原名：Atmospheric nitrogen deposition to global forests: Status, impacts and

management options

譯名：全球森林的大氣氮沉降: 現(xiàn)狀、影響和管理方案

期刊：Environmental Pollution

IF：8.071

發(fā)表時間：2021年4月13日

第一作者：Enzai Du

通訊作者：Enzai Du（enzaidu@bnu.edu.cn）

合作作者：Mark E. Fenn , Wim De Vries , Yong Sik Ok

主要單位：

1.前言：

氮（N）及其化合物和反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了人類從18世紀(jì)開始對氮循環(huán)的認(rèn)識。由于Habere Bosch工藝的發(fā)明將N2轉(zhuǎn)化為氨（NH3），即大大增加了用于糧食生產(chǎn)的N肥，從而維持了此后全球人口的增長。反過來，人口增長進(jìn)一步推動了化石燃料的燃燒，并增加了作為副產(chǎn)品的氮氧化物（NOx）在大氣中的排放。總的來說，人類活動產(chǎn)生的活性氮極大地增加了活性氮對環(huán)境的損失，并導(dǎo)致了一系列的環(huán)境影響。

森林覆蓋了全球約三分之一的陸地表面，提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（例如，保持土壤、水和生物多樣性）以及基本的文化或精神價值。通過大氣沉降的新N輸入可對森林生態(tài)系統(tǒng)既有有利影響，也有有害的影響，例如在N限制條件下刺激碳（C）固存、物種多樣性的喪失、土壤酸化和養(yǎng)分失衡等。因此，從區(qū)域尺度到全球尺度，了解N沉降的現(xiàn)狀以及N沉降的變化對森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響具有重要意義。這對于預(yù)測森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的未來變化，更好地指導(dǎo)森林管理，提高天然林和人工林的生態(tài)彈性至關(guān)重要。本文綜合了10篇論文最近的前沿研究：1）氮沉降對全球森林的特征，2）氮沉降對森林結(jié)構(gòu)和功能的影響，3）森林生態(tài)系統(tǒng)對氮沉降區(qū)域趨勢的響應(yīng)，4）減輕氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面影響的管理方案（框架見圖1）。

圖1.?森林生態(tài)系統(tǒng)中氮（N）沉積的模式、影響和管理方案。此圖概括了本文的框架。

2. 氮沉降對全球森林的狀況、影響和管理方案

2.1.全球森林氮沉降的空間變異

森林具有高冠層表面積的特點，是氮沉降的重要匯，具有比其他土地利用類型更高的大氣氮獲取效率。基于不同的建模方法和森林復(fù)蓋率標(biāo)準(zhǔn)，全球森林生物群總氮沉降量的估計值在19~23Tg N yr-1之間。此外，對森林特定N沉降的模型預(yù)測（EMEP rv4.17）與網(wǎng)格平均N沉降的模型預(yù)測進(jìn)行比較表明，在網(wǎng)格尺度上，這兩個值之間的差異可能高達(dá)2倍，在某些極端情況下甚至超過5倍。這種大小的差異對確定森林生物群的臨界超載有著深遠(yuǎn)的影響。因此，這一分析證明了使用特定于森林的氮沉降來評估森林生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的價值，而不是現(xiàn)有大多數(shù)關(guān)于氮沉降影響的研究中使用的基于網(wǎng)格的值。

2.2.氮沉降對森林結(jié)構(gòu)和功能的影響

作為外源N輸入，N沉降直接增加N的有效性，從而影響N的循環(huán)以及森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。本文綜述了氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮轉(zhuǎn)化、菌根真菌群落、植物多樣性以及凈初級生產(chǎn)力（NPP）和碳固存的影響。

Cheng等（2019）綜述了土壤氮素轉(zhuǎn)化的控制因素（即氮礦化、硝化和固定），并綜合了森林生態(tài)系統(tǒng)凈氮轉(zhuǎn)化和總氮轉(zhuǎn)化對氮沉降的響應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，氮沉積顯著提高了礦化和硝化的凈速率。然而，氮沉降對總氮轉(zhuǎn)化速率的影響，如自養(yǎng)硝化作用、異養(yǎng)硝化作用、異化硝酸鹽還原為氨氮作用、氮礦化作用和氮素固定化作用等，目前還知之甚少。與凈土壤氮素轉(zhuǎn)化相比，Cheng等（2019）等人提出了新的土壤氮素轉(zhuǎn)化模式，強調(diào)了評估土壤總氮轉(zhuǎn)化過程的速率及其對氮沉降的響應(yīng)的重要性，這可以新地揭示在氮沉降變化的背景下的生態(tài)后果。

樹木受益于根系和某些根生真菌（如外生菌根真菌、叢枝菌根真菌）之間的聯(lián)系，這主要是由于改善了養(yǎng)分供應(yīng)和提高了對應(yīng)激因素（如干旱、病蟲害）的抵抗力。Lilleskov等（2019）總結(jié)了氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)菌根群落結(jié)構(gòu)和功能的影響。外生菌根真菌對氮沉降的強烈敏感性意味著關(guān)鍵的外生菌根種或?qū)俚南?，這將降低其獲取有機氮和/或磷的能力，并抑制有機質(zhì)的分解。在北方和溫帶森林中，針葉樹的外生菌根群落比落葉喬木的外生菌根群落更敏感，然而，氮沉降對叢枝菌根和熱帶外生菌根群落的影響卻知之甚少。為了更深入地了解氮沉降引起的菌根群落變化的功能后果，需要進(jìn)一步努力將系統(tǒng)發(fā)育學(xué)方法與生理、群落和生態(tài)系統(tǒng)研究相結(jié)合。林下群落可以支配森林植物多樣性，并強烈影響地上部分的吸收和生態(tài)系統(tǒng)功能。Perring等（2019）通過分析1814個歐洲溫帶森林地塊的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，林下物種和群落對氮沉降的反應(yīng)差異很大，并取決于特定的環(huán)境（例如，歷史管理、光照和pH條件）。這些信息對臨界負(fù)荷的評估以及森林生態(tài)系統(tǒng)中植物生物多樣性的保護和恢復(fù)具有重要意義。

森林碳匯是由凈初級生產(chǎn)力驅(qū)動的，而凈初級生產(chǎn)力又廣泛地受到N有效性限制。森林生態(tài)系統(tǒng)新的反應(yīng)性氮輸入包括氮沉降和生物固氮（BNF）。研究表明，氮誘導(dǎo)的新NPP （3.46 Pg C yr-1）貢獻(xiàn)了1.83 Pg C yr-1。這與全球已建成森林碳匯的獨立估計大致相符，因此，全球森林碳匯強烈受氮誘導(dǎo)的新NPP驅(qū)動。同時，與BNF相比，N沉降對全球森林新NPP （0.41 vs 3.07 Pg C yr-1）和碳匯（0.25 vs 1.58 Pg C yr-1）的貢獻(xiàn)較小。氮沉降中新的NPP和C的吸收可能會因BNF的下降而部分抵消，但這種效果尚未得到評價。

2.3. 森林生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域氮沉降趨勢的響應(yīng)

現(xiàn)有的研究大多強調(diào)過量氮輸入對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，而對氮沉降減少對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的研究較少。Schmitz等（2019）根據(jù)5個監(jiān)測良好的指標(biāo)(包括土壤可溶性氮、葉面氮濃度、林下植被組成、樹木生長和樹木活力)的趨勢，綜述了歐洲森林對氮沉降減少的響應(yīng)的大規(guī)模觀測研究。結(jié)果表明，隨著氮沉降的減少，土壤硝態(tài)氮和葉面氮濃度的降低幅度有限，而對林下植被、樹木生長或活力的影響則不大。Gilliam等（2019）綜合了北美東部森林土壤酸化、植物多樣性、土壤微生物群落、森林碳氮循環(huán)和地表水化學(xué)的響應(yīng)，進(jìn)一步提出了滯后模型，以預(yù)測未來大氣氮沉降下降可能帶來的森林恢復(fù)。綜上所述，N沉降一般會導(dǎo)致中國森林土壤N有效性、葉片N含量、葉片磷吸收和土壤N淋失增加，土壤pH值和微生物生物量降低。此外，氮沉降顯著改變了林下群落的物種組成，但很少有實驗報告植物物種豐富度的損失。根據(jù)進(jìn)一步的薈萃分析，氮沉降增加了溫帶森林的初級生產(chǎn)力和土壤呼吸，而它通常對樹木生長有中和作用，對亞熱帶和熱帶森林的土壤呼吸有負(fù)作用。由于國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，預(yù)計中國的氮沉降率和氧化態(tài)與還原態(tài)氮的比例將會下降，與歐洲和美國的趨勢相同。因此，歐洲和美國森林對氮沉降減少的響應(yīng)綜述可能會為中國森林在未來的反應(yīng)提供線索。

2.4. 減輕氮沉降負(fù)面影響的管理方案

盡管自20世紀(jì)90年代以來，美國和歐洲許多地區(qū)的氮沉降都有所下降，但從數(shù)十年氮沉降升高的影響中恢復(fù)的速度似乎很慢。管理干預(yù)有可能減少氮沉降的負(fù)面影響，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。例如，研究表明，焚燒可顯著提高土壤氮有效性和林下植物多樣性，疏伐可顯著提高林下植物多樣性，石灰化可顯著提高土壤堿度，添加C可顯著降低土壤氮有效性。

3. 挑戰(zhàn)和前景

在了解氮沉降對全球森林生態(tài)系統(tǒng)的影響方面取得了重要成果。然而，許多研究都集中在氮沉降的單因素效應(yīng)上。因此，在評估未來N沉降的生態(tài)影響時，我們強調(diào)應(yīng)共同考慮多種非生物因素（如氣候變暖、co2富集、干旱和地表臭氧增加）和生物因素（如昆蟲暴發(fā)和入侵物種）。未來的氮沉降趨勢可能因全球不同地區(qū)而有顯著差異，例如，氮沉降作為壓力源的相對重要性在許多發(fā)展中國家可能會增加，而在歐洲和美國則在下降。在氮沉降增加的地區(qū)，氮沉降升高的生態(tài)效應(yīng)需要進(jìn)一步評估。在氮沉降呈下降趨勢的區(qū)域，需要進(jìn)一步深入研究氮沉降增加對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的影響趨勢和機制。此外，在N沉降熱點地區(qū)，還可以考慮森林管理方案，以減輕N沉降的負(fù)面影響，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

原文網(wǎng)絡(luò)連接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.04.014