当前世界环境

介绍

水分和土壤质量是农业活动中的两个主要因素，对农艺生长和产量起着重要作用。¹生态学和农学研究的重点是水和土壤，因为它们对维持人类健康和生态系统具有重要意义。²没有获得优质的水和土壤，不可能使可持续的农业和生活。^3.农业活动引起的污染导致水和土壤污染。⁴由于对依赖于农药肥料的综合产量品种，已经满足了对不断增长的人口和粮食生产的粮食需求增加，这增加了增加了有关地区的污染负荷。农场动物的不卫生处理和过量的农药和肥料，导致土壤和水污染，是水土质量降解的主要担忧。^5,6

土壤通过提供有机物质，降低侵蚀，水浸润，更多的水持能力，更少的底体压实，较少浸出地下水来实现基本农业要求。⁷土壤生态系统为人类提供了一系列服务，但通过采用评估的肥料和农药使用来控制土壤过度开采;练习先进的土壤管理有助于保护土壤免受污染和质量恶化。⁸土壤健身是土壤的能力，作为生态系统和土地利用界限的动态生活系统，以维持植物和动物生产力，维护或改善水和空气质量，以及维护植物和动物健康。为了维持农业活动的土壤质量是人类最重要的关注。⁴土壤健康在有效农业中至关重要;优质的土壤为植物生长的最佳底层提供了一种，可提高作物健康和产量。⁹在现代农业实践中，土壤质量的改变主要取决于化学肥料和农药在“联合国传统上”管理的农场上，这些农场可以导致对生态系统的生物有害影响的污染径流。^10.评估土壤质量在相同的农业活动中随访几年，将提供有关土壤质量和管理的有用科学数据。以非传统的农业方式，现代土壤管理方法将在其产量及其整体可持续发展方面改变农场的营养稳定性。^11.

根据先进的农业实践，农业活动的水污染的机会并未排除在一起。⁴水的质量是农业和工业承诺和重要生态存在的基本资源;没有其丰富的数量和质量，不可能进步。^12.尽管水是农业的基本需求，但由于过度使用和农药管理不善，同样的活动中也出现了污染。⁴广泛用于作物生长的肥料和农药的过量径流是水污染的主要原因。尽管这种污染被称为非点污染源，但这种污染的修复和减轻非常困难;因此，需要预防和可持续的管理实践。这项研究是由于咖啡作物在通过采用现代农业实践的生态敏感的西球较高地区的生长，这是最关心的。西船是世界生物多样性热点之一，该地区存在几种地方植物和动物。^13.咖啡有助于维持该地区独特的生物多样性;它对印度卡纳塔克邦西议议驻地区孤立山区的社会经济进展负责。将该地区厚森林转化为咖啡种植园的趋势直接取决于全球对咖啡市场的需求，从1991年到2002年就有10％。^14.因此，该研究的主要目的是评估印度卡纳塔卡省生态敏感的西球较高地区常年咖啡种植园的水土和土壤质量。

材料和方法

采样区域

在50km内选择阿拉比卡咖啡种植园²来自Chikkamagaluru镇（卡纳塔克邦）。Chikkamagluru地区的气候属于热带潮湿区域的类别，年平均温度范围为15^o-25^oC，相对湿度70-80％，每年降雨量为1600-2500毫米。大约80％的降雨在5月至9月之间。研究区中度倾斜，海拔1000-1500米的高度范围。抽样区代表Chikkamagaluru镇的北部，南部和西部丘陵地区。Chikkamaglauru镇的东部是一个低土地面积。在each direction, the study area represented with one sampling location, i.e. a) L1(13°19'25.06"N 075°39'51.7"E) b) L2 (13°21'10.4"N 075°41'45.0"E ) c) L3 (13°14'47.5"N 075°44'42.7"E ) and d) L4 (13°26'14.6"N 075°36'48.4"E ) (Fig. 1 and Table 1). A sampling of soil and water was carried out from December 2017 to February 2018. Each sampling location included 7-9 random sampling points covering the distance of a 4-7 kilometer radius of an area of 50-100 hectares. In soil sampling, each sampling point contained seven samples from a higher elevation to lower slope in the zigzag stretch of an approximate distance of 10 meters between the samplings as followed by普拉卡什。^15.用不锈钢螺钻收集离上层土壤15-20cm处的土壤，用铝箔储存。在样本中收集的小植物和碎片被丢弃。4个地点共采集土壤样品224个。采集的土壤样品分别保存在2-4℃的恒温箱中^oC直到在6-8小时内运输到实验室。在实验室中，在室温下空气干燥土壤样品（22-25^oc）和捣碎以使用杵和砂浆形成粉末，然后通过<2 mm筛来筛分并储存在4^oC在冰箱中，直到Fatoki的分析如下。^16.Around the selected soil sampling points depending on the availability of water sources, i.e., bore wells, open wells, lakes, and ponds, one litter of water sample was collected in plastic bottles (for physicochemical analysis) and 100 ml sample (acidified for metal analysis) separately and brought to the laboratory within 6-8 hours and stored at 4^oC在冰箱中，直到进一步分析。完全，从四个采样位置收集66个水样。

图1：地图显示了Chikkamaglaur区采样位置的研究区和咖啡园的采样点。 点击这里查看图

表1：Chikkamagaluru区咖啡种植园的抽样位置的详细信息

分析

在整个工作中使用了从Millipore水系统获取的超纯水。所有化学品，试剂和缓冲剂都是分析级，默克（达姆施塔特，德国），并检查了可能的痕量金属污染。在必要时，通过稀释1000ppm认证的标准解决方案，默克（Darmstadt，德国）来制备标准解决方案。对于ICP-MS N5，使用高纯度氩气。

水

分析了66个水样的pH，溶解氧（DO），电导率，总溶解固体（TDS），总硬度，硫酸盐，氯化物，总碱度，化学需氧量（COD），硝酸盐，磷酸盐作为P，镁，铜，铅，锌，镍，铁，镉，锰和铬通过使用标准程序。^17.

土壤

使用标准实验室方法分析224个样品的物理和化学土壤性质。使用超纯水5：1体积/质量比例测量土壤pH和电导率（EC）。^18.通过使用重量法测定水分含量。^19.通过杰克逊的方法确定有机碳，可用的磷含量，氮和可用钾。^18.．通过以下方法分析金属，即铜，铅，锌，铬，镍，锰，镉和铁皮疹^20.微不足道的修改具有电感耦合等离子体质谱（Perkin Elmer Nexion 300x型号）。

数据分析

化学分析获得的一组定量数据，使用Microsoft Excel 2010, R和PAST 3.2版本进行统计计算。该地区的水土质量取决于另一个变量，即决定水土质量的因素。表2和表3解释了水分和土壤变量的描述性统计，通过观察这些数据的小峰度性质;建议将数据归一化以便进一步分析。^21.数据归一化通过使用R统计工具将数据转换为日志P1形式来完成。这些最小化变量并消除不同测量单位的影响并减少数据无量纲。为了确定水土和土壤样本物理化学变量的关系和影响，主要成分分析（PCA）（过去3.2）统计工具被应用于标准化数据。应用PCA工具以评估不同组分之间的统计相关性，以预测水和土壤样品的状态。

表2：Chikkamagaluru区四个咖啡种植园的水质参数。 点击此处查看表格

表3:Chikkamagaluru区咖啡种植园四个采样点的土壤质量参数。 点击此处查看表格

结果与讨论

水

研究了受污染原因受到农业活动影响的水质。^22,23,24水质主要取决于水，矿物质和微生物的物理化学性质。然而，水质的主要作用是由水的物理化学特性决定，其受自然影响。^25,26,27所有水样的总溶解固体和导电性在82-618mg / L和126-940μsm/ cm的范围内，均分别为1000mg和1500μsm/ cm的标准（表2）。与全球几种表面水体的浓度相比，主要离子，氯化物，硝酸盐，硫酸盐，镁和磷，浓度良好。^28.在31-330mg / L和82-618mg / L范围内的总硬度和总溶解固体的增加值显示出耗尽趋势的水质。在所有取样位置的磷酸盐的存在在0.01-0.68mg / L范围内的所有采样位置是由于磷的肥料更多的磷酸盐液的强烈指示。^29.在水样中检测到镍，镉，锰和铬等毒性金属。然而，与WHO水标准相比，少数样品显示出更多的浓度超过所需的限制（表2）。溶解氧显示出优质的水，范围为5.0-7.50 mg /升。然而，一些样品显示出4.0至29.22 mg / L范围的化学氧需求值。

PCA统计技术应用于各种环境数据分析，以预测水体耗尽因子的质量和原因。^22,30,31PCA通过相关矩阵的对角化解释了关于整个实验室数据的所有关键参数和结果的信息。³²表4为水样主成分分析结果，包括各主成分(PC)的负荷。在PCA中，利用特征值来决定PC的数量。4个地点66个水样的碎石图(图2)在第5个特征值之后斜率变化明显。³³前五个PC，其解释了5个特征值的68.43％的差异，用于进一步分析。为了解释化学变量的贡献，将负载量的绝对值如PC测量。每个变量的最大影响下降;它阐述了四个位置与参数的影响和贡献。PC 1解释了27.64％的方差，并通过电导率，硫酸盐，钙，镁，氯化物，总溶解的固体，总硬度，碱度和镁，具有强正载荷和采样位置中水质的决定因素。PC 2通过磷，硝酸盐和铜的差异和pH值呈下解释12.63％的差异，溶解氧气消极溶解。PC 3 11.32％的差异包括铅，锌，镍，铁和锰。PC 4占总碱度，铅，镍和铬的10.11％的含量和锌。PC 5（6.72％）由硝酸盐和镍源性贡献，铜和镉负。PC 1和PC 4解释了水的水化学特性，直接取决于采样地点的水质，具体取决于该地区的地质方面。 Third, fourth and fifth PC contributed by phosphorous, nitrate, and metals, i.e., lead, zinc, nickel, and copper. These prominences in the water were due to agricultural activities leading to depletion of water quality. Incidentally, in our study locations, phosphorous, nitrate, and copper were being used as fertilizers/pesticides in the coffee plantations. Biplot (Fig 3) explains the correlation between PC1 and PC2 for analysed sample data of four study area locations. The sample belongs to the location-1 (L1 Diamond symbol ) shows the most prominent clusters on the left side of the PC1, whereas the location-4 (L4 round filled) are commonly clustered the positive side of the PC axis. The other two sampling location-2 (L2 star) and location-3(L3 triangle) were dispersed in the PCs' space without showing the prominent cluster because of the hydrochemical variation of these two locations' values with the first two locations. Biplot explains the major contributions of the water quality were total dissolved solids, chloride, sulphate, nitrate, and phosphorous with little contribution from metals, i.e., zinc and manganese in the positive part of the component, indicating the main effect of these parameters on the quality of the water in four locations. Especially phosphorous, nitrate and copper supports the view of excessive usage of fertilizer and pesticides in the study areas.

表4：PC加载咖啡种植园四个地点水样的分数值。

图2：PCA SCREE图显示四个地点的水样咖啡园。 点击这里查看图

图3：PCA的四个咖啡种植园水样的双图。 点击这里查看图

以前的研究表明，水源的水质变化主要与农业废水的无机营养和重金属有关³⁴．水质变化对水生生态系统有潜在的影响³⁵．该研究可以根据决策者和农民作为必要的信息，在这方面采取适当的行动。从研究区域的水质结果显然，磷，硝酸盐，铁，铬和水中化学需氧量的耗竭趋势。详细研究是必要的，以最大限度地减少农业活动的水质降解。

土壤

表3解释了16个参数（变量）的四个位置的224个土壤样本的描述性统计。在所有地区，土壤的pH值为4.58 - 7.3，这是生长咖啡厂的pH值更具责任的pH值。³⁶土壤电导率解释了土壤的所有物理和化学参数之间的总相互关系。³⁷电导率范围为103.2至661μs/ cm，这是农业土壤电导率所需的范围。³⁶土壤中的水分含量在矿化植物必需氮素元素中起决定作用。³⁸在这项研究中，即使少量样品显示出较低的水分含量，整个样品位置也落在1.37-28.25百分比的水分含量范围内。评价和保持土壤有机碳对农业可持续发展和最高产量至关重要。³⁹尽管咖啡种植园是在大树树冠的庇护下;我们的数据证实有机碳水平较低。它的范围从0.12到0.83%，低于农业对咖啡的低要求。⁴⁰土壤肥力主要取决于土壤中大量养分(氮、磷、钾)的有效性。³⁹土壤对大量养分的需求与生态过程控制的某些生化反应有关。然而，额外的肥料负荷可能会造成同样的不平衡。本研究确定了在推荐范围内，常量养分在0.01 ~ 0.08%的氮、0.01 ~ 0.04 mg/g磷和0.27 ~ 6.00 mg/g钾的有效性⁴⁰氮的0.069-0.138％，0.0025-0.006mg / g磷，分别为0.034-0.069 mg / g钾。环境的主要部分包括氮气和碳作为植物生长的主要成分。然而，这些营养素的转化为植物要求涉及许多生态反应。⁴¹表3中给出了铜，铅，锌，镍，锰，镉，铁和铬的浓度。铜，锌，锰和铁被认为是植物生长的微量营养素。^39、42根据CCRI⁴⁰，微量营养素及其临界限制是铜（0.0002 mg / g），铁（0.0025-0.0045mg / g），锰(0.015-0.10 mg/g)和锌(0.0006 mg/g)。在我们的研究中，铜(0.01-1.23 mg/g)、铁(0.01-212.2 mg/g)、锰(0.01-13.64 mg/g)和锌(0.01-0.16 mg/g)分别显示出相应的值。在本研究中，由于更多地使用硫酸铜作为咖啡叶锈病的杀菌剂，所有样品的铜浓度都在较高的范围内(0.01-1.23 mg/g)。铁含量处于非常高的水平(0.01-212.2 mg/g)可能是由于表层土壤侵蚀导致的许多生态和土壤管理活动的结果。⁴³

在第四个特征值之后，PCA的斜率发生了明显的变化。³³（图4）。PCA.用四个主成分解释数据集总方差的89.86%。pc1描述了71.01%的方差，高负负荷的pH，电导率和水分，支持高正负荷的重金属，即铜，铅，锌，镍，锰，镉和铬。pc2解释了8.50%的总有机碳、氮和铁方差与正负荷(表5)。主成分3和4分别占6.69%和3.64%。不同采样位置和变量(参数)的显著性可以通过PCA分析双图(图5)很好地相互解释。样品属于位置-1（L1菱形符号），位置-3（L3三角形），并且位置-4（L4圆形填充）由于几乎相似的分数值除金属离子含量外的变量。位置-2样品（L2星）显示在双图的负侧中的一点分散聚类，因为与其他位置相比其较低的浓度变量。由于类似的变量浓度，三个位置显示在PCA的负侧，这是支持这些位置中的部分分离的视图确认每个位置的角色。⁴⁴表5解释了对每个组件的加载分数的PCA分析。几乎具有特征值> 1的前三个组件起到样本性质的主要作用。PC1金属位于双图中的突出位置。它决定了除铁的土壤质量，其具有最大值。在组件样本位置的正区域，这些参数强调了土壤质量的突出。PC1 pH值的负值支持组分的正侧的金属浓度。除了这些金属外，磷的总占优势外观可能来自农业实践中使用过量的肥料。在农业，化肥，即NPK（氮，磷和钾）混合物中已用于估计体积。顺便提及，在双图中，钾和氮气显示出负寄存器，并且组分的另一侧磷显示出正载量，表明在土壤中保持这些MACronrients的最佳水平。PC2解释了积极载荷中的总有机碳，氮和铁，揭示了研究位置具有一些特殊的变量，其浓度在土壤成分中发挥着重要作用。

表5咖啡种植园4个地点土壤样品PC负荷评分值

图4：咖啡种植园四个地点土壤样本的PCA碎片图。 点击这里查看图

图5：咖啡园的四个地点的土壤样本的PCA双图。 点击这里查看图

无机肥料使用过剩将导致土壤健康的降解⁴⁵．土壤金属污染是由地质过程和人为过程共同作用的⁴⁶．人为的活动主要引起农业实践的土壤污染，在我们的研究中观察到，因为许多金属含量高。土壤质量结果显示出较低水平的有机碳，这在植物健康中起着重要作用。土壤中高水平的重金属和Macronourient浓度表明肥料应用的一点管理策略，影响了种植率和健康。因此，强烈建议在将来对土壤质量进行详细研究。

结论

4个咖啡种植地的水和土壤质量主要取决于一些关键变量，即pH、磷、硝酸盐和钾。在我们的研究中，无论是在水和土壤中，PCA分析证实了聚类和水质和土壤样品很大程度上依赖于磷酸盐和金属离子。主成分分析基本证实了土壤中金属离子与pH浓度的关系。这项研究证实了咖啡种植园四个地点的水和土壤的耗竭或污染趋势。因此，在同一地区持续生长的作物需要对土壤和水的管理给予最大的关注。

承认

第一作者对Karnataka国家污染管制委员会表示赞赏，以便在班加罗尔大学追求博士学位的金融和实验室支持。

的利益冲突

作者没有任何利益冲突。

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