细叶小羽藓体内含氮量与大气氮沉降对应关系的研究

周晓丽，许 稳，温 章，刘学军，曹琼月，方炎明

(1. 盐城师范学院 海洋与生物工程学院，江苏 盐城 224007；2. 南京林业大学 南方现代林业协同创新中心/亚热带森林生物多样性保护国家林业和草原局重点实验室/生物与环境学院，江苏 南京 210037； 3. 中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193)

氮(N)元素是植物生长所需的重要营养元素，但是在过去几十年，由于农业的集约化发展及机动车辆的增加等因素导致N排放量增加，引起N的富营养化。大气N沉降量的加剧会导致生态系统中物种组成发生改变，土壤酸化，从而破坏生态系统的稳定性[1-2]。增加的N沉降对生态系统产生的负面影响很难在短期内被监测到，例如当增加的N输入使树木不稳定时，它们就易受到风暴等极端天气的影响[3]。因此，定期监测大气N沉降对于保护敏感的生态系统以及识别存在风险的区域非常重要。

大气氮沉降主要包括湿沉降和干沉降两种形式。大气N湿沉降(Wet deposition)是指大气中气态和颗粒态N通过降雨或降雪的冲刷到达地表。大气N干沉降(Dry deposition)是指大气中气态和颗粒态N在未发生降水时，受重力、颗粒物吸附、植物气孔吸收等一些大气过程传输到地表。Flechard 等[4]和Vet 等[5]研究发现，干沉降约占总沉降量的2/3，所以忽略干沉降势必会低估大气N的总沉降量。氮化合物在大气中主要以氧化或还原形式存在。氧化形式主要有降水中的硝酸盐(NO3-)，气体中的二氧化氮(NO2)、硝酸(HNO3)，以及气溶胶中的硝酸盐(NO3-)。氧化氮的主要人为来源是交通运输、工业及能源生产，估计贡献了高达70%的氧化氮排放量[6]。还原形式主要有降水中的铵(NH4+)，气体中的氨气(NH3)，以及气溶胶中的铵(NH4+)。还原氮的人为来源主要与农业活动有关，比如畜牧业及肥料的生产和应用[7]。推算法是目前世界上各地监测网中被广泛应用来估算大气N干沉降量的方法，通过测定大气N组分浓度和沉降速率来间接计算：Fd=Cz·Vd，其中：Fd为干沉降通量；Cz为一定采样高度的气体、气溶胶粒子的N组分浓度；Vd为干沉降速率[8]。雨量器法是全世界各地的大气N湿沉降定量中被广泛使用的方法，雨量器长期敞开，收集的沉降样品因此包含部分干沉降(如降尘)，所以又称为混合沉降[9-10]。应用推算法和雨量器法，需要连续每月的监测，以这种方法测定大气N的沉降量是非常昂贵且费力的，通常只能建立少量的观测点，不适合在大空间尺度上进行大气氮沉降的监测。

苔藓植物因缺乏真正的根系，无维管组织，无蜡质保护层，所以主要通过干、湿沉降从大气中吸收水分、营养物质及污染物。因此，苔藓植物因其特殊的结构被广泛应用于大气氮沉降的监测[11-13]。苔藓监测技术为大气氮沉降提供了一种补充的测量方法。由于它比常规的监测方法更容易、更便宜，所以可以获得更高的采样密度。利用苔藓对大气氮沉降进行被动的生物监测能够以更高的空间分辨率确定大气氮沉降的变化，包括在没有建立大气氮沉降监测网络的国家或地区。欧洲国家开展了很多关于苔藓氮含量与大气氮沉降(模拟的或实测的)的定量关系的研究[12,14-16]。Harmens 等[7]观察到苔藓中的总氮浓度与欧洲EMEP(European Monitoring and Evaluation Programme)模型模拟的总氮沉降之间的渐近关系，当总氮沉降量大约为15 kg N ha-1·yr-1时，苔藓中的总氮浓度达到饱和(即随着氮沉降量的增加，苔藓组织中的氮浓度不再进一步增加)。在瑞士，苔藓中的总氮浓度与实测的大气湿氮沉降之间呈现出显著的线性关系(R2=0.91)[7]。Skudnik 等[17]研究显示苔藓中总氮浓度与大气氮湿/混合沉降之间的线性关系弱但显著。Kosonen 等[18]测定了瑞士24个监测点的大气总氮沉降(干、湿沉降)，将该值与从这些地点采集的苔藓氮浓度进行比较，发现加入气体和气溶胶中的氮(NH3、NO2)改善了苔藓中氮浓度与氮沉降的相关性，而氨气(NH3)被发现是改善相关关系最重要的氮组分。目前在国内还没有关于大气氮沉降与苔藓氮含量变化关系的实证研究，只有刘学炎等[19]在前人已有的数据基础上，归纳了不同地区不同藓类氮含量(y)与大气氮沉降(x)的平均变化关系(y = 0.052x + 0.732 5)，并根据该综合关系和石生藓类的氮含量对贵州省大气氮沉降通量进行了估算[20]。但是，苔藓氮含量与大气氮沉降之间的变化关系受到很多因素的影响，例如苔藓种类[21-22]、氮的不同组分及干、湿沉降[18,23]、不同国家或地区不同的气象条件[15]等。中国农业大学自2010年开始建立和不断完善一个全国性的氮沉降监测网络(NNDMN)，监测大气氮湿/混合和干沉降[24-25]，使我们有机会将大气氮干、湿沉降及总沉降与从附近地区采集的细叶小羽藓(Haplocladiummicrophyllum)中的氮浓度进行比较。本研究的目的是找出我国大气总氮沉降与细叶小羽藓氮浓度的定量关系，探讨干、湿沉降对苔藓总氮浓度的贡献，分析可能对苔藓中总氮浓度与大气总氮沉降之间关系产生影响的因素。

1 材料与方法

1.1 大气氮沉降监测点及苔藓采样点介绍

中国农业大学建立的大气氮沉降监测网由遍布全国的43个监测点组成，包括10个城市点，22个农村点和11个背景点。他们把43个监测点分配到六个区域：华北(North China-NC，13个点)，东南(Southeast China-SE，11个点)，西南(Southwest China-SW，7个点)，东北(Northeast China-NE，5个点)，西北(Northwest China-NW，5个点)和青藏高原(the Tibetan Plateau-TP，2个点)。六个区域中监测点采用区域代码(NC、SE、SW、NE、NW、TP)加上监测点的阿拉伯数字编号表示，比如NC1，NC2，SE1，SE2，SW1，SW2等。本研究选用的是在我国广布的细叶小羽藓(H.microphyllum)，为羽藓科(Thuidiaceae)小羽藓属植物，绿色或黄绿色，茎规则羽状分枝，茎上密生鳞毛。茎叶阔卵形基部渐上成狭披针形尖，边缘具齿，中肋一般消失于叶尖下，叶中部细胞六角形至卵形，具单个尖疣。枝叶卵形，具披针形尖。蒴柄红棕色，孢蒴弓形弯曲，蒴齿两层，孢子具细疣。该藓种已在一些研究中被用来监测大气氮沉降[26-27]。在距大气氮沉降监测点1000 m的范围内[15]采集细叶小羽藓，但因为有些监测点所处的地区较偏远，有些监测点周边无细叶小羽藓的分布，因此我们仅在18个监测点周边采集到细叶小羽藓样品。18个监测点及其相应的细叶小羽藓采样点的详细描述见表1。

1.2 苔藓样品采集及氮浓度的测定

细叶小羽藓样品采集时间为2017年8～10月，采样点距大气氮沉降监测点的具体距离见表1。苔藓样品的采集及制备参照ICP(International Cooperative Programmes)植被苔藓监测手册[28]。每个采样点，上方应该无遮盖，为避免由冠层滴落引起的额外的氮在苔藓中的累积[29]，采样点离树木冠层投影至少3 m。在每个采样点，划定一个50 m×50 m的正方形区域，在区域内采集5份子样品，最后混合成一份样品。从苔藓中除去杂草、土块、石块等杂质，用超纯水冲洗3～4遍，分离绿色和褐色部分(代表了最近2～3年的生长)用于分析。将苔藓样品置于40℃的恒温干燥箱中烘干至恒重，用液氮研磨成粉末，用于测定氮含量。

表1 大气氮沉降监测点及苔藓采样点信息Table 1 Information on the eighteen sampling sites on atmospheric nitrogen deposition and moss samples

苔藓N浓度的测定使用凯氏定氮法。用万分之一电子天平称取0.50(±0.000 5)g样品，置于250 mL三角瓶中。先滴入少些水(2 mL)湿润样品，10 min后加5 mL H2SO4，轻轻摇匀并放置过夜。在通风厨中消煮，当溶液呈均匀的棕黑色时取下(时间约3 h)，稍冷后加10滴H2O2，摇匀，并不断摇动凯氏瓶，以利于反应充分进行。再加热至微沸，消煮约10～20 min，取下稍冷后，重复加5～10滴H2O2，再消煮。如此重复2～3次，每次添加的H2O2的量应逐次减少，消煮到溶液呈无色或清亮后，再加热约5～10 min，以除尽剩余的H2O2。将消煮管取下，冷却。并用少量超纯水冲洗弯颈漏斗，洗液流入消煮管。将消煮液无损地洗入100 mL容量瓶中，用超纯水定容，摇匀。过滤或放置澄清后供氮含量的测定。每个样品均做平行双样处理，每批样品消煮均设置相应的混合酸作为空白对照，以校正实际误差。用凯氏定氮仪(K9860，海能，中国)测定氮含量。

1.3 大气氮沉降的测定

大气氮干、湿及总沉降量数据由中国农业大学刘学军教授课题组提供，因此本文仅简要介绍氮沉降的采样方法及测定，详细内容参照许稳[30]。降水样品的收集采用雨量器(SDM6，天津气象仪器公司，中国)，每次降水(或雪)发生，雨量器自动收集雨水(或雪)。因为本研究使用的雨量器一直是敞开的，在实际收集大气湿沉降的过程中会混入部分干沉降，所以本研究将湿沉降定义为湿/混合沉降(Bulk deposition)。根据样品中的无机氮(NH4+和NO3-)含量及降水量测定大气氮湿/混合沉降量。每月对监测点空气中的NH3、NO2、HNO3、ρNH4+和ρNO3-(颗粒态铵离子和颗粒态硝酸根离子)浓度进行采样，NH3、HNO3、ρNH4+、ρNO3-的采集采用主动采样DELTA(Denuder for Long-Term Atmospheric Sampling)系统，NO2样品采集采用Gradko被动扩散管(Gradko国际有限公司，英国)，然后利用推算法估计大气氮干沉降量。中国农业大学团队提供了2014～2016年，18个监测点三年中每年的年均大气干、湿及总沉降量数据。

b人口密度估算采用监测点所在行政区域(乡/区/县)的人口处于相应的区域面积。人口数量引自我国2010年第六次人口普查结果，下载自官方网站(http://www.stats.gov.cn)。

1.4 大气总氮沉降与苔藓中氮浓度的关系

所有的统计分析均用SPSS17.0(IBM Corporation, Somers, NY, USA)，设置p<0.05作为显著性水平。我们采用回归分析方法，分析苔藓组织中的氮浓度与大气总氮沉降之间的变化关系，并探讨干、湿/混合沉降对变化关系的影响。为了测试其他因素对苔藓组织中氮浓度与大气氮沉降关系的影响，采用了多元线性回归分析和方差分析(ANOVA)。大气总氮沉降量以及干、湿/混合沉降量采用2014～2016年年平均氮沉降值。因为NC10、SE9、SE10、SE11四个监测点在2016年只监测了干沉降量数据，SW5监测点在 2016年无监测数据，所以NC10、SE9、SE10、SE11四个监测点总氮沉降量及湿/混合沉降量只计算了2014～2015年两年的平均值，SW5监测点的总氮沉降量及干、湿/混合沉降量仅计算了2014～2015年两年的平均值。

2 结果与讨论

2.1 苔藓中氮浓度与大气氮沉降的关系

大气氮湿/混合沉降与苔藓中的氮浓度显示出显著性的正相关关系(P< 0.01，R2= 0.45，图1a)。苔藓中的氮浓度与大气氮干沉降之间存在正相关关系，弱于与大气湿/混合沉降之间的关系，但是仍然显著(P< 0.01，R2= 0.39，图1b)。当将大气湿/混合沉降与大气干沉降结合时，苔藓氮浓度与大气总氮沉降之间显示出更良好的相关性(P<0.000 1，R2= 0.61，图1c)。这些结果显示，苔藓吸收大气干、湿沉降。先前的研究也表明，大气干、湿沉降对苔藓中污染物的累积都起到很重要的作用[18,31,32]。刘学炎等[19]归纳了国外学者报道的不同地区不同藓类氮含量(y, %)与大气总氮沉降(x, kg N ha-1·yr-1)的关系，发现两者之间呈现较强且显著的线性相关关系(y=0.052x+0.7305，R2=0.7026，P<0.001)。Kosonen 等[18]比较了瑞士24个大气氮沉降监测站测得的大气总氮沉降(x, kg N ha-1·yr-1)与监测站周边2种藓类氮含量(y, mg·g-1)的值，也发现两者之间呈现出显著性的线性关系(y=0.032x+6.6，R2=0.78，P<0.001)。与这两篇文章报道相比，本研究中大气氮沉降与苔藓中总氮浓度之间显著相关，但相关系数略低，这可能与本文中采样点数量较少及藓种不同[7,12,15,18]有关系。

图1 苔藓氮浓度与大气氮沉降的关系Fig. 1 Relationship between the N concentration in mosses and atmospheric N deposition

许稳[30]通过对中国大气活性氮干湿沉降研究发现，就区域来看，N干沉降和湿/混合沉降对总沉降的贡献不同：华北(NC)、东北(NE)和西南(SW)地区大气N沉降以干沉降为主，其贡献分别为57%、54%和55%；东南(SE)地区以湿沉降为主，其贡献为61%。将以干沉降为主地区的大气总氮沉降与苔藓中总氮浓度进行比较，发现两者存在显著性的线性相关关系(R2= 0.65，P<0.05，图2a)。在以湿沉降为主的地区，大气总氮沉降与苔藓中总氮浓度呈现显著性线性相关性，但相关系数低于前者(图2b)。Pitcairn 等[23]的研究表明，苔藓中的氮浓度对大气干、湿沉降会有不同的反应；在以湿沉降为主的地点，大气氮沉降每增加1 kg N ha-1·yr-1，苔藓中氮浓度就增加0.1 mg·g-1，但在苏格兰养殖场的下风向，以NH3干沉降为主的地区，苔藓中的氮浓度增加了0.3 mg·g-1。本研究中干沉降为主的地区，大气总氮沉降每增加1 kg N ha-1·yr-1，苔藓中氮浓度就增加0.039 6%，而在湿/混合沉降为主的地区，则增加0.029 5%(图2)。

2.2 影响大气氮沉降与苔藓氮浓度相关关系的因素分析

本研究中苔藓采样点与大气氮沉降监测点之间的距离范围为0～0.998 km (表1)。两者之间的距离对苔藓氮浓度与大气氮沉降之间关系的影响是显著的。距离的差异对大气氮干沉降(P= 0.010 < 0.05，表2)、湿/混合沉降(P= 0.022 < 0.05，表2)以及总氮沉降(P= 0.017 < 0.05，表2)与苔藓中氮浓度关系的影响都是显著的。Thimonier等[33]研究显示，大气湿氮沉降在空间上和时间上有很大的变异性。还有研究显示，由于地形、植被、局部污染源及小气候的影响，大气氮沉降在空间上变化很大[23-34]。因此，本研究中苔藓采样点与大气氮沉降监测点之间高至0.998 km的距离，可能也在一定程度上影响了苔藓中氮浓度与大气总氮沉降之间的相关关系，导致相关系数偏低。

表2 多元线性回归系数Table 2 Coefficients for multiple linear regression

4 结 论

本研究比较了细叶小羽藓体内氮浓度与附近地点的大气干沉降、湿/混合沉降及总氮沉降之间的相关关系。我们发现，苔藓中总氮浓度与大气干、湿/混合沉降之间都呈现出显著性的线性相关关系，表明苔藓从大气干、湿沉降中吸收氮元素，大气干、湿沉降对苔藓中的氮累积都起到很重要的作用。苔藓中总氮浓度与大气总氮沉降之间显著性的线性相关关系，表明苔藓监测技术可以用来作为一种估算大气总氮沉降量的补充方法，尤其在氮沉降量较低而无法用仪器监测或无常规监测仪器的地区。苔藓中总氮浓度对大气干、湿沉降的反应不同，对干沉降的反应更敏感。本研究中苔藓采样点与大气氮沉降监测点距离对苔藓中总氮浓度与大气总氮沉降之间的相关关系产生影响。因此，在以后的研究中需要减少两者采样点之间的距离，尽量在同一地点进行采样，以最大限度的减少大气氮沉降空间变异的影响。本研究因苔藓采样点数量略少，可能降低了相关关系的系数，因此需加大采样数量，以改善苔藓在中国范围内作为大气氮沉降监测的生物监测方法的应用。苔藓中氮浓度与大气总氮沉降之间的相关关系可能还会受到其他因素的影响，比如不同的氮组分、苔藓种类等，这些因素对这种关系的影响都需要搜集更多的数据进行进一步的调查。总体来说，苔藓监测技术仍然是识别大气高氮沉降风险区成本较低的生物监测方式。