氮素的可利用性和内在水分利用效率以不同的方式影响阔叶树和针叶树在扩张城市边缘的生长

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Nitrogen Availability and Intrinsic Water-Use Efficiency Differently Drive Broadleaf and Conifer Growth Near an Expanding City

城市扩张导致秦岭山区NOx和PM2.5排放增加，引发氮沉降升高，影响森林生长。通过树轮记录分析1922-2018年栎树、栗树和松树的生长及生理响应，发现阔叶树种因水分利用效率提升和氮肥效应促进生长，松树响应较弱。NOx排放显著促进三种树种生长，但PM2.5抑制栗树生长，揭示了物种特异性对污染和气候变化的响应机制及碳氮相互作用规律。

　　

摘要

城市和城郊森林对生态服务和城市生活质量至关重要，因此树木对环境压力的生长反应是管理的关键。在中国西北部最大城市西安附近的秦岭北部山区，由于城市发展导致的NO_x和PM_2.5排放量增加，氮沉降也随之增加。然而，气候、污染和氮沉降对附近森林的影响仍不明确。为了解决这个问题，我们利用年轮宽度测量（基面积增量、木材碳同位素（δ¹³C）和氮同位素（δ¹⁵N）以及C/N比值来研究20世纪和21世纪初气候和氮排放对树木生长及内在水分利用效率（iWUE）的影响。通过比较两种阔叶树（栗树，Castanea mollissima；橡树，Quercus aliena）和一种针叶树（松树，Pinus tabulaeformis），我们分析了它们的长期（橡树和松树为1922–2018年；栗树为1947–2018年）生长模式和生理反应。我们发现，在最近几十年里，尤其是阔叶树的径向生长有所增加。栗树和橡树的生长受到CO₂和氮肥作用的驱动，这体现在iWUE的增加和δ¹⁵N的降低上。松树的δ¹⁵N持续下降，其对CO₂和氮肥的反应较弱。NO_x排放显著促进了所有三种树木的生长。我们的研究为阔叶树和针叶树对城市扩张的长期生长反应提供了新的见解，阐明了在快速环境变化下的复杂碳氮相互作用。

通俗语言总结

中国西安附近的树木由于城市扩张导致的氮和水分利用变化而表现出不同的生长情况。我们测量了上个世纪大部分时间里栗树、橡树和松树年轮中的多个指标，以了解这些变化。具体来说，我们研究了碳和氮同位素——δ¹³C用于计算iWUE，δ¹⁵N用于追踪树木的氮素可用性。这些测量帮助我们理解了长期来看水分利用和氮素如何影响树木生长。聚焦最近几十年，我们发现过去20年里，栗树和橡树的生长速度比松树快，可能是因为它们更有效地利用了水分，并从污染中获得了更多的氮。然而，空气中的细颗粒物（PM_2.5）减少了栗树的生长。我们的研究表明不同树种对污染和气候压力的反应不同，这一知识为在变化的环境中更好地管理城郊森林提供了科学依据。

要点

• 在不断扩张的大都市区附近，栗树和橡树的生长速度比松树快

• iWUE的提高和δ¹⁵N的趋势解释了这两种阔叶树的生长反应

• NO_x排放量的增加与所有三种树木的生长呈正相关，尤其是阔叶树

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究的数据集和软件来自公开可访问的存储库。网格化的温度和降水数据来源于CRU 0.5°-网格化数据集（Harris等人，2020）和GPCC 0.25°-网格化数据集（Schneider等人，2022）。气象数据来自中国气象数据中心（2023），而空气污染物排放数据来自EDGAR社区温室气体数据库（欧盟委员会，联合研究中心，2020）。西安城市建成区面积的变化基于《西安年鉴》的统计数据（西安统计局，2020）。此外，三种研究树木的年轮宽度、稳定碳和氮同位素以及碳氮比数据可通过以下链接免费获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.15112257（Liu，2024）。所有分析均使用R软件版本4.3.1（R核心团队，2023）进行。R中的广义加性模型（GAMs）代码来自Wood（2017），R包gam.hp（v.0.0–1）来自Lai等人（2024）。

支持信息中的参考文献

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