全 文 ：第 34卷 第 3期 生 态 科 学 34(3): 7175
2015 年 5 月 Ecological Science May 2015
收稿日期: 2015-02-06; 修订日期: 2015-03-18
作者简介: 黄玉洁(1982—), 女, 江苏省无锡市人, 博士, 助理研究员, 研究方向为森林生态, E-mail: yujie2004_h@163.com
黄玉洁, 殷云龙, 张勇, 等. 交通 NOx 排放对南京城郊国道杨树防护林带 N 含量及 δ15N 的影响[J]. 生态科学, 2015, 34(3):
7175.
HUANG Yujie, YIN Yunlong, ZHANG Yong, et al. Impact of traffic emission NOx on N concentration and 15N natural abundance in
Poplar shelterbelt beside the Nanjing suburban highway[J]. Ecological Science, 2015, 34(3): 7175.
交通 NOx 排放对南京城郊国道杨树防护林带 N 含量
及 δ15N 的影响
黄玉洁 1, 殷云龙 2, 张勇 3 , 江波 1, 袁位高 1
1. 浙江省林业科学研究院, 杭州 310023
2. 江苏省中国科学院植物研究所, 南京 210014
3. 浙江省林业生态工程管理中心, 杭州 310020
【摘要】 以南京城郊国道杨树防护林带为对象, 研究道路交通排放的 NOx 对杨树各器官及土壤 N 含量和 δ15N 的影响。
结果表明: 随着离国道距离越远, 叶片 N 含量和 δ15N 整体呈下降趋势, 并均与距离成线性相关。杨树大部分器官 N 含
量都是 10 m 处大于与 80 m 处, 而各器官 δ15N 10 m 处均大于 80 m 处; 10 m 和 80 m 两处各器官 N 含量表现为叶片>
树根皮>树干皮>树根木质部>树干木质部 A>树干木质部 B, δ15N 表现为树根皮>树根木质部>树干木质部 A>树干木质
部 B>叶片>树干皮。相比植物体, 杨树林带土壤 N 含量和 δ15N 则没有表现出很好的规律性。
关键词：N 含量; δ15N; NOx; 杨树; 道路
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.03.013 中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)03-071-05
Impact of traffic emission NOx on N concentration and 15N natural abundance
in Poplar shelterbelt beside the Nanjing suburban highway
HUANG Yujie1, YIN Yunlong2, ZHANG Yong3, JIANG Bo1, Yuan Weigao1
1. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China
2. Institute of Botany, Jiangsu and Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210014, China
3. Zhejiang Forestry Ecological Engineering Management Center, Hangzhou 310020, China
Abstract: The poplar shelterbelt beside the Nanjing suburban highway was investigated to research the impact of traffic
emission NOx on N concentration and 15N natural abundance in different organs of poplar and the soil. The results
showed that the N concentrations and the δ15N values in the leaves were all reduced according to the increase of the
distances from the highway, and linearly correlative with the distances. The N concentrations of most poplar organs were
greater in 10 m sampling point than in 80 m sampling point, while the 15N natural abundance values of all poplar organs
were greater in 10 m sampling point than in 80 m sampling. In 10 m and 80 m sampling points, the N concentrations of all
poplar organs had the same order of leaf>root bark>trunk bark>root xylem>trunk xylem A>trunk xylem B, and the
order of 15N natural abundance values was root bark>root xylem>trunk xylem A>trunk xylem B>leaf>trunk bark.
Compared with plants, the N concentrations and 15N natural abundance values in soil were not well correlated with the
change of distances.
Key words: N concentration; 15N natural abundance; NOx; poplar; road
72 生 态 科 学 34 卷
1 前言
近年来, 伴随我国交通运输业的迅猛发展和汽
车保有量的迅速增加, 汽车尾气引起的公路环境污
染问题愈来愈引起人们的关注。经实测, 按排污系
数和等标污染符合法计算, 某高速公路车辆排气对
环境影响以NOx最大, 分担率达到86.6%[1] 。NOx是
导致酸雨等全球环境变化的重要原因之一, 会造成
光化学烟雾、大气臭氧层空洞、溶入土壤影响土质、
粘附在农作物上进入人体等危害。NOx主要通过大
气N沉降的方式进入植物和土壤中, 植物吸收N元素
一方面来自于土壤, 另一方面来自于叶片气孔或表
皮直接吸收沉降N[2], 这样就可能使植物组织内的N
含量与大气中NOx浓度有一定的相关关系。随着大
气N沉降对地表生态系统负面效应的广泛出现, 人
们开始关注植物生态系统对N沉降的响应, 并认为
探讨植物对N沉降的生物监测在研究大气N沉降的
生态环境效应中有着特殊意义[3]。N稳定性同位素分
析技术, 特别是15N自然丰度法(δ15N法)在生态系统
物质循环研究中的应用尤其受到关注, 并已应用于
大气N沉降研究。刘贤赵等通过分析北京东灵山植
物δ15N的组成特征, 探讨了环境因素对植物δ15N的
影响, 表明水分、温度是植物15N分馏的主要控制因
子[4]; 刘学炎等利用苔藓N含量和δ15N指示贵阳地区
大气N沉降的来源和沉降机制, 得出该地区大气N沉
降以铵沉降为主[5]; 王燕丽等研究桂花和法国梧桐
叶片δ15N对大气湿沉降N的响应, 表明叶片δ15N的变
化可看为大气湿沉降N对植物的贡献[6–7]。
杨树根系强大、生长迅速、适应性强, 已成为
一种优良的道路绿化树种, 当前在北方特别是江苏
地区得到广泛了应用。本研究南京城郊国道杨树防
护林带为研究对象, 通过对杨树叶片等不同植物器
官和土壤中N含量、δ15N的分析, 研究交通排放的
NOx对道路防护林生态系统的影响, 以期为道路绿
化结构调整及合理布局提供科学依据。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
研究区为南京城郊312国道K306公里北侧杨树
(Populus tremula)人工林带。林带宽 100 m、长 250 m,
株行距 2.5 m×3 m, 呈交叉式排列, 生长较好, 林相
整齐; 林龄 10 年, 郁闭度 0.7, 平均胸径 20 cm, 平
均树高 17 m, 枝下高 5—6m; 林下有稀疏灌木, 其
中桑树(Morus alba)、榔榆(Ulmus parvifolia)较多, 地
被草稀疏; 土壤为黄棕壤。林带位于一谷间平地, 与
路面垂直落差为 4 m 左右, 处于主风向的下风向,
周围 200 m 内有 3—4 户居民居住, 无化工厂, 受人
为干扰较少。
2.2 样品采集与分析方法
2007 年 9 月, 分别在与国道垂直距离 5 m、10 m、
20 m、40 m、60 m、80 m、100 m 处设置采样点, 采
集杨树叶片和 0-120 cm 表层土壤, 同一距离处沿国
道方向在 250 m长的林带范围内每间隔 50 m重复采
样 4 次。同时在代表较近的 10 m 处和代表较远的
80 m 处另采集杨树树干皮、树根皮及其树干木质部
(分为干木质部 A 和 B, A 为 2002—2007 年间生长的
木质部, B 为 1997—2002 年间生长的木质部)。
将叶片、树干皮、根皮清洗并于 90 ℃烘箱内
杀青, 后于 70 ℃烘干并粉碎, 将树干和根的木质部
清洗, 后于 70 ℃烘干并粉碎, 最后都装入封口塑料
袋置于干燥器中备用。土壤自然风干后 , 碾磨过
100 目筛, 装入封口塑料袋备用。实验样品都重复
测定 4 次。
杨树各器官和土壤 N 测定用半微量凯氏法,
δ15N 的测定用菲尼根 MAT251 同位素质谱仪。δ15N
值是一个相对比例, 用公式表达[8]为:
15 15atom% N(sample)-atom% N(standard)15δ N= 100015atom% N(standard)
其中: atom%15N (sample)为样品 15N 原子丰度, atom%
15N (standard)为大气标准 15N 原子丰度。
3 结果与分析
3.1 叶片 N 含量和 δ15N 的空间分异特征
从图 1 可以看出, 不同采样点杨树叶片 N 含量
的变化范围为 1.63%—2.04%, 均值为 1.85%, 最大
值和最小值对应的采样点分别为 5 m处和 100 m处。
不同采样点叶片 δ15N的变化范围为2.33‰—2.37‰,
平均值为 0.63‰, 最大值和最小值对应的采样点也
分别为 5 m 处和 100 m 处。方差分析结果显示, 不
同采样点叶片 N 含量之间、δ15N 之间都存在极显著
性差异(P<0.01)。从整体上来看, 叶片 N 含量与 δ15N
都随距离的增加而呈减小的趋势, N 含量与距离存
在显著负相关(P<0.05); δ15N 与距离存在极显著负相
关(P<0.01)。
3 期 黄玉洁, 等. 交通 NOx 排放对南京城郊国道杨树防护林带 N 含量及 δ15N 的影响 73
图 1 不同距离采样点叶片 N 含量和 δ15N
Fig. 1 The N concentrations and 15N natural abundance values of leaves in different sampling points
3.2 不同器官 N 含量和 δ15N 的空间分异特征
从图2可以看出, 10 m处采样点杨树各器官N含
量变化范围为0.07%—1.88%, 平均值为0.68%; 各
器官δ15N变化范围为1.49‰—13.93‰, 平均值为
5.60‰。80 m处各器官N含量变化范围为0.07%—
1.84%, 平均值为0.63%; 各器官δ15N变化范围为
1.34‰—12.00‰, 平均值为3.41‰。10 m处与80 m处
相比, N含量除树根皮略小、树干木质部B相等外, 其
余各器官10 m处采样点都大于与80 m处; δ15N10 m
处各器官均大于与80 m处。
两处采样点杨树各器官N含量都是叶片>树根
皮>树干皮>树根木质部>树干木质部A>树干木质
部B, 或者说是叶片>皮>木质部; 各器官δ15N都是
树根皮>树根木质部>树干木质部A>树干木质部B>
叶片>树干皮, 或者说是树根>树干木质部>叶片>
树干皮。
3.3 土壤全 N 含量和 δ15N 的空间分异特征
从图3可以看出, 不同采样点土壤N含量的变化
范围为0.10%—0.14%, 均值为0.133%, 最大值和最
小值对应的采样点分别为20 m处和 10 m 处; 不同
采样点土壤δ15N的变化范围为3.26‰—3.96‰, 平均
值为3.62‰, 最大值和最小值对应的采样点分别为5
m处和20 m处。方差分析结果显示, 不同采样点土壤
N含量之间、δ15N之间都存在极显著性差异(P<0.01)。
但从整体上来看, N含量和δ15N随距离的变化都有很
好的规律性, 与距离也没有相关性。
图 2 10 m 和 80 m 处采样点各器官 N 含量和 δ15N
Fig. 2 The N concentrations and 15N natural abundance values of all organs in 10 m and 80 m sampling points
图 3 不同距离采样点土壤 N 含量和 δ15N
Fig. 3 The N concentrations and 15N natural abundance values of soil in different sampling points
74 生 态 科 学 34 卷
4 讨论
4.1 道路交通排放的 NOx 对叶片 N 含量和 δ15N 的
影响
植物体内N含量和δ15N除受其本身对N素的生
理代谢过程控制外, 很大程度上还受各种环境因素
(如N源)的影响[6]。在研究区附近未有其他重要N排
放源的情况下, 杨树叶片N元素获得有2个主要N源:
交通排放的NOx沉降和土壤基质N, 叶片N含量受这
2个N源的综合影响。从实验结果来看, 叶片N含量整
体表现出随距国道距离的增加而减小线性递减的规
律, 吴亮红等研究昌樟高速公路沿线香樟叶片的N
含量也表现出同样的趋势[9]。尽管不能忽略杨树叶
片从土壤获得N素, 但是叶片N含量和土壤N含量随
距离的关系并无一致的变化趋势, 而与道路沿线大
气中NOx浓度变化趋势一致。大量研究表明, 道路附
近NOx浓度随距离增大而降低[10–11], 而NOx浓度与
沉降强度的变化是一致的。Johnny等对美国西北部
多种树种的研究也发现, 叶片N含量随大气N沉降的
增多呈逐渐变大趋势[12]; 即使在土壤环境不同的情
况下, Guerrieri等研究高速公路400 m范围内挪威云
杉松的N含量这种趋势依然存在[13]。研究区特别是
在杨树林带阻滞作用下, 随着距离的增加NOx浓度
下降将会更明显, 这就使NOx沉降强度变弱, 进而
叶片吸收N能力随之降低。因此, 可以肯定道路交通
排放的NOx及其随距离的变化规律是影响不同采样
点杨树叶片N含量变化规律的主导因素。
植物在生物化学反应过程会出现同位素分馏,
所谓同位素分馏效应, 是指元素的轻同位素(如14N)
较该元素的重同位素(如15N)优先参与反应[14]。Evans
分析了影响植物N同位素组成的许多生理过程, 认
为不同N的吸收机制可能会产生不同程度的同位素
分馏[15]。研究区杨树叶片δ15N整体也呈现出随距离
增加而减小的线性变化规律, 并与其N含量具有较
好的正相关性, 表明叶片在吸收NOx沉降的过程中,
N同位素出现了显著分馏, 越远离国道, NOx浓度越
低, N同位素分馏越强。本次实验结果可以推断高浓
度NOx 更利于15N参与反应, 当然具体原因还有待
于进一步研究证实。有相关类似报道称, 在其他条
件相同的情况下, 生长在受人为干扰地区或污染区
的植物较无干扰地区或未污染区生长的植物有较高
的δ15N值[16–17]; Jung等还发现城市附近的欧洲赤松
针叶的δ15N为正值, 而越远离工业区越负[18]。
4.2 道路交通排放 NOx 对各器官 N 含量和和 δ15N
的影响
杨树各器官N含量基本上都是10 m处都大于与
80 m处, 各器官δ15N10 m处均大于与80 m处, 这表
明NOx浓度能进一步影响杨树其他器官N含量和
δ15N。有研究发现, 植物组织N含量与大气N沉降之
间存在一致的变化趋势。如Saurer等对1960—2000
年某高速路附近挪威云杉的研究发现, 其车流量呈
增加趋势, 树轮N含量也呈增加趋势[19]。高浓度NOx
增加了叶片N含量和δ15N, 叶片将吸收的N素输送转
移到植物体内各个部位, 提高了其他器官的N含量
和δ15N。
10 m和80 m处N含量均表现为叶片＞皮＞木质
部, 这个变化顺序恰巧与各器官接触或吸收NOx能
力一致, Lindberg等认为N沉降中50%—70%被树冠
吸收[20], 叶片是吸收NOx沉降的主体, 而木质部不
能直接接触到外部NOx。因此, 各器官N含量不同与
各器官本底含量有关, 但受道路交通排放NOx影响
也值得关注。10 m和80 m处各器官δ15N都是树根>树
干木质部>叶片>树干皮。Kitayama等发现热带雨林
中植物不同器官中δ15N值分布由高到低依次是细
根、凋落叶和新鲜叶[21]; 周克瑜等研究表明一些豆
科固氮植物的茎叶的δ15N 普遍低于根[22]。这进一步
说明了不管在有无外在NOx干扰条件下, 植物吸收
的N在体内迁移过程中往往也会发生同位素分馏效
应, 致使不同器官的δ15N值有所不同。另外, 注意
到两处采样点的干木质部A的N含量和δ15N均大于
干木质部B, 由于近几年来交通运输的迅猛发展,
国道沿线大气中NOx浓度较之前5年进一步增加 ,
如上所述, 高浓度NOx能提高器官的N含量和δ15N,
同样可以说明, 在树干木质部生长过程中也存在这
种现象。
4.3 影响土壤全 N 含量和 δ15N 的因素分析
土壤N库及其同位素组成通常是由N输入和输
出, 及系统内部的N转换和循环所决定的。根据全国
第二次土壤普查肥力指标分级标准[23], 研究区土壤
N含量除20m处达到丰富(0.16%)级别外, 其余各采
样点都处于最适宜级别; 土壤δ15N较我国森林土壤
表土δ15N的平均值(0.96‰)[24]有所偏正, 平均值偏正
了2.66个δ15N单位。经调查, 杨树林带是由之前的农
3 期 黄玉洁, 等. 交通 NOx 排放对南京城郊国道杨树防护林带 N 含量及 δ15N 的影响 75
田转变而来, 土地前期的农业经营模式(施肥、种植
模式等)是在不断变化的, 这就造成在林带建成前,
土壤N含量和δ15N在各处可能已不同。此外, 再加上
加吸收NOx的枯枝落叶进入土壤的影响。因此, 造成
研究区土壤N含量和δ15N的差异和不规律性, 应该
是交通排放的NOx沉降、母土状况和枯枝落叶归还
等因素长期反应演变共同引起的综合结果。
5 结论
(1) 杨树各器官特别是叶片N含量 (1.63%—
2.04%)和δ15N(–2.33‰—2.37‰)基本上都随着离国
道距离的增加而降低, 表明南京城郊国道杨树植物
体N库很大程度上受到交通尾气排放的NOx沉降的
影响。
(2) 10 m和80 m处各器官N含量均表现为: 叶片>
皮>木质部, 考虑各器官N含量除与遗传因素有关外,
更要关注道路交通NOx排放的影响。10 m和80 m处
各器官δ15N均表现为: 树根>树干木质部>叶片>树
干皮, 表明N在植物体内迁移过程中发生了同位素
分馏, 造成各器官间δ15N的差异。
(3) 土壤N含量和 δ15N的没有表现出一定的规
律性, 可能是交通排放的 NOx 沉降、母土状况和枯
枝落叶归还等因素长期反应演变共同引起的综合
结果。
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