屈 璞，張 普，謝遠(yuǎn)揚(yáng)，侯瑤瑤，白紅英

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

大氣氮素沉降是氮素生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要過(guò)程之一［1］。我國(guó)是世界上第三大氮沉降地區(qū)，大氣氮的不斷增加使得對(duì)中國(guó)大氣氮沉降狀況在區(qū)域乃至全球尺度的研究變得尤為重要［2］。因此，大氣氮沉降的來(lái)源分布以及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)越來(lái)越受到相關(guān)研究領(lǐng)域的重視，而針對(duì)大氣氮沉降的多學(xué)科和交叉學(xué)科研究也正逐步發(fā)展［3］。

石生苔蘚是一類非常特殊的附生植物，由于其生長(zhǎng)基質(zhì)幾乎不能提供水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，該類植物具有基本一致的巖面生活環(huán)境和專一的氮素來(lái)源(大氣氮沉降)［4］。苔蘚植物因其特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)［5－6］。目前用苔蘚植物內(nèi)含氮素的變化來(lái)反映大氣氮污染的程度和大氣氮輸入的變化［7］，并且有少數(shù)研究在具有詳細(xì)大氣氮沉降數(shù)據(jù)的地區(qū)建立了苔蘚氮含量和大氣氮沉降之間的定量關(guān)系［8－10］，為缺少大氣氮沉降監(jiān)測(cè)，但能夠采集到苔蘚的地區(qū)提供了重要的參考。苔蘚ω(TN)和氮同位素值(δ15N)能夠很好地反映大氣中氮的沉降量和來(lái)源［11，12］，這一點(diǎn)在我國(guó)南方地區(qū)已經(jīng)得到了證實(shí)［11］，受到不同氮源的影響，苔蘚δ15N也各不相同［13］。

開(kāi)展對(duì)太白山大氣氮沉降研究:(1)探討太白山地區(qū)苔蘚ω(TN)與海拔高度的關(guān)系;(2)利用苔蘚δ15N判斷太白山地區(qū)大氣氮沉降的主要來(lái)源;(3)比較太白山南北坡大氣氮沉降的差異。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)域狀況

太白山，位于陜西省太白縣、眉縣和周至縣三縣交界處的秦嶺山脈中段。海拔最低點(diǎn)(營(yíng)頭鎮(zhèn))海拔720 m，最高點(diǎn)(拔仙臺(tái))海拔3 767 m，相對(duì)高差超過(guò)3 000 m。隨地勢(shì)升高，山體氣候從暖溫帶依次過(guò)渡至亞寒帶。

1.2 樣品采集

2013年沿太白山南坡(厚畛子)和北坡(太白山國(guó)家森林公園)進(jìn)行采樣。為減少人類活動(dòng)的干擾，沿海拔梯度于遠(yuǎn)離人類居住區(qū)的區(qū)域進(jìn)行采樣。南坡從海拔1 600 m到3 217 m，共采集樣品 35個(gè)，北坡從海拔1 170 m到海拔3 260 m，共采集樣品32個(gè)。將苔蘚樣品封裝于樣品袋中小心保存，防止損壞。

1.3 樣品處理及各指標(biāo)測(cè)定

將植物樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后剪取靠近嫩芽端1～2cm長(zhǎng)的綠色苔蘚，把苔蘚樣品用蒸餾水在超聲波容器中清洗，用去離子水反復(fù)沖洗以徹底去除表面吸附的塵土和顆粒物后用40℃的烘箱烘干，待完全干燥后取出，研磨過(guò)0.15 mm孔徑篩待測(cè)。

將磨好的苔蘚樣品用錫囊包裹，用EA3000元素分析儀測(cè)定樣品碳氮含量，分析誤差＜±0.3%。樣品碳氮含量測(cè)定于西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成。苔蘚氮同位素分析(δ15N)采用元素分析儀 －同位素比值質(zhì)譜聯(lián)用(EAConFloⅢ－Delta plus，Thermo Finnigan公司)測(cè)定，以高純氮?dú)庾鳛閰⒖紭?biāo)準(zhǔn)測(cè)定氮同位素比值。樣品測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，其中氮同位素組成的計(jì)算公式為δ15N以大氣氮為標(biāo)準(zhǔn)，其比值定義為:

式子中，R為15N/14N，氮的標(biāo)準(zhǔn)為大氣氮，測(cè)定誤差為±0.3‰。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用EXCEL，通過(guò)建立線性回歸分析氮同位素值與海拔的相關(guān)關(guān)系，以及總氮含量與海拔的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果和分析

2.1 太白山苔蘚ω(TN)隨海拔分布特征

南坡苔蘚ω(TN)的最小值(3.23%)出現(xiàn)在海拔高度為2 106 m處，最大值(5.65%)出現(xiàn)在海拔高度為2 445 m處，擬合直線為 ω(TN)=5.23－3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.05)。隨著海拔高度(Laltitude)的增加，苔蘚ω(TN)未呈現(xiàn)明顯的變化(見(jiàn)圖1)。

圖1 南坡苔蘚中ω(TN)與海拔高度的關(guān)系

圖2 北坡苔蘚中ω(TN)與海拔高度的關(guān)系

2.2 太白山苔蘚δ15N隨海拔分布特征

根據(jù)圖3南坡苔蘚 δ15N的變化范圍為(－0.80‰ ～－5.06‰)，苔蘚 δ15N 的最大值(－0.80‰)出現(xiàn)在海拔高度為2106 m處，最小值(－5.06‰)出現(xiàn)在海拔高度為2 887 m處，平均值為－3.49‰。各海撥高度的都偏負(fù)。南坡苔蘚δ15N主要集中在 －2.00‰ ～ －5.00‰之間(見(jiàn)圖4)。－5.93‰)，苔蘚 δ15N 的最大值(－1.71‰)出現(xiàn)在海拔高度為2 756 m處，最小值(－5.93‰)出現(xiàn)在海拔高度為2 478 m處，平均值為－3.96‰。各海拔高度的都偏負(fù)。根據(jù)圖6北坡苔蘚δ15N主要集中在－3.00‰～－6.00‰之間。

圖3 南坡苔蘚δ15N隨海拔高度變化

圖4 南坡苔蘚δ15N在不同頻率中的出現(xiàn)情況

圖5 北坡苔蘚δ15N隨海拔高度變化

圖6 北坡苔蘚δ15N在不同頻率中的出現(xiàn)情況

3 討論

3.1 苔蘚ω(TN)隨海拔高度的變化規(guī)律討論

由圖1、圖2可以看出太白山地區(qū)隨著海拔高度的變化苔蘚ω(TN)并沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，其擬合直線分別為南坡ω(TN)=5.23 －3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.05)，北坡 ω(TN)=3.48 －3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.14)。可見(jiàn)在太白山地區(qū)坡苔蘚ω(TN)隨海拔高度變化規(guī)律不明顯。且南坡苔蘚ω(TN)最小值(3.23%)與最大值(5.65%)均出現(xiàn)在海拔高度中段為2 106 m與2 445 m處;北坡苔蘚ω(TN)的最小值(2.00%)出現(xiàn)在海拔高度為3 185 m處，最大值(3.94%)出現(xiàn)在海拔高度為2 682 m處，均未出現(xiàn)在海拔最高點(diǎn)與海拔最低點(diǎn)。也可以看出在太白山地區(qū)苔蘚ω(TN)與海拔高度關(guān)系不大。根據(jù) W.K.Hicks等［14］在蘇格蘭北部的研究發(fā)現(xiàn)，在地區(qū)(具體指明該研究區(qū)的名字苔蘚ω(TN)隨海拔高度變化規(guī)律不明顯。但根據(jù)肖華云等［13］研究:在中國(guó)廬山地區(qū)，隨著海拔高度的不斷增加，苔蘚ω(TN)呈逐步降低的趨勢(shì)，且苔蘚ω(TN)與海拔高度(Laltitude)具有良好的線性關(guān)系，即 ω(TN)=3.11 －7.85 ×10－4Laltitude(R= －0.72，P ＜0.000 1)。我們對(duì)于太白山南北坡的研究結(jié)果表明苔蘚ω(TN)隨海拔高度變化規(guī)律不明顯。該結(jié)果與 W.K.Hicks等［14］在蘇格蘭北部的研究結(jié)果一致，不同于肖華云等［13］對(duì)于廬山的研究結(jié)果，對(duì)于該現(xiàn)象的解釋目前還不明確，有待后續(xù)更多關(guān)于苔蘚ω(TN)隨海拔高度研究結(jié)果的積累。

3.2 用苔蘚ω(TN)來(lái)估算太白山地區(qū)大氣氮沉降量

根據(jù)前人研究，苔蘚ω(TN)可以定量的反應(yīng)大氣氮的沉降量［10，14］。劉學(xué)炎等［4］對(duì)前人研究的數(shù)據(jù)整理得出，苔蘚 ω(TN)與大氣氮沉降量(Ndeposition)的定量關(guān)系為ω(TN)=0.052Ndeposition+0.730 5(R2=0.702 6，P ＜0.001)。劉學(xué)炎等人根據(jù)此關(guān)系估算出貴陽(yáng)市氮沉降量平均值［(29.21±6.17)kg/(hm2·a)與貴陽(yáng)市大氣氮沉降量平均值［(31kg/(hm2·a))十分相近［15］。羅笠等人根據(jù)此公式估算出廬山風(fēng)景區(qū)海拔高度1 100 m處大氣氮沉降量［29.15 kg/(hm2·a)］與董小衛(wèi)等［16］在廬山植物園(海拔約1 100 m)用樹(shù)葉下雨水中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度(0.612和0.267mg/L)估算出的廬山植物園大氣氮濕沉降量［30.44kg/(hm2·a)］也十分相似。

根據(jù)該公式計(jì)算得出，在太白山地區(qū)南坡大氣氮沉降量最大值為 94.52 kg/(hm2·a)，最小值為 48.07 kg/(hm2·a)，平均值為70.57 kg/(hm2·a)，北坡大氣氮沉降量最大值為 61.66 kg/(hm2·a)，最小值為 21.72 kg/(hm2·a)，平均值為39.03 kg/(hm2·a)。根據(jù)魏樣等［17］在位于太白山北側(cè)的楊凌國(guó)家黃土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地使用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)測(cè)得的大氣氮沉降為40.37 kg/(hm2·a)，這與研究估算的太白山北坡平均值39.03 kg/(hm2·a)十分相似。

3.3 太白山苔蘚δ15N及N源分析

不同氮源的δ15N都對(duì)應(yīng)著不同的數(shù)值區(qū)間，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮相比，多數(shù)銨態(tài)氮的 δ15N偏負(fù)，而硝態(tài)氮的 δ15N偏正些［18］。因此δ15N的正負(fù)情況可以在一定程度上反應(yīng)出銨態(tài)氮和硝態(tài)氮所占的比例。從而苔蘚中的δ15N可以反應(yīng)其所在地區(qū)的主要氮源。Heaton［19］等和 Freyer［18］等指出，以 NOx排放為主的地區(qū)，苔蘚中 δ15N值變化范圍為 －5‰ ～13‰。NOx主要來(lái)源于交通尾氣和工業(yè)燃燒釋放的氣體，其對(duì)應(yīng)的δ15N 值分別為 δ15NOx= － 1.8‰ ～ 3.9‰;δ15NOx=6‰ ～13‰。而以NHx為主的地區(qū)，δ15NHx值的變化區(qū)間為－15‰～10‰。依據(jù)NHx來(lái)源的不同其所具有的δ15NHx值也存在差異。Pearson J等人所研究的英國(guó)倫敦地區(qū)市區(qū)石生苔蘚δ15N 值為 3.66‰(2.07‰ ～7.30‰)，氮源以市區(qū)交通排放的NOx為主，而農(nóng)村地區(qū)和養(yǎng)殖場(chǎng)附近石生苔蘚δ15N值為－12‰～－2‰，為農(nóng)業(yè)釋放和養(yǎng)殖場(chǎng)動(dòng)物排泄物NH3的貢獻(xiàn)［20］。意大利Ferrara的泛生墻苔蘚的測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)以交通和工業(yè)源的氮(NOx)排放為主的城市地區(qū)苔蘚δ15N值為－3‰～－2‰，而以農(nóng)業(yè)氨釋放為主的農(nóng)村地區(qū)苔蘚δ15N值為－7‰ ～ －2‰［21］。在廬山地區(qū)根據(jù)羅笠等［13］人研究，苔蘚δ15N主要集中在－4‰～－2‰，表明廬山地區(qū)苔蘚中的氮源主要來(lái)自農(nóng)業(yè)或土壤氮的自然釋放。

太白山地區(qū)苔蘚 δ15N為 －5.9‰ ～ －0.8‰，南坡苔蘚δ15N主要集中在－5‰～－1‰;北坡苔蘚δ15N主要集中在－6‰～－2‰。表明太白山地區(qū)苔蘚中的氮源主要來(lái)自農(nóng)業(yè)或土壤氮的自然釋放。

4 結(jié)語(yǔ)

1)苔蘚ω(TN)與海拔高度的擬合直線分別為南坡ω(TN)=5.23 －3.00 ×10－4Laltitude(R2=0.05)，北坡 ω(TN)=3.48－3.00×10－4Laltitude(R2=0.14)。表明在太白山地區(qū)南北坡苔蘚ω(TN)隨海拔高度變化規(guī)律不明顯。

2)太白山地區(qū)大氣氮沉降量南坡［48.07kg/(hm2·a)～94.52kg/(hm2·a)，平均值為 70.57kg/(hm2·a)］，北坡［21.72kg/(hm2·a)～61.66kg/(hm2·a)，平均值為 39.03 kg/(hm2·a)］。

3)太白山地區(qū)，南坡苔蘚 δ15N主要集中在 －5‰ ～ －1‰，北坡苔蘚δ15N主要集中在－6‰～－2‰。由此可見(jiàn)，太白山地區(qū)苔蘚中的氮源主要來(lái)自農(nóng)業(yè)或土壤氮的自然釋放。

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