北京地區典型落葉闊葉喬木葉片含氮量和δ15N值對大氣氮沉降的響應

劉超明,唐美慶,馬 坤,劉星韻,于 涵,張 穎

北京林業大學自然保護區學院， 北京 100083

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北京地區典型落葉闊葉喬木葉片含氮量和δ15N值對大氣氮沉降的響應

劉超明,唐美慶,馬 坤,劉星韻,于 涵,張 穎*

北京林業大學自然保護區學院， 北京 100083

為探究植物對大氣氮沉降的響應和對這部分氮素的來源指示作用,本研究通過對北京地區198個采樣點,典型落葉闊葉喬木楊屬(Populus)和柳屬(Salix)植物葉片進行采樣,測定其葉片樣品含氮量和δ15N值。結果表明：北京地區楊屬植物葉片含氮量為16.5—38.6 g/kg,平均(24.0±4.0) g/kg；柳屬植物葉片含氮量為17.2—36.2 g/kg,平均(25.9±4.1) g/kg。研究區域范圍內楊屬、柳屬植物葉片的含氮量均呈現出西北低、東南高的對角線型分布,與該區域大氣氮沉降的空間變異相吻合。由于研究區域范圍內氣候因子無明顯的變異,植物葉片的含氮量變化反應了大氣氮沉降對植物元素化學計量特征的影響和植物對大氣氮沉降的響應。北京地區楊屬植物葉片δ15N值為-3.95‰—8.10‰,平均(1.15±2.48)‰；柳屬植物葉片δ15N值為-3.04‰—9.73‰,平均(2.31±2.60)‰。楊屬和柳屬植物葉片的δ15N值均呈現出西北高、中部高、東南低的空間分布,與葉片含氮量空間分布趨勢相反。中部城區較高的δ15N值反應了交通污染對大氣含氮化合物增加的影響；西北部較高的δ15N值反應了該區域受人為活動排放源的影響較少,自然的氮循環是其較高δ15N值的主要原因；東南部較低的δ15N值則有可能是由農業活動和交通共同作用的結果。

落葉闊葉喬木；葉片含氮量；δ15N；大氣氮沉降；北京地區

大氣氮沉降是指活性氮化合物從大氣中返回到陸地或水體表面的過程[1]。受人類活動的影響,工業革命以來,排放到大氣中的含氮化合物急劇增加,從而導致了大氣氮沉降量在全球范圍內的升高[1- 3]。至上世紀末,美國中東部、歐洲西部和我國東部地區,已成為全球典型的高氮沉降區。據估計,我國東部將成為本世紀中期全球大氣氮沉降最高的地區之一[4-5],這部分沉降到地球表面的活性氮,對陸生和水生生態系統可能會產生深刻的影響[6- 8]。就陸地植被而言,大氣沉降中50%—70%的氮被樹冠吸收[9],大多數植物能通過葉片氣孔直接吸收氮氧化物(NO2或NO)和氨(NH3),并表現出葉片氮含量相應的升高[10- 12],從而對大氣氮沉降的水平有一定的生物指示作用[13-14]。Liu等[15]研究表明,過去30年中,我國的大氣氮沉降增加了60%,相應的植物葉片的含氮量增加了34%。盡管在大尺度范圍內,溫度、濕度、降水量等氣候因子對葉片氮含量的也同樣有一定程度的影響[16-17],但是葉片含氮量的變化對相應的大氣氮沉降的升高表現出了顯著的正相關性[15]。

穩定性同位素技術是現代生態學研究,特別是生態系統生物地球化學循環研究中不可或缺的方法之一[18-19]。自然界中,不同來源的活性氮δ15N值存在顯著差異。一般而言,大氣中氨(NH3)揮發多來自化肥的施用和牲畜的排泄物,氮氧化物(NOx)的排放則多來自化石燃料的燃燒和汽車尾氣的排放。Felix等[21]在美國用被動采樣器收集的來自化肥施用的氨揮發樣品的δ15N值在-48‰—-36.3‰之間,養殖場內的氨揮發樣品的δ15N值在-56‰—-23.1‰之間；而Yeatman等[21]在靠近養殖排放源附近采樣的大氣顆粒物δ15N值比較高,其δ15NH4-N范圍在4‰—22‰之間,δ15NO3-N的范圍在2‰—15‰之間；燃煤排放的NOx的δ15N通常偏高,例如火力發電場附近NO3-N的δ15N值介于6‰—25.6‰之間[22-23]；汽車尾氣排放的NOx的δ15N往往變化范圍較大[24],通常認為汽車在高速行駛過程、汽油完全燃燒的情況下δ15N值偏低,δ15NO3-N的范圍在-13‰—-2‰之間[22],而汽車的低速行駛、汽油不完全燃燒的情況下δ15N值偏高,NO3-N的δ15N值介于3.9‰—12‰之間[25]。由于植物葉片可以截留和吸收大部分大氣氮沉降[14],因此,其葉片的δ15N值,對于大氣氮素沉降的通量和來源有著生物學指示意義[26-27],在一定程度上可以用于識別和區分大氣氮素沉降中氮素的來源。

北京地區總面積約1.64萬km2,南部和東南部60%的面積位于華北平原的北部,是全球典型的高氮沉降區[28-29]。該區域總的大氣氮沉降可高達100 kg N hm-2a-1[30]；而其北部和西北部與華北平原接壤的地區則以山區為主,受人為活動影響相對較少的原因,大氣氮沉降則呈現出相對較低的水平[31]。由于該地區所跨越的經度和緯度范圍較小,多年平均降水量和多年平均溫度相應的變化不大,但其大氣氮沉降卻呈現出明顯的北部和西北部偏低,南部和東南部偏高的趨勢[31]。因此,本研究通過對北京地區典型的落葉闊葉喬木(楊屬和柳屬)的網格式采樣,測定其葉片的含氮量和δ15N值,從而驗證在不受氣候因子影響下,葉片含氮量對大氣氮沉降響應,以及對大氣氮沉降來源的指示作用。

1 材料與方法

1.1 研究區域

北京地區位于我國華北平原的北部邊緣(39°28′—41°05′N,115°25′—117°30′E),處于暖溫帶半濕潤半干旱季風型大陸氣候區,西部為太行山余脈,北部為燕山山脈,南部、東南部和中部為華北平原北界的平原地區,自東北至西南山區和平原區呈對角線分布。西北部山區土地利用類型以森林為主,兼有草地分布(圖1)；東南部土地利用類型以農田為主。受南部華北平原的影響,該地區60%的面積位于全球典型的高氮沉降區域內。這部分地區由降水帶入的氮素濕沉降多年平均值為34 kg N hm-2a-1(其中包括無機氮沉降約為27 kg N hm-2a-1,有機氮沉降約為7 kg N hm-2a-1)[26,27],氮素的干沉降也高達50 kg N hm-2a-1[28]。同時,該地區的大氣氮沉降呈現出空間分布上的變異[29],由Zhang等[31]模擬的華北5km大氣氮沉降的結果顯示(圖1),基本上南部和東南部為城市、城鎮和農田分布為主的地區大氣氮沉降量較高,北部和西北部為森林、草地分布為主的地區大氣氮沉降量較低。

圖1 北京地區土地利用分布圖北京5 km大氣氮沉降空間分布圖Fig.1 Landuse map and 5 km atmospheric N deposition map of Beijing area

1.2 植物樣品采集和處理

根據5′×5′經緯網將研究區劃分成245個網格,選取經緯網交點附近地形適宜區進行樣品的采集。根據地圖經緯網格,實驗設計樣品采集點245個,由于山區地形的影響個別點無法到達,實際樣品采集點198個,其中楊屬(Populus)植物葉片樣品128個,柳屬(Salix)植物葉片樣品70個(圖2)。樣品采集工作在2013年8月中下旬植被生長旺盛且生物量最大的時期進行,各采樣點分別選取楊屬、柳屬植物向陽枝條上成熟健康葉片。采樣點樹木數量足夠時選取5株,每株取葉片5枚；樹木數量不足時,酌情減少采樣株數,但保證采集葉片數量足夠分析使用。

樣品采集后,當天運回實驗室經烘箱105℃高溫殺青半小時,60℃烘干48h至恒重后,粉碎過1mm篩,再次烘干至恒重。稱取0.4—0.5g樣品,應用凱氏定氮法測定樣品含氮量(g/kg)；稱取1.5—2mg樣品,應用穩定同位素比率質譜儀(美國Thermo公司的MAT253),測定樣品15N穩定同位素自然豐度。

1.3 數據分析

應用Sigma plot10對測定結果進行統計分析,并以Arcgis10.0為平臺,在Arcmap軟件中選取反距離加權插值法(IDW)對研究區域內葉片樣品含氮量和δ15N值的空間分布進行模擬,繪出研究區域內葉片含氮量和δ15N值的空間分布圖。

圖2 北京地區典型落葉闊葉喬木楊屬(Populus)和柳屬(Salix)植物葉片采點分布圖Fig.2 Location of sampling sites of typical deciduous broadleaf trees, Populus and Salix, in Beijing area

2 結果與分析

2.1 北京地區楊屬、柳屬植物葉片含氮量和δ15N值的總體特征

由表1結果所示,北京地區楊屬植物葉片含氮量為16.5—38.6 g/kg,平均(24.0±4.0) g/kg；柳屬植物葉片含氮量為17.2—36.2 g/kg,平均(25.9±4.1) g/kg,顯著高于楊屬植物。北京地區楊屬植物葉片δ15N值為-3.95‰—8.10‰,平均(1.15±2.48)‰；柳屬植物葉片δ15N值為-3.04‰—9.73‰,平均(2.31±2.60)‰,顯著高于楊屬植物。整體而言,北京地區楊屬和柳屬兩種典型落葉闊葉喬木葉片含氮量為16.5—38.6 g/kg,平均(24.7±4.1) g/kg,葉片δ15N值為-3.95‰—9.73‰,平均(1.56±2.57)‰。

表1 北京地區楊屬、柳屬植物葉含氮量和δ15N值的總體特征

同列不同字母表示不同屬植物葉片含氮量或δ15N間差異顯著(P<0.01)

2.2 北京地區楊屬和柳屬植物葉片含氮量和δ15N自然豐度的空間分布

通過反距離權重法插值得到北京地區楊屬和柳屬植物葉片含氮量的空間分布(圖3)。由圖3所示,楊屬植物葉片的含氮量在空間上整體呈現出西北低、東南高的對角線分布,東部、東北部和南部地區葉片含氮量較高,北部、西部和西南部地區葉片含氮量較低。由圖3所示,與楊屬植物類似,柳屬植物葉片的含氮量在空間中也呈現出整體的西北低、東南高的趨勢,但葉片含氮量較高的地區主要分布在東部和南部,而葉片含氮量較低的區域主要分布西部、北部和東北部。綜合兩個屬的植物葉片的含氮量空間分布,總體上北京地區常見落葉闊葉樹種的葉片含氮量呈現出東部和南部較高,西部和北部較低的空間分布特征。

通過反距離權重法進一步對楊屬和柳屬植物葉片的δ15N值進行空間插值,兩屬植物葉片δ15N值的空間分布如圖4：無論是楊屬還是柳屬植物,其葉片δ15N值較高的地區分布在葉片含氮量較低的北部、西南部和中心城區(即東城區、西城區、海淀區、朝陽區、石景山區和豐臺區)；而葉片δ15N值較低的地區則分布在東北和東南部葉片含氮量相對較高的地區。總體而言,北京地區楊屬和柳屬植物葉片δ15N值在空間分布上與葉片含氮量的總體空間分布相反,呈現出西北高、中部高、東南低的趨勢。

圖3 北京地區楊屬和柳屬植物葉片N含量空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of foliar N contents of Populus and Salix in Beijing area

圖4 北京地區楊屬和柳屬植物葉片δ15N值的空間分布Fig.4 Spatial distribution of foliar δ15N values of Populus and Salix in Beijing area

3 討論

3.1 植物葉片含氮量對大氣氮沉降的響應和指示

北京地區189個采樣點楊屬和柳屬植物葉片的含氮量平均為(24.7±4.1) g/kg,與北京及周圍地區部分樣點多樹種采樣的葉片含氮量無顯著差異[32],然而卻顯著高于全國范圍內落葉木本和闊葉木本植物的葉片含氮量[16],同時也顯著高于我國東部南北樣帶上落葉木本和闊葉木本植物的葉片含氮量[33]。就大尺度范圍內而言,植物葉片的含氮量與年均溫度、年均降水量呈反比,與土壤pH值呈正比[17],即隨著緯度的升高葉片的含氮量呈現增加的趨勢[33]。北京地區處于我國的中高緯度地帶,因此,該地帶典型落葉闊葉樹種的葉片含氮量高于全國平均水平,符合地帶性特征。

過去30年,我國大氣氮沉降和全國范圍內植物葉片含氮量,都呈現出顯著的增加趨勢[15]。盡管在全國大尺度范圍內,植物葉片含氮量的變化除大氣氮沉降外,還受到氣候和土壤因子的影響[16-17],相對于全國尺度,北京地區相對較小,其年均降水量、年均溫度、土壤pH和地帶性植被均不會產生較大差異,而植物葉片含氮量呈現出明顯的空間變異,則在一定程度上與大氣氮沉降的外源氮素輸入有關[13,27]。由于北京地區有60%的面積位于全球典型的高氮沉降區華北平原境內,根據以往的研究,該區域的大氣氮沉降的總量可高達100kg N/hm[28-30]。而根據模擬的結果,北京地區位于華北平原以外的地區,由于受山區地形的影響,北京北部地區人為活動相對較少,植被覆蓋以森林和草地為主,這部分地區的大氣氮沉降量,則明顯低于東部和南部地區。因此,北京地區大氣氮沉降在空間上呈現出明顯的西北低、東南高的對角線型分布[31]。本研究中,楊屬和柳屬植物葉片含氮量的空間分布與大氣氮沉降的空間分布趨勢基本相符,說明植物葉片對來自大氣氮沉降的外源氮素具有敏感的影響,同時對大氣中含氮化合物的濃度具有一定的指示作用。

3.2 植物葉片δ15N值對大氣氮沉降來源的指示作用

由圖3所示,北京地區楊屬和柳屬植物的葉片較低的δ15N值出現在東北部和東南部地區,同時這部分地區也是相應的高氮沉降區。根據15N穩定性同位素所指示的大氣中含氮化合物的主要來源,δ15N-NH3為負值時通常與來自于化肥施用帶來的氨揮發有關[34-35],而δ15N-NOx為負值時則主要與機動車輛高速行駛時的排放有關[24]。根據華北平原主要農業生產區大氣氮素濕沉降的δ15N特征值,該區域的δ15N-NH3和δ15N-NOx平均值分別為(-1.2±4.5)‰和(-2.5±3.7)‰,特別是在施肥季δ15N-NH3可低至10‰左右[28]。就土地利用類型而言,東北部和東南部恰好是北京地區位于華北平原的主要農業分布區,盡管東北部地勢偏高,但平谷地區經營林果產業為主,也是重要的農業分布區之一,因此這部分地區偏負的δ15N值來自氨態氮的部分與農業活動中的施肥有關密切的關系。同時,東部和南部地區地勢平坦,是機動車輛進出北京的快速通道,交通污染源排放的NOx也是大氣中含氮化合物的來源之一。Walters[24, 36]對車輛排放的δ15N-NOx進行研究的結果表明,小型車輛排氣系統中的三元催化器對NOx有著顯著的削減和同位素分餾作用,安裝三元催化器的車輛排放的氮氧化物的δ15N值顯著高于沒有安裝三元催化器的車輛排放的氮氧化物。由于北京地區物流的供應和對貨運卡車等進入五環以內城區的限制,京郊地區成為這部分沒有安裝三元催化器的車輛主要行駛區,因此北京東部和南部地區來自于NOx排放的偏負的δ15N值與此有著密切的關系。另外,以首都機場為核心的也呈現出較低的δ15N值分布區,根據Walters[36]等的研究結果由飛機排放的NOx的δ15N值在-7.7‰—0.6‰之間,因此來自于地面連接機場的交通排放和機場的飛機起落航線上的排放也是該區域出現偏負的δ15N值的原因之一。

北京地區楊屬和柳屬植物的葉片較高的δ15N值出現在城區、北部地區和西南部地區,根據15N穩定性同位素所指示的大氣中含氮化合物的主要來源,較高的δ15N值可能與畜禽養殖、機動車輛低速行駛和燃煤的排放有關[21- 23]。盡管有研究表明,來自于畜禽養殖場的氣體樣品中δ15N值偏負[20, 37],但多數研究表明,來自于畜禽養殖的δ15N-NH3呈現是偏正的值[21],同時由于較輕的同位素易先揮發,隨著動物糞便堆放時間的增加15N富集,δ15N-NH3呈現出上增加的趨勢[38]。根據北京地區的土地利用特點,北京市城區目前基本無種植業和養殖業的分布,也無大型燃煤工業分布,因此城區較高的δ15N值主要是由交通堵塞的情況下,汽油不完全燃燒排放的含氮化合物貢獻的[25]。需要指出的是,傳統的觀點認為機動車輛尾氣排放的含氮化合物主要為氮氧化物,但有研究表明,在機動車低速行駛時,汽油燃燒不完全也會有氨(NH3)的排放[39-40]。總之,無論是氮氧化物還是氨,北京城區的交通排放都是主要污染來源。而在北京的西北和西南部地區較低的大氣氮沉降和較高的δ15N值分布區,說明這部分地區一方面大氣中含氮化合物水平較低,另一方面,在人為活動干擾較少的森林覆蓋區,葉片凋落物通過土壤氮素循環供給有可能成為植物葉片氮素來源之一。而這部分因素在人為活動干擾較強的城區和平原地帶沒有考慮,主要原因是北京地區落葉的清理和回收使得城區和平原地區的土壤沒有凋落物的循環。盡管受市政管理的限制,本研究中未對相應點進行土壤樣品的采集,但在大氣氮沉降水平較高的情況下,如無其它外源氮素供應,植物對大氣氮沉降的吸收和利用是其氮素的主要來源。

4 結論

(1)北京地區典型常見落葉闊葉樹種楊屬和柳屬植物葉片的含氮量分別為(24.0±4.0) g/kg和(25.9±4.1) g/kg,與其它對該區域類似研究中葉片含氮量的范圍類似,顯著高于全國范圍內落葉闊葉樹種葉片的含氮量,符合植物葉片元素含量空間變異的地帶性特征。

(2)研究區域范圍內,楊屬和柳屬植物葉片含氮量均呈現出西北低和東南高的對角線型分布,與該區域大氣氮沉降的空間變異相吻合。由于研究區域范圍內氣候因子無明顯的變異,因此,植物葉片含氮量變化反映了大氣氮沉降對植物元素化學計量特征的影響和植物對大氣氮沉降的響應。

(3)楊屬和柳屬植物葉片δ15N值均呈現出西北高、中部高和東南低的空間分布,與葉片含氮量空間分布趨勢相反。中部城區較高的δ15N值,反映了交通污染對大氣含氮化合物增加的影響；西北部較高的δ15N值,則反映了受人為活動排放源的影響較少,自然氮循環是其較高δ15N值的主要原因；東南部較低的δ15N值,則有可能是由農業活動和交通共同作用的結果。

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Responses and Indications of Foliar Nitrogen Contents andδ15N values to Atmospheric Nitrogen Deposition in Beijing, China

LIU Chaoming, TANG Meiqing, MA Kun, LIU Xingyun, YU Han, ZHANG Ying*

SchoolofNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

With 60% of the total area located in the North China Plain, Beijing suffered with very high atmospheric nitrogen (N) deposition in the south part, which was as high as 100 kg hm-2a-1including both organic and inorganic nitrogenous species from both wet and dry deposition. To test the responses of foliar N contents of plants, a collection of deciduous broadleaf tree leaves was conducted across Beijing areas. Typical deciduous broadleaf trees,PopulusandSalixwere selected at 189 sites, which were firstly designed at 5-decimal minute in latitude and longitude grid resolution and then excluded sites withoutPopulusorSalixspecies. Leaf sampling collection was carried out in the end of August corresponding to annual peak-standing biomass in late summer. Five trees of every species at each site were selected, and five mature leaves of every tree were collected. All the leaf samples were over-dried at 105℃ for 10 minutes and then 65℃ for 48 hours to constant mass. Samples of each species at each site were put together and grounded with a mill to pass 1-mm sieve for N contents analysis. Foliar N was determined following Kjeldehl digestion andδ15N values were determined by continuous flow isotope-ratio mass spectrometer. The foliar N contents were (24.0±4.0) g/kg and (25.9±4.1) g/kg on average forPopulusandSalix, respectively. Spatial variations of both the two genus showed similar trends, with higher foliar N contents in the southeast and lower foliar N contents in the northwest, consisting with the spatial variation of atmospheric N deposition in Beijing area. The foliarδ15N values were (1.15±2.48)‰ and (2.31±2.60)‰ on average forPopulusandSalix, respectively. However, the spatial variation trends ofδ15N values were contrary with the foliar N contents. Higherδ15N values were found in the city center and northwest, while lowerδ15N values were found in the southeast. With the differentδ15N values of potential sources, the higherδ15N values in the city center indicated the traffic emission sources, the higherδ15N values in the northwest indicated the natural N cycling, while the lowerδ15N values indicated both the agricultural and traffic pollution.

Deciduous broadleaf trees; foliar N content;δ15N; atmospheric N deposition; Beijing area

10.5846/stxb201511202348

北京市優秀人才培養資助項目(2014000020124G073)；國家自然科學基金資助項目(41503077)；北京林業大學科技創新計劃資助項目(BLX20120022)

2015- 11- 20; 網絡出版日期:2016- 08- 30

劉超明,唐美慶,馬坤,劉星韻,于涵,張穎.北京地區典型落葉闊葉喬木葉片含氮量和δ15N值對大氣氮沉降的響應.生態學報,2017,37(7):2334- 2341.

Liu C M, Tang M Q, Ma K, Liu X Y, Yu H, Zhang Y.Responses and Indications of Foliar Nitrogen Contents andδ15N values to Atmospheric Nitrogen Deposition in Beijing, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2334- 2341.

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangying0928@hotmail.com