氮(N)是控制植物结构和功能以及维持生态系统稳定的重要营养元素之一,外源输入氮素的有效性及形态的差异对植物的生长发育和生理特征产生显著的影响.由于全球气候变化和人类活动的干扰,大气氮沉降量日益增加,氮形态也发生改变,严重破坏植物的正常生长和生态系统的平衡稳定,已成为研究学者关注的热点问题.本文综述了不同氮输入水平和形态对植物的生长、光合作用、养分吸收以及代谢酶活性等方面的影响,归纳出:①适量氮输入能促进植物生长、光合作用和养分吸收能力,但当超出植物承受的阈值后,则对其产生抑制作用;②由于植物对氮素形态吸收偏好的差异,铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)对植物的生长、光合作用、养分吸收以及代谢酶活性的影响效果不同,且适宜铵硝配比相较于单一某种氮素添加对大多数植物的促进作用更显著.提出未来的研究方向应着重考虑4个方面:①开展大尺度的长期监测控制实验;②利用分子生物学技术深入探究氮形态对植物影响的微观机理;③重点关注土壤根际环境对植物根系氮素吸收的影响;④综合分析氮输入与其他环境因子的交互作用,准确评估典型植物种群动态及群落结构变化.本研究为探究外源氮输入下植物生长生理机制和实现植物生产系统的可持续性提供理论参考.

以贵州普定陈旗流域和福建九龙江流域作为研究对象,比较两个不同岩性背景区土壤重金属和稀土元素的分布特征及其控制因素,探究了地球关键带土壤元素的地球化学循环过程和环境效应.结果显示,普定浅层土壤重金属Cr、Zn、Ni、Cu和Pb含量均高于九龙江流域,主要受淋滤作用和地质背景控制.普定土壤中大部分重金属在耕地、灌丛和弃耕地高于草地和次生林地,九龙江流域部分重金属含量在废弃茶园高于林地,与两个流域大气沉降和农业活动密切相关.普定土壤稀土含量(145～248 mg·kg-1)高于九龙江流域(51～173 mg·kg-1),普定土壤稀土与喀斯特成土作用密切相关,而九龙江流域土壤稀土含量主要由成土母质决定.生态风险评估显示,普定土壤为轻微生态危害,九龙江流域林地也为轻微生态危害,而九龙江流域废弃茶园地表现出中等生态危害,重金属Cd生态风险较高.

量化植物地上部和地下部元素含量对于理解和预测植物养分平衡如何响应大气氮沉降的变化至关重要.通过盆栽试验研究了氮沉降增加背景下外生菌根真菌对马尾松幼苗营养元素的影响.对马尾松幼苗进行了接种两种外生菌根真菌:(彩色豆马勃(Pisolithus tinctorius,Pt)与厚环乳牛肝菌(Suillus grevillei,Sg))以及4种氮素浓度添加:0 kg N hm-2a-1(NO)、正常氮沉降30 kg N hm-2,-1(N30)、中度氮沉降60 kg N hm-2a-1(N60)、重度氮沉降90 kg Nhm-2a-1(N90),共12个处理,测定了马尾松地上部和地下部大量元素和微量元素的含量.结果表明:施氮改变了营养元素在马尾松幼苗地上部和地下部的含量,马尾松幼苗磷(P)、钙(Ca)、铁(Fe)、锰(Mn)等元素均在N60时达到临界值,而当输入的量超过了马尾松对氮的需求时,氮沉降会使马尾松营养元素含量较最适浓度时降低,地上部碳(C)随施氮浓度的升高先升高后降低,N随施氮浓度的升高而升高,根系和叶片钾(K)、Ca、镁(Mg)均随施氮浓度的升高而降低,施氮也降低了根系C及微量元素的含量.但在同一施氮浓度下,接种外生菌根真菌(EMF)后能够提高大多数元素的含量,N90时接种厚环乳牛肝菌(Sg)和彩色豆马勃(Pt)的叶片N含量与对照相比分别提高112.6％和138.6％,根系N含量分别提高73.1％、71.6％;N60时接种Sg和Pt的植株叶片P含量比不施氮未接种对照分别提高了 166.3％、132.9％,根系P含量分别提高了 40.8％、38.5％.EMF能够维持植物养分平衡,从而降低高施氮量对植物的影响效果.这为未来气候变化情景中氮沉降增加下接种EMF可以调节植物元素含量,从而达到更适应环境的元素平衡来促进生长提供理论依据.

植物叶片对大气颗粒物的作用机制可分为吸附、再悬浮、雨水淋洗、吸收等过程,但却少有研究探讨大气颗粒物沉降于叶片表面后的再悬浮过程,并对叶片表面吸附的颗粒物含量与叶片内部元素含量之间的相关性进行探讨.本研究选择二球悬铃木和广玉兰两种常见绿化树种,分析其叶表大气颗粒物和叶内元素成分与含量及再悬浮比例.结果表明:二球悬铃木叶片的单位面积滞尘量(4.98 g·m-2)明显高于广玉兰(2.65 g· m-2),这可能与二球悬铃木叶片上下表面均粗糙、有绒毛有关.电感耦合等离子体发射光谱(ICP)分析表明,15种不同的元素均可在二球悬铃木和广玉兰叶表和叶内监测出来,在整体上两树种叶表与叶内元素含量间存在明显的相关性.但仅有Cr、Fe、V等3种元素在二球悬铃木叶表与叶内间存在显著的相关性,而广玉兰中仅有K、Mn、Si、Ti和Zn等5种元素没有显著的相关性,说明两树种叶片对不同元素的吸收具有较强的选择性.再悬浮分析表明,无论是随着风速的增加还是随着风力作用时间的延长,大气颗粒物的再悬浮比例均随之显著增加.在研究植物对大气颗粒物滞留效果时,必须考虑到颗粒物的再悬浮,才能准确评估植被与大气颗粒物的沉降关系.

地衣在大气元素沉降的生物监测研究中应用广泛,但地衣物种之间的元素组成差异会对元素的环境输入评估产生干扰.为摸清元素含量在2种叶状地衣(石生的中国石黄衣Xanthoria mandschurica,XM;树生的黄烛衣Candelaria fibrosa,CAF)之间的差异及其可能的生态学原因,用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)测试了采自山西太行山区长治盆地及其周边共3个地点的地衣样品中的51种元素.结果显示,40种元素的含量在地衣间差异较大,其中36种元素(Al、Ba、Be、Bi、Ca、Ce、Cs、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Ho、La、Li、Lu、Mn、Na、Nb、Nd、Ni、Pb、Pr、Sc、Si、Sm、Sr、Tb、Th、Ti、Tm、U、V、Y和Yb)在XM中含量较高,可能归因于其受大气干沉降更大且更易受本地岩石地球化学的影响,而CAF受冠层截留作用的影响更大;其中4种元素(K、P、S和Zn)在CAF中含量较高,可能与冠层淋溶作用有关.另外11种元素(As、B、Cd、Co、Cu、Hg、Mg、Rb、Sb、Se、Tl)在2种地衣之间的含量差异较小.大气元素沉降的地衣监测法需考虑地衣物种、基物的地球化学特征和植被的影响.

凋落物分解是陆地生态系统养分循环的关键过程,是全球碳(C)收支的一个重要主要组成部分,正受到全球大气氮(N)沉降的深刻影响.探讨大气氮沉降条件下森林凋落物的分解,有利于揭示森林生态系统C平衡和养分循环对全球变化的响应.选择福建沙县官庄林场1992年栽种的杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林为研究对象,自2004年开始野外模拟氮沉降试验,至今12年.氮沉降处理分4个水平,N0、N1、N2和N3分别为0、60、120、240 kg N hm-2 a-1.2015年12月开展分解袋试验,对经过氮沉降处理12年的凋落物(叶、枝、果)进行模拟原位分解,每3个月收回一次分解袋样品,为期2年,同时测定凋落物干物质残留量及其C、N和磷(P)含量.结果 表明,经2年分解后,氮沉降条件下凋落物叶、枝和果的干物质残留率平均值分别为27.68％、47.02％和43.18％,说明分解速率大小依次为叶＞果＞枝.凋落物叶、枝和果的分解系数平均为0.588、0.389和0.455,周转期(分解95％年限)分别为4-5年、6-8年和5-7年.低-中氮处理(N1和N2)均促进凋落物叶、枝和果的分解,以N1的效果更明显,而N3起到抑制作用.N1处理的凋落物叶、枝和果的周转期分别为:4.50年、6.09年和5.85年,N2处理的分别为4.95年、8.16年和6.19年.模拟氮沉降在一定程度上增加了凋落物叶、枝和果分解过程中的N和P含量,但降低了C含量.凋落物叶、枝和果分解过程中C元素呈现释放-富集-释放模式,N和P元素呈现释放与富集交替,除枝的N元素外,其他均表现为释放量大于富集量.

为了深入了解P添加是否有助于缓解N沉降增加引起的植物群落多样性降低等问题,以宁夏盐池县长期围封的荒漠草原为研究对象,探讨了连续两年(2015-2016年)5g/m2/a的N水平下,P添加对植物生物量、群落多样性和土壤C∶N∶P生态化学计量特征的影响,分析了植物群落多样性与土壤C∶N∶P比及其他关键因子的关系.结果 表明:少量N添加下,增施P肥促进了植物生物量积累,但中高量P添加抑制了多数植物生长,使牛枝子(Lespedeza potaninii)、草木樨状黄芪(Astragalus melilotoides)和苦豆子(Sophora alopecuroides)等物种重要值降低;随着P添加量增加,Shannon-Wiener多样性指数和Patrick丰富度指数先增加后降低,Simpson优势度指数逐渐增加,Pielou均匀度指数变化幅度较小;随着P添加量增加,土壤C∶P和N∶P比逐渐降低;土壤N∶P比、C∶P比、全P含量、速效P浓度以及微生物量C∶P比与植物群落多样性关系密切,意味着N沉降增加下趋于解耦的土壤元素平衡关系可能会影响到植物群落组成.综合以上结果,适量P添加可以通过提高土壤P有效性、增加凋落物归还量和刺激微生物P释放等途径,调节土壤P供给和植物P需求间的压力,从而缓解N添加引起的植物群落多样性降低.

地衣元素组成是监测大气元素沉降的有效和可靠指标,其受地衣年龄的影响较大,但该影响在土生枝状地衣中的研究并不充分.本研究测定了采自黑龙江大兴安岭呼中自然保护区的枝状地衣高山珊瑚枝Stere-ocaulon alpinum)中55种化学元素(Ag、A1、As、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Yb和Zn)的含量,并比较了其在假果柄不同部位(顶部、中部和基部)的差异,以检测无污染生境中地衣体部位与元素种类对地衣体内元素积累量的影响.结果 显示:地衣元素含量与已有研究中地衣元素含量的背景值/基线值范围相符,表明研究区域内大气元素沉降程度极低;绝大多数生理代谢意义甚小的元素在年老部位含量较高,表明这些元素在地衣体内随地衣年龄增长而持续积累,且在地衣体内的转运强度较低;部分营养元素垂直趋势不明显,或在中部最低,反映了地衣体内营养元素向生长旺盛的顶端转运的趋势.因此,在以地衣元素组成为测试指标的大气污染监测中,需针对拟研究的元素,选取地衣的特定部位,并在不同研究的数据比较中使用相同部位,以增加数据的可比性.

基于2017年在宁夏荒漠草原设立的降水量(减少50％、减少30％、自然降水、增加30％以及增加50％)和N添加(0和5 g·m-2·a-1)野外试验,研究了植物和土壤微生物C∶N∶P生态化学计量特征,分析二者与土壤C∶N∶P生态化学计量特征及其他土壤因子的关系,以探讨降水格局改变和大气N沉降增加下荒漠草原植物和土壤微生物C∶N∶P平衡特征及其主要影响因素.结果 表明:(1)减少降水量对荒漠草原植物和土壤微生物C∶N∶P生态化学计量特征的影响较小,反映了二者对短期干旱的适应性;增加降水量降低了植物和土壤微生物生物量N和P含量,不同程度地提高了C∶N和C∶P,但其影响程度与N添加有关.(2)增减降水量条件下,N添加对植物生态化学计量特征影响较小,但对土壤微生物C∶N∶P生态化学计量特征影响较大,尤其在增加降水量条件下表现得更明显,意味着降水激发了N添加效应.(3)植物全N含量、N∶P以及土壤微生物生物量N含量的内稳性较低,可较好地反映土壤N供给水平以及N、P受限类型.(4)与植物C∶N∶P生态化学计量特征关系较强的土壤因子为速效P含量、磷酸酶活性、电导率、C∶P和有机C含量,与土壤微生物C∶N∶P生态化学计量特征关系较强的土壤因子有电导率、含水量、蔗糖酶活性和磷酸酶活性,表明植物和土壤微生物C∶N∶P平衡特征主要受其他土壤因子的调控,而非土壤元素平衡关系.

随着人类对能源和食物需求的持续增长,化石燃料和化学肥料的消耗急剧增加,导致全球范围内大气氮沉降速率快速升高.目前,我国已成为全球大气氮沉降的热点区域,且氮沉降量可能会在较长一段时间内累积增加,已严重威胁到生态系统结构和功能的稳定.该文梳理了近40年来国内外氮沉降生态效应研究的发展历史和前沿进展,综述了氮沉降对陆地植被系统、土壤微生物群落和生态系统元素(碳、氮、磷)循环的影响及其作用机制.研究表明:氮沉降导致的活性氮在陆地生态系统中的累积,改变了土壤环境、元素平衡和物种共存关系,驱动了生物多样性以及生态系统结构和功能的改变.氮沉降速率、沉降持续时间、氮输入形式、生物系统的生态化学计量内稳性和非生物环境条件共同决定了生态响应的性质和程度.基于对国内外氮沉降研究进展和发展趋势的分析,该文讨论了我国在该研究领域存在的问题与不足,倡议建立更为完善的全国性长期监测研究平台,开展区域尺度甚至全球联网研究.同时,要考虑多因子耦合,从现象特征的描述向机理探究推进,从而全面提升我国氮沉降生态效应基础研究与生态风险管理水平.