影响在流域尺度上实施营养管理措施以控制污染效果的各种来源和当地因素

本研究提出一种结合地块级营养负荷贡献与土地利用类型、坡度、地下水位深度、溪流序号及流域出口距离的综合BMP实施策略，通过ArcMap 10.4模拟10%至100%不同实施比例，利用Watershed Assessment Model（WAM）评估发现，100%实施情景下TN削减量最大，而10%情景成本效益最高，优先在负荷高、贡献大且靠近高阶溪流的区域实施BMP可最大化流域营养负荷削减。

贾艺华|奥萨马·M·塔拉比赫|蕾切尔·Z·库珀|毛里西奥·E·阿里亚斯|萨丽娜·J·埃尔加斯|张琼

美国佛罗里达州坦帕市南佛罗里达大学土木与环境工程系

摘要

最佳管理实践（BMP）的实施策略往往忽略了营养源和当地环境因素的整合。本研究开发了一种针对性的BMP实施方法，该方法考虑了地块级别的营养负荷贡献以及土地利用类型、坡度、地下水位深度、河流等级和距流域出口的距离。选择了Upper Kissimmee和Taylor Creek以及Nubbin Slough流域来代表不同的土地利用模式。在ArcMap 10.4中绘制了从10%到100%的不同情景。根据技术和经济标准选择了四种BMP，并将其应用于适宜的土地利用类型，并将营养减少参数纳入流域评估模型以模拟流域尺度的效应。结果显示，在100%的情景下，两个流域的总氮（TN）减少了1452吨和1204吨；而在10%的情景下，成本效益最高，每投入一百万美元可减少1.33吨和1.82吨的总氮。在柑橘园和改良牧场中实施的BMP对总氮的减少贡献最大。边际营养减少主要受新增土地利用类型带来的额外营养减少和成本的影响，而现有土地利用类型的改变则主导了总体营养减少。为了最大化流域尺度的营养负荷减少，应优先在基线营养负荷较高、营养负荷贡献较大且靠近高等级河流的地块实施BMP。

引言

全球范围内，由于非点源（NPS）造成的过量营养负荷，水污染持续增加。在美国，NPS引起的营养污染导致了60%的水体污染（USEPA，2011年）。NPS包括农业和城市雨水径流（Firmansyah等人，2017年；Yan等人，2019年）。控制这些来源的营养物质的常用策略被称为最佳管理实践（BMPs；SFWMD，2002年；FDEP，2020年；Tarabih等人，2024年）。

BMP的实施通常遵循两种常见策略：一种专注于营养负荷高的关键区域（Tuppad等人，2010年；Chiang等人，2014年；Giri等人，2012年；Wang等人，2017年）；另一种则根据当地条件优先选择适宜区域（Viavattene等人，2008年；Yang等人，2014年；Martin-Mikle等人，2015年；Daneshvar，2017年；Paule-Mercado等人，2017年；Wang等人，2017年；Mooney等人，2020年）。针对关键区域的研究使用了不同的标准来确定实施区域，如污染物浓度、质量负荷、每个子流域/单位面积的负荷（Giri等人，2012年）、总氮（TN）或总磷（TP）的减少率（Chiang等人，2014年），并评估了不同BMP覆盖水平下的减少效果（Tuppad等人，2010年）。这些研究应用了先进的模型来辅助BMP的实施，其中土壤与水评估工具（SWAT）应用最为广泛（Tuppad等人，2010年；Giri等人，2012年；Chiang等人，2014年；Wang等人，2017年）。这些模型通常模拟基线条件下的营养负荷，以确定BMP的实施位置（Wang等人，2017年），并评估营养减少潜力，如营养负荷减少百分比（Tuppad等人，2010年；Giri等人，2012年）和年营养去除量（Chiang等人，2014年）。这些研究的共同发现是，较高的BMP实施覆盖率通常会导致更大的营养负荷减少。令人惊讶的是，Giri等人（2012年）发现，在不太关键的区域实施BMP也能实现更高的总氮负荷减少。这些发现表明，总氮或总磷的减少效果取决于实施BMP的当地条件。或者，可以根据当地环境因素（如土地利用和土地覆盖类型（LULC）、坡度、土壤性质、地下水位深度和河流等级）来放置BMP（Viavattene等人，2008年；Martin-Mikle等人，2015年；Paule-Mercado等人，2017年）。虽然有一些现有的工具可以用于BMP的选址，如农业保护规划框架（ACPF；Tomer等人，2020年）、营养追踪工具（NTT；Saleh等人，2011年）、EPA SUSTAIN（USEPA，2009年）、GIP-SWMM（Shojaeizadeh等人，2021年）、低影响开发空间决策支持系统（LATIS；Wilkerson等人，2010年）和切萨皮克湾BMP机会层（切萨皮克湾计划，2018年），但它们在优先考虑BMP位置时都没有将地块级别的营养负荷贡献（%）作为因素。以往的研究使用决策支持工具和空间分析来确定适宜的位置（Viavattene等人，2008年；Martin-Mikle等人，2015年），但它们通常不评估不同BMP位置的营养负荷减少效果。这两种策略的局限性表明，将营养负荷优先级与选址适宜性相结合可以提高流域尺度的营养减少效果。

为了解决这一局限性，Paule-Mercado等人（2017年）在一个混合土地利用的流域中实施了七种BMP，并结合了当地因素（如LULC、土壤性质和坡度），评估了营养负荷的减少情况。他们的发现表明，将BMP结合到不同的LULC类型中比仅限于一种类型更有效，尽管这会增加BMP的实施成本。此外，Daneshvar（2017年）的研究表明，相对于河流等级放置BMP显著影响了流域尺度的营养减少效果，他在密歇根州最大的Saginaw河流域的源头、中部和下游位置放置了相同的农业BMP，发现源头和下游位置的BMP在减少磷方面更有效。Mooney等人（2020年）强调了小型低等级河流在驱动沿海富营养化中的关键作用。相比之下，Yang等人（2014年）发现，在以农业为主的流域中，低等级河流的单位面积总氮负荷（kg/m²/年）低于高等级河流。总体而言，这些研究强调了探索流域尺度营养负荷减少效果与影响BMP实施效果的各种因素之间关系的必要性。

尽管关于BMP实施策略的研究很多，但现有的方法并未同时考虑营养负荷贡献和空间适宜性。更具体地说，之前的研究没有将营养负荷贡献作为来源因素，同时结合LULC、坡度、地下水位深度、河流等级和距流域出口的距离等当地因素来实施BMP。此外，也没有研究探讨营养减少效果与这些因素之间的关系。解决这一知识空白可以指导有效的BMP实施，从而实现营养管理。因此，本研究的独特之处在于引入了一种新的BMP实施策略，同时考虑了来源因素和当地因素。本研究的目标是探索一种BMP实施策略，以考虑主要营养负荷贡献者和各种当地因素，从而在流域层面最大化营养减少。

研究区域

佛罗里达州的奥基乔比湖长期以来一直受到藻类爆发的影响，这主要是由于过量营养负荷引起的富营养化。这些营养输入主要来自流域内的人类活动，特别是养牛场、柑橘园和住宅开发等（Heisler等人，2008年）。这一挑战并非奥基乔比湖所独有，类似的营养驱动的藻类爆发问题在其他地区也很普遍

营养减少和成本效益

随着在更多高贡献源细胞中实施BMP，两个流域的总氮（TN）减少量都有所增加。在10年的时间里，从10%到100%的不同情景下，TN的年负荷减少量从194吨增加到1452吨（Upper Kissimmee流域）和183吨增加到1204吨（TCNS流域）（图2(a)和(c)）。在Upper Kissimmee流域的WAM模拟的100%情景下，40.70%的面积实施了BMP，而只有4.91%的面积实际实施了BMP。

结论

制定了十种BMP实施计划，针对不同的主要营养贡献者比例。这些计划在ArcGIS中根据特定的BMP实施标准进行了绘制，并使用WAM进行了模拟，以估算营养负荷。评估标准包括十年的总氮减少量和实施成本效益。进一步分析了不同情景之间的边际营养减少量，以提供额外的见解

作者贡献声明

贾艺华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。奥萨马·M·塔拉比赫：撰写 – 审稿与编辑，验证，调查。蕾切尔·Z·库珀：撰写 – 审稿与编辑，调查。毛里西奥·E·阿里亚斯：撰写 – 审稿与编辑，调查。萨丽娜·J·埃尔加斯：撰写 – 审稿与编辑，调查。张琼：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来改进语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

资金来源

本文得到了美国环境保护署（EPA）授予的援助协议编号84009001的支持，以及美国陆军工程兵团研究与发展中心的水生有害物种研究计划提供的合同W912HZ-23-2-0039的资助。本文未经过EPA的正式审查。本文表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映EPA的观点。EPA不认可文中提到的任何产品或商业服务

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢该项目“现有和新兴营养管理技术及实践的时间和空间优化，用于控制有害藻类爆发”的所有首席研究员，包括张琼、毛里西奥·E·阿里亚斯、哈迪·加德、萨丽娜·J·埃尔加斯、詹姆斯·米赫尔奇克和马克·雷恩斯。