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    城市法桐叶子湿沉降氮组织氮含量研究

   
摘要: 通过对贵阳市法桐叶片为期 1 a 的监测( 2009-03 ~2010-04) ,分析其叶片氮含量及氮同位素组成随季节变化的规律,并与同期湿沉降监测结果进行对比,探讨维管束植物叶片响应大气湿沉降氮的可能性。 结果表明,法桐叶片 N% 变化范围为 1.48% ~5.27%,均值为 3.36%,根际土 TN% 为 0.29%,叶片15N 变化范围为 4.48‰ ~ 8.39‰,均值为 6.38‰。 叶片具有较好的相关性,随时间变化皆呈现春 夏较高、秋季降低的趋势,冬季落叶,无监测数据。 结合该采样点同期雨水监测数据,发现叶片 N%与雨水中 DIN 浓度( 0.57 ~6.74 mg·L呈现一致的变化规律,表明湿沉降氮是叶片吸收氮的一个重要来源,法桐叶片指示大气 N 沉降量的变化 成为可能。 研究还发现法桐叶片比其吸收氮的 2 个主要端元( 根际土 δ都偏正,表明法桐在吸收氮的过程中存在着较大的同位素分馏。


    大气中氮的来源可以分为自然源和人为源,在森林等自然体系中以自然源为主,而城市大气氮则以人为源为主,比如交通运输、工业生产等活动中化石燃料燃烧产生的 NOx,农业活动、废水和人畜排泄物释放的NHy等[1,2]。 不同来源氮的同位素组成存在显著差异,应用氮同位素可以辨识不同的大气氮源3。 由于工农业的 快速发展,过量的含氮化合物向大气迁移。 大气氮循环受人类干扰而失衡,是导致酸沉降的主要因素之一[4]。 大气中的氮通过沉降输入地表生态系统,从而影响其结构、功能 和演化[5,6]。关于大气氮沉降,国内外已从多方面开展研究。在物理监测方面,有对雨水、气溶胶的分析及同位素组成的测定[7 ~10]。 在生物监测方面,Press 等[11]早在1986 年就已开展过关于氮沉降量增多对影响苔藓生长的研究。 苔藓氮同位素也被应用于示踪城市大气氮源,并被证实为指示大气氮沉降的可靠工具。 关于响应的研究还相对较少,主要集中在应用松针、樟树等指示氮沉降和氮源[15 ~17]。 研究高等植物叶片 δ15N 对大气氮沉降的响应,还可帮助认识植物对大气氮的吸收机制,理解大气-植被系统-土壤的氮循环,分析大气氮的生物可利用性及其影响[18]。本研究对象为法桐,因其被广泛应用于城市绿化,便于不同区域进行对比分析。 通过对法桐叶片氮含量及稳定氮同位素的分析,探讨其季节变化规律及对大气湿沉降氮的响应,从而指示氮源的变化和污染程度,研究大气湿沉降氮对生态系统的影响,及 后者的响应和反馈机制,对于合理制定政策措施以保护生态系统的可持续发展具有重要意义。


1 研究区域与方法
1.1 研究区域
本研究区域为贵阳市,地处西南喀斯特地区,是一个有过严重酸雨污染历史的城市。 虽然近年来贵州政府加大治理力度,关闭和转移了一些重型污染工厂,环境质量有所改善,但 其大气氮沉降水平仍较高,因此,研究贵阳市大气氮沉降对城市生态系统的影响具有重要意义。贵阳属温暖湿润的亚热带季风气候区
,雨量充沛,年均降雨量约1 200 mm,夏季常降大雨。 贵阳市环境状况公报数据显示,从 2002 ~2010 年,贵阳市大气 NO2浓度基本保持稳定,而降水中的 NO-3比80 年代降低 了数倍,而 NH+4却有所增加,反映近年来贵阳市燃煤减少而畜牧养殖业等有所增加的情况。由于特殊的地理位置和敏感的生态环境,前人对于贵阳开展的研究较多,有丰的基础 数据可进行比对分析,为深入研究以贵阳市为例的城市大气环境提供了很好的条件基于石生苔藓氮含量,估算得贵阳地区大气氮沉降的变化范围为 0.91 ~44.69 kg·( hm2·a)1,市区沉降均值为( 29.21 ± 6.17) kg·( hm2·a)- 1。 对大气沉降氮源的氮同位素示踪结果表明,市区氮沉降的主要来源是人畜排泄物和城市污水释放等的研究结果还表明,贵阳地区的大气氮沉降以NHy-N 为主,其中铵态氮的贡献约占 76% ,硝态氮约为 23%。


1.2 样品采集和处理
    本研究以中国科学院地球化学研究所园区内的一棵法桐为监测对象,所选法桐约为 20 年生,树高约 18 m。 采样时间为 2009-03 ~2010-04,采样频率春季为 3 次·月
,其余季节为1 次·月- 1 按照植物样品采样原则,所选树种近旁无高大建筑或其他树木遮蔽影响,环树干采集等距叶片混合为综合样品。 在所选法桐树下,采集根际土,深度约 20 ~80 cm,不分剖面作混合样品,春、秋各采集 1本研究中共采集叶片样品 45 个,土壤样品 2 个。叶片 样 品 采 集 后,先 用稀 HCl 溶 液 ( 1.5mol·L- 1) 泡洗以去除表面尘土,去离子水反复清洗,最后用超纯水( Milli-Q) 冲洗干净,直至清洗液检测不出无机氮( NH+4或 NO-3) 。 将植物叶
片于70℃ 真空干燥箱中烘至恒重,而后用液氮冷冻磨碎,过筛( 100 目) ,保存于干净自封袋中备用待测。 土壤样品,拣去树根、石粒等杂物后,取其中约 5 g 新鲜
土,用于测定土壤 pH 值等一些基本理化性质,其余部分风干,粉碎过筛( 100 目) 备用。


1.3 元素分析和同位素测定
样品上机测定前,在 70℃重新干燥后,称取约 2mg 样品( 叶片或土样) ,用全自动元素分析仪( 型号Ⅱ,USA) ,采用标准物质胱氨酸 ( N% =11.7% ) ,测定其元素含量,测量 误差为 ± 0.1% 。氮同位素值测定,叶片样品使用连续流质谱仪CF-IRMS( IsoPrime JB144) 进行测定。 由于土样氮含量较低,土样氮同位素值改用质谱( Finigan MAT252) 测 定。 δ15N测定数据采用硝酸钾标准物质 ST-N1( δ15N = - 1.89‰) 、ST-N2( δN = 21.38‰) 进行校正,分析测试的标准偏差为 ±0.2‰。本研究中所有分析实验,均在 中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室完成。


2 结果与分析
2.1 叶片 N% 的季节变化
本次研究结果显示,法桐叶片 N% 变化范围为 1.48% ~5.27%,均值为 3.36%。 如图 1 所示,从 3 ~ 11 月,N% 逐渐降低。 春季含量较高,其中 3月为最高峰值,4
月降低,5 月有回升; 在夏季,6 月出现第 2 个峰值,7、8 月稍有回落; 进入秋季,9 ~
11 月持续降低; 在冬季( 12 月 ~ 次年 2 月) ,法桐落叶,故没有监测数据。由图 1 中可以看出,叶片 N% 总体表现为春夏高、秋季降低的趋势。 结合该采样点同期雨水
监测结果作对比分析
叶片对大气湿沉降氮的响应利用植物对大气污染的灵敏响应,判断污染物类型及污染程度,是生物监测环境污染的重要方面, 苔藓因其特殊的形态结构和生物学性质而被确定为指示大气污染较为可靠的生物物种。在具有详细大气氮沉降数据的地区,已有少数研究者建立了苔藓氮含量和大气氮沉降量之间的定量关系。 在欧美,也有学者对比研究了清洁区和污。



 



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