周曉麗,許 穩(wěn),溫 章,劉學(xué)軍,曹瓊月,方炎明
(1. 鹽城師范學(xué)院 海洋與生物工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224007;2. 南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/亞熱帶森林生物多樣性保護(hù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/生物與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210037; 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193)
氮(N)元素是植物生長(zhǎng)所需的重要營(yíng)養(yǎng)元素,但是在過(guò)去幾十年,由于農(nóng)業(yè)的集約化發(fā)展及機(jī)動(dòng)車輛的增加等因素導(dǎo)致N排放量增加,引起N的富營(yíng)養(yǎng)化。大氣N沉降量的加劇會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中物種組成發(fā)生改變,土壤酸化,從而破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-2]。增加的N沉降對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)面影響很難在短期內(nèi)被監(jiān)測(cè)到,例如當(dāng)增加的N輸入使樹木不穩(wěn)定時(shí),它們就易受到風(fēng)暴等極端天氣的影響[3]。因此,定期監(jiān)測(cè)大氣N沉降對(duì)于保護(hù)敏感的生態(tài)系統(tǒng)以及識(shí)別存在風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域非常重要。
大氣氮沉降主要包括濕沉降和干沉降兩種形式。大氣N濕沉降(Wet deposition)是指大氣中氣態(tài)和顆粒態(tài)N通過(guò)降雨或降雪的沖刷到達(dá)地表。大氣N干沉降(Dry deposition)是指大氣中氣態(tài)和顆粒態(tài)N在未發(fā)生降水時(shí),受重力、顆粒物吸附、植物氣孔吸收等一些大氣過(guò)程傳輸?shù)降乇?。Flechard 等[4]和Vet 等[5]研究發(fā)現(xiàn),干沉降約占總沉降量的2/3,所以忽略干沉降勢(shì)必會(huì)低估大氣N的總沉降量。氮化合物在大氣中主要以氧化或還原形式存在。氧化形式主要有降水中的硝酸鹽(NO3-),氣體中的二氧化氮(NO2)、硝酸(HNO3),以及氣溶膠中的硝酸鹽(NO3-)。氧化氮的主要人為來(lái)源是交通運(yùn)輸、工業(yè)及能源生產(chǎn),估計(jì)貢獻(xiàn)了高達(dá)70%的氧化氮排放量[6]。還原形式主要有降水中的銨(NH4+),氣體中的氨氣(NH3),以及氣溶膠中的銨(NH4+)。還原氮的人為來(lái)源主要與農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān),比如畜牧業(yè)及肥料的生產(chǎn)和應(yīng)用[7]。推算法是目前世界上各地監(jiān)測(cè)網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用來(lái)估算大氣N干沉降量的方法,通過(guò)測(cè)定大氣N組分濃度和沉降速率來(lái)間接計(jì)算:Fd=Cz·Vd,其中:Fd為干沉降通量;Cz為一定采樣高度的氣體、氣溶膠粒子的N組分濃度;Vd為干沉降速率[8]。雨量器法是全世界各地的大氣N濕沉降定量中被廣泛使用的方法,雨量器長(zhǎng)期敞開,收集的沉降樣品因此包含部分干沉降(如降塵),所以又稱為混合沉降[9-10]。應(yīng)用推算法和雨量器法,需要連續(xù)每月的監(jiān)測(cè),以這種方法測(cè)定大氣N的沉降量是非常昂貴且費(fèi)力的,通常只能建立少量的觀測(cè)點(diǎn),不適合在大空間尺度上進(jìn)行大氣氮沉降的監(jiān)測(cè)。
苔蘚植物因缺乏真正的根系,無(wú)維管組織,無(wú)蠟質(zhì)保護(hù)層,所以主要通過(guò)干、濕沉降從大氣中吸收水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及污染物。因此,苔蘚植物因其特殊的結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于大氣氮沉降的監(jiān)測(cè)[11-13]。苔蘚監(jiān)測(cè)技術(shù)為大氣氮沉降提供了一種補(bǔ)充的測(cè)量方法。由于它比常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法更容易、更便宜,所以可以獲得更高的采樣密度。利用苔蘚對(duì)大氣氮沉降進(jìn)行被動(dòng)的生物監(jiān)測(cè)能夠以更高的空間分辨率確定大氣氮沉降的變化,包括在沒(méi)有建立大氣氮沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家或地區(qū)。歐洲國(guó)家開展了很多關(guān)于苔蘚氮含量與大氣氮沉降(模擬的或?qū)崪y(cè)的)的定量關(guān)系的研究[12,14-16]。Harmens 等[7]觀察到苔蘚中的總氮濃度與歐洲EMEP(European Monitoring and Evaluation Programme)模型模擬的總氮沉降之間的漸近關(guān)系,當(dāng)總氮沉降量大約為15 kg N ha-1·yr-1時(shí),苔蘚中的總氮濃度達(dá)到飽和(即隨著氮沉降量的增加,苔蘚組織中的氮濃度不再進(jìn)一步增加)。在瑞士,苔蘚中的總氮濃度與實(shí)測(cè)的大氣濕氮沉降之間呈現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系(R2=0.91)[7]。Skudnik 等[17]研究顯示苔蘚中總氮濃度與大氣氮濕/混合沉降之間的線性關(guān)系弱但顯著。Kosonen 等[18]測(cè)定了瑞士24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大氣總氮沉降(干、濕沉降),將該值與從這些地點(diǎn)采集的苔蘚氮濃度進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)加入氣體和氣溶膠中的氮(NH3、NO2)改善了苔蘚中氮濃度與氮沉降的相關(guān)性,而氨氣(NH3)被發(fā)現(xiàn)是改善相關(guān)關(guān)系最重要的氮組分。目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于大氣氮沉降與苔蘚氮含量變化關(guān)系的實(shí)證研究,只有劉學(xué)炎等[19]在前人已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,歸納了不同地區(qū)不同蘚類氮含量(y)與大氣氮沉降(x)的平均變化關(guān)系(y = 0.052x + 0.732 5),并根據(jù)該綜合關(guān)系和石生蘚類的氮含量對(duì)貴州省大氣氮沉降通量進(jìn)行了估算[20]。但是,苔蘚氮含量與大氣氮沉降之間的變化關(guān)系受到很多因素的影響,例如苔蘚種類[21-22]、氮的不同組分及干、濕沉降[18,23]、不同國(guó)家或地區(qū)不同的氣象條件[15]等。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)自2010年開始建立和不斷完善一個(gè)全國(guó)性的氮沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(NNDMN),監(jiān)測(cè)大氣氮濕/混合和干沉降[24-25],使我們有機(jī)會(huì)將大氣氮干、濕沉降及總沉降與從附近地區(qū)采集的細(xì)葉小羽蘚(Haplocladiummicrophyllum)中的氮濃度進(jìn)行比較。本研究的目的是找出我國(guó)大氣總氮沉降與細(xì)葉小羽蘚氮濃度的定量關(guān)系,探討干、濕沉降對(duì)苔蘚總氮濃度的貢獻(xiàn),分析可能對(duì)苔蘚中總氮濃度與大氣總氮沉降之間關(guān)系產(chǎn)生影響的因素。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)建立的大氣氮沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)由遍布全國(guó)的43個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成,包括10個(gè)城市點(diǎn),22個(gè)農(nóng)村點(diǎn)和11個(gè)背景點(diǎn)。他們把43個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分配到六個(gè)區(qū)域:華北(North China-NC,13個(gè)點(diǎn)),東南(Southeast China-SE,11個(gè)點(diǎn)),西南(Southwest China-SW,7個(gè)點(diǎn)),東北(Northeast China-NE,5個(gè)點(diǎn)),西北(Northwest China-NW,5個(gè)點(diǎn))和青藏高原(the Tibetan Plateau-TP,2個(gè)點(diǎn))。六個(gè)區(qū)域中監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用區(qū)域代碼(NC、SE、SW、NE、NW、TP)加上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)表示,比如NC1,NC2,SE1,SE2,SW1,SW2等。本研究選用的是在我國(guó)廣布的細(xì)葉小羽蘚(H.microphyllum),為羽蘚科(Thuidiaceae)小羽蘚屬植物,綠色或黃綠色,莖規(guī)則羽狀分枝,莖上密生鱗毛。莖葉闊卵形基部漸上成狹披針形尖,邊緣具齒,中肋一般消失于葉尖下,葉中部細(xì)胞六角形至卵形,具單個(gè)尖疣。枝葉卵形,具披針形尖。蒴柄紅棕色,孢蒴弓形彎曲,蒴齒兩層,孢子具細(xì)疣。該蘚種已在一些研究中被用來(lái)監(jiān)測(cè)大氣氮沉降[26-27]。在距大氣氮沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)1000 m的范圍內(nèi)[15]采集細(xì)葉小羽蘚,但因?yàn)橛行┍O(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的地區(qū)較偏遠(yuǎn),有些監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊無(wú)細(xì)葉小羽蘚的分布,因此我們僅在18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊采集到細(xì)葉小羽蘚樣品。18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其相應(yīng)的細(xì)葉小羽蘚采樣點(diǎn)的詳細(xì)描述見表1。
細(xì)葉小羽蘚樣品采集時(shí)間為2017年8~10月,采樣點(diǎn)距大氣氮沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體距離見表1。苔蘚樣品的采集及制備參照ICP(International Cooperative Programmes)植被苔蘚監(jiān)測(cè)手冊(cè)[28]。每個(gè)采樣點(diǎn),上方應(yīng)該無(wú)遮蓋,為避免由冠層滴落引起的額外的氮在苔蘚中的累積[29],采樣點(diǎn)離樹木冠層投影至少3 m。在每個(gè)采樣點(diǎn),劃定一個(gè)50 m×50 m的正方形區(qū)域,在區(qū)域內(nèi)采集5份子樣品,最后混合成一份樣品。從苔蘚中除去雜草、土塊、石塊等雜質(zhì),用超純水沖洗3~4遍,分離綠色和褐色部分(代表了最近2~3年的生長(zhǎng))用于分析。將苔蘚樣品置于40℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重,用液氮研磨成粉末,用于測(cè)定氮含量。
表1 大氣氮沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及苔蘚采樣點(diǎn)信息Table 1 Information on the eighteen sampling sites on atmospheric nitrogen deposition and moss samples
苔蘚N濃度的測(cè)定使用凱氏定氮法。用萬(wàn)分之一電子天平稱取0.50(±0.000 5)g樣品,置于250 mL三角瓶中。先滴入少些水(2 mL)濕潤(rùn)樣品,10 min后加5 mL H2SO4,輕輕搖勻并放置過(guò)夜。在通風(fēng)廚中消煮,當(dāng)溶液呈均勻的棕黑色時(shí)取下(時(shí)間約3 h),稍冷后加10滴H2O2,搖勻,并不斷搖動(dòng)凱氏瓶,以利于反應(yīng)充分進(jìn)行。再加熱至微沸,消煮約10~20 min,取下稍冷后,重復(fù)加5~10滴H2O2,再消煮。如此重復(fù)2~3次,每次添加的H2O2的量應(yīng)逐次減少,消煮到溶液呈無(wú)色或清亮后,再加熱約5~10 min,以除盡剩余的H2O2。將消煮管取下,冷卻。并用少量超純水沖洗彎頸漏斗,洗液流入消煮管。將消煮液無(wú)損地洗入100 mL容量瓶中,用超純水定容,搖勻。過(guò)濾或放置澄清后供氮含量的測(cè)定。每個(gè)樣品均做平行雙樣處理,每批樣品消煮均設(shè)置相應(yīng)的混合酸作為空白對(duì)照,以校正實(shí)際誤差。用凱氏定氮儀(K9860,海能,中國(guó))測(cè)定氮含量。
大氣氮干、濕及總沉降量數(shù)據(jù)由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)劉學(xué)軍教授課題組提供,因此本文僅簡(jiǎn)要介紹氮沉降的采樣方法及測(cè)定,詳細(xì)內(nèi)容參照許穩(wěn)[30]。降水樣品的收集采用雨量器(SDM6,天津氣象儀器公司,中國(guó)),每次降水(或雪)發(fā)生,雨量器自動(dòng)收集雨水(或雪)。因?yàn)楸狙芯渴褂玫挠炅科饕恢笔浅ㄩ_的,在實(shí)際收集大氣濕沉降的過(guò)程中會(huì)混入部分干沉降,所以本研究將濕沉降定義為濕/混合沉降(Bulk deposition)。根據(jù)樣品中的無(wú)機(jī)氮(NH4+和NO3-)含量及降水量測(cè)定大氣氮濕/混合沉降量。每月對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣中的NH3、NO2、HNO3、ρNH4+和ρNO3-(顆粒態(tài)銨離子和顆粒態(tài)硝酸根離子)濃度進(jìn)行采樣,NH3、HNO3、ρNH4+、ρNO3-的采集采用主動(dòng)采樣DELTA(Denuder for Long-Term Atmospheric Sampling)系統(tǒng),NO2樣品采集采用Gradko被動(dòng)擴(kuò)散管(Gradko國(guó)際有限公司,英國(guó)),然后利用推算法估計(jì)大氣氮干沉降量。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)提供了2014~2016年,18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)三年中每年的年均大氣干、濕及總沉降量數(shù)據(jù)。
b人口密度估算采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在行政區(qū)域(鄉(xiāng)/區(qū)/縣)的人口處于相應(yīng)的區(qū)域面積。人口數(shù)量引自我國(guó)2010年第六次人口普查結(jié)果,下載自官方網(wǎng)站(http://www.stats.gov.cn)。
所有的統(tǒng)計(jì)分析均用SPSS17.0(IBM Corporation, Somers, NY, USA),設(shè)置p<0.05作為顯著性水平。我們采用回歸分析方法,分析苔蘚組織中的氮濃度與大氣總氮沉降之間的變化關(guān)系,并探討干、濕/混合沉降對(duì)變化關(guān)系的影響。為了測(cè)試其他因素對(duì)苔蘚組織中氮濃度與大氣氮沉降關(guān)系的影響,采用了多元線性回歸分析和方差分析(ANOVA)。大氣總氮沉降量以及干、濕/混合沉降量采用2014~2016年年平均氮沉降值。因?yàn)镹C10、SE9、SE10、SE11四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2016年只監(jiān)測(cè)了干沉降量數(shù)據(jù),SW5監(jiān)測(cè)點(diǎn)在 2016年無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),所以NC10、SE9、SE10、SE11四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮沉降量及濕/混合沉降量只計(jì)算了2014~2015年兩年的平均值,SW5監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總氮沉降量及干、濕/混合沉降量?jī)H計(jì)算了2014~2015年兩年的平均值。
大氣氮濕/混合沉降與苔蘚中的氮濃度顯示出顯著性的正相關(guān)關(guān)系(P< 0.01,R2= 0.45,圖1a)。苔蘚中的氮濃度與大氣氮干沉降之間存在正相關(guān)關(guān)系,弱于與大氣濕/混合沉降之間的關(guān)系,但是仍然顯著(P< 0.01,R2= 0.39,圖1b)。當(dāng)將大氣濕/混合沉降與大氣干沉降結(jié)合時(shí),苔蘚氮濃度與大氣總氮沉降之間顯示出更良好的相關(guān)性(P<0.000 1,R2= 0.61,圖1c)。這些結(jié)果顯示,苔蘚吸收大氣干、濕沉降。先前的研究也表明,大氣干、濕沉降對(duì)苔蘚中污染物的累積都起到很重要的作用[18,31,32]。劉學(xué)炎等[19]歸納了國(guó)外學(xué)者報(bào)道的不同地區(qū)不同蘚類氮含量(y, %)與大氣總氮沉降(x, kg N ha-1·yr-1)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)較強(qiáng)且顯著的線性相關(guān)關(guān)系(y=0.052x+0.7305,R2=0.7026,P<0.001)。Kosonen 等[18]比較了瑞士24個(gè)大氣氮沉降監(jiān)測(cè)站測(cè)得的大氣總氮沉降(x, kg N ha-1·yr-1)與監(jiān)測(cè)站周邊2種蘚類氮含量(y, mg·g-1)的值,也發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)出顯著性的線性關(guān)系(y=0.032x+6.6,R2=0.78,P<0.001)。與這兩篇文章報(bào)道相比,本研究中大氣氮沉降與苔蘚中總氮濃度之間顯著相關(guān),但相關(guān)系數(shù)略低,這可能與本文中采樣點(diǎn)數(shù)量較少及蘚種不同[7,12,15,18]有關(guān)系。
圖1 苔蘚氮濃度與大氣氮沉降的關(guān)系Fig. 1 Relationship between the N concentration in mosses and atmospheric N deposition
許穩(wěn)[30]通過(guò)對(duì)中國(guó)大氣活性氮干濕沉降研究發(fā)現(xiàn),就區(qū)域來(lái)看,N干沉降和濕/混合沉降對(duì)總沉降的貢獻(xiàn)不同:華北(NC)、東北(NE)和西南(SW)地區(qū)大氣N沉降以干沉降為主,其貢獻(xiàn)分別為57%、54%和55%;東南(SE)地區(qū)以濕沉降為主,其貢獻(xiàn)為61%。將以干沉降為主地區(qū)的大氣總氮沉降與苔蘚中總氮濃度進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著性的線性相關(guān)關(guān)系(R2= 0.65,P<0.05,圖2a)。在以濕沉降為主的地區(qū),大氣總氮沉降與苔蘚中總氮濃度呈現(xiàn)顯著性線性相關(guān)性,但相關(guān)系數(shù)低于前者(圖2b)。Pitcairn 等[23]的研究表明,苔蘚中的氮濃度對(duì)大氣干、濕沉降會(huì)有不同的反應(yīng);在以濕沉降為主的地點(diǎn),大氣氮沉降每增加1 kg N ha-1·yr-1,苔蘚中氮濃度就增加0.1 mg·g-1,但在蘇格蘭養(yǎng)殖場(chǎng)的下風(fēng)向,以NH3干沉降為主的地區(qū),苔蘚中的氮濃度增加了0.3 mg·g-1。本研究中干沉降為主的地區(qū),大氣總氮沉降每增加1 kg N ha-1·yr-1,苔蘚中氮濃度就增加0.039 6%,而在濕/混合沉降為主的地區(qū),則增加0.029 5%(圖2)。
本研究中苔蘚采樣點(diǎn)與大氣氮沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離范圍為0~0.998 km (表1)。兩者之間的距離對(duì)苔蘚氮濃度與大氣氮沉降之間關(guān)系的影響是顯著的。距離的差異對(duì)大氣氮干沉降(P= 0.010 < 0.05,表2)、濕/混合沉降(P= 0.022 < 0.05,表2)以及總氮沉降(P= 0.017 < 0.05,表2)與苔蘚中氮濃度關(guān)系的影響都是顯著的。Thimonier等[33]研究顯示,大氣濕氮沉降在空間上和時(shí)間上有很大的變異性。還有研究顯示,由于地形、植被、局部污染源及小氣候的影響,大氣氮沉降在空間上變化很大[23-34]。因此,本研究中苔蘚采樣點(diǎn)與大氣氮沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間高至0.998 km的距離,可能也在一定程度上影響了苔蘚中氮濃度與大氣總氮沉降之間的相關(guān)關(guān)系,導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)偏低。
表2 多元線性回歸系數(shù)Table 2 Coefficients for multiple linear regression
本研究比較了細(xì)葉小羽蘚體內(nèi)氮濃度與附近地點(diǎn)的大氣干沉降、濕/混合沉降及總氮沉降之間的相關(guān)關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn),苔蘚中總氮濃度與大氣干、濕/混合沉降之間都呈現(xiàn)出顯著性的線性相關(guān)關(guān)系,表明苔蘚從大氣干、濕沉降中吸收氮元素,大氣干、濕沉降對(duì)苔蘚中的氮累積都起到很重要的作用。苔蘚中總氮濃度與大氣總氮沉降之間顯著性的線性相關(guān)關(guān)系,表明苔蘚監(jiān)測(cè)技術(shù)可以用來(lái)作為一種估算大氣總氮沉降量的補(bǔ)充方法,尤其在氮沉降量較低而無(wú)法用儀器監(jiān)測(cè)或無(wú)常規(guī)監(jiān)測(cè)儀器的地區(qū)。苔蘚中總氮濃度對(duì)大氣干、濕沉降的反應(yīng)不同,對(duì)干沉降的反應(yīng)更敏感。本研究中苔蘚采樣點(diǎn)與大氣氮沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離對(duì)苔蘚中總氮濃度與大氣總氮沉降之間的相關(guān)關(guān)系產(chǎn)生影響。因此,在以后的研究中需要減少兩者采樣點(diǎn)之間的距離,盡量在同一地點(diǎn)進(jìn)行采樣,以最大限度的減少大氣氮沉降空間變異的影響。本研究因苔蘚采樣點(diǎn)數(shù)量略少,可能降低了相關(guān)關(guān)系的系數(shù),因此需加大采樣數(shù)量,以改善苔蘚在中國(guó)范圍內(nèi)作為大氣氮沉降監(jiān)測(cè)的生物監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用。苔蘚中氮濃度與大氣總氮沉降之間的相關(guān)關(guān)系可能還會(huì)受到其他因素的影響,比如不同的氮組分、苔蘚種類等,這些因素對(duì)這種關(guān)系的影響都需要搜集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)查??傮w來(lái)說(shuō),苔蘚監(jiān)測(cè)技術(shù)仍然是識(shí)別大氣高氮沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)成本較低的生物監(jiān)測(cè)方式。