研究，一部分的特别功能理解热带地区城市社会生态系统的脆弱性和可持续性:来自圣胡安市的观点

热带城市小流域水化学的时空变化

• 摘要
• 简介
• 方法
  • 研究流域
  • 土地覆盖分析
  • 样品收集
  • 统计分析
• 结果
  • 土地覆盖分析
  • 水的物理化学和溶质
  • 水化学与流域土地覆盖
• 讨论
  • 与城市基础设施的关系
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

人类活动极大地改变了环境和地球，创造了新的条件，其中人类系统是主要因素(Ellis 2011)。城市是人类存在的一种极端表现形式，严重改变了自然景观。大多数城市对自然生态系统的影响来自于它们对景观的改造，即自然植被转化为不透水的表面或建筑本身，以及改变生态系统中能量和物质流动的废物的产生，通常会改变生态系统的功能(Pickett et al. 2011)。随着城市人口的增加，城市地区成为生态系统改变的重要来源(Alberti et al. 2003)。溪流尤其脆弱，因为它们整合了景观，而溪流的物理化学特征既反映了它们所排水的地质环境，也反映了来自周围流域的输入(Allan 2004)。城市河流显示出特殊的物理化学信号，反映了它们从周围流域接收到的较高的输入量(Hatt et al. 2004)。因此，城市水流化学可以用来衡量人类活动对环境的影响。

城市河流具有一系列特征，几乎不随地理变化而变化。“城市流综合征”是一个概念模型，概括了城市对城市化的影响和流的响应(Meyer et al. 2005, Walsh et al. 2005)。城市化对河流的常见影响包括，除其他外，由于泥沙输送的变化而改变的河道地貌，与大量不透水表面相关的浮华水文，环境变化导致的原生生物群的丧失和非原生物种的增加(Walsh等，2005年)。此外，与森林河流相比，大多数城市河流的溶质浓度都有所增加，例如营养物质、离子和污染物(Paul和Meyer 2001)。在主要营养物质中，城市化极大地增加了河流中的氮浓度，以及向下游生态系统和沿海地区输出的氮总量(Kaushal et al. 2008)。一般来说，溶质浓度与流域内道路、建筑物、管道等城市基础设施的密度呈正相关。在澳大利亚城市地区的研究表明，溪流中的氮浓度与流域的污水基础设施有关，如化粪池密度，而大多数溶质则与流域不透水面百分比密切相关(Hatt et al. 2004)。

热带地区的城市河流受到的关注较少，但预计其他城市地区所描述的症状在热带地区也会类似。在热带岛屿，城市流综合征普遍适用，但有一些修改(Ramírez等，2009年)。例如，在波多黎各和夏威夷的城市河流中，有当地的动物群，特别是鱼和虾，它们不太容易受到城市影响(Ramírez et al. 2012)。大多数本地鱼类和虾只要与幼虫发育的河口保持联系，就能在城市溪流中保持种群数量(Brasher 2003, Ramírez等，2009)。此外，潮湿热带地区的河流没有显示出预期的流量变异性增加，即闪光，因为这些地区降雨频繁，土壤饱和(Ramírez et al. 2009)。另一方面，随着城市化程度的提高，水的物理化学和溶质浓度遵循预期的富值模式(Ramírez et al. 2009)。在波多黎各的Río Piedras流域，河流溶质浓度随着流域城市覆盖率的增加而增加(de Jesús-Crespo和Ramírez 2011)。然而，我们的认识仍然有限，热带地区的城市基础设施与河流溶质浓度之间的关系还没有被探索。

我们每周在波多黎各一个城市化的热带流域监测水流的物理化学。Río Piedras是一个高度城市化的分水岭，流经波多黎各的圣胡安大都市区，这是岛上城市化程度最高的地区。我们的主要目标是在这一高度受影响和研究不足的地区描述水流物理化学的时空变化。此外，我们还评估了哪些流域特征，如不透水性、基础设施密度或绿地数量，与水流物理化学变化有关。这项研究的首要目标是了解人类活动如何改变Río Piedras流域的河流生态系统，以及这些转变如何反过来影响生态系统服务和人类健康。

方法

研究流域

Río Piedras流域灌溉了波多黎各圣胡安大都会区(SJMA)的大部分地区。圣胡安是高度城市化的城市，人口密度约3190人/平方公里(美国人口普查局2010年)。流域起源于150平方公里左右，在到达低地之前的前8公里内有一个陡峭的坡度(de Jesús-Crespo和Ramírez 2011)。人类活动极大地改变了河流，甚至由于流量的改变，流域面积也随着时间的推移发生了变化。Haire(1971)描述Río Piedras河在20世纪70年代的分水岭面积为49平方公里，与我们最新测量的67平方公里(de Jesús-Crespo和Ramírez 2011)形成对比，这一差异代表了河流经历了大量的修改，特别是在纽埃波多河与Río Piedras河的干流汇合的最低河段(Lugo et al. 2011)。此外，该流域还受到许多支流的渠化和混凝土衬砌、短暂和间歇性河流的铺装以及大量重塑当地地形的土地运动的影响(Lugo等，2011年)。不透水表面现在达到了总面积的49% (de Jesús-Crespo和Ramírez 2011)，这导致了很高的径流率，例如，72%的降雨变成了水流(Osterkamp 2001)。SJMA的城市化开始于沿海地区，因此Río Piedras流域在低地地区的城市化程度更高，而在其源头地区的城市化程度更高。目前，大部分流域由市政饮用水系统提供服务(表1)。尽管大部分地区都有污水收集，但源头的一些地区仍依赖化粪池系统。此外，污水和雨水应该是分开收集的，但现在有联合系统，在大雨后，污水进入河流是明显的。

我们在Río Piedras流域内选择了8个地点(图1)，每个地点都与圣胡安ULTRA项目的重点研究区域相关(http://sanjuanultra.com/)．选定的支流在一个十字路口很容易到达，以便进行每周的水采样。在选定的地点中，有六个是小支流，亚流域划分清楚，而两个位于河流的干流。两个主要的茎点被选在美国地质调查局(USGS)测量站附近。第一个(地点3)位于El Señorial站的USGS 50048770 Río Piedras附近，面积60 m.a.l.，排水19.4平方公里，报告平均年排放0.61立方米/秒(18年的记录)。第二个站点(站点6)位于Hato Rey站的USGS 50049100 Río Piedras，位于海平面之上(1 m.a.s.l)，排水39.4平方公里，报告平均年排放1.6 m³/秒(23年的记录)。

土地覆盖分析

使用空间分析扩展的Arc GIS 9.3.1水文工具和30米波多黎各数字高程模型对每个采样点的小流域进行了划分。使用ArcMap设备上装。，we intersected each subwatershed with available geodatasets for water and sewer lines, streets and roads lines, and building footprint polygons. Water and sewer line data from 2009 was obtained from the Puerto Rico Aqueduct and Sewer Authority, the roads and streets data from the Federal Census Bureau 2006 TIGER line files, and the structures and the buildings data from 1998 from the Puerto Rico Municipal Revenue Center. We used a 4-meter resolution land cover classification (American Forests 2002) that included impervious surface, tree cover, pasture and grass, bare surface, and water bodies to calculate areal extents and impervious surface percentages for each subwatershed.

样品收集

从2011年4月至今，每周二在每个研究地点采集水样。在本研究中，我们报告了截至2012年4月的第一年数据。样品从通道中心采集，保存在冷却器中，通过预燃0.70 μm玻璃纤维过滤器过滤，并在塑料瓶中冷冻，直到分析。我们测定了主要离子浓度(Na⁺、钙^{2 +},在北半球₄ ⁺、镁⁺K⁺, Cl^-,所以₄ ^{2 -},没有_3. ^-)使用ICS-3000离子色谱系统(Dionex公司，Sunnyvale, California, USA)。位于Río的美国林务局实验室进行了所有的水化学分析。我们使用YSI Model 63多参数仪器(YSI公司，Yellow Springs, Ohio, USA)测量了现场的pH值、比电导率和温度。

统计分析

我们计算了每个变量的平均值、标准差、最小值和最大值，以表征它们的可变性。我们使用逐步多元回归来确定哪些土地覆盖变量与河流溶质浓度或物理化学参数相关。我们认识到多元回归有局限性，特别是考虑到我们的样本量为8个站点，但我们认为分析作为一种探索工具是有效的。作为补充，我们使用主成分分析(PCA)对我们的研究地点沿梯度(即PCA轴)在流溶质浓度和物理化学上进行排序。然后，我们使用线性回归将这个梯度或PCA轴与土地覆盖变量联系起来。PCA在PC-Ord软件中运行(McCune和Mefford 1999)，回归和多元回归在R中运行(R Development Core Team 2014)。

结果

土地覆盖分析

我们研究的流域不透水地表覆盖范围为13% - 77%，树木覆盖范围为10% - 59%，草地/草地覆盖范围为7% - 22%(表1)。为了研究目的，我们将树木覆盖和草地/草地覆盖范围合并为一个称为植被的单一类别。研究流域的植被覆盖范围从23到81%不等。Quebrada Las Curías(地点1)位于流域上部，植被覆盖最高，建筑物和道路等结构密度最低。此外，它是唯一一个没有得到市政污水管网服务的场地(表1)。其余场地的结构密度，即下水道和水管密度、道路和建筑物，随着不透水地表覆盖的增加而增加。在~ 50%不透水表面(ISA)有一个水平，之后密度没有增加那么多(表1)。

水的物理化学和溶质

不同地点的溶质浓度和水物理化学变化不同(表2)，但该变化范围在研究地点之间相对相似(图2)。一个例外是城市化程度最低的地点1，它的离子浓度和电导率较低，而NO³浓度相对较高(图2)。随着时间的推移，Río Piedras流域的流量变化很大，无法描述干湿季节模式(图3)。从5月到11月，也就是通常被称为雨季的时期，基本流量明显更高。在物理化学变量和溶质中，只有水温表现出明显的季节性模式，即1月最低，7月最高，其余的波动没有季节性(图4)。可以这样说，钙的浓度在第5至20周(2011年5月至8月)出现下降，这与流量升高的时期和流量的最大峰值相吻合(图4)。

水化学与流域土地覆盖

所有河流溶质和物理化学都在一定程度上与小流域土地覆盖和结构密度的测量相关(表3)。小流域的污水管道和结构密度是最常与水化学参数相关的变量，与除氮外的所有溶质相关(表3)。小流域植被的增加与铵态氮的减少和水电导率变异性的增加有关。其他的关系是出乎意料的，也许是被其他因素混淆了。例如，氯化物的增加与污水管道密度和不透水表面积的增加有关，但它也与植被覆盖的增加有关(表3)。类似地，水管密度与硫酸盐的增加和镁的减少有关。污水管道密度与氯化物、硫酸盐、温度和电导率的增加有关，与钾的减少有关(表3)。道路密度只与镁变率的增加有关(表3)。硝酸盐和pH值与任何研究参数都没有表现出关系。

主成分分析(PCA)在流体物理化学和溶质中形成了两个主要的梯度，解释了66%的方差(图5)。基于断棒特征值法，两个轴都是可解释的。PCA轴1解释34.1%，形成氯、硫酸盐、钠、钙浓度和比电导率递增的梯度。PCA轴2解释了额外的32.4%，并形成了钠、镁、比电导率和pH增加，铵和温度降低的梯度(图5)。各位点具有空间组织，Quebrada Las Curías与其他位点明显不同。Montehiedra和La Sierra, Correo de Cupey和Avenida Central, San patriicio和Las Lomas也形成了轻微的集群。

PCA轴1与所有与城市覆盖有关的参数，即ISA、水和污水管道密度、道路密度和结构密度呈负相关，与流域植被覆盖率百分比呈正相关(图6)。因此，氯、硫酸盐、钠、钙和比电导率浓度的增加与城市覆盖参数的增加和植被覆盖的减少相关(图6)。

讨论

人类活动在分水岭上的特征清楚地反映在流出Río Piedras的河流的水化学中。与森林河流相比，城市河流通常具有较高的溶质浓度，这一众所周知的特征被描述为城市河流综合征的一部分(Walsh等，2005年)。在我们研究的溪流中，大多数水化学变量达到了明显反映城市强烈影响水平的值。Río Piedras中的溶质浓度与之前对支流或河流主干采样的研究大体一致(Kwak等人2007年，de Jesús-Crespo和Ramírez 2011年，Potter等人2013年)。此外，相对于其他在波多黎各的流域，Río Piedras河与其他城市地区的河流有着相似的化学特征。Santos-Román等人(2003)分析了波多黎各15个流域的水特征，并将它们分为5个簇，代表具有相似水物理化学特征的流域。我们的结果属于“城市污染”集群，钠含量在最高范围内，电导率在中等范围内。

相对于非城市河流，这个城市流域的大多数溶质浓度至少是波多黎各森林流域报告的溶质浓度的四倍(McDowell和Ashbury, 1994年)。在所有溶质中，Río Piedras中的钙含量特别高，平均值在17 ~ 30 mg/L之间。波多黎各附近森林溪流的数值通常低于7毫克/升(McDowell和Ashbury, 1994年)。此外，对受人类影响的三条加勒比岛屿河流(如农业和小城镇)进行的一项研究也报告了平均值为2.5至9毫克/升(McDowell等人，1995年)。尽管在流域中有几种可能的钙来源，但我们升高的钙值有可能是由于在流域中发现的混凝土的溶解或化学风化，如结构、其他不透水表面和渠化河段。有几项研究记录了混凝土对河水的影响化学及其钙浓度的增加(Leung和Jiao 2006, Davies等人2010,Wright等人2011,Tippler等人2012)。例如，Tippler等人(2012)发现，在高不透水河流中，钙浓度是不透水河流的9倍多(20 mg/L vs. 2.2 mg/L)。这些研究还发现，混凝土的用量也会导致pH值、电导率、碳酸氢盐和钾的增加。在其他常见离子中，氯、钠、钾和镁的浓度也比森林溪流的浓度高得多。大多数这些离子的浓度比波多黎各和其他加勒比岛屿的森林溪流高一个数量级(McDowell和Asbury, 1994年，McDowell等人，1995年)。这些离子通常在城市河流中被发现升高(Paul和Meyer 2001)，它们高浓度的综合作用导致在大多数城市河流中观察到的电导率升高，正如我们的研究中所看到的。

氮是一种能强烈影响河流生态系统功能的重要营养物质，在城市河流中氮的浓度通常很高(Walsh et al. 2005)。在Río Piedras，我们发现硝酸盐和铵的浓度高于森林河流。然而，浓度与流域土地覆盖或结构密度无关。考虑到大量研究表明硝酸盐受到土地覆盖的影响(Johnson et al. 1997, Paul and Meyer 2001)，这一发现是出乎意料的。然而，之前在Río Piedras的工作也未能确定与河流硝酸盐浓度相关的因素(de Jesús-Crespo和Ramírez 2011, Potter et al. 2013)。对于Río Piedras中低于预期的硝酸盐浓度以及城市基础设施缺乏增加的潜在解释可能与NH的高可用性有关₄未被硝化成硝酸盐(Potter et al. 2013)，在含氧量低、溶解有机碳高的地区反硝化率高(Potter et al. 2010)。与我们的研究结果类似，在其他热带地区的研究也发现土地利用变化与河流硝酸盐浓度之间缺乏联系。在巴西的不同土地用途的河流中，包括一些接受未经处理的城市污水输入的河流，Ometo等人(2000)发现硝酸盐浓度没有增加，并认为反硝化作用可能是观察到的模式的原因。

观察到Río Piedras缺乏强烈的季节性与它位于亚热带湿润森林生活区的位置一致(Holdridge 1967)。全年气温模式与北半球一致，夏季气温最高，如7月、8月，冬季气温最低，如1月、2月。虽然月平均气温之间的差异只有4°C左右，但这种模式在水流温度中很明显(图4)。Río Piedras的水温低至22°C，高至30°C。流域植被覆盖是决定河流水温的重要因素，河流之间的差异至少为4°C。降雨和水流流量的季节性定义较少。虽然旱季通常从1月到5月，但降雨事件可能全年都有。从5月至11月(图3)，由于是雨季，河流底流量明显较高。此外，放电的变化可能是观测到的某些离子浓度(如钙)波动的原因。

与城市基础设施的关系

我们研究的流域的城市发展是巨大的，并清楚地反映在河流的水化学。这种强烈的城市信号之前在Río Piedras流域的营养记录。Potter et al.(2013)发现了NH的溪基流浓度₄、溶解有机碳、溶解有机氮、PO₄随着流域上城市基础设施的增加而增加。与我们的研究结果相似的是，他们发现NO_3.没有遵循这个模式，而是随着城市化进程的增加而减少。在Río皮埃德拉斯观察到的产生强烈城市信号所需的城市化程度很低。在我们的8个站点中，只有城市覆盖度最低的站点(站点1,13% ISA)在排序空间中与其余站点分开分组，其余站点共享相似的化学物质。以往的研究发现，即使是少量的集水不透水也与水化学特性和生态过程的明显变化有关。例如，Tippler等人(2012)发现，与不透水表面较低的溪流相比，中等不透水水平(5%至18%)的站点在水化学和离子浓度方面存在重大差异。还有大量关于生物群落如何随着流域城市化而变化的文献。Walsh等人(2007)发现，随着流域不透水率的增加，对污染敏感的分类群减少，而这些分类群很少出现在总不透水率为bb0 %的地点。其他一些研究发现，昆虫的聚集与城市化之间存在线性反应，当原生植被开始被道路和建筑取代时，无脊椎动物聚集的变化就开始了(Cuffney et al. 2005)。

与河流化学描述的梯度相似，随着亚流域不透水面百分比的增加，亚流域结构的密度也增加。PCA轴1与小流域结构密度显著相关的事实表明，城市化是决定Río Piedras河流物理化学的主要驱动因素。尽管已知城市地区会增加河流中的溶质浓度(Kaye等，2006年)，但其机制是多种多样的。常见的机制包括在园艺和绿地维护中过度使用化肥、产生废物、结构侵蚀和基础设施泄漏(Wenger等，2009年)。在Río Piedras流域，高溶质浓度可能是结构侵蚀(如前所述的钙)、基础设施泄漏、非法排放和径流的结果。有几个研究地点明显收到了被污染的污水排放，有时闻起来很明显是未经处理的污水输入(K. Rosas，个人观察)．我们的研究结果与以下观点一致:尽管不透水面百分比仍然是水质的重要预测指标，但城市流域是一个复杂的系统，随着基础设施的管理或恶化，在空间和时间上发生变化，所有这些因素最终都反映在河流水的特征上(Kaushal和Belt 2012)。例如，Carle等人(2005)发现，将描述城市类型和获得城市服务(如下水道和雨水系统)的变量纳入其中，有助于解释广泛的污染源，并就其对水质的影响，比单独采用任何单一变量更全面地描述复杂的城市环境。在营养物质(如NO_3.和NH₄)，通过将生态系统过程(如硝化)作为水系网络模型的一部分，预测其与城市基础设施相关的浓度大大提高了(Potter et al. 2013)。

热带地区的城市土地利用正在迅速增加，主要是由于通常集中在城市或城市附近的工业增加了工作机会(Montgomery 2008)。热带地区城市化的快速发展凸显了了解城市化对河流生态系统影响的重要性，这既是出于生态原因，也是出于管理原因。波多黎各在20世纪40年代经历了从农业经济到工业经济的经济转型(Grau et al. 2003)。该岛现在高度城市化，大多数城市地区都有污水处理系统，郊区和农村地区依靠化粪池。城市污水处理系统收集废水，并将其转移到水处理厂(一些是一级处理厂，少数是三级处理厂)，这些处理厂通常排入海洋，而不是排入河流(ortizs - zayas et al. 2006)。即便如此，正如我们在Río Piedras中发现的那样，非法排放和基础设施泄漏是城市河流营养浓度升高的原因。这种情况与大多数热带城市河流形成对比，在那里未经处理的污水几乎总是直接排放到河流中(Daniel et al. 2002)。因此，本研究中描述的条件反映了在去除与直接污水输入有关的一些影响后，城市对热带河流生态系统的影响。总的来说，我们可以预期，即使在去除污水输入后，发展中国家的热带城市河流可能继续经历高于森林流域的营养和离子浓度。因此，适当的基础设施维护和径流管理将在控制热带溪流中的离子浓度方面发挥主要作用。

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