Human production of food and energy is the dominant continental process that breaks the triple bond in molecular nitrogen (N2) and creates reactive nitrogen (Nr) species. Circulation of anthropogenic Nr in Earth’s atmosphere, hydrosphere, and biosphere has a wide variety of consequences, which are magnified with time as Nr moves along its biogeochemical pathway. The same atom of Nr can cause multiple effects in the atmosphere, in terrestrial ecosystems, in freshwater and marine systems, and on human health. We call this sequence of effects the nitrogen cascade. As the cascade progresses, the origin of Nr becomes unimportant. Reactive nitrogen does not cascade at the same rate through all environmental systems; some systems have the ability to accumulate Nr, which leads to lag times in the continuation of the cascade. These lags slow the cascade and result in Nr accumulation in certain reservoirs, which in turn can enhance the effects of Nr on that environment. The only way to eliminate Nr accumulation and stop the cascade is to convert Nr back to nonreactive N2.

Atmospheric nitrogen (N) deposition is a recognized threat to plant diversity in temperate and northern parts of Europe and North America. This paper assesses evidence from field experiments for N deposition effects and thresholds for terrestrial plant diversity protection across a latitudinal range of main categories of ecosystems, from arctic and boreal systems to tropical forests. Current thinking on the mechanisms of N deposition effects on plant diversity, the global distribution of G200 ecoregions, and current and future (2030) estimates of atmospheric N-deposition rates are then used to identify the risks to plant diversity in all major ecosystem types now and in the future. This synthesis paper clearly shows that N accumulation is the main driver of changes to species composition across the whole range of different ecosystem types by driving the competitive interactions that lead to composition change and/or making conditions unfavorable for some species. Other effects such as direct toxicity of nitrogen gases and aerosols, long-term negative effects of increased ammonium and ammonia availability, soil-mediated effects of acidification, and secondary stress and disturbance are more ecosystem- and site-specific and often play a supporting role. N deposition effects in mediterranean ecosystems have now been identified, leading to a first estimate of an effect threshold. Importantly, ecosystems thought of as not N limited, such as tropical and subtropical systems, may be more vulnerable in the regeneration phase, in situations where heterogeneity in N availability is reduced by atmospheric N deposition, on sandy soils, or in montane areas. Critical loads are effect thresholds for N deposition, and the critical load concept has helped European governments make progress toward reducing N loads on sensitive ecosystems. More needs to be done in Europe and North America, especially for the more sensitive ecosystem types, including several ecosystems of high conservation importance. The results of this assessment show that the vulnerable regions outside Europe and North America which have not received enough attention are ecoregions in eastern and southern Asia (China, India), an important part of the mediterranean ecoregion (California, southern Europe), and in the coming decades several subtropical and tropical parts of Latin America and Africa. Reductions in plant diversity by increased atmospheric N deposition may be more widespread than first thought, and more targeted studies are required in low background areas, especially in the G200 ecoregions.

Curbing nitrogen emissions is a central environmental challenge for the twenty-first century, argue Mark Sutton and his colleagues.

The demand for more food is increasing fertilizer and land use, and the demand for more energy is increasing fossil fuel combustion, leading to enhanced losses of reactive nitrogen (N r ) to the environment. Many thresholds for human and ecosystem health have been exceeded owing to N r pollution, including those for drinking water (nitrates), air quality (smog, particulate matter, ground-level ozone), freshwater eutrophication, biodiversity loss, stratospheric ozone depletion, climate change and coastal ecosystems (dead zones). Each of these environmental effects can be magnified by the ‘nitrogen cascade’: a single atom of N r can trigger a cascade of negative environmental impacts in sequence. Here, we provide an overview of the impact of N r on the environment and human health, including an assessment of the magnitude of different environmental problems, and the relative importance of N r as a contributor to each problem. In some cases, N r loss to the environment is the key driver of effects (e.g. terrestrial and coastal eutrophication, nitrous oxide emissions), whereas in some other situations nitrogen represents a key contributor exacerbating a wider problem (e.g. freshwater pollution, biodiversity loss). In this way, the central role of nitrogen can remain hidden, even though it actually underpins many trans-boundary pollution problems.

Ecosystems and the atmosphere: This review describes the state of understanding the processes involved in the exchange of trace gases and aerosols between the earth's surface and the atmosphere. The gases covered include NO, NO2, HONO, HNO3, NH3, SO2, DMS, Biogenic VOC, O3, CH4, N2O and particles in the size range 1 nm–10 μm including organic and inorganic chemical species. The main focus of the review is on the exchange between terrestrial ecosystems, both managed and natural and the atmosphere, although some new developments in ocean–atmosphere exchange are included. The material presented is biased towards the last decade, but includes earlier work, where more recent developments are limited or absent. New methodologies and instrumentation have enabled, if not driven technical advances in measurement. These developments have advanced the process understanding and upscaling of fluxes, especially for particles, VOC and NH3. Examples of these applications include mass spectrometric methods, such as Aerosol Mass Spectrometry (AMS) adapted for field measurement of atmosphere–surface fluxes using micrometeorological methods for chemically resolved aerosols. Also briefly described are some advances in theory and techniques in micrometeorology. For some of the compounds there have been paradigm shifts in approach and application of both techniques and assessment. These include flux measurements over marine surfaces and urban areas using micrometeorological methods and the up-scaling of flux measurements using aircraft and satellite remote sensing. The application of a flux-based approach in assessment of O3 effects on vegetation at regional scales is an important policy linked development secured through improved quantification of fluxes. The coupling of monitoring, modelling and intensive flux measurement at a continental scale within the NitroEurope network represents a quantum development in the application of research teams to address the underpinning science of reactive nitrogen in the cycling between ecosystems and the atmosphere in Europe. Some important developments of the science have been applied to assist in addressing policy questions, which have been the main driver of the research agenda, while other developments in understanding have not been applied to their wider field especially in chemistry-transport models through deficiencies in obtaining appropriate data to enable application or inertia within the modelling community. The paper identifies applications, gaps and research questions that have remained intractable at least since 2000 within the specialized sections of the paper, and where possible these have been focussed on research questions for the coming decade.

The human use of reactive nitrogen (Nr) in the environment has profound beneficial and detrimental impacts on all people. Its beneficial impacts result from food production and industrial application. The detrimental impacts occur because most of the Nr used in food production and the entire amount of Nr formed during fossil fuel combustion are lost to the environment where it causes a cascade of environmental changes that negatively impact both people and ecosystems. We developed a tool called N-Calculator, a nitrogen footprint model that provides information on how individual and collective action can result in the loss of Nr to the environment. The N-Calculator focuses on food and energy consumption, using average per capita data for a country. When an individual uses the N-Calculator, the country average is scaled based on the individual's answers to questions about resource consumption. N footprints were calculated for the United States and the Netherlands, which were found to be 41 kg N/capita/yr and 24 kg N/capita/yr, respectively. For both countries, the food portion of the footprint is the largest, and the food production N footprints are greater than the food consumption N footprints. The overarching message from the N-Calculator is that our lifestyle choices, and especially our food consumption, have major impacts on the Nr losses to the environment. Communicating this message to all of the stakeholders (the public, policymakers, and governments) through tools like the N-Calculator will help reduce Nr losses to the environment.

In order to contribute to a better understanding of the impact of air pollution and other environmental factors on forest ecosystems, a Pan-European Programme for Intensive and Continuous Monitoring of Forest Ecosystems has been implemented in 1994. Results of the Programme must contribute to a European wide overview of impacts of air pollution and the further development of its control strategies, being described in air pollution protocols. Objectives of the Intensive Monitoring Programme related to air pollution are the assessment of: (i) responses of forest ecosystems to changes in air pollution; (ii) differences between present loads and critical loads (long-term sustainable inputs) of atmospheric deposition; and (iii) impacts of future scenarios of atmospheric deposition on the ecosystem condition. Furthermore, the Intensive Monitoring Programme contributes to the assessment of ‘criteria and indicators for sustainable forest management’, such as the maintenance of forests as a net carbon sink to reduce the build up of atmospheric greenhouse gasses and the maintenance of species diversity of ground vegetation. The Intensive Monitoring Programme, which is carried out on approximately 860 selected plots, comprises monitoring of crown condition, forest growth and the chemical status of soil and foliage at all plots and monitoring of deposition, meteorology, soil solution and ground vegetation in a subset of the plots. In order to meet the major objectives of the Intensive Monitoring Programme, studies have been or are presently carried out with respect to the assessment of: (i) correlations between site and stress factors and the “forest ecosystem condition”; (ii) trends in stress factors and/or ecosystem conditions; (iii) critical loads, by evaluating the fate of atmospheric pollutants in the ecosystem with input–output budgets; and (iv) large-scale and long-term impacts of climate and deposition on forests and vice versa. Examples of those studies are given and the potential of the Programme to fulfil the objectives is evaluated.

The parametrization of surface exchange of acidifying pollutants and ozone described is based on the resistance analogy, outlining the aerodynamics resistance Ra, the quasi-laminar layer resistance Rb and the surface resistance Rc. These parametrizations are derived for use in regional- and local-scale deposition models. The Rc parametrizations for different gases are based on conclusions from the workshop on deposition held in November 1992 in Göteborg and from recent dry deposition measurements.