（环境工程专业论文）苔藓组织氮含量和氮同位素探讨江西省大气氮沉降规律及大气氮源.pdf

摘要 i l l lli i i li l l l ii l li lliii y 19 4 2 712 摘要 苔藓植物因其特殊的形态结构和生物学性质被广泛应用于环境变化和大气 沉降的指示和监测。稳定同位素是辨识环境体系中物源走向，以及研究植物和 环境关系的可靠技术。为了探讨苔藓作为监测植物指示大气氮污染的可行性， 研究江西省大气氮沉降的空间分布以及甄别大气氮源。本论文结合苔藓生物指 示和稳定氮同位素示踪技术，利用苔藓氮含量与氮同位素( 6 1 5 n ) 指示江西省大 气氮沉降状况。作者在江西省城市、郊区、农村采集了1 8 3 个细叶小羽藓 ( h m i c r o p h y l l u m ( h e d w ) ) 样品。通过测定不同环境下苔藓氮含量，并结合目 前所报道的苔藓氮含量与大气氮沉降之间的定量关系式，估算了江西省大气氮 沉降量。并应用苔藓氮同位素( 6 5 n ) 显著性差异分析，揭示了江西省大气氮沉 降的氮源以及氮沉降形式，以深化苔藓植物环境监测和在大气氮沉降研究中的 应用，为城市氮污染的防治提供地球化学依据。 ( 1 ) 不同环境下苔藓氮含量与氮同位素( 6 1 5 n ) 组成特征 通过对苔藓氮含量的分析发现，江西省苔藓氮含量在总体上呈现出赣东北 区偏高，赣西南区较低的空间分布特征。对城市、郊区和农村苔藓氮含量进行t 检验，发现不同下垫面环境下苔藓氮含量之间存在显著性差异( p 农村苔藓氮含量( 2 7 3 4 - 0 0 5 ) 郊区苔藓氮 含量( 2 5 6 + 0 7 6 ) 的变化规律。江西省城市及郊区苔藓6 1 n 平均值的变化范 围为( 1 9 6 + 1 3 0 9 7 4 4 - 0 2 5 9 6 0 ) ，最低值出现在上饶市区( - 9 7 4 + 0 2 5 9 6 , ) ，最 高值出现在南昌市郊区( 1 9 6 士1 3 0 ) 。其中郊区苔藓6 1 5 n ( 1 9 6 + 1 3 0 旷- 4 8 1 + 0 5 3 ) 比城市苔藓6 1 5 n ( 3 7 2 + 0 7 1 俨9 7 4 4 - 0 2 5 ) 富集1 n 。且崇仁县农村地区苔藓6 1 5 n 平均值在( 3 11 + 0 4 4 o 0 7 8 + 0 0 7 4 , ) 之间变化。可见江西省苔藓6 1 5 n 表现出城市偏负、农村偏正的特征。说明城市 和农村受不同氮源的影响。 ( 2 ) 利用苔藓氮含量估算江西省大气氮沉降量 根据目前所报道的大气氮沉降和苔藓氮含量之间的定量关系式，可以采用 苔藓氮含量估算江西省地区的大气氮沉降量。估算结果表明江西省大气氮沉降 量的均值变化范围为( 2 8 8 1k g ( h m 2 a ) - 1 5 1 4 1k g 伽n 2 a ) 4 ) ，总体已经超过最 易受影响的陆地生态系统的氮沉降负荷值( 5k g o m a 2 a ) 1 0k g ( h m 2 a ) d ) 。郊 摘要 区大气氮沉降量( 3 3 2 6 ：t ：1 0 8 8k g - ( h m 2 a ) 1 , - , 3 4 5 7 - 4 - 8 7 5k g m n 2 a ) d ) 低于城市大 气氮沉降量( 3 9 6 6 - j ：11 0 7k g c l l m 2 a ) d 5 2 9 2 - - t ：1 3 0 5k g 0 , m 2 a ) d ) 。本研究首次根 据苔藓氮含量量化了江西省大气氮沉降水平，对大气氮沉降生态环境影响的评 价以及生态系统的保护具有重要意义。 ( 3 ) 苔藓氮同位素( 6 1 5 n ) 示踪江西省大气氮沉降的主要来源和主要形态 江西省城市、郊区和农村苔藓6 1 5 n 值分别为( 6 11 - 4 - 0 3 7 9 6 0 、3 7 5 4 - 0 3 4 9 6 0 、 0 7 4 = t ：0 1 6 o ) ，三者之间存在着显著性差异( p 0 0 0 1 ) ，表明该地区的大气氮 沉降存在不同的氮源。城市明显偏负的苔藓6 1 5 n ，主要反映大量城市排泄物和污 水释放的氨的影响。而郊区和农村地区苔藓6 1 5 n 偏正，主要指示农业氨源对大 气氮沉降的贡献。江西省苔藓6 1 5 n 组成特征( 城市贫1 5 n 、郊区和农村富1 5 】叼， 反映了江西省地区大气氮沉降以铵沉降( n h x ) 为主，n h x - n 是大气氮沉降中 的主要氮形态，而氧化态氮( n o x ) 的影响较小。 关键词：苔藓：氮含量；氮同位素( 6 1 s n ) ；生物指示；大气氮沉降；江西地区 i i a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ep e c u l i a rm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r ea n db i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ， m o s s e sh a v e b e e nw i d e l ye m p l o y e di ni n d i c a t i n ga n dm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t a l c h a n g e a n da t m o s p h e r i cd e p o s i t i o n 明s t a b l e i s o t o p e s a r er e l i a b l et o o l s i n i d e n t i f y i n g t h es o u r c ea n df a t eo fe l e m e n t si n v a r y i n ge n v i r o n m e n t s a n d u n d e r s t a n d i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np l a n t sa n de n v i r o n m e n t i no r d e rt oe x p l o r e t h er e l i a b i l i t yo fm o s su s e da sb i o l o g i c a li n d i c a t o rt om o n i t o ra t m o s p h e r i cn i t r o g e n p o l l u t i o n , t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fa t m o s p h e r i cn i t r o g e nd e p o s i t i o n o fj i a n g x i p r o v i n c ea n d 臼徼ea t m o s p h e r i cn i t r o g e ns o u r c e b yc o m b i n i n gm o s sb i o - i n d i c a t i n g m e t h o dw i t hn i t r o g e ni s o t o p i ct e c h n i q u e ，t h i st h e s i sw a sm a i n l ya r o u n dat o p i co n u s i n g6 1 na n dn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni nm o s s e sf o ri n d i c a t i n ga t m o s p h e r i cn d e p o s i t i o n t h ea u t h o rp a c k e d 18 3m o s s e s ( h m i c r o p h y l l u m 他驯) i nj i a n g x i p r o v i n c e b yu s i n ge l e m e n t a lc o n t e n t sa n dt h er e l a t i o nb e t w e e nnd e p o s i t i o na n d m o s sn ，t h el e v e lo fnd e p o s i t i o na tj i a n g x ia r e ac o u l db eq u a n t i f i e d c o m b i n e dw i t h t h ec o r r e l a t i o ns i g n i f i c a n td i f f e r e n c ea n a l y s i si nm o s si s o t o p i cs i g n a t u r e st oi n d i c a t e t h em a i ns o u r c e sa n dnf o r mo fa t m o s p h e r i cnd e p o s i t i o na tj i a n g x ia r e a t h i st h e s i s h a sd e e p e n e dt h ea p p l i c a t i o no fm o s sf o rm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n ta n dnd e p o s i t i o n , a n dh a sp r o v i d e d g e o c h e m i c a lr e f e r e n c e s f o rt h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fn p o l l u t a n t sa tc i t ya r e a ( 1 ) b r y o p h y t ep l a n t sc a nb eu s e da sb i o - i n d i c a t o rt om o n i t o ra t m o s p h e r i c p o l l u t i o n t i s s u et h en i t r o g e nc o n t e n to fm o s si nj i a n g x ip r o v i n c ei n c r e a s e df r o m n o r t h e a s tt ot h es o u t h w e s t , r e f l e c t i n gt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fa t m o s p h e r i cn i t r o g e n d e p o s i t i o n i n j i a n g x ip r o v i n c e t r o u g ht - t e s t , s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c ef f o 0 5 ) b e t w e e n u r b a n ，s u b u r b a na n dr u r a lt i s s u en i t r o g e nc o n t e n to fm o s si nj i a n g x ic i t i e s w ew e r ef o u n dt h a t t i s s u en i t r o g e nc o n t e n to ft h eu r b a nm o s st i s s u e ( 2 9 5 士- 0 0 6 ) w a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a t o f r u r a l ( 2 7 3 士- 0 0 5 ) a n ds u b u r b a n ( 2 5 6 - x - 0 7 6 ) t h ea v e r a g en i t r o g e ni s o t o p em o s si s 1 9 6 j ：1 3 0 t o 9 7 4 士- 0 2 5 0i nj i a n g x ip r o v i n c e a m o n gt h e m , t i s s u e sn i t r o g e ni s o t o p eo fm o s si ns h a n g r a o i st h el o w e s t ( - 9 7 4 士- 0 2 5 ) ，t h eh i g h e s ti st i s s u en i t r o g e ni s o t o p eo fm o s si nn a n c h a n g s u b u r b a n - ( 1 9 6 士1 3 0 ) s u b u r b a nt i s s u en i t r o g e ni s o t o p eo fm o s s ( 1 9 6 j ：1 3 0 9 6 0 - 4 8 1 士0 5 3 ) i i i a b s t r a c t i sh i g h e rt h a nu r b a nt i s s u en i t r o g e ni s o t o p e ( - 3 7 2 - * 0 7l 一9 7 4 z q ) 2 5 ) 1 1 1 0 u g ht h ea v e r a g e n i t r o g e ni s o t o p em o s si sf r o m 3 1l 士o 4 4 t o0 0 7 8 士 0 0 7 4 0i nc h o n g r e nr u r a l m o r en e g a t i v e 6 1 5 nv a l u e so fu r b a nm o s s e st h a n6 1 nv a l u e so fs u b u r b a na n dr u r a lm o s s e s i n d i c a t i n gt h er u r a l a r c sa n dc i t i e sa 他a f f e c t e db yd i f f e r e n ts o l w c e so f n i t r o g e n ( 2 ) t h r o u g ht h er e l a t i o nb e t w e e nnd e p o s i t i o na n dm o s sn i t r o g e nc o n t e n t , t h e l e v e lo fn d e p o s i t i o na tj i a n g x ia r e ac o u l db eq u a n t i f i e db yt h en c o n t e n t so fm o s s e s t h eg e n e r a ll e v e lo fnd e p o s i t i o nj i a n g x ia la r e a ( 2 8 8 1k g o l | a ) - l - 5 1 4 1 k g ( h m 2 a ) 。1 ) h a se x c e e d e dt h ec r i t i c a ll o a df o rt h ev u l n e r a b l et e r r e s t r i a le c o s y s t e m s ( 5k g ( h m 2 a ) - 1 1 0k g ( h m 2 a ) 。1 ) b e s i d e s ，t h el e v e lo fnd e p o s i t i o n ( 3 3 2 6 士1 0 8 8 k g ( h m 2 a ) - 3 4 5 7 ：e 8 7 5k g ( h m 2 a ) 1 ) i nm es u b u r b a na r e ai sl o w e rt h a nt h eu r b a n s i t e ( 3 9 6 6 士11 0 7k g ( h m 2 a ) - l - 5 2 9 2 士1 3 0 5k g o m l 2 a ) 。1 ) f o rt h ef i r s tt i m e ，t h el e v e l o fnd e p o s i t i o ni nj i a n g x iw e r eq u a n t i f i e db yn i t r o g e nc o n t e n ti nm o s s e s ，w h i c hi s i m p o r t a n tf o rf u r t h e rs t u d y i n gt h ee c o l o g i c a le f f e c t so fa t m o s p h e r i cnd e p o s i t i o na n d h e l p 觚f o rt h ep r o t e c t i o no f t h ee c o s y s t e m s t h e a v e r a g en i t r o g e ni s o t o p e m o s si nu r b a n ( - 6 11 士0 3 7 o ) ，s u b u r b a n ( - 3 7 5 士0 3 4 o ) a n dr u r a l ( - o 7 4 士0 1 6 ) w e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c ee x i s tq o 0 0 1 ) ， i n d i c a t i n gt h e r ea r ea f f e c t e db yd i f f e r e n ts o t t r c e so fn i t r o g e n 。m o r en e g a t i v e6 1 n v a l u e so fu r b a nm o s s e si n d i c a t e dt h a tm o r en h 3w a sr e l e a s e df r o me x c r e t o r yw a s t e s a n ds e w a g e ，w h i l el e s sn e g a t i v e6 1 nv a l u e so fs u b u r b a na n dr u r a lm o s s e ss u g g e s t e d a ni m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nf r o ma g r i c u l t u r a ln h 3e m i s s i o nd u et of e r t i l i z e ra p p l i c a t i o n ss t u d yf o u n dt h er e g u l a t i o no fm o s s6 1 nv a r i a t i o n ( m o r en e g a t i v ea tu r b a nt h a n s u b u r b a na n dr u r a l ) a r o u n dj i a n g x ip r o v i n c ed o m i n a t e db yn h xd e p o s i t i o n t h em a i n n i t r o g e nf o r mo fa t m o s p h e r i cnd e p o s i t i o na to u i y a n ga r e aw a sn i - i x ，w h i l et h e a f f e c t e db yt h en o xw a sl e a s t k e yw o r d s ：m o s s ；n i t r o g e nc o n t e n t ；n i t r o g e ni s o t o p e ；b i o - i n d i c a t i o n ；a t m o s p h e r i cn d e p o s i t i o n ；3 i a n g x ia r e a w 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据 大气氮沉降是氮素生物地球化学循环中的重要环节之一。近几十年来，为 满足人类日益增长的物质和能源需求，化石燃料燃烧、化肥使用和畜牧业发展 等人类活动不断加剧，使得人为成因的活性氮成倍增加，从而引起全球大气氮 沉降持续性上升【l 】。因此，研究者们试图通过不同的方法来探讨大气氮沉降的来 源分布、化学形态特征、沉降过程、模型模拟以及环境生态效应，以评价人为 成因氮输入对生态环境的影响即j 。 苔藓植物因其特殊的形态结构和生理特性，使其能够在高寒、高热、干旱、 和弱光等其它陆生植物难以生存的恶劣自然环境下生长。苔藓植物组织结构比 较简单，没有真正意义的根系和维管束组织，其叶片多为单层细胞组成，每个 叶片细胞的上下两面均能接触大气中的污染物。它们生长所需要的营养物质主 要来源于叶片组织对大气沉降的吸收【4 】。因此苔藓植物对大气污染物比其他高等 植物敏感，被广泛应用于环境变化和大气沉降的指示与监测，成为一种较理想 有效的大气污染生物监测手段【5 】。目前利用苔藓植物生物监测的研究主要集中在 对重金属和微量元素( p h a ) 的监测方面【】，只有较少的研究涉及到大气氮沉 降或氮污染，而关于苔藓组织氮含量和大气氮沉降关系的研究在国内还较少。 近年来，稳定同位素具有追踪物源和记录环境变化的功能。在大气环境研 究中，氮同位素被誉为示踪不同大气氮源以及大气过程中氮行为的有力工具【9 】。 苔藓植物在吸收大气氮素的过程中，具有不发生氮同位素分馏的特点，因此苔 藓氮同位素能有效的指示大气氮沉降的来源、形态特征及生态环境效应 1 0 1 2 。 但关于苔藓氮同位素指示大气氮沉降状况的研究远远不够，特别是条件困难的 地区这方面的研究几乎空白，并且缺乏系统性的分析比较。 江西省是我国典型的重酸雨区，“十五 计划将其划分为“两控区”之一。 目前，江西省城市酸雨现状呈“r 字形时空分布特征，其中一竖，以南昌、吉 安、赣州三点连线。一斜以吉安、永丰、抚州、鹰潭、德兴五点连线【l 引。朱仁 果【1 4 】对江西省各城市的大气硫沉降的化学组成和硫同位素值的监测为本研究提 供了良好的基础。崔健【1 5 】等报道了江西省鹰潭红壤区下垫面为农田生态系统的 第1 章引言 大气氮湿沉降水平，指出大气氮沉降量对农田生态系统氮输入具有突出的贡献， 应得到不断的关注和深入研究。 本文选题主要基于苔藓生物监测方法和稳定氮同位素( 6 1 n ) 结合，对江西 省城市、郊区和农村地区大气氮沉降的来源、迁移机制和空间分布特征等问题 进行研究。在此基础上，进一步深入分析氮污染突出的农村地区大气氮沉降状 况，为大气氮点源污染研究提供重要的数据和资料。本研究主要目的在于从同 位素地球化学角度更进一步的了解大气氮素输入以及大气氮植物之间的物源关 系和相互作用，促进稳定同位素方法在环境科学和生物地球化学循环中的应用。 1 2 大气氮沉降的研究 1 2 1 大气氮沉降的形成 大气氮沉降( a t m o s p h e r i cn i t r o g e nd e p o s i t i o n ) 指大气氮化合物从大气中迁 移并降落到地表( 土壤、水体和植物灌层) 的过程，成为大气沉降尤其酸沉降 的主要形式，也是生态系统从大气中获取氮素的主要途径【1 6 1 。大气氮沉降包括 干、湿沉降两种。干沉降主要以气态一氧化氮( n o ) 、二氧化氮( n 2 0 ) 、氨气 ( n h 3 ) 、硝酸盐( h n 0 3 ) 以及颗粒态铵盐( ( n h 0 2 s 0 4 ) 和硝酸盐化合物( n h 斜0 3 ) 形式存在，它们通过重力作用或与地面其他物体碰撞后，发生沉降而被去除， 其沉降具有地域广和持续时间长的特点。湿沉降的氮主要分为铵态氮( n h 4 + ) 和硝态氮( n 0 3 - ) ，还有少量溶解性有机氮( 简称d o n ) ，经过自然界发生的雨、 雪雹、等降水过程迁移到地表。 大气氮化合物来源主要有自然源和人为源。自然源主要是生物固定、火山 喷发、雷电等。人为源主要包括工业、化石燃料燃烧、农田施肥以及集约型畜 牧业等。其中生物燃料、化石燃料的燃烧和工业、汽车尾气排放是n o x 的主要来 源。而农业活动，包括化肥挥发和畜牧排泄物是大气中n l - i x 的主要来源【l 刀。目 前人们更多的是关注大气氮沉降的人为输入，因为人为成因的氮素排放量远远 超过了自然成因的活性氮，成为大气氮沉降或氮污染环境问题中的根本【l 引。如 表1 1 所示，大气氮沉降中可利用性氮的主要形态和主要人为来源。 2 第1 章引言 表1 1 大气氮沉降中生物可利用性氮的主要形态和主要人为来源 t a b l e1 1t h em a i np a t t e r na n dm a i na r t i f i c i a ls o u r c eo f b i o l o g i c a la v a i l a b i l i t yo f n i t r o g e ni nt h e a t m o s p h e r en i t r o g e nd e p o s i t i o n 主要氮形态主要人为来源 铵态氮( n h 。- n ) 硝态氮( n o x - n ) 有机氮( 溶解态和颗粒态) 生物量燃烧 化肥挥发 家畜的排泄物 农业废物 废水处理场和施肥农田 化石燃料燃烧 生物体燃烧 工业排放 动物废物挥发 1 2 2 大气氮沉降的研究 近年来，由于人类活动的频率加快，全球多数地区向大气中排放的氮素激 增，从而导致大气氮沉降量迅速升高【1 9 】。氮沉降已成为全球性的突出环境问题 之一。通过大气化学传输模型模拟的研究，发现人为氮输入所产生的氮沉降主 要分布在西欧、北美和东南亚。我国南方地区正处于第三大氮沉降区，也是高 氮沉降区之一 2 0 1 。据估计，目前大气氮沉降的全球平均水平为5k g ( h m 2 a ) ，其 中欧洲为1 0k g r a m 2 a ) 一，亚洲为7k g ( h m 2 a ) 。1 【2 1 1 。s 们e t s 等通过研究指出，在 2 0 0 2 年中国地区n o x 和n 的排放量分别高达1 1 4 t g 和1 3 6 t g 1 9 1 。在我国南 方地区测得雨水中氮浓度为1 2m g l 一，氮湿沉降量为9 3 5k g ( h r a 2 a ) ，部分 地区高达7 5k g ( h m 2 a ) d 吲。 因地域的不同，氮沉降的成因、来源以及沉降量都可能存在着差异。例如 大部分欧洲地区大气活性以硝态氮( n o x n ) 为主，其中5 0 以上的大气n o x 来源于工业、交通的排放，这与该地区拥有发达的工业和交通业密切相关。然 而东南亚地区主要以铵( m 【) 沉降为主，特别是在中国大约8 0 大气氮素是 来自于农业施肥和城市污水释放的氨嘲。b a r t n i c k i 2 4 1 报道欧洲大气氮沉降量已超 过1 0k g ( 1 缸n 2 a ) ，部分中欧地区氮沉降量甚至超过了3 0k g ( 1 1 r n 2 a ) 一。比如在工 业发达的德国中部地区，大气氮沉降量高达( 6 4 1 1 ) k g o a m 2 a ) 。1 【2 5 1 。朱兆良等 i 冽研究指出，我国南方地区大气湿沉降带入地表的氮素大约在9 0 - - - 1 9 5 3 第1 章引言 k g ( h m 2 a ) 。徐仁扣【2 刀报道了我国部分城市氮沉降量大大高于欧美国家。如我国 红壤地区江西分宜县林区，大气氮湿沉降量分别高达6 0k g d a m 2 a ) 1 ，这与欧洲 部分高氮沉降区的大气氮沉降水平相当网。 1 3 大气环境中氮同位素组成特征的研究 自然界中氮同位素存在形式为1 4 n 和1 5 n 两种，1 4 n 和1 5 n 在大气中的存在 比例为9 9 6 3 5 和0 3 6 5 t 2 9 1 。在氮同位素研究中，氮同位素丰度用样品的同位 素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差来表示，即： 6 1 5 n ( ) = 【僻样品r 标准) 1 】1 0 0 0 r 分别代表1 * n 1 5 n 自然丰度比。氮同位素分析标准为空气( a i r 或是a t m o s p h e r i c n i t r o g e n ) ，其1 4 n 1 5 n 值为0 0 0 3 6 7 6 ，其6 1 5 n 值被定义为0 p 川。 1 3 1 氮同位素反映大气氮存在形式 目前，利用氮同位素技术示踪不同的氮源的研究越来越受到相关领域科学 研究者的关注【3 l ，3 2 】。由于大气氮沉降的过程中，不同形态氮以及氮源，6 1 5 n 值 之间存在较为显著的差异，进而能够有效的识别大气氮源和氮沉降形式。越来 越对多的研究报道了硝态氮n o x - n 和铵态氮( n i x - n ) 的同位素组成的差异。 h e a t o n t 3 3 】在1 9 9 7 年的研究中指出大气氮沉降中6 1 5 n h x - n 明显低于6 1 n o x - n 。 f r e y e r 3 4 】在德国测得雨水的6 1 5 n 0 3 。为2 5 士3 o ，8 1 5 n h 4 + 为1 2 0 士1 9 。g a r t e n l ) 叫 在美国田纳西的大气湿沉降的研究中报道了雨水中6 1 5 n 0 3 为+ 2 3 士2 4 和 8 1 耐为3 4 士2 1 。m o o r e 3 6 也报道了美国佛罗里达州n h 4 在大气悬浮颗粒物 中和雨水中的6 1 5 n 分别为5 6 士5 5 和一1 44 - 3 5 9 6 0 ，n 0 3 。在大气悬浮颗粒物中和 雨水中的6 1 5 n 分别为5 0 士5 7 和吖64 - 3 9 。x i a 0 1 3 7 等2 0 0 2 年在贵阳市区夏 季雨水的研究中给出了湿沉降大气6 1 5 n ，其中8 1 5 n 0 3 的平均值达到+ 2 0 士4 4 ， 而6 1 5 l 哪4 + 平均值为1 2 2 4 ：6 7 。y e a t m a n p 8 1 在英国北部和南部城市大气气溶胶的 试验中测得6 1 5 n 0 3 一和6 1 1 q h 4 + 平均值分别为+ 1 5 0 士3 0 和+ 1 0 0 士3 0 ，明显高于 贵阳地区大气氮湿沉降中的6 1 5 n 值。k r e i t l e r t 3 9 】发现6 1 5 n 值为+ 5 的废水被氧化 后，其n 0 3 的6 1 5 n 值变为+ 1 0 + 2 0 o 。刘学炎等根据在贵阳所测的苔藓6 1 n 值( 1 2 5 0 一1 3 9 ) 指出该地区大气氮沉降中的氮主要以m 【的形态存在， 而n o x 的贡献较少，通过该地区雨水分析可知市区雨水n h 4 + - n 肘o - 3 - n 比值为 4 7 2 ，而离市区3 0k m 处采集到的雨水n i - 1 4 - n n 0 3 - n 比值为3 6 7 ，相应的苔藓 氮同位素从8 8 7 升高到3 5 5 ，进而更好论证了该地区氮的存在形式主要以 4 第1 章引言 的n h 4 + 为主【柏】。由此可见大气中n 0 3 - 和n h 4 + 具有不同的同位素组成特征，根 据这一特性可以有效地判断大气中氮的主要存在形式。 1 3 2 大气氮同位素示踪氮源 采用大气氮同位素组成的显著差异性的特征来示踪氮源的研究逐渐受到相 关领域的重视。k e n d a l l e 4 1 】等通过实验研究发现无机化肥氮的6 1 氐值为一7 0 - - - 5 0 ， 土壤有机氮的6 1 5 n 值为3 9 6 0 - - , 8 o 。h e a t o n 4 2 较早的研究报道了燃料( 6 1 5 n = 一1 0 一+ 5 ) ，高温燃烧( 电厂和机动车) 释放n o x ( 6 1 5 n = 5 0 + 5 ) ，木炭燃烧 释放的n o x ( 6 1 5 n = + 6 + 9 ) 又与汽车尾气n o x ( 6 1 n = 一1 3 一- 2 ) 。大 气氮素中铵态氮( n h x - n ) 的6 1 5 n 变化范围为1 5 o - - - + 5 0 ，氨的来源不同，其 6 1 5 n 也表现出明显的差异。人畜排泄物释放的n h 3 ( 6 1 5 n h 3 = 1 5 2 0 8 9 0 ) ； 废水释放的n h 3 ( 6 1 5 n h 3 = 1 5 0 4 ) ，农业n i - 1 3 ( 8 1 n h 3 = 5 0 一o ) 哗刖】。 m a r t i n e l l i 4 4 利用6 1 5 n 值证实了巴西东南部盆地大气活性氮的主要来源是物质燃 烧。w i d o r y 4 5 l 结合和对比了巴黎城市大气颗粒物p m l o 的6 1 5 n 值和各种污染源( 包 括道路交通和工业) 的6 1 5 n 值，指出6 1 5 n 方法能有效的辨识大气氮素的来源以 及氮在大气中的形成机制和迁移转化过程。根据罗绪强等对大气环境中氮的主 要来源及其同位素组成特征进行了归纳研究m j ( 图1 1 ) ， ( 1 ) 天然气；( 2 ) 火成岩；( 3 ) 火山气；( 4 ) 受粪肥污染土壤中的氮；( 5 ) 动物粪便( 厩肥) 或污水中的n 0 3 - ；( 6 ) 沉积岩中的有机质；( 7 ) 石油；( 8 ) 非豆科植物；( 9 ) 垦植土壤和受 生活污水污染土壤中的氮；( 1 0 ) 土壤有机氮矿化形成的n o a ；( 1 1 ) 天然土壤中的氮；( 1 2 ) 雨水；( 1 3 ) 煤：( 1 4 ) 受化肥和工业废水污染土壤中的氮；( 1 5 ) 含氮化肥的n 0 3 。；( 1 6 ) 豆 科植物；( 1 7 ) 泥炭 图1 1 不同氮源的6 1 n 值分布图i 伯j f i g 1 1 1 1 1 e6 1 5 nd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tn i t r o g e ns o u r c e 5 第l 章引言 1 4 苔藓的生物学性质及其对环境变化的响应及其适应性 苔藓植物是一类结构简单的绿色植物，是从水生向陆生生活生活方式的一 种过渡形式。作为高等植物中最原始的陆生类群，在生态系统中扮演着重要的 生产者和拓荒者的角色，被誉为先锋植物和拓荒者【4 刀。目前，苔藓植物是现存 陆生植物中最大的类群之一，据统计全世界已经被人类认识的苔藓植物约有 2 3 0 0 0 种，仅次于被子植物，中国约有2 8 0 0 多种。苔藓植物门下设3 个纲，即 苔纲( h e p a t i c a e ) 、藓纲( m u s c o 和角苔纲( a n t h o c e r o t a e ) 。苔纲包含至少3 3 0 属、 约8 0 0 0 种苔类植物；藓纲包含近7 0 0 属、约1 5 0 0 0 种藓类植物；角苔纲有4 属、 近1 0 0 种角苔类植物。 1 4 1 苔藓的形态学特征 苔藓植物的植物体大多具有茎和叶的分化，习称为茎叶体，但其结构显著 不同于蕨类和种子植物的茎叶，其体内没有真正的维管组织，故属于非维管植 物。苔藓没有真正的根，仅具有单细胞或单列细胞的假根，但假根并不能从其 土壤或基质上吸收营养成分和水分，它主要是起到将身体固定和支撑在基质表 面( 树、岩石、叶片) 的作用【4 引。苔藓的茎叶结构简单，大多由一至数层细胞 组成，植物体表没有蜡质角质层或不发达，有利于生长所需要的营养物质通过 其叶片直接进入叶片细胞而被吸收，因此苔藓生长需要的水分、矿质养分主要 来源于叶片从大气环境中直接吸收获得。 1 4 2 苔藓对光、温度和水分的响应 苔藓植物不同于维管束植物，它们形体矮小，对光照的适应没有形态上的 明显分化，但在生理方面，特别是光化生理却有特化。大部分苔藓植物，尤其 是耐旱种，要求较低的光照。这些植物能够在较低的光照条件下进行光合作用， 表现出喜阴的光合特性。这种特性被认为是与其变水的生理特征密切相关，对 环境的长期适应和演化的结果【4 9 】。r ：m s o n t 5 0 】等模拟苔藓对光斑的响应的试验， 发现光强增加使苔鲜植物的生物量及相对生长速率增加，弱光能有效的促使苔 鲜的株高和叶绿素总含量均增。泥炭藓( s p h a g n u mp a l u s t r e ) 和金发藓 ( p o l y t r i c h u m ) 、的生长与光周期密切有关，随着日照时间的增加，苔藓植物体 生物量明显有所提高。 苔藓植物对温度变化表现出较强的适应能力。它们既可以在温度超过5 3 0 c 6 第1 章引言 的温泉中生长，也能在年均低于0 0 c 的极地生存。因此在高温火山口、高寒南 北两极等恶劣环境下都可以找到苔藓植物的踪影【5 。苔藓植物在干燥状态下表 现出比湿润状态更强的适应极端温度的能力。并且许多种类具有高度耐旱性， 大多数苔藓可以承受自然条件下速度，因此苔藓植物比维管束植物更容易度过 寒冷的冬季，可见苔藓是常年生的长绿色植物。 苔藓植物属典型的变水植物( p o i k i l o h y d r i cp l a n t s ) ，体内含水量随环境湿度 而变化【5 2 】，水分来源主要是大气。根据苔藓获取水分的方式，可以将其划分为 内导水型( e n d o h y d r i c ) 、外导水型( e e t o h y d r i e ) 和混合导水型( m i x o h y d r i c ) 。 内导水型苔藓一般具有特化的传水细胞所组成的传导组织或中部传导束，能将 藓丛基部的水分向上输送，如金发鲜属( p o l y t r i c h u m c o m m u m e ) 。但是，大部分 苔藓植物属于外导水型植物，由于内部输导系统发育不好，主要依靠毛细管传 导系统将水吸入藓丛，然后吸入细胞之中。毛细管系统是这类植物吸收、保持 并传导水分的主要途径【5 3 1 。不少苔藓属于混合传导水型( 如地钱属m a r c h a n t i a ) 同时可以通过植物体表面和内部来吸收和传导水分。苔藓植物由于缺乏输导和 蒸发系统，难以很好地控制其体内的水分含量，干燥时候会迅速失去水分，体 内正常生理代谢过程受到阻碍，而在环境水分得到恢复时，能够迅速吸收水分， 表现出较高的生理活性和正常的代谢活动。 1 4 3 苔藓吸收营养物质的特点 由于苔藓植物具有独特的生物学特性，无真正意义上的根系吸收系统、无 维管束构造，体表具有较大的表面积与体积比，拥有大量的阳离子交换位点 5 4 , 5 5 】。 同时植物体表没有蜡质的角质层，进而对空气中污染物质吸收的阻力很低。正 因为此苔藓植物能够十分有效地截获空气中的营养物质来满足自身的生存繁 衍。即大气沉降是苔藓类植物主要的营养来源【5 6 , 5 7 。大多数种类的苔藓，如羽状 苔藓( p l a i o c h l a c e a e ) 和象塔藓( h h y o l c o m i u ms p l e n d e n s ) 这样的外导水型藓类， 较容易从大气中吸收营养物质。由于不同种类的苔藓生理学特性不同，对营养 物质的吸收机制也会有所不同。小型匍匐生长苔藓植物能够从生长基质中吸收 所需要的营养物质，输送到植物的生长部位，特别是如灰藓( h y p n u m c u p r e s s i f o r m e ) 受大气影响较弱【5 9 1 。比如拟金发藓( p o g o n u t u m p a p i l l o s r l a ) ，由 于其特殊的生理构造，能够保护叶面，从大气中吸收营养物质极少，而促使苔 藓从土壤中大量吸收营养元素。因此，用苔藓进行生物监测时，需考虑基质对 7 第1 章引言 苔藓所吸收营养元素的影响。 苔藓植物具有很强的阳离子交换能力，能从养分含量极低的环境中吸收并 积累养分。因此被广泛应用于环境污染监测。正因为在大气中有很多含量很 低的元素或痕量气体( 如清洁区较低的n i t 3 ) 还不能通过目前的物理化学方法 或仪器方法监测，但却可以被苔藓的吸收和累计被检测到，这是苔藓监测方法 的最重要的优点。 1 5 苔藓对大气污染的指示作用 苔藓植物因其特殊的形态结构和生物学性质赋予了它具有比高等植物更为 敏感的环境指示功能，从而被广泛应用于生物监测与生物指示研究中【6 1 | 。1 9 6 8 年在荷兰瓦赫宁根举行的关于动植物对大气污染的响应的会议上，苔藓植物因 其易于采集、处理、对环境污染因子的反应敏感的特点而被推荐作为大气污染 的生物学指标【5 3 1 。目前，研究者通过调查苔藓植物种群、群落分布组成以及其 体内污染物含量的化学分析，来反映大气环境污染的程度，为很多国家地区的 环境质量、空气污染等提供可靠的证据 6 2 1 。但是不同的苔藓植物类型对大气的 污染敏感度存在差异。如垫状的金发藓科( p o l y t r i c h a c e a e ) 和层状的塔藓科 ( h y l o c o m i a c e a e ) 植物对大气污染的敏感性较差，木灵藓科( o r t h o t r i c b a c e a e ) 植物 对大气污染的敏感性较强，而叶状的蛇苔科( c o n o c