第1章总论
1.1研究意义
大气酸沉降（主要为N和S）增加是全球变化的主要方面。工业革命以来，由于人类活动产生了大量NOx和SO2，导致大气酸沉降增加。长期酸沉降增加不但会引起土壤酸化，而且可能造成C∶N∶P失衡和P限制增加（Deng et al.，2017），导致生物多样性降低和生态系统退化（Wright et al.，2018）。近年来，随着大气污染物控制措施的实施和社会经济结构的转型，酸沉降速率在欧美等发达国家显著降低（Du，2016; Engardt et al.，2017），但在发展中国家仍呈上升趋势（Vet et al.，2014）；近十年来我国酸沉降速率趋于稳定甚至亦有所减缓（Zheng et al.，2018a; Yu et al.，2019; Wen et al.，2020）。然而，煤炭等行业的快速发展（Tan et al.，2018）使得西北地区N、S沉降速率加快（Zhang et al.，2018a; Li et al.，2019a;顾峰雪等，2016;王金相，2018）。尽管估测的N、S沉降量低于全国水平，但较低的N沉降临界负荷（段雷等，2002）、N与S沉降的耦合作用（Gao et al.，2018）以及时间累积性（Phoenix et al.，2012; Duan et al.，2016），使得该区域N、S沉降同样不容忽视。燃煤电厂是我国NOx和SO2的主要工业排放源之一（Zhang et al.，2020b）。在西北地区燃煤电厂集中发展的典型区域监测N、S沉降，可为丰富全国酸沉降时空数据库、评估区域大气污染物控制措施的实施效果提供数据支撑。
生物多样性是全球变化背景下自然地理学、生态学等相关学科领域的一个重要研究方向，在各个方面支撑着人类社会。然而，由于资源过度开发、物种栖息地破坏，人类活动对生物多样性已经造成了不可逆转的负面影响（丛晓男，2021）。如何有效保护生物多样性已经成为一个难题（胡远洋，2022）。植物多样性是衡量群落结构和功能变异的重要度量指标，反映了生态系统的结构（Cardinale et al.，2006），是植物维持生态系统功能的基础（Laliberté & Legendre，2010;董世魁等，2017）。N、S沉降会引起植物种丧失这一结论已得到了证实（姜勇等，2019;付伟等，2020），尤其在酸性和中性土壤中。通常认为，物种多样性与群落稳定性正相关（Hautier et al.，2015），因而物种丧失可能会导致生态系统稳定性降低、生态服务功能退化。但近期的研究对此传统认知提出了挑战，认为N添加下群落稳定性的主导机制随N添加水平和处理时间而发生变化（Niu et al.，2018; Liu et al.，2019; Ma et al.，2021; Zhou et al.，2020;武倩，2019）。本书将从物种多样性角度分析酸沉降下植物多样性的变化特征，探讨植物多样性与生产力的联系，为深入揭示N、S沉降下荒漠生态系统稳定性维持机制、科学评估荒漠区植物固碳潜力、助力实现“碳达峰”和“碳中和”目标提供基础数据。
西北荒漠区位于国家生态安全格局“两屏三带”的北方防沙带。区域土壤N含量低、盐碱化普遍。虽然荒漠区植被稀少，但仍蕴藏着大量特有物种，对维持区域生态系统功能发挥着不可替代的作用（程磊磊等，2020）。国家规划的14个亿吨级煤炭基地中的宁东能源化工基地（以下简称宁东基地）位于该区域，距黄河仅35km，是宁夏煤、水、土等资源的富聚区，其快速发展对矿区周边乃至黄河流域的生态环境造成压力（赵廷宁等，2018；杨帆等，2021）。受地理位置的影响，区域干旱少雨、植被稀少，缺乏大气污染物的清除机制，因此对酸沉降反应敏感（梁晓雪，2019）。虽然宁东基地各燃煤电厂已按照国家排放标准安装了脱硫脱硝装置、实现了超低排放，为我国NOx和SO2总量减排做出了重要贡献（王圣，2020），但其NOx和SO2排放对全国总排放率的贡献仍逐年增加，是区域空气N、S的主要来源（王金相，2018;伯鑫等，2019）。我国以煤炭为主的能源结构以及“西电东送”的战略部署，决定了今后燃煤机组装机容量还将不断增长，随之而来的污染物排放对本就脆弱的生态环境提出更大的挑战（凌再莉，2018）。因而，探明低N、高pH的土壤环境下，当前排放强度将如何影响区域植物多样性，评价现行污染物控制措施下酸排放的生态效应，对于促进荒漠煤矿区经济与生态协调发展、加快黄河流域生态保护和高质量发展具有重要的现实意义。
1.2国内外研究现状分析
1.2.1氮、硫沉降趋势
随着工业化和农业现代化进程的加快，排放到空气中的N、S化合物日益增多，并通过干湿沉降方式进入水生和陆地生态系统，导致全球大气酸沉降增加（Galloway et al.，2008; Vet & Ro，2008）。据估计，20世纪以来全球N沉降量已由1961年的14Tg a-1增加到2000年的68Tg a-1，到2030此值预计将达到105Tg a-1；1990年至21世纪10年代全球S沉降量达221.7Tg a-1，其中亚洲地区S干湿沉降量分别占58.3%和59.7%（Gao et al.，2018）。长期酸沉降增加不仅会引起土壤N、S元素的富集，而且会加速土壤NH+4硝化和NO-3淋溶，导致pH降低。而NO-3淋溶又会造成大量与其结合的K+、Ca2+、Na+和Mg2+淋失、增强有毒离子对P的络合和沉淀（Mao et al.，2017），进而造成元素化学计量关系失衡、生物多样性降低和生态系统退化等一系列严重的生态问题（Li et al.，2016a; Tian et al.，2016; Jung et al.，2018; Zarfoset al.，2019）。
1.2.1.1国内外氮、硫沉降
（1）国外氮、硫沉降
N、S沉降是全球变化的一个重要方面，也是现代自然地理学研究领域的热点问题。其中，N沉降以化石燃料燃烧、施用N肥和畜牧业发展为主要来源。N沉降化学组成中以NO-3和NH+4为主（朱圣洁，2014）；S沉降主要是指化石燃料燃烧释放的SO2在特定条件下发生光化学反应生成SO2-4降落在地表的过程。国外对于酸沉降的时空变化规律已经做了大量的研究工作（Peringe et al.，2020）。N、S沉降*早于19世纪中叶以酸雨的形式被英国化学家Robert Angus Smith发现。从1940年起，世界范围内许多学者开始关注酸沉降现象。Vet & Ro（2008）根据全球尺度下酸性沉降化学运输模型估计，1992～2002年，东亚地区（特别是中国东部）、印度北部、孟加拉国、北美以及欧洲东部与东北部是硫酸盐沉降的主要分布地区，其中高N沉降区与高S沉降区基本重合。但N沉降特征不同于S沉降，且N沉降中NH+4与NO-3也有着不同的沉降格局（Galloway et al.，2008）。之后的研究表明，在过去的几十年中，欧洲和北美的酸沉降明显减少。例如，仅1990～2014年欧洲SO2和NOx排放量就分别减少了约60%和45%（Forsius et al.，2021）；北美自20世纪80年代至90年代起，S沉降就开始呈下降趋势（Clark et al.，2018）；欧洲S沉降在20世纪末也开始呈现出下降趋势。欧洲监测和评估规划（EMEP）根据1972～2009年酸沉降数据分析指出，自1980年来欧洲大气环境中S沉降已经减少了70%～90%，而N沉降平均减小的幅度仅为25%（Vet & Ro，2008）。
总体而言，目前全球范围内的N、S沉降格局已经从以S沉降为主转变为以N沉降为主，且发展中国家成为酸沉降的主要影响区域。例如，基于1990年～21世纪10年代150个采样点的整合数据结果表明（Gao et al.，2018），全球平均S湿沉降速率可达141.64±120.04Tg a-1，其中亚洲地区平均湿沉降速率为84.5±79.31Tg a-1，可能导致土壤酸化的潜在风险，对全球湿沉降的贡献率为59.7%。相比之下，欧洲的S湿沉降通量平均为18.51±16.06kg ha-1 a-1，而北美和南美分别为8.16±4.12kg ha-1 a-1和4.96±3.45kg ha-1 a-1。此外，欧洲和北美的平均S湿沉降速率分别为18.81±16.32Tg a-1和14.56±7.36Tg a-1。全球平均S干沉降速率估计为80.1±69.37Tg a-1，其中亚洲占全球S干沉降总量的58.3%。然而，非洲的S干沉降速率已达到9.82±6.08Tg a-1，其贡献超过了欧洲和南美洲。
（2）国内氮、硫沉降
相较国外，中国N、S沉降研究起步较晚。20世纪80年代，国家环境保护局（现为生态环境部）发起了国内第一次较为系统的酸雨调查。监测和建模结果都表明，从20世纪80年代到21世纪初，中国的N和S沉降呈逐年增加趋势。90年代末，国家环境保护总局（现为生态环境部）、中国气象局开始在国内构建大气N、S沉降监测网络（丁国安等，2004）。自2004年起，中国农业大学也组织建立了涵盖40个监测点，囊括农田、草原、森林和城市等生态系统的全国性N沉降监测网络（NNDMN）（刘学军和张福锁，2009）。2004年，我国N沉降变化范围为1.0～74.3kg hm-2 a-1，其中东南区域的N沉降水平*高，高达35.6kg hm-2 a-1，约每年增加0.34kg hm-2（莫江明等，2004）。Liu等（2013）研究表明，中国陆地生态系统N沉降从1980年的13.2kg hm-2 a-1增至2010年的21.1kg hm-2 a-1，增幅高达近60%。2000～2013年，S沉降从22.17kg hm-1增加至70.55kg hm-1（Liu et al.，2016）。段雷（2000）在对国内不同区域酸沉降临界负荷进行区划研究时发现，中国S沉降临界负荷在总体上呈现东低西高的趋势。N沉降临界负荷的分布则正相反，呈现自西向东逐渐增加的格局；目前，我国已经成为继欧洲和北美之后的第三大N沉降区。尤其是我国南方，受S危害的地区已经超过国土面积的40%。所以，我国面临的酸沉降形势依然相当严峻，控制酸前体物排放、减少酸沉降对生态系统的负面影响刻不容缓。
近年来，一些研究人员提出，我国大气酸沉降格局已经开始发生改变。20世纪90年代以前，我国酸沉降以硫酸盐形式为主，但自21世纪以来我国酸沉降中NOx的比例增加。例如，2016年全国SO2-4湿沉降量比2005年减少4.3%，表明控制SO2排放的空气质量政策对湿SO2-4沉降有一定的影响（Zhang et al.，2018a）；1990～2010年，全国NO-3湿沉降量提高了74.1%、SO2-4湿沉降量降低了14.0%（Yu et al.，2017）；孙成玲和谢绍东（2014）等指出应在考虑SO2酸化效应的基础上重视NOx的酸化效应及富营养化效应。区域分配上，近期的研究表明，我国近十年来酸沉降速率趋于稳定甚至亦有所降低，但近年来随着西部大开发战略的实施和西部能源产业的不断发展，我国西北地区酸沉降量逐年增加（Yu et al.，2019; Zheng et al.，2018a; Wen et al.，2020）。相关数据表明，1990～2010年，中国酸性降水面积从22.53%增加到30.45%，其中西北地区为主要增长区域（Yu et al.，2017）；Zhang等（2018a）利用大气臭氧监测仪SO2柱，对SO2-4湿沉降的长期（2005～2016年）趋势进行了评估，发现在空间分布上，全国SO2-4沉降量变化很大（0.9～63.9 kgS hm-2），平均为10.4 kgS hm-2。SO2-4湿沉降表现出明显的季节变化，从1月到7月呈上升趋势，之后又呈下降趋势。从长期趋势来看，中国北方
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