研究背景
人口增长和农业发展的需求推动氮肥大量施用，虽保障了粮食安全，却给水生环境带来巨大压力。氮肥过量施用后，硝酸盐会通过径流和淋溶作用向地表水体迁移，进而引发水体富营养化、藻类水华、地下水污染等问题。在农业小流域，硝酸盐的迁移主要受暴雨驱动的水文过程影响，暴雨会激活地表与浅层地下径流通道，让土壤快速饱和，进而加快硝酸盐经径流和淋溶向河网的迁移速度。现有研究虽证实了暴雨事件与硝酸盐迁移过程存在关联，但不同暴雨型态在事件尺度上对硝酸盐的具体调控机制，目前仍未明确。
为此，华中农业大学史志华老师团队以丹江口库区农业小流域为研究对象，结合高频水文监测与稳定水同位素示踪法，完成20场暴雨事件的原位观测与样品分析，系统阐明不同暴雨峰值模式下硝酸盐的输出途径与规律，相关成果发表于国际权威期刊《Water Research》。该研究为解析暴雨结构对农业流域硝酸盐输出的调控作用提供了精准的数据支撑，在揭示水文连通性与硝酸盐动态的关联上，填补了传统低频监测的过程研究空白。
图1.研究集水区的地理位置与土地利用。
研究方法
2021 年 4~10 月，研究团队在丹江口水库流域出口开展高频监测，捕获20场暴雨事件，以15 min~2 h频率采集雨水和暴雨径流水样1161个，并依据30 min最大雨强（I30）和雨峰波动指数（FIRP）的出现位置，将暴雨分为前峰、中峰、后峰。
监测指标：硝酸盐（NO3-）、铵态氮（NH₄⁺-N）以及暴雨径流的氢氧稳定同位素（δ2H、δ18O）；
数据分析：利用MixSIAR模型解析径流中雨水、土壤水（浅、中、深）、地下水的贡献，并结合浓度-流量关系（C-Q）：识别硝酸盐输出的三种行为——稀释、冲刷、化学稳态；
研究团队采用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统(北京理加联合科技有限公司)提取样品中99%的土壤水。该设备采用超低压真空蒸馏冷冻的原理，不仅能高效获取土壤水，而且可严格控制提取过程、避免蒸发引发的同位素分馏，确保氢氧同位素分析结果的准确性。
表1.三种暴雨型态的暴雨及径流统计参数。
表2.不同暴雨事件下的径流组分特征。
图2.三种暴雨模式的径流分量叠加条形图。
图3.单次退水过程中的径流流量与溶质浓度时间序列（左侧），以及相应的C-Q关系（右侧）。
图4.不同暴雨情况下的集水区最佳管理措施概念图。
核心发现
不同暴雨类型具有显著不同的径流特征，径流系数表现为：早峰值>中峰值>晚峰值；
整体上，土壤水为暴雨径流主要来源，且贡献占比随土层深度增加而提升；
早峰值暴雨的硝酸盐输出途径主要受雨水和浅层土壤水调控；
中峰值暴雨最有利于深层土壤水参与，并表现出最强的化学稳定型输出；
后峰值暴雨更多表现为深层参与和显著稀释模式；
暴雨峰值时序通过水文连通性驱动的迁移途径调控硝酸盐输出模式；
结语
该研究明确，暴雨的内部时序结构是调控农业流域硝酸盐输出的关键驱动因子，其触发的水文路径激活模式，远比以往认知的更为复杂多样。未来研究可在高频原位监测的基础上，深度融合机器学习算法与硝酸盐双同位素示踪技术，系统提升不同暴雨格局下硝酸盐迁移转化过程的模拟精度与预测能力，进而为气候变化背景下，流域水质的主动防护与弹性管理提供更为坚实的科学支撑。
发表期刊：Water Research【影响因子：12.4】
研究单位：华中农业大学、长江水利委员会长江流域水土保持监测中心站等
研究地点：湖北省丹江口水库流域
使用设备：LI-2100全自动真空冷凝抽提系统
DOI：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125405