农业环境计划对磷和悬浮固体污染的流域尺度减排效果评估：配对流域研究

《Journal of Environmental Management》：A paired-catchment evaluation of voluntary agri-environmental scheme measures targeting diffuse phosphorus and sediment pollution

　　本研究针对农业面源磷(P)和悬浮固体(SS)污染控制难题，通过配对流域与BACI（前后对照干预）方法，评估了北爱尔兰环境耕作计划(EFS)中路径拦截措施（如河岸 fencing、缓冲带）的实施效果。研究发现，EFS措施可显著降低SS（>42%）和颗粒磷(PP)（>19%）浓度，但对可溶性活性磷(SRP)无显著减排作用；SS和PP的响应时间分别为约17和22个月；高流量会削弱措施效果。研究强调了未来需结合源头减排与精准布设措施以提升气候韧性。

　　

农业活动在保障粮食生产的同时，也带来了严峻的环境挑战，其中磷(P)和悬浮固体(SS)等污染物通过地表径流进入水体，是导致河流、湖泊富营养化的重要原因。为了应对这一问题，许多国家和地区实施了农业环境计划(Agri-Environmental Schemes)，通过经济激励鼓励农民采取环境友好的耕作措施，以减轻农业对水环境的压力。然而，这些自愿性措施在流域尺度上能否有效改善水质，其效果如何，以及需要多长时间才能显现，仍然缺乏充分的实证评估。尤其是在气候变化导致极端降雨事件频发的背景下，评估这些措施在不同水文条件下的有效性显得尤为重要。

在此背景下，北爱尔兰的农业食品与生物科学研究所(Agri-Food and Biosciences Institute)的M. Fresne、P. Jordan和R. Cassidy等研究人员在《Journal of Environmental Management》上发表了一项研究，他们采用了一种严谨的科学方法——配对流域与前后对照干预(BACI)相结合的设计，对北爱尔兰环境耕作计划(EFS)中一系列旨在拦截污染物迁移路径的措施（例如，河岸 fencing、2米宽的缓冲带、新植树篱等）进行了为期四年的实地监测与评估。该研究聚焦于两个相邻的小流域：一个作为实施EFS措施的干预流域，另一个则作为未实施任何措施的对照流域。通过对比分析措施实施前后水体中总磷(TP)、颗粒磷(PP)、可溶性活性磷(SRP)和总悬浮固体(TSS)浓度的变化，研究团队旨在回答三个核心问题：EFS措施对河流磷和SS浓度的影响如何？措施实施后，水质产生显著变化需要多长时间？不同的河流流量条件如何影响措施的有效性？

为了回答这些问题，研究人员在2017年至2024年9月期间，在干预流域推广并记录了463项EFS措施的实施，主要类型包括水稳定化 fencing (WSF)、新建 riparian 缓冲带 (RBS, 2米宽)、新建树篱 (PNH) 以及为牲畜提供远离河岸的饮水点等。水质监测于2020年10月至2024年9月进行，在两个流域出口处利用自动采样器每7小时采集一次水样，分析了TP、TSS等指标，并同步监测了每小时的水文数据。关键的分析方法包括计算周流量加权平均浓度(FWMC)以标准化流量影响，使用季节性Mann-Kendall趋势检验评估浓度随时间的变化趋势，利用局部加权回归(LOESS)模型估计措施生效的响应时间，并采用Wilcoxon符号秩检验比较不同流量区间（如高流量Q0-Q15，低流量Q85-Q100）下措施实施前后浓度的差异。

3.1. 河流水体磷和悬浮固体浓度的变化

研究结果显示，EFS措施的实施对不同类型的污染物产生了差异化的影响。总体而言，在EFS流域，措施实施期间相较于实施前，TSS的中位周FWMC显著下降了42.0%，PP下降了19.4%。然而，SRP浓度反而上升了12.1%，从而导致TP仅有小幅上升（5.3%）。与之形成对比的是，对照流域的所有磷形态和TSS浓度在相同时期内均呈现上升趋势。趋势分析进一步证实，在EFS流域，PP和TSS的浓度在措施实施期间呈现出显著的下降趋势，而SRP和TP的趋势则不显著。分流量区间的分析表明，TSS浓度的降低在低流量到高流量（Q15-Q100）条件下均有所体现，尤其在中等及以上流量时效果显著；PP的降低主要发生在低至中等流量（Q15-Q100）条件下；而SRP浓度在高流量（Q0-Q40）条件下显著增加。这表明，EFS措施能有效拦截与泥沙结合的颗粒态污染物，但对以溶解态形式迁移的SRP效果有限，甚至在强降雨条件下，SRP可能绕过拦截措施或从其他途径输出。

3.2. 减缓效应与压力削减的响应时间

通过LOESS模型拟合浓度时间序列，研究人员估算了措施生效所需的响应时间。结果表明，TSS浓度出现显著下降的响应时间较短，约为17个月；PP的响应时间稍长，约为22个月。而对于TP和SRP，在整个研究期内未能观察到稳定、显著的响应趋势，其响应时间可能超过27个月，或者措施对其影响本身就不显著。这一发现强调了长期监测对于准确评估面源污染治理效果的重要性，特别是对于响应较慢的污染物。

3.3. 成本效益与措施布设的针对性

粗略的成本效益分析显示，EFS措施在削减TSS方面比削减P更具成本效益。然而，当前EFS措施的实施主要基于农户的自愿参与，而非基于精细化的污染风险空间评估。研究人员将措施布设位置与基于源（土壤磷含量）-路径（径流风险）优先指数(SPPI)的框架进行叠加分析发现，高达46%的措施布设在了低风险区域（SPPI 0.0-0.3），而仅有9%的措施位于高风险区域（SPPI 0.7-1.0）。这种非针对性的布设方式无疑降低了措施的整体成本效益。

综上所述，这项配对流域研究提供了宝贵的实证证据，表明以拦截迁移路径为核心的农业环境措施（如河岸 fencing、缓冲带）能够有效减少河流中的悬浮固体和颗粒磷污染，且在实施后1-2年内可见成效。然而，这类措施难以控制可溶性活性磷的流失，而SRP恰恰是导致水体富营养化的关键因子。研究结果明确指出，未来的农业环境计划需要将路径拦截措施与源头减排（如优化施肥、降低土壤磷盈余）紧密结合，并利用空间靶向技术（如源-路径优先指数）将措施精准布设在污染高风险区，同时考虑增强措施对极端降雨事件的韧性。此外，通过农民讨论组等形式提高农户参与度和环境意识也至关重要。这项研究为优化农业面源污染治理策略、提升公共资金使用效率以及实现水环境的可持续改善提供了重要的科学依据。