《Atmospheric Environment》：Atmospheric deposition of phosphorus and nitrogen in non-urban areas of the Czech Republic: temporal trends in N:P ratios and the effect of elevation
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分析了捷克和斯洛伐克26个非城市站点的总磷和总氮大气沉积形态及时空变化，发现TP年沉积量0.28±0.16 kg·ha?1·yr?1，以颗粒态磷为主（57%），TN年沉积量9.1±0.33 kg·ha?1·yr?1，无机氮占73%。长期监测显示TP在低地（1978-2024）显著增加（p<0.05），而高地（1998-2024）显著减少（p<0.001），TN:TP比值自1850年代以来维持在67-140 mol·mol?1，表明大气输入磷仍是捷克淡水生态系统的限制因子。
Ji?í Kopá?ek|Josef Hejzlar|Martin Novák|Filip Oulehle|Petr Porcal|Markéta ?těpánová
捷克科学院生物中心，水生生物学研究所，捷克共和国捷克布杰约维采370 05
摘要
我们分析了来自26个捷克和2个斯洛伐克非城市地区无林木区域以及林冠降水的总磷（TP）、总氮（TN）及其物种的大气沉降数据，这些地区的海拔范围为271至1,998米。本研究的目的是估计工业时期大气输入中TN:TP比率的可能变化，并评估其对贫营养生态系统磷限制的潜在影响。2015年至2024年间，总磷的沉降量平均为0.28±0.16千克/公顷/年，几何平均值为0.25千克/公顷/年，其中非反应性磷占主导地位（71%）；其余为可溶性反应性磷。颗粒态磷占总磷的57%。同期总氮的沉降量平均为9.1±0.33千克/公顷/年，几何平均值为8.6千克/公顷/年，其中无机氮形式占主导（NH4-N占42%，NO3-N占31%）；有机氮占27%。总氮和总磷的林冠降流量分别比沉降量高2.3倍和2.7倍。在长期研究站点中，高地的总磷沉降量从1998年到2024年显著减少（p<0.001），而低地的总磷沉降量从1978年到2024年显著增加（p<0.05）。模型预测的总磷:总氮比率在19世纪50年代最低（67），在20世纪80年代达到最大值（约140），2015年至2024年间为86，表明至少从19世纪50年代起，总降水量一直对捷克淡水系统的磷限制起着作用。
引言
来自远距离和本地来源的大气尘埃沉降可以是贫营养陆地和水生系统中磷（P）的重要来源（例如，Herut等人，2002年；Camarero和Catalan，2012年；Tipping等人，2014年）。长距离大气传输的主要磷来源包括来自干旱和沙漠地区的土壤尘埃以及火山活动（Graham和Duce，1979年；Newman，1995年；Mahowald等人，2008年）。因此，在沙漠下风地区，如地中海地区，风尘是磷的一个特别重要的来源（Bergametti等人，1992年；Morales-Baquero等人，2006年；Carbo等人，2005年）。然而，在看似远离沙漠的地区，如热带森林（Gross等人，2016年；Ponette-González等人，2016年）、温带地区（Dillon和Molot，1996年）以及山区（Camarero和Catalan，2012年；Tsugeki等人，2012年；Brahney等人，2014年），风尘也可能非常重要。
重要的本地磷来源包括农业、城市和工业活动，特别是植物材料、煤炭和石油的燃烧（Newman，1995年；Carpenter等人，1998年；Pan等人，2021年），以及生物源颗粒（细菌、昆虫部分、植物碎片和花粉）和海洋气溶胶，它们分别通过风从周围植被或海洋传输而来。这些通常是远离沙漠尘埃源地区地表水总磷输入的重要贡献者（Psenner，1984年；Cole等人，1990年；Mahowald等人，2008年；Wu等人，2021年）。
大多数环境通过大气沉降接收的总磷量在0.2至0.8千克/公顷/年之间（例如，Newman，1995年；Redfield，2002年；Berthold等人，2019年），Tipping等人（2014年）报告的全球几何平均沉降率为0.27千克/公顷/年（n=120），Pan等人（2021年）报告的沉降率为0.32千克/公顷/年（n=394）。偏远地区和海岸线附近的沉降率低于0.3千克/公顷/年，而森林或混合土地利用地区的沉降率通常在0.3至0.5千克/公顷/年之间，城市或农业地区的沉降率往往超过0.5千克/公顷/年（Redfield，2002年）。
在全球范围内，矿物气溶胶被认为是磷沉降的主要来源（Mahowald等人，2008年）。大气沉降中的大部分磷由粗颗粒（2.5至100微米）的无机和有机颗粒携带（Redfield，2002年）。其中2%至80%的磷是可溶性的（Mahowald等人，2008年），可能是贫营养系统（如高山湖泊、热带森林和湿性泥炭地）中生物可利用磷的重要来源（Herut等人，2002年；Tipping等人，2014年）。因此，含磷尘埃向这些生态系统的传输可能是一个重要的非点源磷来源，具有显著的生物地球化学影响（Psenner，1999年；Vicars和Sickman，2011年；Brahney等人，2014年），并可能影响其水质（Brown等人，2011年）。向生产力较低的水生生态系统（通常相对于其他营养元素缺乏磷）的高磷输入可能会降低氮（N）与磷（P）的比率（N:P），并使浮游植物的生产从磷限制转变为氮限制（Camarero和Catalan，2012年；Tipping等人，2014年）。如果资源中的氮磷摩尔比率高于阈值16（即Redfield比率；Redfield，1958年）在海洋生态系统中，或者24在温带湖泊中（Hecky等人，1993年），则假设浮游植物的生长受到磷的限制。类似的“Redfield式”氮磷比率也被用于土壤和土壤微生物生物量（分别为13和7摩尔/摩尔；Cleveland和Liptzin，2007年）以及植物（包括苔藓，为31–35摩尔/摩尔；Reich和Oleksyn，2004年）。对于植物生物量，提出了一个假设的叶氮磷临界点，介于氮限制（N:P < 31摩尔/摩尔）和磷限制（N:P > 35摩尔/摩尔）之间（Reich和Oleksyn，2004年）。
越来越多的研究探讨了磷的可用性在氮限制的北方森林、湿性泥炭沼泽和矿质沼泽中大气氮（N2）生物固定中的作用（例如，Rousk等人，2013年；Yin等人，2022年）。这些生态系统中的生物氮固定与生活在苔藓中的蓝细菌和甲烷氧化菌有关（例如，Larmola等人，2014年；?ivkovi?等人，2022年），并且与磷的可用性呈正相关（Reich和Oleksyn，2004年；Kox等人，2016年），当苔藓的氮磷比率低于35摩尔/摩尔时，这种固定作用会增加（Larmola等人，2014年）。
直接的大气沉降是某些高地生态系统（例如，湿性泥炭沼泽）的主要营养来源，其氮磷比率可能缓解它们的自然氮限制，使它们的初级生产转向磷限制（Vitousek等人，2010年；Oulehle等人，2021年），并降低它们的氮固定能力。由于数千年前开始的人类活动，特别是工业时期的开始，人为的氮排放和沉降发生了巨大变化（Kopá?ek和Posch，2011年），而人为尘埃的产生和磷沉降相对较少增加，例如在北美洲大约增加了五倍（Neff等人，2008年）。然而，尽管自20世纪80年代以来欧洲的氮排放和沉降一直在减少（Shibata等人，2015年），但2001年后欧洲的磷沉降有所增加（Pan等人，2021年）。因此，降水中的氮磷比率可能不仅在空间上因区域氮和磷排放源的不同而有所不同（例如，Pan等人，2021年），而且在时间上也有差异，特别是在氮和磷排放发生显著变化的地区，如中欧，特别是捷克共和国（Kopá?ek等人，2016年）。
本研究的目的是分析捷克共和国非城市地区近期的大气磷和氮输入，并估计工业时期它们氮磷比率的可能变化。分析主要集中在磷和氮形式的沉降空间变化、季节性和长期趋势，以及沉降量与林冠降水量之间的差异。我们假设大气沉降中氮磷比率的变化并未改变大多数捷克淡水生态系统的主要限制元素，自19世纪50年代以来，磷一直是主要限制因素。
研究地点
大气沉降样本来自26个捷克和2个斯洛伐克的小流域，这些流域位于非城市地区，海拔范围为271至1998米。有关它们的位置和坐标，请参见补充材料（SM），图SM–1和表SM–1。
在两个低地主要农业流域的人工水库和两个高地主要森林流域的无林木地点，对降水化学成分进行了长期监测
沉降物和林冠降水的组成
2015年至2024年间，捷克共和国的总氮平均沉降量为9.1 ± 0.33千克/公顷/年，几何平均值为8.6千克/公顷/年（表1）。总氮沉降主要由无机形式主导，NH4-N和NO3-N分别贡献了42%和31%；其余为DON（23%）和PN（4%）（图1A）。因此，TON形式占总氮沉降量的近三分之一（与其他地方通常观察到的25–35%相似；Cornell，2011年）
结论
2015–2024年间，捷克共和国的总磷沉降量为0.28 ± 0.16千克/公顷/年，处于全球观察到的范围内（Tipping等人，2014年；Pan等人，2021年）。总磷主要以颗粒形式存在（57%），而最易生物利用的形式DRP仅占29%。同期总氮的平均沉降量为9.1 ± 0.33千克/公顷/年，主要由无机形式的NH4-N和NO3-N主导（73%）；其余为TON。总氮和总磷的林冠降流量分别为2.3倍和2.7倍
CRediT作者贡献声明
Josef Hejzlar：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据管理。Ji?í Kopá?ek：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、数据管理、概念化。Markéta ?těpánová：撰写——审阅与编辑、验证、形式分析、数据管理。Petr Porcal：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、数据管理。Filip Oulehle：撰写——审阅与编辑、验证、调查、数据管理。Martin
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了捷克科学基金会（项目编号：24-12596S）的支持。我们感谢D. W. Hardekopf的校对工作。
