氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境

Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第十一篇 ·

　　▎论文ID

　　Ecological Effects of Nitrogen Deposition on Urban Forests: an Overview

　　城市森林系统中氮沉降的生态效应综述

　　发表年份：2022年

　　第一作者：杜恩在^{1, 2}

　　通讯作者：杜恩在^{1, 2}

　　✉：enzaidu@bnu.edu.cn

　　作者单位：1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室。2. 北京师范大学地理科学学部自然资源学院。

　　Cite this article :

　　Enzai DU, Nan XIA, Yuying GUO, Yuehan TIAN, Binghe LI, Xuejun LIU, Wim de VRIES. ECOLOGICAL EFFECTS OF NITROGEN DEPOSITION ON URBAN FORESTS: AN OVERVIEW. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 445‒456 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021429

· 文 章 摘 要 · 

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　　全球城市面积不断扩大，导致城市环境中活性氮（Nr，reactive nitrogen）的排放和沉降达到前所未有的水平。城市森林为越来越多的城市居民提供关键的生态系统服务，然而，氮沉降对城市森林的生态影响仍存在巨大的认识空白。文章基于观测和实验研究文献，对城市森林氮沉降的空间格局和生态效应的研究现状进行了综述。首先综述了氮沉降通常表现为城市热点现象，氮沉降的化学成分也随着跨越城市-郊区-农村梯度发生变化，在城市及其周围地区显示出更高的硝铵比率。其次还综述了氮沉降对城市森林的生态效应，重点讨论了生态系统氮循环、土壤酸化、养分失衡、土壤温室气体排放、树木生长和森林生产力，以及植物和土壤微生物多样性，本研究首次讨论了氮沉降对城市森林的显著影响，并与天然林中的常见影响进行比较。

· 文 章 亮 点 ·

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　　1.综述了城市森林氮沉降的格局和影响。

　　2.城市氮沉降通量较高。

　　3.城市氮沉降表现出较高的铵硝比值。

　　4.氮沉降对城市森林和天然林可能有不同影响。

· Graphical abstract · 

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· 研 究 内 容 ·

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　　▎引言

　　城市森林为城市居民提供了重要的生态系统服务，如调节小气候、消除大气污染物、维持城市生物多样性和造福人类健康等。与天然森林不同，城市森林由种类较少的植物物种组成，并受到独特的城市环境和大量园艺活动干预。因此与天然林相比，城市森林中的氮沉降的生态效应可能是不同的。文章开发了一个新的视角：（1）城市-郊区-自然梯度下氮沉降的空间模式，以及与其他元素大气沉降的相互作用；（2）氮沉降对城市森林生态系统的生态影响；（3）文章讨论了当前主要的认识差距，并对未来的研究工作提出建议，强调需要开发森林综合管理方法，以修正高水平的城市氮沉降的负面影响。

　　▎城市环境中的氮沉降

　　1.城市氮沉降热点

　　密集的生产活动使得城市地区成为包括氮氧化物（NO_x）和氨（NH₃）在内的多种空气污染物的人为排放热点，大气中的NOx和NH3在中心城区的浓度最高（图1 a）。观测结果普遍表明，在城市-郊区-自然梯度下，氮沉降呈现出强烈的空间变化趋势（图1 b）。基于对中国森林氮沉降现场测量数据的空间分析，研究发现，氮沉降通常在靠近大城市的地方呈现指数型增长，这与观察到的城市大气活性氮浓度的热点相一致。氮沉降的化学成分也在城市-郊区-自然梯度中发生变化。在中国森林的干沉降和湿沉降中，铵根（NH₄⁺）与硝酸盐（NO₃^–）的比率在靠近大城市时明显增加。全球观测结果的综合研究进一步证实了城市地区氮沉降形态的变化，即主要由还原态氮（如NH₃和NH₄⁺）而不是氧化态氮（如NO_x和NO₃^–）组成。

图1 城市-郊区-自然梯度的大气排放（a）、沉降（b）和活性氮成分（c）的变化。

　　2.与其他元素大气沉降的相互作用

　　通过综合分析中国南部森林中的干沉降和湿沉降的化学组分及通量，大气中的硝酸盐、铵和硫酸盐沉降通量都呈现出向城市地区的指数增长，而雨水的pH值在靠近大城市的地方呈现出对数下降。由于人为SO2排放减少，硫（S）沉降在全球范围内有所下降，因此，氮沉降对城市酸岛的贡献显得越来越重要。

　　大气中输入的基础阳离子（如K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺）可以部分缓冲氮和硫化合物的酸沉降影响。另外，对中国森林的实地测量数据进行综合分析表明，在混合沉降和贯穿沉降中，氮磷（N:P）的比例很高，是植物叶片中的2–3倍。因此，随时间的推移，不平衡的氮和磷沉降可能会增强城市森林中的磷限制。然而磷沉降也表现为城市热点模式，可以部分缓解城市环境中由氮引起的磷限制。

　　▎氮沉降对城市森林生态系统的影响

　　1.对氮循环的影响

　　城市森林是大气氮沉降输入的重要汇（图2）。与氮沉降对天然林的影响相似，氮沉降直接增加了氮的可利用性，从而改变了城市森林中生态系统的氮循环。另外氮沉降的城市热点效应可能重塑了城市-农村-自然森林之间氮循环的区域模式。

图2 与天然林相比，城市森林中的氮沉降影响

（文献中对城市森林的相关研究很少，城市森林的潜在影响部分基于专家意见）

　　2.对土壤酸化的影响

　　氮沉降会增加天然林中的土壤酸化和金属元素（如铝和铁）的毒性。考虑到城市酸岛效应，高水平的氮沉降可能会使城市森林的土壤酸化比农村和自然森林更加严重。另外，高氮沉降可能会加速碱式阳离子的浸出，并随着时间的推移进一步增加土壤中可溶性铝和铁的浓度，对植物生长和生物多样性造成负面影响。

　　3.对养分不平衡的影响

　　在自然生态系统中，由于氮供应量的增加，氮沉降往往会造成叶片中氮与其他营养物质的不平衡。由于土壤氮供应量的增加和土壤酸化，城市热点地区的氮沉降可能会导致城市森林中更严重的营养失衡。

　　4.对土壤温室气体通量的影响

　　城市森林土壤既是CH₄的汇，又是N₂O和CO₂的源，受到氮供应的强烈调节。通常认为，在许多自然生态系统中，高氮沉降通量会增加土壤的N₂O排放，并抑制土壤的异养呼吸和CH₄吸收。低氮沉降通量对土壤异养呼吸和CH₄吸收产生积极影响。城乡森林的实地监测研究表明，相对于农村森林，城市森林的土壤CH₄吸收能力较低，城市森林土壤CH₄吸收能力的下降部分归因于高水平的氮沉降。

　　5.对树木生长和森林生产力的影响

　　氮沉降有利于大多数天然森林树木生长，并倾向于增加地上生物量的分配。由于城市氮沉降水平较高，城市森林可能比天然森林受到的氮限制相对较少。在这种情况下，氮沉降可能只对城市森林的树木生长产生轻微的刺激作用，其他因素将更为重要。此外，高通量的氮沉降可以增加树木叶片的氮含量，减少抗性代谢物，可能会增加害虫爆发的风险，从而对城市森林造成损害。

　　6.对植物和土壤微生物多样性的影响

　　城市森林是维持城市地区植物生物多样性的关键。高氮沉降也可能改变城市森林的林下物种组成，降低植物物种丰富度，特别是那些管理较少的森林。在中国南方城市广州的城乡森林中进行的一项实地研究表明，由于与氮相关的土壤性质的变化（即pH值下降和Ca2⁺、K⁺的损失），随着氮沉降量的增加，林下草本层的多样性下降。这些结果表明，筛选和种植耐氮植物在城市森林规划中非常重要。氮沉降通常对微生物总生物量产生负面影响，并降低了自然生态系统中真菌与细菌的比例。氮沉降也可能对城市森林和周围草坪的土壤微生物多样性产生深刻影响。建议今后研究工作可关注城市森林中高氮沉降通量背景下地上植物多样性和地下微生物多样性的相互作用。

　　▎结论和展望

　　1.结论性意见

　　氮沉降对城市森林有深远的影响，文章总结了6项威胁城市森林生态系统健康和功能的潜在有害影响。高水平的城市氮沉降可以加速土壤酸化，激活金属的毒性，诱发氮和其他营养物质之间的不平衡，并随着时间推移造成氮饱和。虽然氮沉降为城市森林提供了外部氮源，但当超过一定的氮负荷阈值时，可能会导致树木生长速率变缓。高水平的城市氮沉降可能会增加土壤N₂O的排放，并抑制城市森林对土壤CH₄的吸收。此外，氮沉降的城市热点将对植物和土壤微生物的多样性产生负面影响。

　　2.未来的研究方向

　　（1）氮沉降对城市森林的生态影响仍然存在巨大的认识差距，鉴于城市环境中大气NO_x、NH₃以及雨水中铵根、硝酸盐的浓度较高，未来需要更多考虑城市森林冠层对氮的吸收作用。

　　（2）受多种社会经济因素驱动，城市森林碎片化现象普遍存在，森林边缘数量剧增，但关于城市森林边缘如何与氮沉降的影响相互作用，仍是一项认知空白。

　　（3）氮沉降与城市环境中各种空气污染和土壤污染同时发生。需要进行更多的研究，以确定氮沉降对土壤污染物在城市森林生态系统中的滞留影响。

　　（4）鉴于城市森林会受到强烈的城市热岛效应、湿度压力、高二氧化碳和臭氧浓度，以及频繁的园艺干预，需要进一步评估城市氮沉降和这些因素的综合影响。

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