植物體氮同位素指示大氣氮沉降

申彬你

摘要：過量活性氮可能破壞氮動態(tài)和對環(huán)境及人類健康造成負(fù)面影響，儀器監(jiān)測法對條件要求較高、需要大量人力勞動，而植物監(jiān)測大氣氮沉降實驗簡單、費(fèi)用少，且能進(jìn)行大范圍監(jiān)測并不受時空限制，開展植物監(jiān)測氮沉降研究勢在必行。本文簡要總結(jié)了國內(nèi)部分植物指示大氣氮沉降研究，并探討了該領(lǐng)域今后需努力的方向。

中國作為全球氮沉降三大熱點(diǎn)地區(qū)之一，開展氮沉降及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究勢在必行，中國約15%土地經(jīng)歷了超臨界負(fù)荷，證實了控制氮排放的必要性[1]。以往大氣氮沉降研究主要涉及不同區(qū)域大氣沉降中氮物種化學(xué)組成、形成機(jī)制和過程、在大氣中滯留時間、化學(xué)轉(zhuǎn)化、沉降通量和源解析等方面。

隨著氮沉降對地表不同生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面效應(yīng)的出現(xiàn)，人們開始關(guān)注并進(jìn)行了一些植物指示氮沉降的研究，有學(xué)者證明了利用植物監(jiān)測大氣氮沉降的可靠性[2-8]，且在氮同位素示蹤植被對大氣環(huán)境變化響應(yīng)與反饋應(yīng)用方面已初見成效。我國植被類型多樣，具有氮沉降植物監(jiān)測研究的良好平臺，本文對國內(nèi)部分植物指示大氣氮沉降研究進(jìn)行初步總結(jié)，以期為利用植物監(jiān)測指示大氣氮污染，深入開展植物指示大氣氮沉降研究提供參考，為合理制定政策措施及保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 植物組織指示大氣氮沉降原理

1.1 大氣氮沉降的植物指示

因植物固著于環(huán)境中無法憑移動以逃避氮沉降影響，而葉片為直接接收氮沉降直接受體，故其具有指示氮沉降來源和影響功能。憑葉片形態(tài)、生理特征和元素含量變化指示氮沉降水平和評價其對植物個體或生態(tài)系統(tǒng)的影響是傳統(tǒng)的研究手段[3]。但葉片氮含量研究只能反映總氮沉降情況，不能解決氮沉降來源和大氣氮污染物類型等問題。近年氮同位素（δ15N）分離技術(shù)不斷完善使其逐漸成為示蹤氮去向和評價生態(tài)系統(tǒng)氮素狀態(tài)的新方法。穩(wěn)定同位素技術(shù)在全球變化研究中得到廣泛應(yīng)用，因植物和土壤δ15N組成記錄了氮循環(huán)影響因子的綜合作用，且具有測量簡單及不受取樣時間和空間限制的優(yōu)點(diǎn)，故δ15N自然豐度法被用于氮循環(huán)研究中[9]。

1.2 植物葉片對氮沉降的吸收

葉片對氮沉降主要吸收形式為可溶性無機(jī)氮。葉片雨水附著能力或可濕性對吸收濕沉降中離子形態(tài)氮很關(guān)鍵，附著葉表離子通過葉面角質(zhì)層孔道到達(dá)表皮細(xì)胞外側(cè)壁，經(jīng)過外壁胞質(zhì)連絲體到達(dá)表皮細(xì)胞的質(zhì)膜，再被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)部，最后到達(dá)葉脈韌皮部，隨后的吸收機(jī)理同根部離子吸收過程[3]。不同葉片對氮沉降吸收選擇性不同，苔蘚類植物因葉片的單層細(xì)胞結(jié)構(gòu)使其對大氣氮輸入具有累積效應(yīng)。葉片性質(zhì)與不同化學(xué)形態(tài)氮沉降源間存在相互選擇性，氮沉降易于被可濕性強(qiáng)和表面積大的葉片吸收，很多植物偏向于優(yōu)先吸收的氮源是銨態(tài)氮[3]。

2 研究現(xiàn)狀

受不同氮源影響，苔蘚δ15N也各不相同。羅笠等[6]得出在廬山，隨著海拔高度增加，廬山大氣中氮沉降量逐漸降低。吳亮紅等[7]利用維管束植物葉片內(nèi)部氮含量變化分析交通污染源對植物的影響，得出利用維管束植物組織監(jiān)測城市大氣氮污染的可行性。

徐宇等[2]得出維管束植物樟樹與馬尾松葉組織氮、硫含量變化特征能同時很好地指示貴陽區(qū)域大氣氮、硫沉降空間變化。劉學(xué)炎等[4]利用石生苔蘚氮含量和氮同位素指示貴陽地區(qū)大氣氮沉降空間變化和來源。王燕麗等[5]用法國梧桐葉片氮含量及氮同位素組成探討了維管束植物葉片響應(yīng)大氣濕沉降氮可能性。謝志英等[10-11]基于苔蘚氮含量及δ15N，估算了農(nóng)村地區(qū)大氣氮沉降水平，為此地區(qū)大氣氮沉降生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估提供信息和生物監(jiān)測資料，探討了江西省大氣氮沉降量和來源等，為大氣氮沉降生態(tài)環(huán)境效應(yīng)提供基礎(chǔ)資料。肖化云等[12]利用石生苔蘚組織氮含量和氮同位素研究了貴陽市大氣氮沉降來源、沉降與遷移，表明該地區(qū)苔蘚氮含量變化特征很好地指示了區(qū)內(nèi)大氣氮沉降空間變化。He等[13]采用定量氮沉降總量綜合定氮系統(tǒng)，利用δ15N稀釋原理和生物監(jiān)測技術(shù)，定量研究了華北平原大氣氮沉降農(nóng)田輸入總量及其在推薦施肥中的作用。

3 展望

目前對氮沉降監(jiān)測主要為儀器監(jiān)測法，此法雖數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確可靠，但費(fèi)用較高，且因大氣中氮化合物存在形式多樣，導(dǎo)致儀器監(jiān)測受限，僅能集中在有一定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和條件的地區(qū)使用。要通過直接采樣分析或利用儀器監(jiān)測方法獲得時空分辨率較高的大氣氮沉降數(shù)據(jù)很困難，成本較高，這也是致使很多地區(qū)缺乏詳細(xì)和準(zhǔn)確大氣氮沉降監(jiān)測資料的主要原因。

國內(nèi)將δ15N自然豐度法應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的研究較少，因同位素分析儀器和樣品分析價格相對較高，限制了同位素法更廣泛的應(yīng)用[9]。目前國內(nèi)進(jìn)行有關(guān)長期葉片和樹輪氮同位素自然豐度分析的研究還存在一些局限和諸多問題[9]。

地衣、苔蘚和維管束植物等均可作為大氣氮沉降指示生物，故今后研究不同種類植物對大氣氮沉降的響應(yīng)，并尋找各種生長適應(yīng)性強(qiáng)且能可靠指示氮沉降的植物來作示蹤劑，不斷借鑒國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗和技術(shù)，具有現(xiàn)實意義。相關(guān)研究應(yīng)盡快開展，更好地配合儀器監(jiān)測法，以便對大氣區(qū)域復(fù)合污染、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等發(fā)揮更大作用。

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