農業氮污染引起的富營養化和地下水質問題日益嚴重，威脅著人類和生態系統健康。盡管世界各地在保護水質方面投入了數十億美元，但水質的改善微乎其微（圖1）。這種明顯的失敗可以部分歸因于幾十年來農業集約化過程中積累的氮盈余問題，這會導致水質改善周期的滯后性。本研究填補了氮盈余相關的關鍵知識空白，并提出了對應的管理方法。

1. 氮的盈余是在幾十年的農業集約化中建立起來的

盈余的氮可以在許多景觀中積累，包括土壤、地下水、水庫、湖泊、沉積物等（圖2），一般可以分為水文盈余和生物地球化學盈余。質量守恒在理論上可以用來估計氮盈余量，但是反硝化作用的強度在景觀尺度是難以量化的。同時，目前也缺乏對各種環境單元中積累的盈余氮的定量認識，盈余氮滲入水體的時間也是不確定的。

2. 流域氮輸入與河流氮負荷之間的關系

流域氮輸入與河流氮負荷的量化影響到管理策略的有效設計。傳統上認為，河流氮負荷與凈氮輸入線性相關（圖3a），但這種線性行為通常只會在滯后時間最小的流域觀察到（圖3b,c）。通常來說，單個流域對于氮輸入隨時間的變化做出響應時，會發現明顯的非線性響應（圖3d-k），也就是說流域氮輸入的減少并不會導致氮負荷成比例的減少。這種非線性響應被描述為滯后效應，不同的滯后曲線的影響因素包括：營養來源及分布、流域地形、土壤類型、氣候、管網密度、地下水遷移時間等。

3. 模擬氮盈余和預測滯后時間

現有的營養運輸模型包括統計模型：SPARROW、GlobalNEWS、GWLF等；過程模型：INCA、HBV、SWAT等。統計模型假設氮周期儲于穩定狀態，故無法解釋盈余問題。過程模型理論上能夠模擬盈余效應，但是卻常常忽略歷史的輸入、累積和損耗。近幾年，開發了ELEMeNT、LM3-TAN、SWAT-LAG等模型能夠在一定程度模擬時間滯后，未來的研究需要考慮更明確的盈余過程。

4. 滯后性擾亂了經濟分析和政策措施的制定

制定經濟有效的水質改善策略需要嚴格分析成本和效益，明確考慮到盈余影響。用于對水質政策進行成本效益分析的工具一般有兩類：綜合評價模型（IAMs）和計量經濟學方法。然而這兩種方法大多把短期成本效益看得比長期水質改善更為重要，不考慮盈余的影響。如果不考慮時間滯后，水質效益是被高估的。

5. 保護水質的政策工具

對時間滯后的科學理解還沒有充分地應用到政策領域，在政策上仍然存在著對水質短期改善的期望，主要是由于點源控制措施對水質的顯著改善。例如1972年美國《清潔水法》、1970年加拿大《水法》、1991年歐洲《城市廢水處理指令》以及中國廣泛實施富營養化控制計劃之后，由于點源得到控制，水質有明顯的提高。但是點源和非點源污染的響應時間和尺度是完全不同的，時間滯后反而被認為是達不到水質目標的借口。當前面臨兩個關鍵挑戰：一是缺乏適當尺度的水質數據，二是軟性或自愿性措施采用率較低。

6. 加快水質改善的六個關鍵策略

策略1：量化滯后時間并調整預期

策略2：將營養盈余作為資源

策略3：研究流域生態保護的空間目標

策略4：結合場地尺度和下游措施，最大限度地減少滯后時間

策略5：多樣化監測為適應性管理提供信息

這篇文章系統地分析了當前人們對于流域水質管理的誤區，回顧了當前對于氮盈余以及時間滯后性的研究進展，并對于未來的水質改善模式提出了相應的策略。其中很多觀點糾正了水環境管理的既定范式，對于水環境研究者來說無疑是一味“良藥”。文中提到的盈余和滯后時間的量化、機理探究、多樣化監測系統、成本效益分析、管理模式的探索都是非常值得深入挖掘的方向。

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