基于苔藓氮含量和氮同位素的太白山大气氮沉降研究

屈 璞，张 普，谢远扬，侯瑶瑶，白红英

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安710127)

大气氮素沉降是氮素生物地球化学循环中的重要过程之一［1］。我国是世界上第三大氮沉降地区，大气氮的不断增加使得对中国大气氮沉降状况在区域乃至全球尺度的研究变得尤为重要［2］。因此，大气氮沉降的来源分布以及生态环境效应越来越受到相关研究领域的重视，而针对大气氮沉降的多学科和交叉学科研究也正逐步发展［3］。

石生苔藓是一类非常特殊的附生植物，由于其生长基质几乎不能提供水分和营养物质，该类植物具有基本一致的岩面生活环境和专一的氮素来源(大气氮沉降)［4］。苔藓植物因其特殊的形态结构和生物学特性，被广泛应用于大气污染监测与评价［5－6］。目前用苔藓植物内含氮素的变化来反映大气氮污染的程度和大气氮输入的变化［7］，并且有少数研究在具有详细大气氮沉降数据的地区建立了苔藓氮含量和大气氮沉降之间的定量关系［8－10］，为缺少大气氮沉降监测，但能够采集到苔藓的地区提供了重要的参考。苔藓ω(TN)和氮同位素值(δ15N)能够很好地反映大气中氮的沉降量和来源［11，12］，这一点在我国南方地区已经得到了证实［11］，受到不同氮源的影响，苔藓δ15N也各不相同［13］。

开展对太白山大气氮沉降研究:(1)探讨太白山地区苔藓ω(TN)与海拔高度的关系;(2)利用苔藓δ15N判断太白山地区大气氮沉降的主要来源;(3)比较太白山南北坡大气氮沉降的差异。

1 材料方法

1.1 研究区域状况

太白山，位于陕西省太白县、眉县和周至县三县交界处的秦岭山脉中段。海拔最低点(营头镇)海拔720 m，最高点(拔仙台)海拔3 767 m，相对高差超过3 000 m。随地势升高，山体气候从暖温带依次过渡至亚寒带。

1.2 样品采集

2013年沿太白山南坡(厚畛子)和北坡(太白山国家森林公园)进行采样。为减少人类活动的干扰，沿海拔梯度于远离人类居住区的区域进行采样。南坡从海拔1 600 m到3 217 m，共采集样品 35个，北坡从海拔1 170 m到海拔3 260 m，共采集样品32个。将苔藓样品封装于样品袋中小心保存，防止损坏。

1.3 样品处理及各指标测定

将植物样品在实验室自然风干后剪取靠近嫩芽端1～2cm长的绿色苔藓，把苔藓样品用蒸馏水在超声波容器中清洗，用去离子水反复冲洗以彻底去除表面吸附的尘土和颗粒物后用40℃的烘箱烘干，待完全干燥后取出，研磨过0.15 mm孔径筛待测。

将磨好的苔藓样品用锡囊包裹，用EA3000元素分析仪测定样品碳氮含量，分析误差＜±0.3%。样品碳氮含量测定于西北大学生命科学学院实验室完成。苔藓氮同位素分析(δ15N)采用元素分析仪 －同位素比值质谱联用(EAConFloⅢ－Delta plus，Thermo Finnigan公司)测定，以高纯氮气作为参考标准测定氮同位素比值。样品测试在中国科学院地球环境研究所同位素实验室进行，其中氮同位素组成的计算公式为δ15N以大气氮为标准，其比值定义为:

式子中，R为15N/14N，氮的标准为大气氮，测定误差为±0.3‰。

1.4 统计分析

使用EXCEL，通过建立线性回归分析氮同位素值与海拔的相关关系，以及总氮含量与海拔的相关关系。

2 结果和分析

2.1 太白山苔藓ω(TN)随海拔分布特征

南坡苔藓ω(TN)的最小值(3.23%)出现在海拔高度为2 106 m处，最大值(5.65%)出现在海拔高度为2 445 m处，拟合直线为 ω(TN)=5.23－3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.05)。随着海拔高度(Laltitude)的增加，苔藓ω(TN)未呈现明显的变化(见图1)。

图1 南坡苔藓中ω(TN)与海拔高度的关系

图2 北坡苔藓中ω(TN)与海拔高度的关系

2.2 太白山苔藓δ15N随海拔分布特征

根据图3南坡苔藓 δ15N的变化范围为(－0.80‰ ～－5.06‰)，苔藓 δ15N 的最大值(－0.80‰)出现在海拔高度为2106 m处，最小值(－5.06‰)出现在海拔高度为2 887 m处，平均值为－3.49‰。各海拨高度的都偏负。南坡苔藓δ15N主要集中在 －2.00‰ ～ －5.00‰之间(见图4)。－5.93‰)，苔藓 δ15N 的最大值(－1.71‰)出现在海拔高度为2 756 m处，最小值(－5.93‰)出现在海拔高度为2 478 m处，平均值为－3.96‰。各海拔高度的都偏负。根据图6北坡苔藓δ15N主要集中在－3.00‰～－6.00‰之间。

图3 南坡苔藓δ15N随海拔高度变化

图4 南坡苔藓δ15N在不同频率中的出现情况

图5 北坡苔藓δ15N随海拔高度变化

图6 北坡苔藓δ15N在不同频率中的出现情况

3 讨论

3.1 苔藓ω(TN)随海拔高度的变化规律讨论

由图1、图2可以看出太白山地区随着海拔高度的变化苔藓ω(TN)并没有明显的变化趋势，其拟合直线分别为南坡ω(TN)=5.23 －3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.05)，北坡 ω(TN)=3.48 －3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.14)。可见在太白山地区坡苔藓ω(TN)随海拔高度变化规律不明显。且南坡苔藓ω(TN)最小值(3.23%)与最大值(5.65%)均出现在海拔高度中段为2 106 m与2 445 m处;北坡苔藓ω(TN)的最小值(2.00%)出现在海拔高度为3 185 m处，最大值(3.94%)出现在海拔高度为2 682 m处，均未出现在海拔最高点与海拔最低点。也可以看出在太白山地区苔藓ω(TN)与海拔高度关系不大。根据 W.K.Hicks等［14］在苏格兰北部的研究发现，在地区(具体指明该研究区的名字苔藓ω(TN)随海拔高度变化规律不明显。但根据肖华云等［13］研究:在中国庐山地区，随着海拔高度的不断增加，苔藓ω(TN)呈逐步降低的趋势，且苔藓ω(TN)与海拔高度(Laltitude)具有良好的线性关系，即 ω(TN)=3.11 －7.85 ×10－4Laltitude(R= －0.72，P ＜0.000 1)。我们对于太白山南北坡的研究结果表明苔藓ω(TN)随海拔高度变化规律不明显。该结果与 W.K.Hicks等［14］在苏格兰北部的研究结果一致，不同于肖华云等［13］对于庐山的研究结果，对于该现象的解释目前还不明确，有待后续更多关于苔藓ω(TN)随海拔高度研究结果的积累。

3.2 用苔藓ω(TN)来估算太白山地区大气氮沉降量

根据前人研究，苔藓ω(TN)可以定量的反应大气氮的沉降量［10，14］。刘学炎等［4］对前人研究的数据整理得出，苔藓 ω(TN)与大气氮沉降量(Ndeposition)的定量关系为ω(TN)=0.052Ndeposition+0.730 5(R2=0.702 6，P ＜0.001)。刘学炎等人根据此关系估算出贵阳市氮沉降量平均值［(29.21±6.17)kg/(hm2·a)与贵阳市大气氮沉降量平均值［(31kg/(hm2·a))十分相近［15］。罗笠等人根据此公式估算出庐山风景区海拔高度1 100 m处大气氮沉降量［29.15 kg/(hm2·a)］与董小卫等［16］在庐山植物园(海拔约1 100 m)用树叶下雨水中铵态氮和硝态氮的质量浓度(0.612和0.267mg/L)估算出的庐山植物园大气氮湿沉降量［30.44kg/(hm2·a)］也十分相似。

根据该公式计算得出，在太白山地区南坡大气氮沉降量最大值为 94.52 kg/(hm2·a)，最小值为 48.07 kg/(hm2·a)，平均值为70.57 kg/(hm2·a)，北坡大气氮沉降量最大值为 61.66 kg/(hm2·a)，最小值为 21.72 kg/(hm2·a)，平均值为39.03 kg/(hm2·a)。根据魏样等［17］在位于太白山北侧的杨凌国家黄土肥力与肥料效益监测基地使用长期定位试验测得的大气氮沉降为40.37 kg/(hm2·a)，这与研究估算的太白山北坡平均值39.03 kg/(hm2·a)十分相似。

3.3 太白山苔藓δ15N及N源分析

不同氮源的δ15N都对应着不同的数值区间，铵态氮与硝态氮相比，多数铵态氮的 δ15N偏负，而硝态氮的 δ15N偏正些［18］。因此δ15N的正负情况可以在一定程度上反应出铵态氮和硝态氮所占的比例。从而苔藓中的δ15N可以反应其所在地区的主要氮源。Heaton［19］等和 Freyer［18］等指出，以 NOx排放为主的地区，苔藓中 δ15N值变化范围为 －5‰ ～13‰。NOx主要来源于交通尾气和工业燃烧释放的气体，其对应的δ15N 值分别为 δ15NOx= － 1.8‰ ～ 3.9‰;δ15NOx=6‰ ～13‰。而以NHx为主的地区，δ15NHx值的变化区间为－15‰～10‰。依据NHx来源的不同其所具有的δ15NHx值也存在差异。Pearson J等人所研究的英国伦敦地区市区石生苔藓δ15N 值为 3.66‰(2.07‰ ～7.30‰)，氮源以市区交通排放的NOx为主，而农村地区和养殖场附近石生苔藓δ15N值为－12‰～－2‰，为农业释放和养殖场动物排泄物NH3的贡献［20］。意大利Ferrara的泛生墙苔藓的测定结果发现以交通和工业源的氮(NOx)排放为主的城市地区苔藓δ15N值为－3‰～－2‰，而以农业氨释放为主的农村地区苔藓δ15N值为－7‰ ～ －2‰［21］。在庐山地区根据罗笠等［13］人研究，苔藓δ15N主要集中在－4‰～－2‰，表明庐山地区苔藓中的氮源主要来自农业或土壤氮的自然释放。

太白山地区苔藓 δ15N为 －5.9‰ ～ －0.8‰，南坡苔藓δ15N主要集中在－5‰～－1‰;北坡苔藓δ15N主要集中在－6‰～－2‰。表明太白山地区苔藓中的氮源主要来自农业或土壤氮的自然释放。

4 结语

1)苔藓ω(TN)与海拔高度的拟合直线分别为南坡ω(TN)=5.23 －3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.05)，北坡 ω(TN)=3.48－3.00×10－4Laltitude(R2=0.14)。表明在太白山地区南北坡苔藓ω(TN)随海拔高度变化规律不明显。

2)太白山地区大气氮沉降量南坡［48.07kg/(hm2·a)～94.52kg/(hm2·a)，平均值为 70.57kg/(hm2·a)］，北坡［21.72kg/(hm2·a)～61.66kg/(hm2·a)，平均值为 39.03 kg/(hm2·a)］。

3)太白山地区，南坡苔藓 δ15N主要集中在 －5‰ ～ －1‰，北坡苔藓δ15N主要集中在－6‰～－2‰。由此可见，太白山地区苔藓中的氮源主要来自农业或土壤氮的自然释放。

［1］谢志英，肖化云，罗笠，等.基于苔藓氮含量及δ15N分析探讨农村大气氮沉降状况［J］.中国环境科学.2011，31(7):1128 －1133.

［2］Larssen T，Seip H M，Semb A，et al.Acid deposition and its effects in China:an overview ［J］.Environmental Science and Policy，1999，2(1):9 －24.

［3］刘学炎，肖化云，刘从强，等.石生苔藓氮含量和氮同位素只是贵阳地区大气氮沉降的空间变化和来源［J］.环境科学.2008.29(7):1785－1790.

［4］刘学炎，肖化云，刘丛强，等.基于石生藓类氮含量的贵阳地区大气氮沉降［J］.生态学报.2009.29(12):6646－6653.

［5］Zechmeister H G，Dirnbck T，Hülber K，et al.Assessing airborne pollution effects on bryophytes e lessons learned through long－term integrated monitoring in Austria［J］.Environmental Pollution，2007，147:696－705.

［6］Schr der W，Holy M，Pesch R，et al.First Europe－wide correlation analysis identifying factors best explaining the total nitrogen concentration in mosses［J］.Atmospheric Environment，2010，44:3485 － 3491.

［7］PressM C，Wood in S J Lee J A.The potential importance of an increased atmosphericn nitrogen supply to the growth of anbrotrophic Sphagnum species New Phytologist 1986，103(1):45 －55.

［8］Pitcaim C E R，Fowler D，Grace J.Deposition of fixed atmospheric nitrogen and foliar nitrogen content of bryophytes and Callunavulgaris.Hull Environmental Pollution.1995，88(2):193 － 205.

［9］Pitcaim C E R，Fowler D，Leith I D，Sheppard L J，Sutton M A，Kennedy V，Okello E.B.Bioindicators of enhanced nitrogen deposition Ecironmental Pollution，2003，126(3):353 －361.

［10］Solga A，Burkhardt J，ZrchmeisterH G，Frahm J P.Nitrogen content δ15N natural abundance and biomass of the two pleurocarpous mosses Pleuroziumschreberi(Brid.)Mitt and Scleropodiumpurum(Hedw.)Limpr in relation to atmospheric nitrogen deposition.Environmental Pollution.2005.134(3):465 －476.

［11］LIU Xueyan，XIAO Huayuan，LIU Congqiang，et al.Tissue N content and δ15N natural abundance in epilithic mosses for indicating atmospheric N deposition in the Guiyang area，SW China［J］.Applied Gemchemistry ，2008，23:2708 －2715.

［12］GERDOL R，BRAGAZZA L.Effects of altitude on element accumulation in alpine moss［J］.Chemosphere，2006，64(5):810 － 816.

［13］罗笠，肖化云.用苔藓氮含量和氮同位素值值指示庐山大气氮沉降［J］.环境科学研究.2011，24(5):512 －515.

［14］HICKS W K ，LEITH I D，WOODIN S J，et al.Can the foliar nitrogen concentration of upland vegetation be used for predicting atmospheric nitrogen deposition?Evidence from field surveys［J］.Environ Pollut，2000，107(3):367 － 376.

［15］LIU Xueyan，XIAOHuayun，LIUcongqiang，et al.Stable carbon and nitrogen iso topes of the moss Haplocladiummicrophyllum in an urban and a background area(SW China):the role of environmental conditions and atmospheric nitrogen deposition［J］.Atmos Environ，2008，42(21):5413 －5423.

［16］董小卫，刘德辉，潘根兴，等.酸沉降影响下春季庐山森林生态系统水溶态氮的分布及其动态［J］.南京农业大学学报.1999，22(4):45－48.

［17］魏样，同延安.陕西省不同生态区大气氮沉降及酸雨监测.西北农林科技大学硕士学位论文.2012.

［18］FREYER H D.Seasonal trends of NH4+and NO3－nitrogen isotope composition in rain collected at Julich，Germany［J］.Tellus，1978，30:83－92.

［19］Heaton T H E.Isotopic studies of nitrogen pollution in the hydrosphere and atmosphere:a review ［J］.Chemical Geology，1986，59:87－102.

［20］Pearson J，Wells D M，Seller K J，etal.Traffic exposure increases natural 15N and heavy metal concentrations in mosses［J］.New Phytologist，2000，147:317 － 326.

［21］Gerdol R，Bragazza L，Marchesini R，Medici A，Pedrini P，Benedetti S，Bovolenta A，Coppi S，Use of moss(TortulamuralisHedw.)for monitoring organic and inorganic air pollution in urban and rural sites in Northern Italy［J］.Atmo.Envir.，2002，36:4069 － 4075.