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）及其化合物和反應的發(fā)現(xiàn)，促進了人類從18世紀開始對氮循環(huán)的認識。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?？偟膩碚f，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（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)結構和功能的影響具有重要意義。這對于預測森林生態(tài)系統(tǒng)服務的未來變化，更好地指導森林管理，提高天然林和人工林的生態(tài)彈性至關重要。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）氮沉降對森林結構和功能的影響，3）森林生態(tài)系統(tǒng)對氮沉降區(qū)域趨勢的響應，4）減輕氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)負面影響的管理方案（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蓋率標準，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沉降的模型預測（EMEP rv4.17）與網(wǎng)格平均N沉降的模型預測進行比較表明，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)響應的價值，而不是現(xiàn)有大多數(shù)關于氮沉降影響的研究中使用的基于網(wǎng)格的值。
2.2.氮沉降對森林結構和功能的影響
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)的結構和功能。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。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)分供應和提高了對應激因素（如干旱、病蟲害）的抵抗力。Lilleskov等（2019）總結了氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)菌根群落結構和功能的影響。外生菌根真菌對氮沉降的強烈敏感性意味著關鍵的外生菌根種或?qū)俚南В@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，需要進一步努力將系統(tǒng)發(fā)育學方法與生理、群落和生態(tài)系統(tǒng)研究相結合。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)新的反應性氮輸入包括氮沉降和生物固氮（BNF）。研究表明，氮誘導的新NPP （3.46 Pg C yr-1）貢獻了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
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)恢復的研究較少。Schmitz等（2019）根據(jù)5個監(jiān)測良好的指標(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的大規(guī)模觀測研究。結果表明，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)和地表水化學的響應，進一步提出了滯后模型，以預測未來大氣氮沉降下降可能帶來的森林恢復。綜上所述，N沉降一般會導致中國森林土壤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作用。由于國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準更加嚴格，預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綜述可能會為中國森林在未來的反應提供線索。
2.4. 減輕氮沉降負面影響的管理方案
盡管自20世紀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的速度似乎很慢。管理干預有可能減少氮沉降的負面影響，促進生態(tài)系統(tǒng)的恢復。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上。因此，在評估未來N沉降的生態(tài)影響時，我們強調(diào)應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)效應需要進一步評估。在氮沉降呈下降趨勢的區(qū)域，需要進一步深入研究氮沉降增加對生態(tài)系統(tǒng)恢復的影響趨勢和機制。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沉降的負面影響，促進生態(tài)系統(tǒng)的恢復。
原文網(wǎng)絡連接：https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.04.014