人类活动增加了氮在地表水东部黄土高原

文摘

人类活动极大地加速氮的输入,导致水质恶化。氮污染的水危机,面临的地表水干旱地区需要密切关注。尽管大量研究表明,水的氮往往是影响土地利用覆盖,两者之间的相关性仍然是模糊的。本文探讨了空间关系人为活动和沃特斯的氮在东部黄土高原,基于地理信息系统(GIS)空间分析使用土地利用覆盖。有3个人类土地利用类型和2个氮指标用来评估河流的国家在流域尺度。结果表明,河流的氮与人类土地利用密切相关。氮污染最严重的城市。这项研究提供了新的证据人为活动和河流生态之间的关系。这些发现可能有助于决策者做出战略决策的水资源管理,在干旱地区土地利用规划。

1。介绍

氮(N)是最重要的营养素之一,生态系统功能和限制因素对世界上许多生态系统的生产力1]。氮污染会导致对环境的负面生态效应,包括土壤酸化、缺氧,和随后的鱼死亡2]。高浓度的氮是水环境的主要因素导致富营养化,导致生物多样性的减少和水质的恶化3]。更糟的是,一些饮用水中高浓度的氮增加人类疾病的风险(4]。如何合理使用氮和减少氮,同时满足人类需求的负面影响已经成为一个科学挑战,人类在21世纪必须解决(5]。

大约99%的全球大气氮,氮是稳定的生态系统是不可用的,除非它转化为活性氮物种,如硝酸盐(NO₃^{- - - - - -}),亚硝酸盐(NO₂^{- - - - - -}),氨(NH)₃),(NH铵₄⁺),有机氮(6]。通过固氮植物使无机氮的形式存在于土壤₃^{- - - - - -},没有₂^{- - - - - -}和氨氮(NH₃- n)。通过降雨侵蚀和地表径流,土壤中无机氮迁移水(7]。生物固氮作用可以输入120 Tg N年¹对生态系统氮(8]。由于氮通量的空间分布的不均匀性,氮循环有很大的差异在世界的不同地区。人类扩大差异,使过程更加复杂。人类活动极大地加速氮的输入成水,导致水质恶化,包括酸化、富营养化和硝酸盐污染9- - - - - -15]。

人为氮进入水域来自工业、市政、住宅和农业(16]。大气氮沉降在化石燃料燃烧是另一个重要的人为氮源,排入地表水。化学输入水体也分类点光源(如城市污水处理厂)和非点源的来源(如农业生产活动和大气沉积)。年度固氮人类来源已超过,从自然资源(17]。随着时间的推移,人类活动增加氮的输入成水。在美国主要河流的氮负荷增加了(18]。预计的氮输入水体将继续增加世界各地。Kroeze和Seitzinger19)预测,到2050年,世界上90%的溶解无机氮负荷的河流将人为。

几个主要河流的水质在中国北部,淮河、黄河、海河、辽河河和黑龙江河,无法满足中国地表水的第三类标准,加上中国大型氮肥应用程序,而是低氮利用效率,大大提高了氮积累在水域20.]。土壤氮也会增加,因为人类活动的干扰,比如氮肥的大量应用在农田和城市不透水层覆盖的土壤。施莱辛格(21]追踪的最终命运150 Tg氮从人类每年排放。发现有大约9 Tg N年¹氮积累的生物圈。人类活动有深刻影响的长期动态氮浓度在河流、湖泊和地下蓄水层。人类活动的干扰下,陆地生态系统可能会增加的外汇储备22]。

土地利用/覆盖变化(如农田扩张,造林、森林砍伐、城市化、工业化)水生态系统的脆弱性增加,这是人类活动的一个重要方法和响应表面环境(23]。氮在工业、城市和人们的生活主要来源于污水。农业氮肥包括化肥、固氮作物,人类和动物的排泄物,土壤侵蚀引起的土地利用变化,比如砍伐森林和草原开垦。建筑工地也导致氮输入水体(24]。地表水中氮浓度强烈影响土地利用在结算领域,特别是农业(25]。赵和黄26)发现,硝酸浓度的增加减少林地比例。水田旱地或建设用地变化将增加产量而改变水地区稻田或陆地将减少出水量。转让土地使用表面具有高蒸发率将减少径流(27]。农业报道解释了69%的变化意味着硝酸浓度在地中海流域25年期间(1981 - 2005)(28]。事实上,土地使用总是与受精(农田)和土壤侵蚀耕地自然植被(转换),在河流中氮的浓度增加放电干扰集雨。

土地利用变化中发挥着极其重要的作用领域的生态环境、气候变化和粮食生产。它起着非常重要的作用在维护生物多样性和水环境系统。土地利用/覆盖已成为全球变化的主要原因(29日]。然而,很少有研究关注于空间土地利用和水氮之间的关系。特别是,干旱地区的水生态系统管理缺乏强有力的技术支持。在这里,我们寻求发展策略研究人类活动对地表水的影响通过一个案例研究的一个典型的干旱区在中国北部的黄土高原。具体地说,我们分析了不同土地利用覆盖的特点和水的氮采用遥感和实地调查。我们的研究结果有助于更好地理解生态影响,人为活动对研究区不同的景观配置。本研究将为水生态系统管理提供科学的指导和区域可持续发展对维持生态平衡和调节在干旱地区人为活动。

2。材料和方法

2.1。研究区域

黄土覆盖了地球陆地表面的10%,是半干旱地区(30.]。中国位于黄土高原中部的黄河在中国西北31日]。黄土高原(图1(一))是地球上最集中、规模最大的黄土地区。黄土高原从东到西长1000多公里,宽750公里,总面积 。它坐落在中国的第二步,海拔800 - 3000米。

吕梁市(图1(b))位于黄土高原西部和山西的西部。它位于纬度之间的36^°43N和38^°43110 N和经度^°22E - 112^°19e .这个城市基本上属于温带大陆性季风气候区,冬天冷,夏天热,有四个不同的季节。城市的总面积 ,平均年降水量仅472毫米。吕梁黄土覆盖广泛,破碎的地形,陡坡,少平土地,罕见的植物,和严重的水土流失。

2.2。采样策略

2.2.1。样品收集

地表水样品收集来自28个黄土高原的河流。采样时间是2019年1月至12月(干、湿季),采样频率是每月测试一次,从黄河和沼泽河流流域。采样地点的细节图所示1(b)。水样本存储在5.0 L聚丙烯(PP)瓶,这是水洗前3次水样收集。所有的样品都储存在4°C分析之前不超过7天。

2.2.2。样品测定

我们决定TN和北半球₃- n使用过硫酸钾的方法紫外分光光度法和奈斯勒试剂比色法,参照gb3838 - 2002。TN和NH的标准₃- n在本文中提到的第三类标准价值地表水(1毫克L¹)。

2.3。数据统计和分析

我们进行了块框比较氮浓度的时空变化基于SigmaPlot 14.0 (Systat Inc .)、美国)。人类土地利用数据收集的资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn/1公里),是准确的。考虑取样的异构分布分散,逆距离加权插值(IDW)被用来评估氮的时空分布和密度(32]。我们预测富营养化和水质量的空间分布状态使用克里格插值基于ArcGIS 10.2 (ESRI Inc .)、美国)。

3所示。结果和讨论

3.1。空间变化的氮浓度

氮含量的空间变化如表所示1。NH的范围₃L - n是在0.11 - -13.20毫克¹(平均 )L和0.10 -34.10毫克¹(平均 )在黄河(年)和汾河盆地(FR),分别。TN的范围在2.09 - -22.30毫克L¹(平均 )L和1.47 -70.50毫克¹(平均 )分别在年和FR。北半球的平均浓度₃L - n和TN(> 1.0毫克¹)超过了地表水的第三类标准(短形式第三类),如图2,NH₃- n和TN FR高于年。FR的氮比,在年更波动的空间分布。

吕梁是丘陵沟壑地区水资源短缺,交通不便,相对封闭的外部的交流。人口主要集中在小型流域双方吕梁山脉附近。大量的研究已经证明,农业(肥料),人口,工业增加流域的氮输入(33]。黄河流域的大部分地区是农村土地,盆地的产业并不发达。因此,工业废水没有对氮运输产生重大影响。氮负荷足够影响肥料使用和人口增长。此外,废水和黄土高原的土壤侵蚀加剧的输入和运输营养(磷)34]。吕梁地区水土流失最严重的地区在黄河流域。考虑FR盆地西部高,东部低,污染物在西部盆地FR很容易传播,一旦过量氮在地表水丰富,水质有负面的影响,造成富营养化。

3.2。时间变化的氮浓度

黄土高原是一个典型的半干旱地区广泛,缺水是由于其低降水和蒸发。年降水量538.6毫米,年蒸发量1120毫米(35,36]。水资源不合理和过度开发导致的严重后果减少地下水的储存。一些河流在旱季甚至枯竭。

我们计算和比较了氮浓度在干/湿季和每月(表2和3;数据3和4)。结果表明,北半球₃在旱季- n (FR年:3.32:7.35毫克L¹)高于雨季(FR 7到9月:年:1.21:2.19毫克L¹)。北半球₃FR - n在干燥和潮湿的季节有更多波动。北半球₃L - n年最高(4.26毫克¹L)和FR(10.41毫克¹1月份)。降雨是地表水供应的主要来源在FR和年。在NH降水有一定的稀释效应₃- n浓度在雨季。旱季的主要时期农民应用氮和氮含量物质和营养物质容易与降雨和径流进入地表水(37]。这些都是重要的氮含量高的原因在旱季。

上述研究结果也显示TN (FR旱季:年:11.59:21.25毫克L¹;雨季:年:9.52,FR: 14.71毫克L¹)。TN年最高(12.68毫克L¹)和2月在FR(23.67毫克L¹)。TN的定义是溶解无机氮的总量和溶解有机氮在水里。图4表明,TN的变化主要是由于北半球的变化₃- n,这意味着没有₃^{- - - - - -}- n基本上是不变的。无₃^{- - - - - -}- n是溶解无机氮的主要存在形式在沼泽河(35]。没有₃^{- - - - - -}- n的最终产品是含氮的有机化合物的氧化分解,这表明FR不仅污染由工业污染,农业污染也。在旱季,TN是23.67毫克¹这意味着河FR地区非常污染了。

3.3。氮和人类土地利用之间的关系

我们预测氮的空间分布在年和FR,基于GIS插值(图5)。结果表明,北半球的浓度₃L - n大多是< 3.0毫克¹L和3.0 -6.0毫克¹分别在年和FR。TN浓度的大多是5.0 - -10.0毫克L¹L和15.0 -30.0毫克¹分别在年和FR。北半球₃L - n(12.0 - -13.4毫克¹L)和TN(45.0 - -63.0毫克¹)是研究区东部最高的。应该注意的是,北半球₃- n和TN更高比年FR。如表所示4在黄河流域,人类土地利用(1.4%)小于在沼泽河流域(8.12%)。土地利用类型对氮浓度分布有明显的影响在FR。FR的抽样地点大多位于汾河水库附近两个。有一些工业设施和在这个区域附近的人类活动。采样地点周围的污水排放。结果表明,高氮内容应与人为源,如生活污水、动物粪便和氮肥工业污水。邢和刘38)指出,黄河的TN主要是由土壤有机氮。图5表明TN吕梁东南地区是最高的,这是农村土地的土地利用类型。另一个可能的原因是,吕梁沼泽河流来自太原盆地,所以太原盆地也可能FR的氮污染来源。人类影响地表水质量通过干扰土地利用和覆盖类型(39]。水质的动态特性,营养密度,和景观将受到影响40]。损失的氮和硫的景观有很大影响河流的水质,河口和沿海水域。

吕梁位于山西省中部,具有较高的国内生产总值、人口密度、和集中的行业。这个地区的土地利用大量的人工可能氮污染的原因。为了减少水质恶化的风险,政策制定者应该进行管理和护理评估机制在河流的来源和污染按照受益人的原则支付原则和用户支付原则。他们应该专注于完成干扰土地利用类型的比例增加绿地的面积和自然水。

4所示。结论

基于土地利用覆盖的GIS空间分析用于理解人为活动之间的相关性和河流的氮。结果表明,河流的氮与人类土地利用密切相关。氮污染最严重的城市。本研究中使用的方法是有效的和可行的评估河流的氮的背景下不同的人为活动。

我们的研究结果建议谨慎发展中城市和工业和压力增强可持续土地利用的重要性。总的来说,人们在相当程度上成功地保护水资源安全和生态的可持续性。这项研究提供了有用的结果有关的相关管理决策,以减少人为干扰的水资源管理,在干旱地区土地利用规划。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

作者的贡献

作者参与本研究的贡献如下:概念化:杨絮娴胡锦涛和Gaiqiang;数据管理:絮娴胡,延安的太阳,和李支;资金收购:絮娴胡、Gaiqiang杨和李支;调查:絮娴胡锦涛和Ke张;监督:絮娴胡锦涛和Ke张;原创作品草案:絮娴胡;和writing-review和编辑:李絮娴胡锦涛和元。

确认

这项工作是支持的部分山西自然基金(201901 d111251),高等院校的教学改革和创新项目的山西(没有。J2017081),中国国家自然科学基金(51709195),和山西省重点研发项目(国际合作)(201803 d421095)。

引用

1. 问:小王,d .太阳,w, x, y . Li和y,“人类活动和氮在水,”生态学报,32卷,不。4、174 - 179年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 帕雷德斯,f·拉米雷斯,m . Forero和a .绿色”在沼生植物稳定同位素反映人为氮污染在入口流多纳纳世界遗产的“生态指标卷,97年,第140 - 130页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 施p, y, j .歌曲et al .,“反应地表水氮污染的土地利用和社会经济因素在渭河流域,中国西北,”可持续城市和社会,50卷,p。101658年,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. f . Sajedi Hosseini A . Malekian b Choubin et al .,“一种新颖的基于机器学习的方法对地下水硝酸盐污染的风险评估”科学的环境卷,644年,第962 - 954页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. y, z, g .楚j . Zhang和y赵,“谷重塑和筑坝对地表和地下水硝酸盐中国黄土高原”《水文,第584卷,第124702页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. f·麦肯齐,l .版本C . Sabine m·莱恩和a . Lerman“C N P S全球变化的全球生物地球化学循环和建模”交互的C N P和S生物地球化学循环和全球变化,vol.卷。14北约ASI系列斯普林格出版社,页1 - 61,德国海德堡1993。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. s g·加德纳j .李维森b·l·帕克和r·c·马丁,“地下水硝酸盐在三个不同的水文地质和土地使用设置在安大略省西南部,加拿大,”水文地质杂志,28卷,不。5,1891 - 1908年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. j . Galloway大肠整流罩、美国Seitzinger和r . Socolow“活性氮:太多的好事吗?”中记录没有,卷。31日。2,p。2002。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 问:关,l .冯x侯,g . Schurgers和j .唐“五十大湖泊的富营养化变化中国长江平原来源于梅里和OLCI观察,“环境遥感第111890条,卷。246年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. j . s . h . Kim Yu哦et al .,“氮评估应用程序限制agro-livestock农业地区利用分位数回归之间的载荷和地下水硝酸盐氮水平,”农业、生态系统和环境,第286卷,第106660页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. p·默多克和j·斯托达德,”这个角色的硝酸酸化卡茨基尔山流的纽约”水资源研究,28卷,不。10日,2707 - 2720年,1992页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. f . y .雪,j . Liu见鬼,x, s . Wang和z .马,“CH的影响₄吸附扩散和CH₄——两相流在密封盖层在地下储能效率,”可持续能源技术和评估,42卷,p。100874年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. x y雪、f·高和刘,“煤损伤演化对渗透率变化的影响和分析与煤矿瓦斯突出危险,”自然灾害,卷79,不。2、999 - 1013年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. y雪,p . g . Ranjith高f . et al .,“机械特性和渗透性演化的含煤卸围压试验,”天然气的科学与工程》杂志上40卷,第346 - 336页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. y雪,p . g . Ranjith f .党et al .,“分析变形、渗透和能量演化特征的煤炭质量钻孔周围开挖后,“自然资源研究卷,29号5,3159 - 3177年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. j·艾伦和m·卡斯蒂略流生态:结构和功能运行水域施普林格,荷兰,第二患儿版,2007。视图:出版商的网站
17. f·查宾、m .权力和j·科尔,”耦合的生物地球化学循环和地球管理。”在生态与环境前沿,9卷,不。1,p。2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. d·福勒,c . Steadman d·史蒂文森et al .,“全球变化的影响在氮循环的21世纪,“大气化学物理,15卷,不。24日,第13893 - 13849页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. c . Kroeze和美国Seitzinger氮输入河流、河口和大陆架和相关的一氧化二氮排放在1990年和2050年:全球模型,”农业生态系统养分循环,52卷,不。2/3,195 - 212年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 崔x, z, m .风扇et al .,“环境成本较低的生产更多的粮食。”自然,卷514,不。7523年,第489 - 486页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. w·h·施莱辛格,“人为氮的命运。”美国国家科学院院刊》上的美利坚合众国,卷106,不。1,第208 - 203页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 顾,刘,吴x, y通用电气、y . Min和j . Chang“废物利用氮的生物燃料生产在中国,“可再生能源和可持续能源的评论,15卷,不。9日,第4916 - 4910页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. h .你和h·陈,“从毁林造林:水土保持效果使用政策对土地利用/覆盖变化在台湾,“土地使用政策第105038条,卷。99年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. m . Martinkova c . Hesse诉Krysanova, t .检查者和m . Hanel“潜在影响的气候变化对硝酸负载Jizera流域(捷克共和国),“地球物理和化学部分,36卷,不。13日,673 - 683年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. y, j .李et al。l . Wang“硅藻应对气候变暖在过去200年里:记录从Gonghai湖,北中国,“古古气候学古生态学页48-59卷。495年,2018年,(在中国)。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 赵x和m .黄”空间分布对王东沟流域土壤的氮的黄土高原,“水土保持的研究26卷,第67 - 62页,2019年,(在中国)。视图:谷歌学术搜索
27. d . y .郑,c . Duarte j . Chen Li z卢,j . Wu,“遥感制图macroalgal农场通过修改阈值分类树,”Geocarto国际,34卷,不。10日,1098 - 1108年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. l . Lassaletta h . Garcia-Gomez b . s .希梅诺和j·罗维拉,“Agriculture-induced硝酸盐浓度增加流水域的地中海流域超过25年(1981 - 2005),“科学的环境,卷407,不。23日,第6043 - 6034页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. f·张,t . Tashpolat、h·龚和j .叮”土地利用/覆盖的变化和特点,在干旱地区绿洲景观格局:一个应用程序在径,新疆,”地理空间信息科学,13卷,不。3、174 - 185年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. j .周s .李x梁et al .,“第一次报告的来源,垂直分布和人类健康风险的遗产和小说——和氟烷基物质在地下水从黄土高原,中国,“《有害物质,第404卷,第124134页,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. t .黄马b z彭日成z,李,李z和y长”,在黄土降水补给地下水含水层如何?证据来自多个环境示踪剂。”《水文,第583卷,第124532页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. y, y Bi, w . Mi s .谢和j·李,“土地使用变化造成的人为活动增加氟和砷污染地下水和人类健康风险,”《有害物质第124337条,卷。406年,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. m·格雷戈里·m·大卫,特纳,z“硝酸通量在密西西比河,”自然,卷414,不。6860年,第167 - 166页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. y道,m·魏e . Ongley l . Zicheng和c .无非“长期变化和因果因素在黄河氮和磷运输,中国,“河口、沿海和货架的科学,卷86,不。3、345 - 351年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. z孟,杨y、z秦和l .黄”评估时间和空间变化的氮源沿着汾河下游河段河(山西、中国)使用稳定同位素和水化学示踪剂,”水,10卷,不。2,p。231年,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. 傅y杨和b”,在半干旱地区的非饱和区土壤水分迁移在中国从同位素证据,”水文和地球系统科学卷,21 - 24、2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
37. w·邵j . Cai j .刘et al。”在汾河流域水资源短缺的影响和缓解策略,”水,9卷,不。1,p。2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
38. 邢m . w .刘,“使用双重识别来源和转换的氮同位素在集水区不同的土地用途,中国黄土高原”环境科学与污染研究,23卷,不。1,第401 - 388页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
39. y王”,城市土地资源可持续利用:开箱的抵消效应在中国城市化对水的利用,1990 - 2014,”土地使用政策,第90卷,第104307页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
40. 李施p, y, z, p . Li和g .徐”土地利用和土地覆盖模式对季节性的影响水质multi-spatial尺度,“系列卷,151年,第190 - 182页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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