评论文章

前面。维持。食品系统。,02 March 2023
秒。Water-Smart粮食生产
卷7 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fsufs.2023.985870

河岸缓冲带的应用在农业面源污染如合理审查

Shaoteng吴¹ ^__,

默罕默德阿姆巴希尔 ^2、3 ^__,

Qurat-Ul-Ain Raza²,

阿布杜尔Rehim ²,

Yucong耿 ⁴ ^*和

曹磊¹ ^*

¹学校的建筑,天津大学,天津,中国
²土壤科学、农业科学和技术学院,Bahauddin扎卡里亚正在搜索大学,木尔坦,巴基斯坦
³大学农业学院Layyah Layyah,巴基斯坦
⁴学校的历史、地理、旅游、成都师范大学成都,四川,中国

水是一种重要的自然元素,我们的环境,及其管理和安全性也严重担忧。农业面源污染(NPSP)是污染物的主要来源之一,导致水质恶化。河岸缓冲带是植被毗邻水渠道,积极有利于污染物过滤和沉积物捕获。它有可能过滤养分,减少养分和农药泄漏,提供栖息地和抵御洪水,减少侵蚀问题,提高生物多样性和生态连接,并添加美学。此外,它是便宜的,并且几乎不需要维护使缓冲区NPSP控制一个有吸引力的方法。在本文中,我们有开明的河岸缓冲带的影响水质和农业NPSP以及其结构和机制有助于有效控制水污染。我们得出结论,河岸缓冲带是一种有效的技术对水安全,NPSP控制和陆生、水生物种创建合适的环境。此外,它有可能减少水温度由于阴影效应和维持栖息地作为适应气候变化的工具。缓冲区应采用农业面源污染,实现环境可持续发展。然而,长期影响河岸缓冲区的诱捕NPS污染物、土壤性质和地下水质量是s的研究空白。

1。介绍

水是一个重要的资源对生物体的生存和发展,所以重要的是要控制环境污染和保持水的污染物的自由。农业面源污染(NPSP)是一个很好的营养来源水体(夏et al ., 2020)。达到农田污染物主要来自生活污水和农业资源,进一步分为无机污染物(重金属、沉积物氮、磷),有机污染物、农药、人类病原体,药物残留和环境激素。这些污染物的有害影响并不局限于土壤,还造成威胁湖泊、河流和水生生态系统在移动和地表径流(易et al ., 2021)。在许多湖泊富营养化已报告在中国和管理(湖是一个严重的问题王et al ., 2020)。

农业的发展,城市化和工业化在湖泊水质严重恶化,溪流,和其他水体(王et al ., 2020)。牲畜的扩张和土地利用方式导致NPSP不足也造成了威胁水生生态系统,饮用水安全和人类健康(荣et al ., 2021)。此外,NPSP是N和P在淡水的主要来源,导致水质恶化(王et al ., 2020),农业的主要来源之一是添加N和P水体(林德et al ., 2019)。在美利坚合众国(美国)、农业活动是地表水污染和污染的主要来源包括过多的养分肥料、除草剂和杀虫剂径流和土壤侵蚀导致浊度增加(-贾巴尔和格罗特,2019年NPSP)贡献55%的地表水。此外,约83%的识别来源的河流和溪流质量缺陷NPSP (Zhang et al ., 2019)。

NPSP威胁许多盆地系统全球工业和城市点源污染的有效控制。此外,“中国南水北调工程”是世界上最大的调水工程cross-basin并有效地用来控制点源污染。农业和农村地区的主要来源是NPSP NPSP因此重要的是要采取措施,控制和维护水质(王et al ., 2019 b)。中国已经大大增加了农产品,发展丰富的农业种植大国。但它也会导致矿物肥料和农药的过度使用,最终提高农业面源污染(李et al ., 2018;刘et al ., 2022)。据报道,中国有2.58倍的平均矿物肥料应用强度比整个世界,和利用大约30%的全球农药对2016年全球9%的农田(Zhang et al ., 2021)。矿物肥料已经从1978年的884万吨增加到2017年的5859万吨。此外,杀虫剂和塑料薄膜的应用是在073万年和1990年048万吨,2017年增加到166万吨和253万吨,分别为(邹et al ., 2020)。

中国第一次全国污染源普查公报显示,2017年中国的大量排放是农业化学需氧量(43.7%)、总氮(N);57.2%)、总磷(P;分别为67.4%)的所有污染物(邹et al ., 2020;易et al ., 2021)。这表明,农业生产高度依赖密集的农业投入增加了产量,但也导致水质下降和扰乱水生生态系统(邹et al ., 2020)。从1997年到2018年,约136%的增长在家禽报道使养殖业NPSP另一个主要原因。因此,化肥的过度应用,增加了污水污泥,飙升的畜禽粪便导致土壤和水污染恶化(Zhang et al ., 2021)。

在过去的三十年里,中国经济已迅速增加,导致高压环境和饮用水资源,造成环境威胁由于人为活动(王et al ., 2019 a)。

考虑所有的危险,这是一个需要今天为点和NPSP开发管理策略。与点源污染,NPSP挑战监视和控制(王et al ., 2019 a)。河岸缓冲带是最好的方式来控制NPSP报道,可以在全球范围内实现(刘et al ., 2022)。它有悠久的历史早在1700年时候植树的走廊缓冲区实现沿水体在欧洲森林管理(李et al ., 2004)。河岸区水域和陆地环境之间是一种天然的缓冲保护和管理水附近的溪流,湖泊等地表水系统(图1)(林德et al ., 2019),主要是为了减少污染物在地下和陆路的交通流(山,2019)。缓冲区也作为营养的过滤器,减少泄漏的N, P,和农药,为动物和植物提供栖息地,减少侵蚀问题,防止洪水,提高生物多样性和生态连接,创建休闲区(林德et al ., 2019)。

图1

图1。河岸缓冲带。

缓冲区的有效性取决于各种因素,包括地形,大小,和宽度的缓冲地带,植被和土壤类型、管理模式,气候条件,营养负荷的程度和类型,强度,和转换的污染物(林德et al ., 2019;金et al ., 2022)。它也是必不可少的预防和控制NPSP,生态系统恢复和减轻湖泊生态环境恶化。在中国,河岸缓冲带对植被扰动由于开荒,城镇发展,和其他人为活动也报道(王et al ., 2020)。此外,污染密度是负相关的森林和草原地区,有机污染与工业土地利用需求和化学氧化,生物氧化的需求,总N, P显示正相关与城市土地利用(徐et al ., 2021)。此外,植物缓冲带产生好影响最小化水污染物(金et al ., 2022),但水质和土地利用之间的关系需要研究(徐et al ., 2021)。

在这里,在文献综述的基础上,我们研究了河岸缓冲带的好处和约束。尤其是审查揭示的作用和影响水质和农业NPSP河岸缓冲区。我们也回顾了河岸缓冲区的结构和机制来有效地控制水污染。评审旨在回答以下查询:河岸缓冲带是什么?系统如何影响水质和安全?河岸缓冲区如何影响水质和农业NPSP ?什么是河岸缓冲区的结构和其有效性?背后的机制是什么河岸缓冲带的工作吗?将来研究的查询需要解决什么?

审查包括八个部分,河岸缓冲带的一般背景和审查的目标(第一节),评估方法(第二节),水质量和安全挑战(3节),应用水河岸缓冲带的质量和农业面源污染(第四节),河岸缓冲带的结构及其有效性(5节),机制的河岸缓冲区(6节),未来的研究方向(第7节),分别与结论(8节)。

2。复习方法

本文的范围是提供一个需要河岸缓冲区及其应用特别是在农业和农业NPSP探索其对控制的影响。确保质量的审查,我们收集审查论文,期刊文章,研究文章,书籍,和网络科学研究报告索引,斯高帕斯,科学直接和谷歌学术搜索数据库。最初,一个关键字列表有关这篇文章的范围。后,池的引用是使用关键字搜索“河岸缓冲区”,“农业面源污染,”“水质”,“水污染”“植物缓冲带,”和“水污染物。“鉴于标准后,我们确定了参考。

2.1。文献综述

在本文中,我们考虑河岸缓冲区和NPSP的重要性。因此,我们不关注任何特定的污染物或缓冲区的结构,包括所有的水污染物和不同类型的缓冲区。审查提供了关于河岸缓冲带的一般知识农业家,水管理当局和实践者与农业和水质管理系统正确地利用和管理土地和水资源。在我们的研究中,我们选择了文章研究了河岸缓冲带对水质、NPSP控制和环境质量。

2.2。选择标准

保持质量的审查,我们只选择报告和文章发表的著名杂志和出版商(雷竞技电竞体育竞猜平台图2)。此外,我们排除了文章无关的河岸缓冲区,水质、和农业NPSP。指南从先前的研究获得了选择标准和研究方法(Raza et al ., 2021)。

•在引言中讨论的问题被认为是在整理文章。

•文章没有发表在国际声誉好的期刊被排除在外。雷竞技电竞体育竞猜平台

•我们也排除文章与我们的主要目标(河岸缓冲区、水质和水污染,特别是NPSP)。

•从选中的文章,河岸缓冲带的作用与控制研究了NPSP和用表和图表表示。

图2

图2。检查每一步的选择标准和文章排序。

3所示。水安全与质量的挑战

水是一种重要的自然元素,我们的环境,及其管理和安全性也严重担忧(窦et al ., 2021)。水安全的主要威胁包括干旱、洪水、侵蚀、滑坡、水源性疾病、气候变化、人口增长、城市化、和水污染由于农业、工业、和其他污染物(Mishra et al ., 2021)。另外,河流的主要来源可再生淡水生态系统和人类用水,但水污染对人类不利影响河流功能,特别是在中国唐et al ., 2022)。“水安全”一词涵盖的概念创建一个平衡水资源的使用,保护和水资源管理。联合国将水安全定义为平衡水资源保护和支持人类的行为。这意味着人类持续获得足够数量和高质量的水在管理社会经济和环境安全问题(于和王出版社,2022年)。中国正面临水安全问题水资源短缺,水环境恶化,安全问题(赵et al ., 2021)。

点源和面源污染物流入水体的两种模式。点源污染是工业、城市污水和城市污水排放,虽然NPSP因地表径流农业农场、矿山、森林、城市和建筑工地。然而,点源污染控制在许多发达国家,但NPSP地表水质量(是一种严重威胁汉et al ., 2021)。六水质量水平设计根据功能和质量标准(等级I, II, III, IV, V, V)低劣。1级给原始的地表水,必须不惜一切代价保护。II, III级好水,可用于饮用水和工业。同时,等级IV, V是不好的水和可用于灌溉和娱乐。成绩差V是最严重和最无用的(周et al ., 2014)。

可用水资源人均在中国近2300³。据估计,中国人口在2030年达到16亿,与水资源下降到1750米³人均。因此,中国将面临严重的水分胁迫由于水资源短缺。此外,水的污染和气候变化也迫使中国应对水资源短缺资源和质量(周et al ., 2014)。随着人口的增加和社会经济发展,对食品的需求也在上升,最终创建农业生产压力(王et al ., 2021)。中国使用更多的化肥比全球其他国家。然而,研究表明,植物只能吸收约30 - 50%的化肥,而另一些则丢失,导致各种环境问题(鑫,2022)。在这种情况下,化肥和农药的使用扩大,导致农业NPSP不利条件,水质下降,扰乱生态,增加富营养化情况下(王et al ., 2021)。

据最近报道,富营养化问题已经观察到在中国超过60%的湖泊。此外,N和P的起源在超过一半的湖泊是NPSP (侯et al ., 2022)。这些过度营养引起富营养化导致的赤潮,对水生生物的威胁,饮用水质量的恶化,令人不安的水体周围居民的健康(王et al ., 2021)。农业和农村地区NPSP的主要来源;研究报道,农业生产增加了约3100万吨的N和P淡水全球每年290万吨。此外,约57%的N达到水体在中国从农业部门(王et al ., 2018 b)。

除了中国,其他国家也面临着类似的情况。在明尼苏达州,氮污染的主要原因是肥料的应用程序。此外,农业生产硝酸造成损失和占86%的爱德华王子岛的分水岭,加拿大。研究在加纳、波兰和印度的恒河流域报道,高浓度的氮和磷在水体与农业生产有关(王et al ., 2021)。饮用水中硝酸盐含量高会增加患癌症的风险,和水污染导致癌症死亡率很高在中国(周et al ., 2014;王et al ., 2021)。损坏水由于高浓度的有害和有毒物质总是很难撤销(周et al ., 2014)。NPSP和营养损失是重大问题必须解决的令人不安的水生态和人类健康(表1)。

表1

表1。在世界范围内使用河岸缓冲区使用和主要结论。

4所示。河岸缓冲带应用于水质和农业面源污染

河岸缓冲带有效保护NPS污染物的水生生态系统。各种净化后的污染物转换过程,如降水、吸附、挥发、过滤、微生物过程和植物吸收。它是便宜的,并且几乎不需要维护;因此,加强其净化性能是一个严重的和有吸引力的问题(他et al ., 2020年)。以前的文献表明,各种因素显著影响河岸缓冲区的效率,包括组成和配置土地覆盖和土地利用对水环境质量。河岸缓冲带的宽度是正相关的,它的效率改善水质和水环境保护(王et al ., 2020)。

河岸缓冲区作为植被毗邻水渠道积极有利于污染物过滤和沉积物捕获。此外,农业土地和水之间的缓冲区可以作为天然屏障保护农业的生态系统包含(Jaja et al ., 2022)。控制NPS氮污染,提出的一般方法是:(1)(2)污染物的减少地表径流和运输增加耕种土地和水体之间的距离,增加地下水的保留时间,并允许微生物降解(3)N吸收。这些过程都是暂时的,可以实现不定期清洗和收获(律et al ., 2021)。

河岸缓冲带可以有效地保留在地表径流氮。氮保留效率取决于缓冲区的物理性质,包括宽度、土壤质地、坡度、植被生物量(律et al ., 2021)。此外,生化能力N保留,删除,和转移也取决于季节性变化,河岸走廊,设计和水文电导率(Rai et al ., 2022)。高营养的应用程序会增加高的风险在地表水径流养分通量。因此,植被或种植和收割湿地植物可以有效地从系统中删除多余的营养物质(沃尔顿et al ., 2020)。此外,多孔混凝土的应用在河岸缓冲区可以开发护岸稳定,减少环境污染,为植物提供一个稳定的增长平台(Zhang et al ., 2022)。

草坪植物缓冲区也有助于减少水量,最终减少了没有₃- n损失(盛et al ., 2021)。此外,将牧场的人们和合理放牧fenced缓冲区的报道减少N径流损失(Pilon et al ., 2019)。农村地区缺乏污水处理厂可以安装limestone-based障碍和河岸缓冲带,以减少生态系统恢复和废水除磷。这是一个具有成本效益的策略来改善措施减少扩散污染(Fratczak et al ., 2019)。河岸带也积极影响水生生态系统通过稳定streambanks和减少streambank侵蚀。此外,它过滤沉积物、营养物质和有毒物质,从而提高水质。它还调节水热状况为水生物种并创建一个合适的环境。树叶分解后,成为海洋生物食品和为野生动物提供栖息地图3)(辛格et al ., 2021)。

图3

图3。河岸缓冲带对水生生态系统的影响。

生境异质性也是一个重要因素,影响生物多样性的农业用地。水体的生物多样性是直接与植被的类型和条件和耕作实践在附近的地区。在河岸缓冲区可以提高陆地物种的生境异质性(麦克拉肯et al ., 2012)。它还为社区创造碳源和N和P(需求增加Stockan et al ., 2012)。河岸缓冲带等各个方面扮演着关键的角色减慢水流和导致洪水管理,降低水温与阴影,树高蒸腾率导致冷却效果,为动物提供栖息地,和深根系统改善持水量和降低地下水位(Stockan et al ., 2012)。此外,它可以显著提高表面水文保留和减轻下游养分运输(Weigelhofer et al ., 2012)。

研究Sulejow水库(波兰)得出结论,提高一个缓冲区包括植物河岸土地/水交错群落和limestone-based障碍有效降低扩散污染和生态系统的恢复。它也有潜在的P移除受污染浅层地下水(Fratczak et al ., 2019)。缓冲条明显有更大的P吸附饱和;57年后,它不会饱和与相邻土地(P出口Habibiandehkordi et al ., 2019)。使用湿地和森林作为一个缓冲区建议最小化P浸出和平衡浓度(曹et al ., 2019)。此外,宾夕法尼亚州提出了缓冲带是一种有效的工具来减少N(25%)和P(80%)的目标和利用森林和草缓冲区的好处(江et al ., 2020)。然而,缓冲区的好处不仅限于NPSP也提高了生物多样性,节约水和土壤,控制水土流失,增加了审美价值(易et al ., 2021)。

5。河岸缓冲带的营养结构和其有效性

河岸缓冲区或营养筛选条可以分为过滤器和树或灌木草地过滤带,是由条纹有超过两种类型的植被(易et al ., 2021)。除了物理性质、斜率和宽度,植物群落的结构也影响河岸缓冲区的有效性和性能。一项研究证明了伍迪河岸缓冲区可能陷阱86.1%硝酸,而绿色的缓冲区陷阱68.1%硝酸(普罗塞et al ., 2020)。河岸缓冲带的基础物种也取决于植被,如树木繁茂的地区,更适合生活条件比开放树冠鱼社区(Rai et al ., 2022)。此外,植物群落类型也影响缓冲区保留杀虫剂通过更好的渗透的能力(普罗塞et al ., 2020)。相比之下,阿特拉津(除草剂)径流明显减少草树篱在中国北部斜坡梯度(王et al ., 2018 a)。

适当的植物物种的选择也是至关重要的,减少养分损失,提高养分效率。植物固定P在土壤的能力是一个关键因素在确定P浸出(罗伯茨et al ., 2020)。植被条件,包括搭配方法、植被类型、生长时期,和舞台,也会影响植被特征,它对土壤特性的影响,其去除污染物的效率从缓冲区。因此,重要的是要选择合适的植物物种的目标缓冲区的污染物,提高效率(盛et al ., 2021)。此外,缓冲草带为作物提供保护屏障对风的影响,节约用水,提高agrobiodiversity (Musfiq-Us-Salehin et al ., 2020)。

管理策略也需要除了植被缓冲带的重要性。研究还报道,缓冲条含香根草和植物物种创造耐气候条件,改善土壤和水的谈话,和控制径流损失。此外,植物的周期应该采用切割,因为他们还营养和沉积物的来源(萨利赫et al ., 2018)。收获的植被带P释放到冬天底土表面,导致P损失通过径流或浸出。因此建议收获植物在寒冷气候(Kieta et al ., 2022)。一个荟萃分析报道,缓冲区可能减少₃在地表径流- n损失(30%)以及地下水(70%)。此外,N浓度直接相关的保留和缓冲带的宽度显示不影响N保留(Valkama et al ., 2019)。另一个荟萃分析研究中国农田地表径流和报道,N损失与氮肥类型和速率和降水率。此外,施肥增加N损失从3.3到10.0公斤公顷⁻¹在稻田和从3.0到11.2公斤公顷⁻¹分别在高地的领域(侯et al ., 2021)。

6。河岸缓冲带的机制

缓冲区的效率取决于各种因素,包括宽度、植物群落、密度、土壤参数、营养物质和化学物质输入、地形和土壤属性。因此,河岸缓冲带的能力背后的机制来消除污染物是复杂的。硝基污染物净化取决于微生物,将它转换成plant-available形式的N通过硝化和反硝化作用。之后,植物吸收氨氮和硝态氮N获得污染物。同样,植物和微生物的吸收和同化P缓冲区的径流。植物根分泌也会影响酶降解(易et al ., 2021)。

缓冲条也稳定银行和作为一个障碍从字段水体沉积物运移,从而减轻干扰的水生生态系统。此外,还缓冲区提供野生动物庇护所,增加生物多样性,保护本地植物(普罗塞et al ., 2020)。缓冲区包含丰富有机沉积物表明,反硝化作用是地下水硝酸盐去除的主要机制(山,2019)。此外,它也被报道,一个缓冲区的效率显著提高养分利用效率影响的营养水平的水柱相邻的水生生态系统,特别是在沿海地区。然而,营养物去除效率取决于种植社区和生化的河岸缓冲带的属性。不同的缓冲区更能够获取更多的营养比信号的植被类型(曹et al ., 2018)。

缓冲区的效率还取决于土壤渗透速率与土壤有机质、植物根系和土壤物理性质。高普及率将导致低的地表径流,和营养会被土壤颗粒和植物根系和转换过程,如硝化作用,土壤吸附、植物同化,脱氮,微生物固定化。此外,一个小斜坡减少径流速度,最终增加了渗透和营养物去除(Cai et al ., 2022)。河岸木本植被影响河岸小气候保持凉爽的气温与捕食者提供庇护,从而创造适合昆虫和无脊椎动物的栖息地,导致改进的生物多样性(Forio et al ., 2020)。

7所示。未来的研究方向

文献关于污染物的分布之间的河沿岸区和质量是有限的;因此,科学家们需要解决的影响和机制背后的污染物分布在沿岸区和附近的水体水文特征。此外,缓冲区的修复和管理,提高他们的能力在很长一段时间,和应对气候变化也是开放的挑战。土壤属性的知识互动和角色,质地,和土地管理也是有限的。

此外,河岸缓冲区不能过滤水不流在土壤表面。因此,快速径流水,或水通过沟渠可以减少缓冲过滤的能力。在这种情况下,它需要识别土壤类型、植被和管理实践的需要。此外,河岸缓冲区和特定的长期影响在水生栖息地植被,生物多样性和河流管理策略是至关重要的。改善水质,实现河岸缓冲带的好处,这是至关重要的教育住宅和农业土地所有者和支持他们实现缓冲区。然而,保护管理策略可能不是他们的问题,但增加了审美价值(看自然美景,享受生物多样性,鱼捕捉)他们的财产是很有帮助的。

8。结论

河岸缓冲带是一种有效的保护管理策略以减少NPSP和改善水质。健康的缓冲区有庞大而密集的植被与限制人为活动可以作为水体的天然屏障。河岸缓冲带也被确认为适应气候变化的工具。它有可能减少水温度由于阴影效应和维持栖息地维持物种的生存和繁殖,尽管气候变化。当时的气候影响河岸系统仍然是一个研究缺口。一个缓冲区的有效性取决于几个因素,包括植被类型,宽度、坡度、流大小、地形、土壤特性、管理实践,土壤微生物活动和污染物。由于众多因素,缓冲区的有效性背后的机制是复杂的。进一步研究的长期影响河岸缓冲区在捕获NPS污染物和修改成有用的营养需要的研究。然而,土壤特性的变化和地下水质量的河岸带需要注意。

作者的贡献

所有作者列出了一大笔,直接和知识贡献的工作,批准发布。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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引用

答,M。,Vianello, M., Morari, F., and Zanin, G. (2005). Effectiveness of buffer strips in removing pollutants in runoff from a cultivated field in North-East Italy.阿格利司。Ecosyst。环绕。105年,101 - 114。doi: 10.1016 / j.agee.2004.05.011