苔藓氮素利用机理及其稳定同位素分馏

Although moss nitrogen (N) content and stable N isotope have been used for monitoring atmospheric N deposition, mechanisms and isotopic effects of moss N utilization remain unclear, which has long influenced the above parameters to be reliable and propagable monitoring methods of N deposition. Combined theories of environmental geochemistry, biogeochemistry, bryology and new isotopic methods, this proposal aimed at exploring moss N utilization and isotopic fractionations. First, contents and isotopes of N in both natural mosses and N deposition will be monitored detailedly and synchronously for revealing problems in monitoring annual N deposition based on single and random sampling of mosses. Simultaneously, moss nitrate concentrations and N/O isotopes will be monitored to explore if the assimilation of nitrate was inhibited in mosses growing at sites with high deposition of reduced N, if the contribution of reduced N to N deposition was therefore overestimated by moss bulk N isotope, and if moss nitrate could be used for monitoring sources and behaviors of atmospheric nitrate. Then, the alteration of moss N utilizing strategy due to high N deposition, and problems in differentiating N sources and chemical components of N deposition by moss nitrogen isotope will be further examined through experimental N treatments. Finally, systematic schemes of monitoring N deposition using moss bulk N and tissue nitrate parameters will be proposed, effects and implications of N deposition on N biogeochemical processes in terristrial mosses will be evaluated.

尽管苔藓氮含量和氮同位素已被用于大气氮沉降监测，但其氮利用机理和同位素效应并不清楚，这是苔藓氮指标成为准确和可推广的氮沉降监测方法亟待解决的问题。本项目拟结合环境地球化学、生物地球化学和苔藓植物学的基本原理和新的同位素手段，系统研究苔藓氮利用机理和同位素效应。首先，详细监测分析苔藓和不同形态氮沉降的量和同位素变化规律，揭示基于一次性、不定时的苔藓采样量化年度氮沉降和解释氮沉降来源存在的误差。同时，分析苔藓硝酸盐含量及其氮、氧同位素特征，探讨氮沉降以还原态氮为主时苔藓硝酸盐利用是否被抑制，苔藓氮同位素是否因此高估还原态氮的贡献，而苔藓硝酸盐同位素能否监测大气硝态氮的来源和行为。其次，通过室内实验，验证氮沉降增加改变苔藓氮利用策略，及其对利用苔藓氮同位素辨识氮沉降来源和化学组分的影响。最后，提出苔藓氮和硝酸盐指标量化和示踪氮沉降的具体思路，评价氮沉降对地表苔藓氮素生物地球化学过程的影响和意义。

本项目应用新的稳定同位素手段，结合环境地球化学、环境植物学和苔藓植物学的基本原理，在苔藓氮利用机理研究方面取得了创新性成果，真正推动了苔藓稳定同位素生物监测手段的定量化发展。主要成果包括：（1）证实了不同生境苔藓总氮和组织硝酸根同位素对大气硝态氮沉降的响应，解析了苔藓硝酸根示踪大气硝态氮来源的优势和存在的问题，并对苔藓稳定同位素监测氮沉降的生物学机理进行了深入、更细致的研究。发现当还原态氮和硝态氮的比值高于3.8，苔藓总氮并不包含硝态氮的信息，但更具有示踪还原态氮的可靠性。该研究揭示了苔藓总氮同位素示踪氮沉降的陷阱和新机制，约束了苔藓总氮和硝酸盐同位素生物示踪方法的可靠性和应用原理，首次提出苔藓组织硝酸盐可作为以还原态氮为主的地区大气硝态氮污染物的新监测指标；（2）项目组成员成功实现了自然植物（包含苔藓）组织硝酸根Δ17O的分析方法和记录原理研究。此外，项目成员还对自然植物不同环境条件下如何利用（吸收）大气、土壤硝酸根以及还原吸收活动的机制进行了系统总结和论述，首次提出了自然植物硝酸根氧同位素的变化模式和不同条件下、不同器官（根和叶）硝酸还原活动的同位素分馏效应的诊断方法。这些方法的创新和机理研究进展为原位（对比传统的加氮、同位素标记、室内研究）识别大气-自然植物-土壤硝酸根的生物地球化学过程提供了新思路；（3）结合详细的氮源和苔藓总氮同位素分析，基于大气还原态氮抑制苔藓体内硝酸盐还原活动的假设，应用稳定同位素多源混合模型IsoSource对大气和土壤基质不同形态氮对苔藓氮吸收的份额进行了详细计算。结果发现贵阳地区苔藓氮素利用以还原态氮为主，同时，应用苔藓监测氮沉降不能忽略溶解有机氮的吸收，这否定了苔藓只利用无机氮的传统观点，质疑过去有关苔藓生态系统响应氮沉降的研究可能因忽略溶解有机氮而高估了无机氮的影响。