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Jul 13, 2023

Datos científicos volumen 10, número de artículo: 339 (2023) Citar este artículo

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El concepto de carga crítica es una directriz científica importante para el control de la deposición ácida. No sólo fue una base científica crucial para determinar los objetivos de reducción de emisiones en Europa, sino que también se utilizó en el control de la contaminación del aire en China, especialmente en la designación de dos zonas de control. Actualmente, las cargas críticas de azufre y nitrógeno todavía se superan en Europa, América y Asia Oriental (principalmente en China), y deben actualizarse continuamente para satisfacer las demandas de mayores reducciones de emisiones. Las cargas críticas de China se calcularon y mapearon en la década de 2000, pero no son lo suficientemente precisas debido a limitaciones metodológicas y de datos. Aquí presentamos las cargas críticas de alta calidad más recientes para China, basadas en datos básicos de alta resolución sobre el suelo, la vegetación y la deposición de cationes base atmosféricos, y conocimientos actualizados sobre parámetros importantes. Nuestros datos, que se incluirán en GAINS-China, se pueden utilizar para evaluar los beneficios ecológicos de las reducciones de nitrógeno y azufre en China a escala regional o nacional, y para desarrollar estrategias de mitigación en el futuro.

La deposición ácida, que consiste (principalmente) en deposición de nitrógeno y de azufre, solía ser uno de los problemas ambientales más graves en Europa, América del Norte y Asia Oriental desde los años 19601,2. Sigue siendo un problema ambiental importante en algunos países en desarrollo como India y Brasil, y allí muestra una tendencia creciente3. El nitrógeno y el azufre depositados en el medio ambiente pueden provocar la acidificación y la eutrofización de los ecosistemas terrestres y acuáticos4. Ha habido muchos informes sobre deposiciones ácidas que provocan la muerte de peces y la disminución de los bosques5,6,7. Para controlar eficazmente los impactos ambientales de la deposición ácida a un costo mínimo, se propuso el concepto de cargas críticas, definidas como la cantidad máxima de deposición ácida que no causaría daños al suelo y al agua superficial en el largo plazo8. Las cargas críticas están determinadas por la naturaleza del ecosistema (por ejemplo, suelo y vegetación), lo que refleja la tolerancia del ecosistema a la deposición ácida. Las cargas críticas se han utilizado para la reducción de nitrógeno y azufre en todo el mundo, incluso como guía científica principal9,10,11. En Europa, se utilizaron en las negociaciones del Segundo Protocolo sobre el Azufre y el Protocolo “multicontaminante y multiefecto”, como base científica para los objetivos de reducción de emisiones12. Estados Unidos también se ha tomado en serio las cargas críticas y ha establecido el Comité Científico de Cargas Críticas de Deposición Atmosférica (CLAD) para promover el desarrollo, la colaboración y el intercambio de datos sobre cargas críticas13. Varias agencias federales, como el Servicio de Parques Nacionales (https://www.nps.gov/subjects/air/critical-loads.htm), han aplicado cargas críticas a las prácticas de conservación de los ecosistemas. Actualmente, la deposición ácida está disminuyendo gradualmente en Europa y EE.UU. mediante la reducción de SO2 y NOX, pero las cargas críticas todavía se superan en las zonas fronterizas de esos países (por ejemplo, se superaron las cargas críticas para la eutrofización en el 58% del área del ecosistema en Europa en 202014; se prevé que el área total de cualquier carga crítica excedida en los EE. UU. en 2025 será de 4,8 millones de km2)15. Por lo tanto, Europa (www.icpmapping.org) y EE. UU. (http://nadp.slh.wisc.edu) actualizan continuamente las cargas críticas para evaluar los beneficios de una mayor reducción de emisiones.

Desde finales de la década de 1970, la lluvia ácida se ha convertido gradualmente en uno de los problemas ambientales más preocupantes en el este de Asia. Y el sur de China es un punto crítico para la lluvia ácida en el este de Asia1. El área afectada por la lluvia ácida en China alguna vez superó el 30% de la superficie terrestre nacional16, y la mayor deposición húmeda de azufre en China fue significativamente mayor que la de Europa y América del Norte1,17,18. Para evaluar científicamente el estado de la deposición ácida y orientar la reducción de emisiones, Duan et al. mapeó por primera vez las cargas críticas en China9, que luego se utilizaron en la designación de dos zonas de control (Zona de control de lluvia ácida y Zona de control de contaminación por dióxido de azufre)19,20,21. En los últimos años, China ha hecho grandes esfuerzos para reducir las emisiones de nitrógeno y azufre, principalmente para el control de partículas finas (PM2,5), y la deposición ácida parece haberse aliviado en gran medida como beneficio colateral16. Sin embargo, según los resultados de Duan et al., Zhao et al. encontró que la superación de la carga crítica de azufre se mantuvo en 2,5 Mt en 2015, y la de nitrógeno fue de 1,1 Mt22. Además, la reducción de las partículas reduce la tolerancia de los ecosistemas a la deposición ácida, y la reducción del amoníaco también genera incertidumbre en el control de la deposición ácida23. Por lo tanto, los datos de carga crítica disponibles en China (por Duan et al.9) no pueden satisfacer la necesidad de una evaluación precisa de los impactos de la deposición ácida actualmente en China. Más importante aún, las cargas críticas de Duan et al. se mapearon hace más de dos décadas, por lo que la precisión y resolución estaban limitadas por datos y métodos básicos. Por ejemplo, calcularon las tasas de desnitrificación y erosión del suelo según el tipo de suelo sin parámetros localizados; La absorción de vegetación se determinó aproximadamente según el tipo de vegetación. Generalmente, los datos de carga crítica actuales tienen baja resolución y precisión espacial y ya no pueden describir la situación más reciente de los ecosistemas debido a cambios en la deposición, la vegetación y otros factores ambientales.

Para satisfacer la demanda de evaluación del estado de deposición ácida en China, desarrollamos un conjunto de datos de carga crítica de suelos de alta resolución (1 km × 1 km), basado en el modelo de balance de masas en estado estacionario (SMB)24,25, que incluye el máximo carga crítica de azufre (CLmax (S)), la carga crítica mínima (CLmin (N)) y máxima (CLmax (N)) de nitrógeno, y la carga crítica de nitrógeno nutritivo (CLnut (N)). Nuestros resultados utilizaron datos geográficos, de vegetación y meteorológicos de alta resolución, y conocimientos actualizados de la literatura, para actualizar y perfeccionar los parámetros clave. La metodología de cálculo de datos se muestra en la Fig. 1. Nuestros conjuntos de datos se pueden utilizar para la evaluación de los impactos ecológicos de la deposición ácida desde escalas regionales a nacionales en China.

Metodología de mapeo de cargas críticas en China. Bc es el catión base (K + Ca + Mg); Kgibb es la constante de gibbsita, que describe el equilibrio entre H+ y Al3+; (Bc/Al)crit representa la relación molar crítica de Bc a Al en el agua del suelo; Nle, crit es la lixiviación crítica de nitrógeno en la escorrentía; fde es la fracción de desnitrificación del nitrógeno neto de entrada. Se pueden encontrar más detalles en "Métodos".

Nuestro método de cálculo hace referencia al manual europeo sobre modelado y mapeo de cargas críticas, que se basan en los principios de conservación de masa y carga26. Cabe señalar que el modelo SMB es un modelo de estado estacionario, es decir, todas las entradas y salidas consideradas son estables en el tiempo24, por lo que no se incluyen reservorios finitos como el intercambio iónico.

La carga crítica máxima de azufre, CLmax (S) (Fig. 2a), se calculó como

donde Bc es la suma del catión base (es decir, K + Mg+Ca); el subíndice dep representa deposición, w representa erosión del suelo, u representa absorción neta por las plantas y le representa lixiviación; Na no está incluido en Bc, porque las plantas no absorben Na; ANCle, crit es el límite aceptable de lixiviación de la capacidad neutralizante de ácido (ANC), que viene dado por:

donde Q es el escurrimiento, [H] ([Al]) es la concentración equivalente de H+ (Al3+) en el escurrimiento. Se introducirán más cálculos en “Criterios químicos críticos”.

Cargas críticas de azufre y nitrógeno en China. El color blanco en el mapa representa tierras de cultivo o área sin vegetación, donde no se pueden definir cargas críticas. a) carga crítica máxima de azufre; (b) carga crítica mínima de nitrógeno; c) carga crítica máxima de nitrógeno; (d) carga crítica de nitrógeno nutritivo.

El nitrógeno sufre un ciclo biogeoquímico más complejo que el azufre. Siempre que la deposición de nitrógeno no sea demasiado elevada, se supone que todo el nitrógeno depositado es absorbido por la vegetación o inmovilizado y, por tanto, no tiene impacto medioambiental. Por lo tanto, la carga crítica mínima de nitrógeno, CLmin (N) (Fig. 2b), se define como

donde Nu y Ni son el nitrógeno neto absorbido por las plantas y la inmovilización de nitrógeno a largo plazo, respectivamente.

Cuando la deposición de nitrógeno excede CLmin (N), parte del exceso de nitrógeno se desnitrificaría y el resto se lixiviaría y provocaría acidificación. Por lo tanto, la carga crítica máxima de nitrógeno, CLmax (N) (Fig. 2c), se define como

donde fde es la fracción de desnitrificación.

El exceso de nitrógeno también puede provocar eutrofización. Desde esta perspectiva, podemos definir la carga crítica de nitrógeno nutritivo, CLnut (N) (Fig. 2d) como:

donde Nle, crit es el límite aceptable para la lixiviación de nitrógeno.

Los parámetros de las cargas críticas disponibles fueron determinados principalmente por los tipos de suelo y vegetación, mientras que las características del suelo y la vegetación (por ejemplo, textura del suelo, humedad del suelo y productividad de la vegetación) varían ampliamente en el espacio y están relacionadas con muchos factores. Por lo tanto, es necesario mejorar urgentemente la precisión. En su lugar, utilizamos los últimos mapas digitales de alta resolución (Fig. 1) y combinamos conocimientos actualizados para determinar parámetros importantes como la erosión del suelo, la desnitrificación y la inmovilización de nitrógeno, lo que mejoró enormemente la precisión y resolución de los mapas críticos. cargas. A continuación describiremos en detalle la determinación de los parámetros clave.

La tasa de meteorización del suelo se determina en función de la composición mineralógica, las propiedades físicas (p. ej., textura) y factores ambientales (p. ej., temperatura) (Fig. 3). Primero, utilizamos el modelo PROFILE27 para calcular la tasa de meteorización de referencia en condiciones estándar (temperatura = 8 °C, densidad = 1,2 g/cm3, área de superficie específica = 1,1 × 106 m2/m3) para cada tipo de suelo. Duan9 recopiló datos de composición mineralógica para tipos de suelo típicos. El mapa de 1 km × 1 km de los tipos de suelo en China se tomó del Centro de datos y ciencia de recursos y medio ambiente (https://www.resdc.cn). Algunos suelos en China contienen carbonato de calcio (CaCO3), especialmente en zonas áridas, pero eso se excluyó del cálculo cuando el contenido era inferior al 0,5%, ya que podría agotarse durante la deposición ácida a largo plazo. La tasa de meteorización se calculó como contenido de CaCO3 (%) multiplicado por 0,82 keq/ha/año cuando el contenido de CaCO3 era superior al 0,5%. El contenido de CaCO3 del suelo provino de la Base de datos mundial armonizada de suelos (HWSD)28.

Tasa de meteorización del suelo en China (corregida con la humedad del suelo, SSA y temperatura del suelo).

Las condiciones estándar son las condiciones predeterminadas en PROFILE y están diseñadas para calcular las tasas de intemperismo considerando únicamente las diferencias en la composición mineralógica. Luego, las tasas de meteorización se corrigieron con la humedad del suelo, el área de superficie específica (SSA) y la temperatura del suelo:

donde Bcw0 es la tasa de meteorización de referencia, Csw es un factor de corrección para la humedad del suelo, A es una constante (3600 K como se recomienda) para la corrección de temperatura y T es la temperatura del suelo. Los datos sobre la temperatura del suelo procedieron del Centro Nacional de Datos de la Meseta Tibetana29,30. Csw varía de 0,7 (humedad del suelo capacidad de retención de agua) y se utilizó interpolación lineal para determinarlo en áreas de humedad moderada. Los datos de humedad del suelo procedían del Centro Nacional de Datos Científicos del Sistema Terrestre31. Los números 1.1, 1.2 y 281 en la ecuación. (5) significa el SSA de 1,1 × 106 m2/m3, la densidad aparente de 1,2 × 103 kg/m3 y la temperatura del suelo de 281 K, que son los valores en condiciones estándar.

SSA en la ecuación. (5) se estimó con

donde Xsand, Xsilt, Xclay y S significan la fracción de arena, limo, arcilla y grava en el suelo; ρsuelo es la densidad aparente del suelo; fclay es un factor de corrección32:

Los datos de densidad aparente y textura del suelo (contenido de arena, limo, arcilla y grava) provinieron de HWSD28.

La absorción neta por parte de las plantas significa la eliminación neta de nitrógeno y cationes básicos del ecosistema (Fig. 4). El nitrógeno contenido en los troncos de los árboles, las ramas de los arbustos y las partes aéreas de los pastizales se trató como nitrógeno extraído del ecosistema, suponiendo que se adoptara una gestión científica del aprovechamiento forestal y del pastoreo. La absorción neta de nitrógeno o cationes básicos se calculó como:

donde NPP se refiere a la productividad primaria neta, pi es la proporción de biomasa en la parte de la planta considerada (por ejemplo, troncos de árboles) y CN (CBc) es el contenido de nitrógeno (catión base) de las plantas. Los datos anuales de PNP modelados por el Modelo de Eficiencia de Producción Global de 2000 a 2010 procedieron del Centro de Datos y Ciencias de Recursos y Medio Ambiente y se promediaron para representar la PNP a largo plazo. Duan et al.33 recopilaron datos de proporción de biomasa y contenido elemental y los vincularon al mapa de vegetación de China, que proviene del Centro Nacional de Datos del Desierto Criosférico34.

Absorción de crecimiento neto de cationes básicos y nitrógeno por parte de la vegetación en China. El color blanco en el mapa significa que no hay vegetación ni tierras de cultivo, donde la absorción neta es cero. (a), absorción del catión base; (b), absorción de nitrógeno. Observe que las dos figuras utilizan esquemas de colores opuestos para indicar el riesgo de deposición ácida.

La inmovilización de nitrógeno se refiere a la conversión de nitrógeno inorgánico en nitrógeno orgánico estable en el suelo (Fig. 5). La inmovilización neta de nitrógeno a largo plazo se estimó dividiendo el contenido de nitrógeno del suelo por la edad del suelo26. Los suelos se dividieron en tres categorías, Suelos Primitivos Skeletol, Ferralisoles y otros, cuyas edades se fijaron en 1500 años, 130000 años y 5000 años, respectivamente, según mediciones y tipo de suelo35. El contenido de nitrógeno del suelo provino del Centro Nacional de Datos de la Meseta Tibetana36,37.

Inmovilización de nitrógeno en los suelos de China.

Utilizamos la fracción de desnitrificación fde con base en los datos de observación sobre la desnitrificación para los principales tipos de bosques en China38,39 (Tabla 1). En las demás zonas, la fde se determinó según el estado de drenaje del suelo, que varió desde 0 para suelos excesivamente drenados hasta 0,8 para suelos muy mal drenados. Los datos de drenaje del suelo se obtuvieron del HWSD28. Para evitar sobreestimar la fde de suelos gruesos, establecemos fde = 0,1 cuando SSA<2 × 106 m2/m3. Los resultados fueron consistentes con las observaciones38,39.

La deposición de cationes base (Fig. 6) se simuló utilizando un modelo euleriano dinámico multicapa desarrollado por Duan et al.40 Las entradas del modelo incluyen inventario de emisiones de Bc y datos meteorológicos. El conjunto de datos de precipitación se obtuvo del Proyecto Global de Climatología de Precipitación41, y otros datos meteorológicos se obtuvieron del Centro Europeo de Pronósticos Meteorológicos a Plazo Medio42. El inventario de emisiones de Bc se calculó como:

donde PM son las emisiones de material particulado, ω es la fracción de masa de Bc en material particulado, e i, j y k representan provincia, sector y especies de Bc, respectivamente. La emisión de PM se refirió a Xia et al.43, y las fracciones de especies de Bc fueron de nuestra investigación anterior44.

Deposición de cationes básicos en China en 2015.

Para proteger a las plantas del daño del aluminio, establecemos un límite a la proporción de catión base a aluminio (Bc/Al) para cada tipo de ecosistema. ANCl crítico en la ecuación. (2) entonces viene dado por:

donde Kgibb es la constante de equilibrio de gibbsita, que describe el equilibrio entre H+ y Al3+; (Bc/Al)crit es la relación molar entre catión base crítico y aluminio. El Kgibb se determinó según el contenido de materia orgánica del suelo (Cuadro 2). El contenido de materia orgánica del suelo se obtuvo del Centro Nacional de Datos de la Meseta Tibetana36,37; Los datos de escorrentía de 1 km × 1 km de China se convirtieron del mapa de escorrentía zonal45; (Bc/Al)crit para cada tipo de ecosistema se tomó de Duan9 y el manual26.

Nle, crítico en la ecuación. (4) significa la lixiviación crítica de nitrógeno, que se define para proteger el ecosistema de la eutrofización. Sin embargo, la crítica para cada tipo de ecosistema se tomó de Duan9 y el manual26.

Los datos están disponibles gratuitamente en el Centro Nacional de Datos de la Meseta Tibetana46 y se incluirán en el modelo Gases de efecto invernadero: interacciones y sinergias de la contaminación del aire (https://gains.iiasa.ac.at/models/). El conjunto de datos consta de cuatro archivos TIF y un archivo "léame". Los archivos TIF proporcionan las cargas críticas (CLmax (S), CLmin (N), CLmax (N) y CLnut (N)) de China. El archivo 'léame' explica las unidades e información adicional para cargas críticas.

El modelo SMB se ha utilizado ampliamente en todo el mundo y calibramos los parámetros del modelo con referencia a las últimas investigaciones. Sin embargo, las cargas críticas son atributos de los ecosistemas a largo plazo, lo cual es difícil de validar mediante experimentos. Por lo tanto, el control de calidad de los datos de entrada es el enfoque principal para garantizar la confiabilidad de la producción en la actualidad.

Los mapas de alta resolución que utilizamos (p. ej., textura del suelo, materia orgánica del suelo) son datos revisados ​​por pares o datos de repositorios de datos autorizados (p. ej., tipo de suelo, tipo de vegetación), que son de alta calidad. Para algunos otros datos (p. ej., datos fisiológicos de las plantas, criterios químicos críticos), los obtuvimos de literatura o manuales, que también pueden considerarse confiables.

Aunque la fde es muy compleja y está relacionada con muchos factores además del tipo de bosque, todavía no existe un modelo ampliamente aceptado para calcular la fde. Resumimos las observaciones sobre fde de la literatura para diferentes tipos de bosques, que pueden representar mejor la situación real en China en comparación con las relaciones empíricas comúnmente utilizadas.

Las edades del suelo se determinaron según el tipo de suelo según la literatura. Dado que la contribución de la inmovilización de nitrógeno a las cargas críticas es insignificante, nuestra estimación aproximada de la edad del suelo no causaría grandes errores. En investigaciones anteriores9, se utilizó una edad del suelo uniforme para todos los tipos de suelo porque los datos disponibles sobre la edad del suelo eran muy limitados.

La principal incertidumbre surge de la estimación de las tasas de meteorización del suelo, ya que la composición mineralógica de los suelos está poco estudiada y fragmentada. Sin embargo, las tasas de meteorización del mismo tipo de suelo son relativamente cercanas debido al proceso de formación del suelo similar y, por lo tanto, el método que utilizamos actualmente es aceptable47. Generalmente, este estudio proporciona una estimación de alta calidad de las cargas críticas en China en las condiciones existentes.

Todos los cálculos se realizaron en ESRI ArcGIS 10.5 y no se utilizó ningún otro código informático.

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Laboratorio Estatal Clave de Simulación Ambiental y Control de la Contaminación, Escuela de Medio Ambiente, Universidad de Tsinghua, Beijing, 100084, China

Xiaodong Ge, Lei Duan y Jiming Hao

Laboratorio Estatal Clave de Control de la Contaminación y Reutilización de Recursos y Escuela de Medio Ambiente, Universidad de Nanjing, Nanjing, Jiangsu, 210023, China

Qian Yu y Yu Zhao

Laboratorio Estatal de Protección Ambiental Clave de Fuentes y Control del Complejo de Contaminación del Aire, Universidad de Tsinghua, Beijing, 100084, China

Lei Duan y Jiming Hao

Instituto Internacional de Análisis de Sistemas Aplicados (IIASA), Schlossplatz 1, 2361, Laxenburg, Austria

Maximiliano Posch

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L. Duan, JM Hao y XD Ge dirigieron la investigación y redactaron el manuscrito. XD Ge y Q. Yu recopilaron los datos. XD Ge realizó un modelado de cargas críticas. Y. Zhao realizó un modelado de deposición de cationes básicos. Q. Yu, Y. Zhao y M. Posch dieron importantes consejos sobre el modelado de cargas críticas y el manuscrito.

Correspondencia a Lei Duan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ge, X., Yu, Q., Duan, L. et al. Mapas de alta resolución de cargas críticas de azufre y nitrógeno en China. Datos de ciencia 10, 339 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02178-z

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Recibido: 26 de enero de 2023

Aceptado: 24 de abril de 2023

Publicado: 31 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-023-02178-z

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