20%的流域) 污染程度最高。第五组 (20%的流域) 为污染热点 (图2)。

图2 欧洲流域损失到大气和水中的养分 (审图号: GS 京 (2023) 2266 号)。(a) 各流域排放到大气中的活性氮; (b) 各流域向河流输入的总溶解氮 (TDN); (c) 各流域向河流输入的总溶解磷 (TDP); (d) 向大气排放的氮、向河流输入的TDN和TDP组合图。

▎结果

（1）农业给土地带来的养分

新的MARINA-Nutrients模型估计总氮输入量为每年34.4 Tg，磷输入量为每年1.8 Tg。农业贡献了陆地上84%的氮和96%的磷。在大多数流域，施用化肥是农田氮素投入的主要来源。畜禽粪便是农用地磷输入的主要贡献者。农业用地的大部分输入通过作物收获被移除了 (即62%的氮和72%的磷)，在农业用地中只有12%的氮和3%的磷投入到河流中。农业土壤向大气排放的氮占农业土地氮投入的9%，剩余的大部分磷输入被保留在土壤中。

（2）农业和污水给河流带来的养分

2017–2020年间，欧洲河流的TDN为每年6.2 Tg，TDP为每年0.25 Tg (图2)。不同流域和营养源对河流污染的贡献不同。农业贡献了河流中55%的氮，污水贡献了67%的磷 (图3)。在农业方面，欧洲大部分地区合成肥料的施用是河流TDN输入的最大来源，而西欧则是粪肥 (图3)。然而，在北欧流域，非农业地区的面源 (例如，有机质淋溶和磷风化)是河流养分输入的主要来源 (图3)。

图3 (a) 各种来源对河流总溶解氮 (TDN) 输入量的相对贡献；(b) 各种来源对河流总溶解磷 (TDP) 输入量的相对贡献。

（3）农业向大气中排放的氮

2017–2020年间，向大气排放的活性氮为每年4.0 Tg，其中包括农业土壤 (每年2.5 Tg)和动物饲养和储存系统 (每年1.5 Tg) 的排放 (图2)。动物饲养和储存系统是农业向大气排放的活性氮的重要贡献者，占近五分之二 (38%)。活性氮排放包括来自动物饲养和储存系统以及农业土壤的NH₃、N₂O和NO_x。NH₃排放是向大气排放活性氮的最大贡献者，其中包括饲养和储存系统 (37%)，肥料施用 (24%)，合成肥料施用 (17%) 和放牧 (7%)。N₂O和NO_x排放量分别占活性氮排放量的12%和4%。

（4）大气和水污染热点

大气和河流污染集中在西欧、中欧和南欧流域 (图2)。河流输入TDN超过1694 kg·km^–2·yr^–1、TDP超过59 kg·km^–2·yr^–1的流域被认为是水污染热点 (图2)。农业向大气排放活性氮超过1379 kg·km^–2·yr^–1的流域被认为是大气污染热点 (图2)。因此，230个流域被认为是大气或水或两者的污染热点。31%的欧洲流域面积，包括37%的农业用地和59%的总人口，造成了一半以上的大气和河流损失 (图2)。这些热点地区主要是由农业活动造成的，在2017–2020年期间，造成了53%的总氮排放到大气中、55%的TDN和57%的TDP损失到河流中 (图2)。在欧洲，有7%的流域总面积有18%的人口同时受到大气和水的养分流失的污染 (图2)。

（5）河流养分输出

河流向欧洲海域输出的TDN为每年2.7 Tg，TDP为每年0.11 Tg (图4和图5)。河流输出热点 (第五组) 占TDN的五分之二 (40%)，占输出到欧洲海域的TDP的一半 (46%) (图4和图5)。超过四分之一的TDN (28%) 排放到大西洋，TDP (27%) 排放到地中海，其余的通过河流排放到北冰洋、波罗的海、黑海和北海 (图4和图5)。

图4 各流域总溶解氮 (TDN) 的河流输出 (审图号: GS 京 (2023) 2266 号)。

图5 各流域总溶解磷 (TDP) 的河流输出 (审图号: GS 京 (2023) 2266 号)。

· 结 论 ·

本研究量化了欧洲各流域每年向陆地和河流输入的氮和磷、向大气排放的氮以及向海洋输出的氮和磷。为此，本文开发了一个新的MARINA-Nutrients模型，并将其应用于601个欧洲流域。结果表明，2017–2020年，农业对土地氮和磷的贡献率分别为84%和96%。合成肥料和粪肥的施用（包括放牧期间积累在地上的粪肥）是土地养分的最大贡献者。在这些输入中，12%的氮和3%的磷进入河流。不同流域的大气和河流污染源差异很大。在本研究考虑的来源中，农业贡献了河流中55%的氮，污水贡献了67%的磷。排放到大气中的活性氮约五分之二来自动物的饲养和储存。近三分之一的流域面积造成了一半以上的氮排放到大气中和河流中的养分污染。超过四分之一的河流排放的氮最终进入大西洋，排放的磷最终进入地中海。本研究有助于通过流域尺度的大气和水污染分析制定有效的养分管理战略，以防止欧洲发生污染交换。

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