科学通报 | 农业氮管理助力中国浅水湖泊水质改善

近日，中国科学院南京地理与湖泊研究所刘磊研究员等与南京大学刘永学教授团队，围绕农业氮污染与湖泊水质退化之间的关系，构建了农业管理情景与湖泊氮收支模型相耦合的定量分析框架，系统评估了优化农业氮管理对我国典型浅水湖泊氮浓度变化、恢复时间和治理效益的影响。研究表明，增效肥料、物料还田、施肥量优化和缓冲带建设等农业管理措施能够显著降低农田氮径流与淋溶损失。在最优管理情景下，流域向水体输送的氮可平均削减约47%，多数受污染浅水湖泊具有通过持续管理实现水质改善的潜力。该文章为“亚热带农业高质量发展”专题(辑)稿件。

湖泊是流域水循环和物质输移过程中的重要节点，其水质关系到区域水资源安全、生态系统健康和社会经济可持续发展。氮是驱动湖泊富营养化的关键营养元素之一。在农业集约化地区，大量未被利用的氮可通过径流、淋溶等途径进入水体，增加湖泊氮污染风险。尽管优化农业管理能够有效减少农田氮损失，但这些措施能够在多大程度上改善湖泊水质、湖泊需要多久才能恢复，以及带来的经济效益有多少，仍缺乏系统的定量评估。针对上述问题，研究团队构建了农业管理情景与浅水湖泊氮收支相耦合的定量分析框架，模拟不同农业管理情景下湖泊氮浓度及恢复时间的变化。

研究发现，中国典型浅水湖泊氮去除能力具有显著空间异质性。约52.8%的湖泊依靠自身净化能力即可达到氮浓度≤1 mg N L-1的水质目标，而长江中下游、淮河流域等集约化农业区的部分湖泊则表现出较高氮浓度和较强治理需求。在高氮输入区域，湖泊氮去除速率并未随氮负荷同步升高，说明高氮负荷条件下湖泊氮去除能力可能趋于饱和。这类湖泊既承受较高外源氮输入，又受到自身去除能力限制，是未来流域氮污染治理的重点对象。

图1湖泊氮收支与去除效率的空间分布.

(a) 流域人为净氮输入量; (b) 湖泊年氮去除速率; (c) 湖泊水体氮浓度空间分布; (d) 湖泊氮去除比率, 即年氮去除量占氮负荷的比例; (e) 湖泊位置分布

基于田间观测数据，研究进一步评估了不同农业管理措施的减氮潜力。结果显示，增效肥料、物料还田、“4R”养分管理、缓冲带建设、灌溉优化和耕作方式调整等措施均可不同程度降低氮径流和淋溶损失。其中，综合实施最优农业管理措施可使进入水体的氮输入降低约47%，并显著提高氮素利用效率。这表明，农业氮管理不仅是削减面源污染的重要途径，也有助于提升农业生产系统的资源利用效率。

湖泊水质恢复并非一蹴而就。情景模拟显示，在5~10年的短期情景下，即便快速实施优化措施，仍有较多湖泊难以在短时间内达到水质目标；当管理周期延长至20年以上时，达标湖泊比例明显提高，湖泊氮浓度下降趋势更加显著。与“无行动基线”相比，实施农业管理措施可明显缩短湖泊恢复时间。

图2管理措施对氮淋溶与径流的影响效应.

(a) 中国及周边地区的田间试验站点分布，按管理措施类型分类标注; (b) 管理措施对氮径流损失和氮淋溶损失的影响效应。点和误差线分别表示平均效应量和95%置信区间；措施按四类分组：外源添加、“4R”养分管理、作物优化和田间管理

图3不同时间尺度下达到湖泊水质目标所需的人为净氮输入削减量.

(a) 5~90年内达到湖泊氮浓度≤1 mg N L–1所需削减强度(kg N km–2a–1)的空间分布. 深蓝色表示无需削减(具备自净能力), 深红色表示无法达标; (b) 不同恢复期达标所需NANI削减量的概率密度分布, 竖线表示中位数; (c) 不同恢复期达标所需NANI削减量; (d) 无法在目标年限内达到水质目标的区域湖泊数量

研究还量化了农业氮管理在湖泊治理上的经济合理性。结果表明，针对选定的17个高氮污染湖泊，农业氮管理的实施成本约为18.64±1.18亿美元，净收益约为288.33±96.76亿美元。高效益区域主要集中在集约化农业活动密集、人口密度较高且湖泊生态服务价值较大的地区。该结果说明，农业氮管理可作为具有较高效益的污染削减措施，为湖泊水质改善和生态系统服务保护提供重要支撑。

本研究从农业管理-流域-湖泊耦合视角出发，定量揭示了农业管理措施、入湖氮负荷削减和湖泊水质恢复之间的关系，为中国浅水湖泊富营养化治理提供了新的分析框架。研究指出，湖泊氮污染治理应避免“一刀切”，而应根据流域氮输入强度、湖泊自净能力、遗留氮压力和治理效益进行差异化设计。本研究为科学评估农业氮管理的水质改善潜力及其长期效益提供了定量依据，为湖泊氮污染治理和流域管理提供了科学支撑。

中国科学院南京地理与湖泊研究所和南京大学联合培养博士研究生刘璞为本文第一作者；中国科学院南京地理与湖泊研究所刘磊研究员、朱青研究员、张运林研究员和南京大学刘永学教授为本文共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金(T2522038, 42125103, 42371324, 42001347)等项目资助。

文章信息

刘璞, 刘永学, 朱青, 等. 农业管理优化对中国浅水湖泊氮浓度变化的定量方法研究. 科学通报, 2026. DOI: 10.1360/CSB-2026-0096.

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