土壤和水资源保护最佳管理实践的定量评估：以塔尔奎尼亚平原为例

《Agricultural Water Management》：Quantitative assessment of best management practices for soil and water conservation: A case study from the Tarquinia plain

土壤侵蚀与养分污染是地中海农业区的严峻环境挑战，本研究通过SWAT模型整合GIS数据，评估梯田、等高耕作、残茬管理和免耕等单个及组合最佳管理实践（BMPs）在Tarquinia平原的减蚀减污效果。结果表明：组合BMPs使泥沙负荷减少最高达33.9%，总氮（TN）和总磷（TP）分别降低27%和27.5%；单独梯田可使泥沙减少22%，TN和TP降低26.2%和22.7%。研究验证了多措施协同增效机制，并建立参与式评估框架，为类似流域提供可持续管理方案。

　　在农业地区，土壤侵蚀和营养污染是全球性的环境问题，对生态系统的健康和可持续发展构成重大威胁。为了应对这些挑战，本研究提出了一种综合方法，旨在支持利益相关方导向的最优管理措施（Best Management Practices, BMPs）选择、建模和评估，从而识别最有效的措施以控制土壤侵蚀和营养污染对周边环境的影响。通过将地理信息系统（GIS）的地理空间数据与土壤和水评估工具（SWAT）相结合，研究不仅提供了对流域异质性的精确描述，还增强了对水资源和营养物质动态的模拟可靠性。研究特别关注意大利的塔奎尼亚平原，这是一个因气候变化而变得尤为脆弱的农业地区，其土壤侵蚀和营养污染问题尤为严重。

塔奎尼亚平原位于意大利中部，距离罗马约90公里，主要由马尔塔河流域构成。该区域总面积约为1047.62平方公里，其中包括面积达114平方公里的博尔塞纳湖，马尔塔河从该湖发源，流经塔斯卡尼亚市，最终汇入第勒尼安海。该地区的农业活动是其经济的重要组成部分，但由于高强度的耕作和灌溉，导致该地区被划为高硝酸盐脆弱区（NVZ），对地表和地下水体的污染问题日益突出。此外，该地区还包含高价值的生态系统，如“塔奎尼亚盐湖”自然保护区，这使得其在生态多样性保护方面也具有重要意义。

研究的主要目标是通过应用SWAT模型，评估不同BMPs对土壤侵蚀和营养污染的影响，并探索其在该地区实施的可行性。通过结合GIS的空间分析和SWAT模型的模拟，研究人员能够准确识别出对土壤侵蚀和营养物质流失影响较大的子流域，并据此评估不同BMPs的实施效果。本研究采用的BMPs包括梯田、等高耕作、残余物管理以及免耕，这些措施分别对应不同的土壤管理方法，旨在通过改善土壤结构、增加土壤渗透性、减少地表径流等方式，有效控制土壤侵蚀和营养污染。

研究结果表明，综合实施多种BMPs是控制土壤侵蚀和营养污染最有效的方法。例如，综合BMPs可以将泥沙负荷减少高达33.9%，从每年2627.05吨降至1736.72吨。此外，单独实施梯田措施，可以将泥沙负荷减少22%，使每年的泥沙输出降至2049.24吨。在营养物质方面，综合BMPs也显著降低了总氮（TN）和总磷（TP）的流失量，分别减少了27%和27.5%。梯田单独实施则能减少TN和TP的流失量，分别达到26.2%和22.7%。这些结果表明，BMPs在改善土壤质量和减少污染物排放方面具有显著效果，特别是在农业强度较高的地区。

本研究的创新之处在于，它不仅评估了BMPs的实施效果，还强调了利益相关方在BMPs选择和评估过程中的重要性。通过与当地农民、政策制定者和环保组织的直接互动，研究确保了所选BMPs符合当地的实际需求和环境条件。这种参与式的方法不仅提高了模型的准确性，还增强了其在实际应用中的可行性。研究还发现，综合BMPs能够通过协同效应显著提升对泥沙和营养物质的控制能力，这为其他流域的可持续管理提供了可复制的方法框架。

在方法论方面，本研究首先利用GIS技术对塔奎尼亚平原的地理和水文特征进行了详细分析，随后在SWAT模型中对这些特征进行了建模和模拟。通过多期数据的校准和验证，模型在模拟流体排放、硝酸盐和总氮方面表现出较高的准确性。研究还对模型的敏感性进行了分析，确定了影响流体排放、硝酸盐和总氮的关键参数，如土壤持水能力、饱和导水率和土壤蒸发补偿因子等。这些参数的优化确保了模型在不同时间尺度上的可靠性。

研究的另一个重要发现是，BMPs的效果在不同子流域中表现各异，且受地形、土壤类型和农业管理方式的影响。例如，在子流域28中，综合BMPs的实施效果最为显著，这可能与其作为整个流域的出口子流域有关，因为该子流域集中了来自上游的大量泥沙和营养物质。这表明，BMPs的实施需要根据具体的流域特征进行定制，以实现最佳的控制效果。

此外，研究还指出了当前BMPs评估方法的局限性，特别是在模拟农业耕作和残余物管理对土壤结构的影响方面。尽管这些BMPs在减少泥沙和营养物质方面表现出色，但其对土壤物理性质的模拟仍存在一定不足。因此，未来的研究可以考虑引入更高分辨率的数据集，并结合参与式系统动力学建模方法，以更全面地评估BMPs实施后的多维影响，包括潜在的权衡和副作用。

总体而言，本研究为农业地区提供了有效的土壤和水资源保护策略，特别是在气候变化加剧的背景下。通过将科学建模与利益相关方的参与相结合，研究不仅提升了BMPs选择的科学性和社会相关性，还为其他地区的可持续农业管理提供了可借鉴的经验。研究结果表明，综合BMPs的实施是应对土壤侵蚀和营养污染的有效手段，而梯田单独实施则在减少泥沙负荷方面具有显著优势。这些发现为制定和实施更加科学和可持续的农业政策提供了重要依据。