全 文 ：中国农业大学学报　2010 , 15(1):84-88
Journal o f China Ag ricultur al Unive rsity
葎草(Humulus scandens)叶总氮和δ15N与大气活性氮气体的关系
沈健林　黄明丽　唐傲寒　汪斯淼　韩文轩＊　刘学军
(中国农业大学 资源与环境学院 , 北京 100193)
摘　要　通过分析大气活性氮对广布野生植物葎草(H umulus scandens)叶片氮的影响 ,探索葎草作为大气氮沉降
指示植物的可能性。试验采集了华北平原 6 个地点的葎草植物叶片 , 测量叶片全氮 、δ15N 值及其生境附近的大气
活性氮(NH3-N 和 NO 2-N)浓度。研究发现葎草叶全氮含量与大气中 NH 3-N 浓度有很强的相关性 , 而与 NO 2-N
及大气总活性氮浓度相关性很小;叶δ15N 值与 NH 3-N 和大气中总活性氮浓度均显著相关 , 而与 NO 2-N 关系不显
著。植物嫩叶比成熟叶的全氮含量更高 ,嫩叶δ15N对 NH3 浓度变化也更敏感。本研究结果初步表明 ,葎草嫩叶的
全氮含量和δ15N 值对 NH3-N 浓度有较好的指示作用 ,但此结论仍需更多实验数据的支持。
关键词　大气活性氮;氮沉降;植物监测;葎草;嫩叶;δ15N
中图分类号　X 51;Q 143.4　　　文章编号　1007-4333(2010)01-0084-05　　　文献标志码　A
收稿日期:2009-04-26
基金项目:农业部公益行业计划项目(200803030);国家自然科学基金项目(40973054);国家“十一五”科技支撑计划重点项
目(2008BADA4B02)
第一作者:沈健林 ,博士研究生 , E-mail:jianlinshen@gmail.com
通讯作者:韩文轩 ,副教授 , 主要从事生态化学计量学 、环境养分及植物开发研究 , E-mail:hanwenxuan@cau.edu.cn
Relat ionships of leaf nitrogen concentrat ion and δ15N value in
Humulus scandens with atmospheric NH3 and NO2
SHEN Jian-lin , HUANGMing-li , TANGAo-han , WANGSi-miao , HANWen-xuan＊ , LIU Xue-jun
(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University , Beijing 100193 , China)
Abstract　Bioindication of nitrogen(N)deposition is concerned by environmental scientists , but few higher plants have
been reported to indicate variations in atmospheric N deposition.Leaf total N concentration and δ15N value of a wide-
spread herbaceous creeper Humulus scandens from the six sites in the North China Plain were investigated, together
with the atmospheric reactive N concentrations at each si te , to explore the impact of N deposition on H.scandens ,
and the possibi lity of H.scandens as a bioindictor of N deposition.The resul ts showed that there was a strong
correlation between leaf total N and atmospheric NH3-N, and a weak correlation between leaf total N and atmospheric
NO2-N or total atmospheric reactive N.The tender leaves had higher N concentration and δ15N value , and showed a
steeper slope of leaf total N andδ15N along the gradient of atmospheric NH3-N concentration, compared with the adult
ones of H.scandens .Our study suggests that H.scandens might serve as a potential bioindicator of atmospheric
NH3-N concentration and deposition wi th the N concentration andδ15N value in its tender leaves being analyzed, though
further evidence is needed.
Key words　atmospheric reactive nitrogen;nitrogen deposition;bioindication;Humulus scandens ;tender leaf;δ15N
　　近几十年来 ,随着世界人口的增长 ,人类对食品
和能源的需求量不断增加 。而在食品生产和能源消
耗的过程中 ,人类向大气排放了大量的活性氮气体 ,
如:畜禽养殖和氮肥施用过程会产生大量 NH 3 挥
发 ,而化石燃料(如煤 、石油 、天然气等)燃烧则会排
放 NOX 气体 。这些排放到大气中的活性氮气体 ,绝
大部分又会以干湿沉降的形式返回到地表 。大气氮
沉降的增加[ 1-2] 将会使自然或半自然生态系统产生
　第 1 期 沈健林等:葎草(Humulus scandens)叶总氮和δ15N 与大气活性氮气体的关系
富营养化[ 3] 、酸化[ 4] 和生物多样性减少[ 5] 等不良生
态环境效应。因此 ,关于大气氮沉降的研究已成为
当代全球变化研究的热点 。
在大气氮沉降研究中 ,一个很重要的方面是对
大气氮沉降通量的监测 ,以此来了解区域内大气氮
沉降是否超过临界值 、氮沉降的空间变异等。通常 ,
对大气氮沉降的监测包括干沉降和湿沉降。干沉降
主要监测气态氨(NH3)、二氧化氮(NO 2)和硝酸
(HNO 3)以及颗粒态的铵盐和硝酸盐的沉降 ,湿沉
降则主要监测雨水(或雪水)中铵盐 、硝酸盐和有机
氮的沉降[ 6] 。这种常规监测由于监测项目较多 ,且
对于区域大气氮沉降的监测需要设置较多的监测
点 ,从而需要耗费大量人力 、物力和财力[ 7] 。针对常
规监测的复杂性 ,近年来不断有研究人员探索采用
生物(主要是植物)监测或指示大气氮沉降量的多
少 、来源 、及潜在生态环境效应 。Pitcairn等[ 7] 研究
表明苔藓植物叶片总氮含量和精氨酸含量与氨气浓
度和大气氮沉降量有显著相关性;细叶小羽藓
Hap locladium microphy llum 具有高效利用大气
沉降氮的特点 ,适应于我国西南部一些地区大气氮
沉降的指示或监测研究[ 8] ;Frati等[ 9] 的研究结果表
明在地中海地区可用嗜氮的苔藓植物的多样性指示
大气 NH 3 污染 。除低等苔藓植物外 ,高等维管植物
也可用于指示大气氮沉降 ,如 Hicks等[ 10] 发现一些
旱地植物叶片含氮量可用于指示大气氮沉降 。
华北平原地区是我国工农业和交通运输都十分
发达的区域 ,大气活性氮排放量和由此导致的大气
氮沉降量很大。张颖等[ 11] 的研究结果表明 ,华北平
原地区大气氮素湿沉降平均可达 28 kg/(hm2·a);
Shen等[ 12] 在华北平原 2 个采样点的监测结果表
明 ,大气氮素干沉降平均高达 55 kg/(hm2·a),可
见 ,在该区域开展大气氮沉降监测十分必要。考虑
到本区面积广大 ,采用常规氮沉降监测方法将耗费
甚巨 ,而利用生物方法监测氮沉降 ,不仅可以大大节
省监测成本 ,还能评价大气氮沉降的生态环境效应。
由于苔藓类植物喜居潮湿的生境 ,在相对干燥的华
北平原地区并非随处可见的植物物种 ,从而限制了
苔藓作为本地区氮沉降指示植物的应用 ,因此 ,本研
究以华北平原常见的桑科植物葎草(Humulus
scandens)为研究对象 ,通过分析葎草叶总氮含量和
N 同位素组成δ15N与大气活性氮气体浓度的关系 ,
探索高等植物葎草用于本区域大气氮沉降监测的可
能性 。
1　材料及方法
1.1　研究材料
葎草(H .scandens)俗称拉拉秧 ,桑科葎草属缠
绕草本植物。叶片通常为近似肾状五角形 , 直径
7 ～ 10 cm 。葎草广布全国各地 ,有喜肥 、抗逆性强 、
叶面积大和生长迅速等特点 ,是大气氮沉降监测的
理想研究对象 。
1.2　采样地点
采样地点选择华北平原北京及其周边的河北地
区的 6个地点(表 1),其中 ,3个地点位于农田附近 ,
2个位于交通繁忙的公路旁 ,另外有 2 个位于较低
氮沉降本底的校园内和水库周围 。
表 1　各采样地点位置及其大气活性氮质量浓度
Table 1　Atmosphe ric reactiv e nitro gen concentra tions at six sampling sites
采样地点 经纬度/(°) (大气活性氮质量浓度± S.D.)/(μg/ m
3)
北纬 东经 NH3-N NO 2-N 总活性氮
北京昌平十三陵水库 40.27 116.25 2.63 ± 0.12 4.75 ± 0.20 7.37 ± 0.23
河北农业大学植物园 38.85 115.48 8.32 ± 3.62 0.76 ± 0.00 9.08 ± 3.62
北京上庄农田外公路边 40.14 116.18 3.83 ± 0.21 8.15 ± 0.01 11.99 ± 0.21
河北曲周农田实验站 36.86 115.01 11.27 ± 0.67 2.53 ± 0.11 13.80 ± 0.68
北京东北旺农田外公路边 40.05 116.28 13.30 ± 0.49 7.07 ± 0.17 20.37 ± 0.52
北京昌平科技园公路边 40.19 116.23 6.53 ± 0.18 24.50 ± 0.43 31.04 ± 0.47
1.3　植物叶片的采样和分析方法
2007年夏季 ,在每个采样地点选取 3 ～ 5 个健
康成熟的葎草植株 ,从向阳枝蔓上分别采集 5片成
熟叶和嫩叶(限定为成熟叶长度 2/3 左右的正在长
85
中 国 农 业 大 学 学 报 2010 年 第 15卷　
大的叶片);叶片样品用封口袋封存并置于便携式冷
藏柜中带回实验室[ 13] 。在 65 ℃恒温条件下将葎草
叶样品烘干至恒重后 ,把同一采样地点的成熟叶和
嫩叶样品分别混合研磨;用凯氏定氮法测量各采样
地点叶片样品中的全氮含量 ,用 Delta plus XP 同位
素质谱仪(Thermo Finnigan , Thermo Electron
Co rpo ration , USA)测量叶片中的δ15N值并用甘氨
酸标准样(δ15N = 10.00‰, 分析误差 ±0.09‰,
n=5)校正 。
1.4　大气活性氮的采样和分析方法
利用 Radiello 被动采样器(意大利柯瑞公司)采
集葎草附近大气中的 NH3 和 NO2 ;采样器固定在
地面上方 2 m 处的一个两侧与下方通风的 PVC 塑
料盒中 ,连续采样。每次采样结束后 ,将吸附芯置于
4 ℃冰箱密封避光保存 ,并在 1 个月内进行化学分
析。采样器所采集的氨(NH 3)与采样器内吸附芯
上浸渍的磷酸反应转化为 NH 4 + ,经高纯水提取后
采用水杨酸-靛酚蓝比色法测定 NH +4 -N 浓度 。所
采集的 NO2 ,与吸附芯上的三乙醇胺反应转化为
NO
-
2 ,提取后采用盐酸萘乙二胺光度法测定 NO-2 -
N浓度 。根据采样时段 、NH 3 和 NO 2 采集量和仪
器的采样速率 , 计算出采样周期内大气 NH 3 和
NO2 的平均质量浓度ρ,μg/m3 :
ρ= km/Q t
式中:k 为将 NH+4 -N (或 NO -2 -N)转换为 NH3(或
NO2)的换算系数 ,分别为 1.21和 3.28;m 为浸提
液中 NH+4 -N 或 NO-2 -N 含量 ,μg;Q为仪器对气体
的采样速率 ,m3/min;t为采样时间 ,min[ 14] 。
1.5　统计分析
比较嫩叶和成熟叶的全氮含量和 δ15N 值 ,并进
行成对 t检验;分别对嫩叶和成熟叶的全氮含量(以
及δ15N值)与大气活性氮(NH3-N 和 NO 2-N)浓度
作相关分析和线性回归分析。以上统计分析在软件
S PSS 13.0(2001 , SPSS Inc., USA)中完成 。
2　结果及分析
2.1　各采样地点大气活性氮组分特征
北京及其周边的6个地点NH3-N 和NO 2-N 的
质量浓度分别为 2.6 ～ 13.3和 0.8 ～ 24.5 μg/m 3 。
总体上 ,在农业地区以 NH 3-N 为主 ,而远离农田的
城区公路附近则以 NO 2-N为主:北京昌平科技园公
路边的 NO2-N 是 NH 3-N 质量浓度的 3.8 倍;而河
北曲周农田实验站和河北农业大学植物园内的
NH 3-N分别为 NO 2-N 的 4.5倍和 11倍(表 1)。
2.2　葎草叶全氮含量和δ15N值
葎草叶中全氮含量变化范围不大 , 嫩叶为
3.91%～ 5.69%,成熟叶 3.89%～ 4.55%,嫩叶比
成熟叶的全氮含量更高(成对 t检验 , P <0.05);嫩
叶的 δ15N 值变动为-0.30‰～ 6.92‰, 成熟叶为
0.85‰～ 5.06‰,二者的 δ15N 平均值无显著差异
(P=0.4)(表 2)。
表 2　葎草(Humulus scandens)叶全氮含量及δ15N值
Table 2　Nitrog en concentration and δ15N in the
leaves of H.scandens
葎草叶 w(全氮)/% δ
15N/ ‰
平均值 S.D. 平均值 S.D.
成熟叶 4.28 0.30 2.87 2.36
嫩叶 4.89 0.58 3.33 2.73
全部叶 4.58 0.54 3.10 2.44
　　注:δ15N 采用大气氮为标准;全部叶包括成熟叶和嫩叶。
2.3　大气活性氮气体浓度与葎草叶全氮含量和
δ15N的关系
对葎草叶全氮含量(或 δ15N 值)与大气总活性
氮及其组分(NH 3-N 和 NO 2-N)浓度的线性回归分
析表明 ,葎草叶(包括嫩叶和成熟叶)的全氮含量与
大气 NH3-N 质量浓度的相关性最强(R =0.56;
P =0.06);葎草叶的δ15N 值与大气 NH3-N 和总活
性氮质量浓度均显著相关(R =0.78 和 0.72 , P <
0.01)。在相同大气 NH 3-N 梯度下 ,嫩叶比成熟叶
具有更大的变异性(嫩叶全氮含量或 δ15N 与大气
NH 3-N的线性回归系数更大 ,图 1),即嫩叶比成熟
叶对大气活性氮(主要是 NH3-N)质量浓度的变化
更加敏感 。
3　讨　论
叶片是植物最重要的生产器官 ,也是植物与外
界环境接触面积最大 、对环境变化最敏感的器官之
一。通过气孔植物叶片可以直接吸收 CO2 和大气
或气溶胶中其他可用性营养元素 。已有研究结果表
明 ,大气氮沉降量的 40%～ 70%可以被叶片吸收利
用[ 15-16] ,因此 ,植物叶全氮含量是评价大气氮沉降水
平和变化的重要指标 ,较高的叶全氮量可反映其环
境中较高的大气氮沉降强度[ 10 , 17-18] 。生长较快的
86
　第 1 期 沈健林等:葎草(Humulus scandens)叶总氮和δ15N 与大气活性氮气体的关系
葎草成熟叶以空心符号表示 ,嫩叶以实心符号表示。
图 1　大气活性氮气体质量浓度与葎草(Humulus scandens)叶片全氮含量和δ15N的关系
Fig.1　Re lationships be tw een leaf nitro gen (concentration and δ15N)of H umulus scandens
and atmospheric reactiv e nitrog en concentra tions
　
植物种类和植物器官 ,如草本相对于木本植物 、嫩叶
相对于老叶 ,具有更高的全氮含量[ 19-20] ,对大气中活
性氮(尤其是 NH 3-N)浓度的变化也更加敏感[ 8 , 21] 。
本研究结果初步证实了上述观点 ,并且发现葎
草叶(特别是嫩叶)中的全氮含量随着大气 NH3-N
浓度的增加而显著升高 ,但与大气 NO 2-N浓度关系
较弱(图 1)。当然 ,实际影响植物叶全氮含量的因
素很多:除环境大气组分外 ,植物局部生境的土壤氮
营养状况 、当地气候条件以及植物个体之间的基因
型差异 ,均可能导致葎草叶全氮含量的变化[ 20] 。进
一步相关研究将需要补充更多其他方面的证据(如
土壤氮素状况的差异等);不过 ,考虑到本研究中葎
草采样的随机性 ,这种植物叶氮与大气 NH3-N 之
间明显的趋势性应该并非偶然[ 10] 。
Pardo 等人最近对美国东北针阔混交林的研究
结果表明 ,植物叶δ15N 与其生境大气氮沉降具有强
烈的相关性[ 22] ,这是因为植物和土壤中δ15N 会随着
大气氮沉降引发的硝化作用和硝酸盐淋失的增加而
增加[ 23] 。Pardo 的结果[ 22] 与本研究基于单一物种
葎草叶的研究结果是一致性的:葎草叶 δ15N 值与大
气活性氮(尤其是 NH 3-N)也呈现显著的正相关关
系(图 1)。另外 ,通过分析葎草叶δ15N 还有可能探索
大气NH3-N来源组成的变化:因为相对市区来源的
氨 ,农业源氨具有更高的 δ15N值[ 18] ,但是 ,由于针对
痕量气态NH3-N同位素研究的缺乏 ,以及土壤氮对
叶氮同位素的干扰 、植物内部生理过程中氮同位素的
分馏作用等因素的不确定性 ,应用叶氮同位素探索大
气氮的真正来源实际上仍有很多困难[ 8] 。
大气氮沉降的植物监测已经逐渐被环境科学家
所重视[ 6 , 18 , 24] ,但用于氮沉降监测的高等植物物种
的研究却很少 ,特别是葎草对大气氮沉降的指示作
用还未见报道 。本研究结果初步表明 ,作为一种在
我国广泛分布的喜肥和生长快速的阔叶草本植物 ,
葎草嫩叶的全氮含量与 δ15N 值对大气活性氮(尤其
是 NH 3-N)浓度响应灵敏 ,因此葎草可能成为大气
氮沉降监测的候选植物 。
4　结　论
1)随着大气 NH 3-N 浓度的升高 ,葎草叶全氮
含量和δ15N 值都显著增加 。
2)在相同的大气 NH 3-N 浓度梯度下 ,葎草嫩
叶全氮含量和 δ15N值显示出更大的变异性 ,表明嫩
叶对大气 NH 3浓度的变化更敏感。
3)尽管具体结果仍需进一步研究和更多数据的
支持 ,但本研究为深入开展高等植物的氮沉降监测
研究做出了有益的探索 。
87
中 国 农 业 大 学 学 报 2010 年 第 15卷　
　　中国农业大学资源与环境学院质谱分析实验室
马燕老师协助葎草叶片δ15N 的分析 ,郭景恒和苏芳
博士参加了全部或部分野外采样工作 ,北京大学城
市与环境学院的汤璐瑛进行了部分叶片化学分析 ,
一并致谢 。
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