重大突破

　　丘陵地区小流域坡地耕作与沟塘蓄水利用构成了具有明显地域特点的水土关系与“源-汇”景观，是平衡农业发展与水源保护的重要自然方式。然而，近些年来在农业激励政策和特色农产品快速需求的驱动下，坡地农业开发面积和强度均显著增加，导致坡地大量氮流失并突破沟塘阻控的第一道防线，严重污染下游水体。因此，如何将流失的氮高效地滞留在沟塘系统并促进其反硝化降减是保障丘陵区清水产流的重要科学问题。 

　　已有研究多聚焦在平原区沟塘的消纳过程和机制，然而对于水文联系紧密和物质交换频繁的丘陵区沟塘，其氮素输送、滞留及其反硝化发生的环境条件变化复杂，氮“汇”机制仍亟待揭示。在此背景下，精准辨识丘陵区沟塘反硝化的热/冷点时区并施以针对性调控是保障清水产流的重要需求，同时也是面源污染控制工程（如氮输移过程拦截、反硝化沟工程选址及沟塘滞留调蓄等）高效实施的关键技术瓶颈。 

　　鉴于此，中国科学院南京地理与湖泊研究所李恒鹏研究员团队张汪寿等人围绕丘陵区沟塘系统脱氮过程与机制开展研究，取得了如下研究成果： 

　　（1）丘陵区不同沟塘脱氮潜力差异大，并与其集水区土地利用类型相关：研究发现丘陵区沟塘是重要的氮“汇”，但受到集水区不同来水水质的影响，其脱氮潜力存在较大差异。茶园集中开发区氮流失强度大，其沟塘的脱氮速率也最高，达到6.48 mmol N₂m^-2d^-1，是村塘、林塘及其他类型塘的2-6倍；茶园塘和村塘溶解氧含量低、碳源供给相对充足，其脱氮效率最高，接近15%，是其他类型塘的1-2倍。这些结果从理论的角度证实了采用沟塘消纳农业区及村落污染物的有效性，同时也揭示了一旦集水区土地利用发生变化，其沟塘脱氮潜力也会相应的改变。研究还进一步阐明了不同类型沟塘脱氮能力提升的关键限制性因素，为环境因子调控与沟塘截留净化能力提升提供了重要的科学支撑。 

　　（2）研究揭示了丘陵区沟塘发生脱氮作用的时空热点及主控因子：沟塘脱氮效果总体显著，日均降氮幅度可高达15%-20%，但脱氮过程呈现鲜明的昼夜波动规律，夜间是发生脱氮的热点时段，平均比白天高出20%以上。脱氮速率最高的时间段为早晨06:00，是下午14:00低值的近10倍。溶解氧、pH等物理指标的昼夜波动是决定塘坝脱氮速率日尺度变异的主要控制因子；塘坝脱氮过程各月差异大，脱氮潜力最高的月份主要发生在水热同期的6-9月份。坡地养分流失、温度及塘体的生态条件是决定脱氮速率逐月变化的主要因子；此外，研究还发现沟塘水陆交错带是发生脱氮作用的热点区域。研究建议从扩大脱氮热点区域、延长热点期水力停留时间两个方面来进一步提升沟塘的拦截净化能力。 

　　上述研究成果分别发表在生态环境领域重要刊物Agriculture, Ecosystems & Environment及Environmental Pollution上，研究得到了国家重点研发计划、中科院“美丽中国”先导专项、国家自然科学基金等项目的资助。 

图1 不同类型沟塘脱氮潜力的时空变化特征 

图2 典型沟塘脱氮潜力的昼夜及逐月变化规律