《Environmental Reviews》：Effectiveness of agricultural BMPs on phosphorus load reduction for the Canadian Lake Erie Basin: a literature review
湖 Erie 是五大湖中浅而温暖的湖泊之一，近年来因富营养化和有害藻类暴发而面临越来越严重的威胁，这对该地区经济发展产生了负面影响。农业径流中过量的营养物质，特别是磷，已成为影响湖 Erie 水质的主要问题。为应对农业活动对环境的负面影响，农民、环境保护机构和政府正在共同努力，推广和实施最佳或有益的农业管理实践（BMPs），旨在在保持农业活动和农场盈利能力的同时保护环境。本文对 BMPs 的技术进行了回顾，并评估了它们在加拿大湖 Erie 流域（CLEB）和类似地理区域中对农业田地磷负荷减少的效果。所提到的 BMPs 包括覆盖作物、保护性耕作、粪肥掺入、作物营养计划、脆弱土地退耕、添加有机改良剂、减少土壤压实、控制排水管、草地水道、植被过滤带、河岸缓冲带、水和沉积物控制池以及湿地恢复。本文还回顾并评估了 CLEB 和五大湖地区的田间实验和建模研究，以及相似地理区域的成果，以供比较和参考。由于 BMPs 的效果具有地域性，其在不同文献中对磷负荷减少的效果差异较大，这取决于 BMP 的特性、当地气候、坡度、土壤类型、土地利用和土地管理条件。基于文献回顾，本文分析了影响 BMP 效果的因素，并提出了评估 BMP 效果的研究优先事项。本研究将有助于决策者、流域保护机构和其他利益相关方估算农业景观中的磷负荷减少，并有助于跟踪实现加拿大湖 Erie 磷负荷减少目标的进展。
湖 Erie 的富营养化问题主要是由于农业和城市非点源（NPS）排放的磷，以及污水处理厂的排放。在 CLEB 和五大湖地区，磷的主要来源是农业和城市径流以及污水排放。农业 NPS 磷负荷通过地表和地下径流进入排水系统，是湖 Erie 最大的磷负荷来源。加拿大和安大略省在 2018 年发布了湖 Erie 行动计划，识别了 128 项行动，旨在减少来自加拿大源头的磷负荷。这些行动鼓励采用不同的 BMPs 来减少磷负荷。因此，理解不同 BMPs 在不同土壤类型、地形、作物种植方式和其他农业管理实践下的磷负荷减少范围对于 BMP 的选择和实施至关重要。
在 CLEB 的农业实践中，BMPs 被广泛采用，包括保护性耕作（CT）、限制牲畜进入水道、改善粪肥储存和应用、改善作物营养管理，如通过土壤测试确定作物所需的营养物质，并种植缓冲带。这些 BMPs 旨在减少土壤侵蚀、改善土壤健康，同时维持或提高农业产量。为了更好地评估 BMPs 的效果，加拿大和安大略省在 2010 至 2013 年间设立了基于流域的 BMP 评估（WBBE）项目，选择了一些关键的流域作为研究地点，包括 CLEB 的 Kettle Creek 上游流域以及 Lake Huron 流域的三个湖岸流域。该项目结合了之前 BMP 初创和监测计划的经验，投资于 BMPs 的实施和效果监测，并构建了建模组件以模拟流域过程和评估不同 BMP 场景对水文和水质的影响。
2015 至 2017 年间，OMAFRA 与 Ontario Soil and Crop Improvement Association 共同实施了五大湖农业保护倡议（GLASI），旨在促进农业土地上的 BMPs 采用。在 GLASI 中，重点放在六个代表性的小流域，以收集土壤健康和田间水质量改善的数据。这些小流域包括 Upper Medway Creek（UMC）和 Kettle Creek，它们位于 Upper Thames River 流域保护机构（UTRCA）的服务区域，Wigle Creek 位于 Essex Region Conservation Authority 的服务区域，Jeannette’s Creek 位于 Lower Thames Valley Conservation Authority 的服务区域，Gully Creek 位于 ABCA 的服务区域，Garvey Creek 和 Glenn Drain 位于 Maitland Valley Conservation Authority 的服务区域。通过结合之前的 BMP 初创和监测计划，GLASI 建立了一个增强的监测系统，用于评估现有和新实施的 BMPs。研究者使用 SWAT 模型对这六个试点小流域进行了流域建模，评估了 CT、粪肥掺入（MI）、精准营养管理、覆盖作物（CC）、控制排水管（CTD）、草地水道（GWW）、植被过滤带（VFS）、河岸缓冲带（RB）、水和沉积物控制池（WASCoB）和湿地恢复（WR）等常见 BMPs 的效果。
SWAT 模型在各种流域中被广泛应用于长期连续模拟流、沉积物和营养物质的输送，取得了积极成果。该模型在支持土地管理决策方面具有优势，包括作物模式、肥料和农药应用等可能影响水质和水量的土地管理实践。此外，该模型在研究土地管理情景和气候变化对长期水产量、沉积物和营养物质负荷的影响方面也具有重要价值。自 2004 年以来，SWAT 模型已被选为美国农业部（USDA）的 Conservation Effects Assessment Project（CEAP）中进行流域和区域水平土地管理实践评估的关键模型。在加拿大农业与食品部（AAFC）的 Watershed Evaluation of BMPs（WEBs）项目期间，SWAT 模型也被用于评估 BMPs 的环境影响。在 WEBs 和 WBBE 项目中，Guelph Watershed Evaluation Group（GWEG）开发了一个加拿大的 SWAT 版本（CanSWAT），增加了对寒冷气候条件下的雪分布、冻结土壤以及一些特定 BMP 模块的支持，以增强模型的适用性。在本研究中，CanSWAT 被应用于 UMC 流域和 Grand River 流域，以分析不同坡度、土壤类型和土地管理条件下各种 BMPs 对磷负荷减少的效果。
尽管在 CLEB 的某些特定区域已经开展了多种监测和建模研究，但关于 BMPs 效果的知识仍有限，不足以支持农业环境项目。本文旨在通过以下目标填补这一知识空白：（1）对 CLEB 和类似地理区域的 BMPs 效果进行系统文献回顾，以建立 BMP 性能的可能范围；（2）分析 BMPs 在不同坡度、土壤类型和作物管理条件下的磷负荷减少效果；（3）基于回顾研究的结果，总结 CLEB 中 BMPs 减少磷负荷的变化情况。本研究将有助于决策者、流域保护机构和其他利益相关方估算农业景观中的磷负荷减少，并有助于跟踪实现加拿大湖 Erie 磷负荷减少目标的进展。
加拿大湖 Erie 流域（CLEB）位于加拿大安大略省南部，总面积约为 22,650 平方公里。CLEB 可分为八个流域或排水区域，包括 Upper Grand（4,741 平方公里）、Lower Grand（2,023 平方公里）、Big（3,984 平方公里）、Upper Thames（3,050 平方公里）、Lower Thames（2,797 平方公里）、Rondeau（766 平方公里）、Sydenham（3,541 平方公里）和 Cedar（1,763 平方公里），如图 1 所示。该流域包含多个城市和镇，如 Guelph、Kitchener、Waterloo、Cambridge、Brantford、London 和 Chatham-Kent，是五大湖流域中最主要的农业地区之一。Grand River 和 Thames River 流域构成了 CLEB 面积的大约 56%。Grand River 直接流经湖 Erie，而 Thames River 流向 Lake St. Clair，并最终通过 Detroit River 流入湖 Erie。由于农业生产的密集，来自上坡作物田地的过量磷负荷已成为湖 Erie 水质的主要关注点。
CLEB 具有多样化的地形、土壤和农业系统。由于其肥沃的土壤，约 75% 的土地用于农业。该流域地形起伏，海拔范围为 164–542 米。该流域西南部非常平坦，高差小于 5–8 米。该流域北部则有温和的起伏地形，上游 Grand River 流域有低矮的山丘。CLEB 的平均坡度为 2.2%，范围从 0.0% 到 89.7%，标准差为 3.2%，基于 10 米数字高程模型（DEM）。作物田地通常坡度小于 5%，而溪流沿岸的陡坡则出现在农田中。约 68.6% 的流域坡度小于 2%。将坡度图与 CLEB 的农田面积叠加后，发现 75.1% 的农田坡度小于 2%，19.2% 的农田坡度在 2%–5% 之间，4.3% 的农田坡度在 5%–9% 之间，1.4% 的农田坡度大于 9%。
CLEB 以壤土为主，这类土壤肥沃，非常适合农业，尤其是在良好管理的区域。根据 OMAFRA 的土壤数据，CLEB 中共识别出 153 种土壤类型。前三种土壤类型分别是 Brookston、Perth 和 Huron，面积分别为 3,063、1,772 和 1,181 平方公里。在土壤剖面的 A 层中，主要土壤质地包括壤土、黏土、砂壤土、黏壤土、黏质砂壤土、砂质黏土和细砂壤土，分别覆盖了 16.7%、15.4%、13.3%、8.7%、7.0%、6.2% 和 6.0% 的面积。
CLEB 是加拿大最富产的农业地区之一。主要作物包括玉米、大豆和冬小麦。根据加拿大农业与食品部（AAFC）的 2022 年作物库存和土地利用数据，约 67.0% 的流域被归类为年度作物田地，7.8% 为牧场/饲料地，12.0% 为森林，8.1% 为城市/已开发区域，其余 5.0% 为湿地、裸露地、灌木丛、开放水域和其他土地利用。自然植被（草和森林）主要缓冲 CLEB 的主河道。表 1 总结了 2011–2022 年期间 CLEB 的作物类型及其种植面积，基于 AAFC 的作物库存数据。表 1 显示，大豆、玉米和冬小麦的种植面积相对稳定。大豆和玉米的平均种植面积分别为 6,006 平方公里和 5,223 平方公里，种植面积每年分别略有增加约 58.1 平方公里和 37.9 平方公里。冬小麦的平均种植面积为 2,036 平方公里，种植面积在 12 年记录期间略有减少约 4.6 平方公里/年。牧场/饲料地的平均面积为 2,932 平方公里，标准差为 430 平方公里，种植面积每年略有减少约 74.7 平方公里。基于 12 年的作物库存数据，未发现 CLEB 中明显的作物轮作模式。根据 2014 年 OMAFRA 的排水管分布数据，约 52.8%（8,893 平方公里）的农业区域在 CLEB 中安装了排水管系统。然而，过量使用化肥和密集的管理实践可能导致过量的营养物质径流，进而导致水质问题，如湖 Erie 的藻类暴发。
在 CLEB 中，BMPs 被分为结构型和非结构型。结构型 BMPs 是在田间或田边安装的结构，旨在减少径流和沉积物进入水体。非结构型 BMPs 通常是农业田间内部的制度性和污染预防实践，以减少污染物进入地表和地下径流。这些 BMPs 的定义和理由在第 4 节中进行了详细说明。其中一些 BMPs 也被
Baulch et al. (2019)、
Arnillas et al. (2021) 和
Liu et al. (2017) 所记录。
本研究重点分析了 CLEB 中的 13 种典型农业 BMPs，包括作物和耕作、粪肥和营养、土地和土壤以及地表水四大类。这些 BMPs 的分类基于它们对磷负荷减少的影响。结构型 BMPs 包括在田间或田边安装的自然或人工结构，旨在减少沉积物和营养物质在进入水体前的流失。非结构型 BMPs 通常是农业田间内部的制度性和污染预防实践，以减少污染物进入地表和地下径流。这些 BMPs 的定义和理由在第 4 节中进行了详细说明。其中一些 BMPs 也被
Baulch et al. (2019)、
Arnillas et al. (2021) 和
Liu et al. (2017) 所记录。
在 CLEB 的农业实践中，BMPs 被广泛采用，包括保护性耕作（CT）、限制牲畜进入水道、改善粪肥储存和应用、改善作物营养管理，如通过土壤测试确定作物所需的营养物质，并种植缓冲带。这些 BMPs 旨在减少土壤侵蚀、改善土壤健康，同时维持或提高农业产量。为了更好地评估 BMPs 的效果，加拿大和安大略省在 2010 至 2013 年间设立了基于流域的 BMP 评估（WBBE）项目，选择了一些关键的流域作为研究地点，包括 CLEB 的 Kettle Creek 上游流域以及 Lake Huron 流域的三个湖岸流域。该项目结合了之前 BMP 初创和监测计划的经验，投资于 BMPs 的实施和效果监测，并构建了建模组件以模拟流域过程和评估不同 BMP 场景对水文和水质的影响。
在 CLEB 的农业实践中，BMPs 被分为结构型和非结构型。结构型 BMPs 是在田间或田边安装的结构，旨在减少径流和营养物质在进入水体前的流失。非结构型 BMPs 通常是农业田间内部的制度性和污染预防实践，以减少污染物进入地表和地下径流。这些 BMPs 的定义和理由在第 4 节中进行了详细说明。其中一些 BMPs 也被
Baulch et al. (2019)、
Arnillas et al. (2021) 和
Liu et al. (2017) 所记录。
为了进行这项关键的文献回顾，我们采用了系统化的搜索和分析方法，遵循
Bramer et al. (2018) 提出的方法。这包括使用各种版本的 BMP 名称进行全面的文献搜索，分析 BMPs 的效果，识别不确定性和知识空白，并概述未来的研究需求。文献检索的数据库包括 Scopus、Web of Science、Google Scholar 和 Omni 学术搜索工具。初步搜索返回了大量文章，包括原始研究论文、综述论文、项目报告和书籍章节。我们随后将文献缩小到与 CLEB 实施的 BMPs 相关的论文和文件。
近年来，已经开展了多篇关于农业 BMPs 对营养物质减少效果的综述研究。这些研究要么专注于特定的 BMPs（如
Hoffmann et al. 2009；
Land et al. 2016；
Currie et al. 2017；
Kieta et al. 2018；和
Liu et al. 2019），要么涉及不同的地理区域（如
Deasy et al. 2010 和
Liu et al. 2017）。在本综述中，我们更关注农业 BMPs 在湖 Erie 流域和五大湖地区的有效性。同时，一些来自具有相似景观或气候条件的其他地理区域的发现也被记录下来，以供比较和参考。对于减少土壤压实（RSC）的 BMPs，我们未能找到量化其环境影响的加拿大或美国的田间研究。在这种情况下，我们回顾了英国和德国关于 RSC 对总磷（TP）减少效果的研究作为参考。我们对表 2 中列出的每个 BMP 进行了全面的综述，基于已发表的文章、报告和可靠的在线资源，如大学推广和政府文件。
由于在研究区域中关于农业 BMPs 的田间研究或建模研究有限，我们对每个 BMP 进行了测量和建模效果的联合综述。此外，由于大多数文献报告了相对磷负荷减少值，本综述主要进行了相对磷负荷减少的比较，同时也给出了某些特定 BMPs 的绝对减少值。
农业 BMPs 对磷负荷减少的有效性是本研究的重点，通过田间实验和建模研究对 CLEB 和类似地理区域进行了评估。研究表明，不同 BMPs 的磷负荷减少效果在文献中存在显著差异，这取决于 BMP 的特性、当地气候、地形、土壤类型、土地利用和土地管理条件。例如，关于覆盖作物（CC）的研究显示，其对总溶解磷（TDP）的减少效果可能因寒冷地区的冻融周期而释放，这可能成为磷损失的风险。在美国支持切萨皮克湾流域管理的文献综述中，不同类型的 CC 对 TP 负荷的减少效果估计在 7% 到 15% 之间。一份美国事实文件指出，CCs 可以减少 TP 损失 15%–92%。这些研究主要关注 CC 对磷负荷减少的正面效益，但效益范围较广。
Liu et al. (2019) 回顾了在寒冷气候条件下 CC 对磷负荷的影响，基于 41 个田间研究。他们得出结论，TP 浓度受到植物类型和冻结制度的影响，但这些研究对 TP 损失的影响不一致，并且根据土壤、气候和管理因素而变化。
关于 CC 对磷负荷减少效果的测量研究数量有限。一项在美国密苏里州进行的田间研究中，有四个地块，一个没有 CC，另外三个使用了不同类型的 CC，包括加拿大蓝草、下垂草和常见鸡木。采样结果显示，三种 CC 的 TDP 负荷分别减少了 7%、41% 和 67%，平均减少了 37%。另一项在俄亥俄州北中部 40 个农业地块的配对研究显示，CC 和无 CC 的田间排水和地表径流中的磷负荷没有显著差异。另一个配对研究是在加拿大曼尼托巴省南部 2.06 平方公里的流域中，持续 8 年（2005–2012 年）评估了将多年生饲料（苜蓿和 Timothy）纳入作物轮作对雪融径流期间的沉积物和营养物质损失的影响。监测结果显示，CC（多年生饲料）在雪融径流期间增加了 TDP 负荷 221%，PP 增加 17%，TP 增加 160%。类似的发现也由
Carver et al. (2022) 和
Ni et al. (2020) 在 CLEB 的有限田间研究中得出。这些研究显示，在实施 CC 的情况下，TDP 负荷增加了 63%，但 TP 没有显著增加（1.56%），这归因于地表径流中 PP 负荷的减少。这些结果表明，在寒冷气候条件下，CC 对磷负荷减少的影响因土壤类型和管理因素而异。
在五大湖流域，一些建模研究探讨了 CC 对磷负荷减少的效果。例如，在 CLEB 的上流区进行的 SWAT 建模研究显示，CC 实施后，磷负荷减少范围广泛，取决于流域特性，如排水面积、坡度、土壤、土地利用和地下排水条件。这些研究提供了关于 CC 实施后磷负荷减少的广泛数据，但它们的效果也受到具体条件的影响。
在 CLEB 的农业实践中，BMPs 被分为结构型和非结构型。结构型 BMPs 是在田间或田边安装的结构，旨在减少径流和营养物质在进入水体前的流失。非结构型 BMPs 通常是农业田间内部的制度性和污染预防实践，以减少污染物进入地表和地下径流。这些 BMPs 的定义和理由在第 4 节中进行了详细说明。其中一些 BMPs 也被
Baulch et al. (2019)、
Arnillas et al. (2021) 和
Liu et al. (2017) 所记录。
在 CLEB 的农业实践中，BMPs 被分为结构型和非结构型。结构型 BMPs 是在田间或田边安装的结构，旨在减少径流和营养物质在进入水体前的流失。非结构型 BMPs 通常是农业田间内部的制度性和污染预防实践，以减少污染物进入地表和地下径流。这些 BMPs 的定义和理由在第 4 节中进行了详细说明。其中一些 BMPs 也被
Baulch et al. (2019)、
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在 CLEB 的农业实践中，BMPs 被分为结构型和非结构型。结构型 BMPs 是在田间或田边安装的结构，旨在减少径流和营养物质在进入水体前的流失。非结构型 BMPs 通常是农业田间内部的制度性和污染预防实践，以减少污染物进入地表和地下径流。这些 BMPs 的定义和理由在第 4 节中进行了详细说明。其中一些 BMPs 也被
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在 CLEB 的农业实践中，BMPs 被分为结构型和非结构型。结构型 BMPs 是在田间或田边安装的结构，旨在减少径流和营养物质在进入水体前的流失。非结构型 BMPs 通常是农业田间内部的制度性和污染预防实践，以减少污染物进入地表和地下径流。这些 BMPs 的定义和理由在第 4 节中进行了详细说明。其中一些 BMPs 也被
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Baulch et al. (2019)、
Arnillas et al. (2021)
