埃塞俄比亚西南部基于自然的解决方案保护实践：解决社会 - 生态 - 水文悖论并增强水质 - 粮食安全纽带

《Limnologica》：Nature-based Solutions Conservation Practices to Resolve Socio-Ecohydrological Paradoxes and Enhance Water Quality-Food Security Nexus in Southwestern Ethiopia

　　

## 摘要

咖啡加工污染有机副产品（CPPOP）和社会生态水文学悖论（SEHP）正在严重威胁埃塞俄比亚西南部（SWE）咖啡产区河流流域的水安全和民生。人工湿地作为基于自然的解决方案（CWs-NbS）能够通过增强污染物去除和资源回收来解决这些悖论，并推动生物循环经济转型。本研究评估了高级混合人工湿地作为基于自然的解决方案（AHCWs-NbS）与传统人工湿地作为基于自然的解决方案（CCWs-NbS）在解决社会生态水文学悖论以及增强SWE地区水质-粮食安全关联方面的效果。2018-2026年间，从咖啡产区河流流域收集了生物学、物理化学和社会生态水文学数据。水质指数（WQI）、污染指数、社会生态水文学可达性指数（SEAI）和悖论严重度指数（PSI）均针对AWARE2_CFs进行了验证。为比较长期试验有机污染物去除效果，采用随机完全区组设计，在5种湿地植物物种 × 2种系统（AHCWs-NbS和CCWs-NbS）× 4个流域 × 3次重复的条件下进行实验。通过低氧热解将CPPOP转化为生物肥料，于2018-2026年间测试其对玉米产量的影响。数据采用随机森林（RF）和极端梯度提升（XGB）以及多元Probit回归模型进行分析。AHCWs-NbS实现了90.5%的有机污染物去除率，而CCWs-NbS为65.2%。在AHCWs-NbS和CCWs-NbS系统下的五种植物物种中，香茅草表现出最高的有机污染物去除率，而象草表现最差。AHCWs-NbS改善了水质（≥90%），增加了作物产量（85-90%），并减少了资源冲突（70%）。与对照组相比，施用生物炭后玉米产量从2018年的2.06吨/公顷（203%）逐步增加到2026年的5.13吨/公顷（219%）。湿地所有权对水质-粮食安全关联的增强有强烈影响。负面的认知系数表明，认识到水质-粮食安全问题的社区会寻求干预措施。未来研究应在埃塞俄比亚各咖啡产区河流流域验证AHCWs-NbS的性能。

## 引言

咖啡产区河流流域是埃塞俄比亚重要的社会生态水文学服务区域，通过供水、农业生产力和生态系统调节维持着约6000-6500万人口的生计。咖啡生产贡献了全国出口收入的50-75%和外汇收入的40-45%，年产量为70-100万吨。超过一半的收获量采用湿法加工，每吨消耗64-70立方米水（Mosissa等，2016）。咖啡加工厂污染有机副产品（CPPOP）每天向环境排放约372立方米废水。CPPOP中过量的磷和氮导致水体富营养化，危害水生生态系统，引发有害藻华并威胁人类健康。这种排放造成了严重的社会生态水文学悖论（SEHP），降低水质、威胁粮食安全并加剧资源冲突（Dadi等，2019；Dadi等，2018；Genanaw等，2021；Mosissa等，2016）。

人工湿地作为基于自然的解决方案（CWs-NbS）被广泛用于咖啡产区河流流域，通过沉降、过滤、吸附、微生物降解、植物吸收和营养转化来去除有机污染物并解决SEHP问题。这些系统同时为生物多样性保护、气候韧性和人类福祉提供协同效益，包括生物循环经济和生态企业机会（Amsalu等，2026a；Amsalu等，2026b；Rankoana，2020）。CWs-NbS对波动的水力负荷率和有机污染物负荷具有高度韧性，适合具有可变废水特征的小型社区（Laguna-Marín等，2026；Rodrigues等，2026）。传统人工湿地作为基于自然的解决方案（CCWs-NbS）数十年来一直是CPPOP处理中最广泛采用的方案（Wang等，2026）。尽管CCWs-NbS具有显著的有机污染物去除性能，但面临多种SEHP挑战：水力负荷限制、有机污染物去除率不稳定、大面积土地需求、季节变异性以及生物质高值化不足。额外挑战包括气候敏感性、与生物多样性支持之间的矛盾以及长期可持续性问题。此前没有研究使用综合社会生态水文学框架量化CCWs-NbS的性能差距，也没有在埃塞俄比亚西南部解释AHCWs-NbS的机理优势（Javeed等，2025）。CCWs-NbS是单级系统，使用垂直潜流人工湿地（VSF-CW）或水平潜流人工湿地（HSF-CW）。由于重力驱动运行和低成本，HSF-CW系统在发展中国家占主导地位。然而，由于硝化作用受限，HSF-CW的氮去除率（45-50%）和磷去除率（52-63%）有限。高级混合人工湿地作为基于自然的解决方案（AHCWs-NbS）将多种湿地类型顺序整合，利用厌氧塘、VSF-CW和HSF-CW阶段优化好氧-厌氧条件以增强处理性能（Berego等，2022；Javeed等，2025）。VSF-CW阶段实现好氧硝化（NH??→NO??），HSF-CW阶段提供缺氧反硝化（NO??→N?），显著增强了处理性能（Colares等，2025）。近期研究表明，将厌氧塘与VSF-CW和HSF-CW系统集成可实现88-95%的有机污染物去除率，优于单级设计（Colares等，2025；Javeed等，2025）。顺序氧化还原条件通过耦合硝化-反硝化途径促进完整的氮去除（Gong等，2026）。

使用CCWs-NbS的传统咖啡精制系统（CCRS）对小型企业来说经济上不可行，缺乏CPPOP高值化途径。使用AHCWs-NbS的环保咖啡精制系统（ECRS）提供了简便性、成本效益和社会生态水文学效益，能够低成本整合到河流景观中。ECRS实现了≥90%的有机污染物去除率，而CCWs-NbS为≤65%。CPPOP为生物循环经济和生态企业提供了最优的高值化途径，包括饲料、蘑菇栽培、生物质能源、水产养殖、有机堆肥、蚯蚓堆肥、生物炭、精油和手工艺品材料，增强了气候韧性和粮食安全关联（Sánchez-Reinoso等，2023）。将当地本土知识与AHCWs-NbS整合为解决水质危机同时推进可持续发展目标提供了变革潜力（Nsenga Kumwimba等，2021；Rong等，2022）。

尽管技术有效性已被认可，但AHCWs-NbS的采用率在所有咖啡产区河流流域仍低于20%（基于我们2018-2026年的调查数据）。这一采用差距造成了一种悖论：可行方案存在，但实施滞后。社会经济、制度和行为障碍导致了这种滞后（Monzón-Reyes等，2026）。技术潜力与实践之间的差距定义了一种新型SEHP类型，需要系统性调查。剩余可用水表征因子（AWARE2_CFs）此前尚未对这些河流流域进行评估，代表了生命周期评估中整合水量和水质的关键空白。这些因子随气候在空间上变化，随季节流量在时间上变化。将AWARE2_CFs与水质指数整合为评估双重水量-水质挑战提供了框架（Boulay等，2018；Seitfudem等，2025）。此前没有研究全面评估CPPOP排放影响或整合CCWs-NbS和AHCWs-NbS处理性能与采用决定因素的社会经济分析。选择适当的湿地植物物种是CWs-NbS污染物去除性能的关键决定因素（Olkeba等，2025）。

我们假设AHCWs-NbS系统在有机污染物去除、社会生态水文学服务恢复、水资源匮乏足迹、农艺高值化和采用障碍方面显著优于CCWs-NbS。我们还假设选择适当的湿地植物物种对有机污染物去除性能有关键决定作用。我们进一步假设AHCWs-NbS能够解决采用障碍并增强社会生态水文学服务，从而降低社会生态水文学悖论（SEHP）的严重度并加强咖啡产区河流流域的水质-粮食安全关联。本研究的目的是：（a）评估CPPOP和SEHP在两种CWs-NbS（AHCWs-NbS和CCWs-NbS）情景下对水质和粮食安全关联的影响；（b）比较两种CWs-NbS（AHCWs-NbS和CCWs-NbS）对沉积物和营养物去除率的效率以解决水质和民生悖论；（c）使用底栖动物和河流-水生植被指标评估社会生态水文学恢复率；（d）确定影响咖啡产区河流流域CWs-NbS采用率的因素；（e）评估五种湿地植物物种在两种CWs-NbS（AHCWs-NbS和CCWs-NbS）下对沉积物和营养物污染物去除效果的影响；（f）评估由CPPOP生产的生物肥料对气候韧性和粮食安全的作用；（g）在两种CWs-NbS（AHCWs-NbS和CCWs-NbS）下使用AWARE2_CFs表征水资源匮乏影响；（h）开发解决数据匮乏地区SEHP的综合概念框架。

## 研究区域描述

本研究在埃塞俄比亚西南部的四个咖啡产区河流流域进行。这些流域包括Limu、Mana、Gera和Shabe（图1）。所有流域均位于上部奥莫-吉贝流域内（Guadu等，2025；Mengistu等，2022）。这些研究区域被众多湿地包围，具有自然河流连接，提供多种生态水文学系统服务（Chawaka等，2020；Chawaka等，2018）。Gibe、Gojeb、Awetu、Qabana、Dhidhessa和Dembi河流经……

## 模型性能比较

随机森林（RF）在所有参数和咖啡产区河流流域中始终优于极端梯度提升（XGB）。所有比较均在每个ANOVA族内使用Tukey's HSD进行多重检验校正，显著性水平设为p<0.001。RF的总体R2为0.89（95% CI: 0.86-0.92），而XGBoost为0.84（95% CI: 0.80-0.87），表明RF具有更优的预测精度。RF的均方根误差（RMSE）为4.23（95% CI: 3.82-4.64），比XGBoost（5.67）低25.4%……

## 讨论

研究结果表明，AHCWs-NbS为社会生态水文学悖论和生态技术提供了变革性的基于自然的解决方案，在咖啡产区河流流域展现出卓越效果。这些系统提供了优越的有机污染物去除、生态系统恢复和生物循环经济效益。本讨论综合了研究发现的机理、水质、生态和社会维度。我们将结果置于近期文献背景下，并识别了政策启示……

## 结论与建议

本研究指出，AHCWs-NbS为缓解咖啡产区河流流域的社会生态水文学悖论提供了变革性的多功能基于自然的解决方案。将基于自然的解决方案与水土保持实践相结合，改善了水质（≥90%），增加了作物产量（85-90%），并减少了资源冲突（70%）。然而，AHCWs-NbS的采用仍受社会制度障碍的制约，包括湿地所有权不清（53%）、有限……

## 伦理批准与参与同意

本研究按照Jimma University研究的伦理标准进行。

## 资金

本研究未获得外部资金。

## CRediT作者贡献声明

Tadesse Mosissa Ejeta：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Pawe? Jarosiewicz：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，监督，资源，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Clearly James Chawanda：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化……

## 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

## 致谢

作者感谢埃塞俄比亚西南部的农民、推广人员、当地社区领袖、发展代理人员和村级官员对本研究的参与和配合。作者感谢Jimma University研究伦理委员会对本研究方案进行的伦理审查和批准。

Tadesse Mosissa Ejeta | Esayas Alemayehu | Bayu Dume Gari | Clearly James Chawanda | Pawe? Jarosiewicz | Ann van Griensven