近日，我院陈能汪教授领衔的“环境过程与系统模型”团队在Water Research上发表题为“Assessing ammonium pollution and mitigation measures through a modified watershed non-point source model”的研究论文。该研究基于九龙江流域定位站长期观测研究，对SWAT水质模型进行了改进，增加了铵氮的土-水过程（地表径流、壤中流、下渗过程）的模块，利用改进后的模型模拟了九龙江流域的铵氮污染过程和流域出口负荷，并评估了不同氮污染缓解措施对于水质提升的效果，相关研究成果可为生态环境治理提供有益参考。
研究背景
铵氮（NH4+）是土壤和水体中的一种常见无机氮，在陆地氮循环中起着至关重要的作用。在农业生产中施用铵肥，土壤中的铵氮可以被植物直接吸收，经氨挥发作用进入大气，或通过硝化作用转化为硝氮（NO3–），通过地表径流或地下水进入河流、湖泊等受纳水体，造成非点源污染。流域水质模型可以模拟流域内点源（如工业废水、污水处理厂或规模化养殖场排水）与非点源污染物的迁移转化过程，包括从土壤到水体的迁移，以及河流输送过程，可定量评估各种来源对污染负荷的贡献，从而为流域水污染治理提供科学依据。
由于铵氮在自然环境中不稳定，要准确模拟铵氮污染过程面临很大的挑战。SWAT是当前应用最广的流域水质模型，可以模拟水文过程、土壤侵蚀、养分循环、植物生长以及多种农业和水资源管理措施。在铵氮模拟方面，SWAT考虑多种铵氮来源（输入），进而模拟土壤中铵氮的硝化和氨的挥发过程，以及铵氮在河流中的迁移转化过程。然而，SWAT假设铵氮在土壤中是不可移动的，缺乏铵氮的土-水迁移过程的直接模拟。
九龙江流域地处我国东南沿海（图1），主要包括北溪与西溪两大干流，流经福建龙岩和漳州，在厦门入海，农业非点源污染问题突出。流域内铵氮污染源主要包括生活污水、畜禽养殖排放和未利用化肥的流失，具有典型的高为人氮污染特征，是模拟研究非点源氮素污染及缓解措施的理想区域。
图1. 九龙江流域位置、土地利用和子流域划分PN、ZD分别为北溪浦南水文站和西溪郑店水文站，JD、ZSQ和QZ分别为北溪江东、西溪中山桥和桥闸水质监测断面
研究成果
本研究首先对SWAT进行了改进，增加了铵氮的土-水过程（地表径流、壤中流、下渗过程）的模块。这一改进有望扩大SWAT模型在铵氮模拟、农业非点源-水质关系和氮素管理等研究中的应用。利用改进后的模型模拟了九龙江流域的铵氮污染过程和流域出口负荷，并评估了不同氮污染缓解措施对于水质提升的效果。
研究结果表明，改进后的SWAT模型能有效地模拟铵氮的非点源污染过程。经过校正后，SWAT对铵氮和硝氮的模拟结果令人满意。考虑到铵氮的不稳定性，建议使用多组观测数据。从污染来源-负荷贡献的关系分析，点源输入贡献很小（占总输入的5.6%），但对流域出口铵氮负荷的影响显著，占总负荷的32.4%~51.9%；而占比94.4%的非点源输入对流域出口铵氮负荷的贡献仅为15.3%~17.3%。从迁移过程看，铵氮主要通过地表径流和壤中流进入水体，土壤下渗过程可忽略不计（图2）。在九龙江流域，铵氮的土-水迁移率约为每年2.35~2.90 kg N/ha，高迁移率主要发生在农业用地。
图2. 铵氮随地表径流、壤中流和下渗水的迁移过程(b)、(c)、(d)总结了5类土地利用的铵氮的土-水迁移率，NRW和WRW分别为北溪流域和西溪流域
基于改进后的SWAT模型，进一步评估了不同氮污染缓解措施对于水质提升的效果。根据污染源贡献情况，我们提出3种铵氮污染缓解措施，即加强城市污水处理（措施1）、改善畜禽粪便管理（措施2）和减少化肥施用（措施3）。模拟结果显示，这些措施共减少流域出口1/4至1/3的铵氮负荷（图3），可显著提高水质达标率。
在九龙江流域的铵氮模拟案例研究经验，可以为其它气候和污染特征相似流域的铵氮污染过程模拟和管理对策研究提供有益借鉴。
图3. 基于情景分析的铵氮缓解措施效果评估S0为基线情景（现状），S4、S5、S6分别为单独实施加强污水处理、改善粪便管理和化肥减施措施的情景，S7为同时实施3种措施情景。NRW和WRW分别为北溪流域和西溪流域
研究团队
我院陈能汪教授为通讯作者，南方科技大学环境科学与工程学院研究副教授韩峰为论文第一作者，合作者包括新利体育2018级硕士生田情、2019级博士生王曜（现为香港大学博士后）、南方科技大学郑一教授、徐鹏副教授（现为天津大学副教授）、智利康塞普西翁大学（University of Concepción）的Alejandra Stehr教授和Ricardo O. Barra教授等。本研究得到国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目、深圳市科创委项目和福建省水利科技项目的资助。
论文来源
Han, F., Tian, Q., Chen, N.W.*, Hu, Z.P., Wang, Y., Xiong, R., Xu, P., Liu, W., Stehr, A., Barra, R.O., and Zheng, Y. (2024). Assessing ammonium pollution and mitigation measures through a modified watershed non-point source model. Water Research, 254: 121372.
文、图 | 韩 峰
责任编辑 | 陈能汪
排版 | 曾 鹏
