碳氮稳定同位素指示苔藓生境特征以及树冠对大气氮沉降的吸收

对贵阳地区一生境内不同生长条件(石生苔藓、无树冠、不同树冠类型以及同种树冠不同树冠厚度)下的细叶小羽藓(Haplocladium microphyllum(Hedw.)Broth)碳氮同位素进行了研究。不同生境的苔藓δ13C和δ15N值具有相似的变化趋势和明显的相关关系。石生苔藓δ13C和δ15N值比土生苔藓偏高指示了其相对干燥和受到干沉降控制的生境;树冠下方光照条件差、湿度高、缺少干沉降氮的输入是苔藓δ13C和δ15N值偏低的主要原因;而树冠类型、叶片形态、叶面性质造成树冠对大气沉降氮吸收能力的不同是三种树冠下方苔藓氮同位素组成差异的潜在因素。此外,同一树冠(桂花树Osmanthus fragrans Lour.)下方苔藓的氮含量和碳氮同位素平均组成与树冠厚度呈线性关系,尤其是δ15N的响应很好地反映了吸收过程中树冠厚度对大气沉降氮源同位素组成的控制作用。结果表明,苔藓δ13C值能很好地指示苔藓的生境差异和生理响应(如光合作用能力和氮需求等);而δ15N值在示踪氮源和反映不同树冠吸收过程的同位素分馏效应方面更具有优势,二者的相关关系是环境因素相互作用的重要线索。此外,细叶小羽藓Haplocladium microphyllum(Hedw.)Broth具有高效利用大气沉降氮和分布广泛等特点,可进一步应用于该地区大气氮沉降的指示或监测研究。     

贵阳地区主要大气氮源的沉降机制与分布：基于石生苔藓氮含量和氮同位素的证据

对贵阳市区到农村地区4个方向的175个石生苔藓样品氮含量和氮同位素(δ15N)进行了分析.苔藓δ15N表明贵阳地区大气氮沉降以铵沉降为主,主要来源为城市废水氨释放以及农村地区的农业氨挥发.苔藓氮含量从市区往外随距离呈指数降低,而δ15N随距离对数升高,揭示了城市来源的铵沉降随距离指数降低,该变化模式与其他点源氨的沉降分布以及点源氨附近苔藓氮含量的变化规律相同.因此,贵阳市区可以看成整个研究区的一个点状氨源.不同方向苔藓氮含量和δ15N随距离的变化梯度存在差异,表明城市铵向周边不同方向的扩散迁移具有非均一性,其原因可能与地形条件、植被状况、风向、城市化程度等有关.苔藓δ15N平均值在15 km以外没有明显差异,反映了农业面源氨的影响.此外,运用极限法计算,苔藓氮含量随距离的变化关系(y=1.5e-o.13x 1.26)表明城市铵的影响范围总体小于41 km,而苔藓δ15N的变化(Y=2.54lnx-12.23)反映了在17.2 km以内的地区,大气氮沉降以城市铵为主,17.2 km以外的地区主要受农业铵沉降的控制.本研究为城市氮沉降的变化提供了新的证据,促进了苔藓氮含量和δ15N方法研究大气氮沉降从定性向定量的发展.     

石生苔藓组织氮含量和氮同位素指示贵阳地区大气氮沉降与迁移的研究

利用苔藓组织氮含量和氮稳定同位素研究了贵阳市大气氮沉降的来源、沉降和迁移。结果表明,贵阳地区苔藓氮含量的变化特征很好地指示了区内大气氮沉降的空间变化。贵阳市区苔藓氮同位素与郊区或农村地区差异明显,区内城市与农村有不同的氮源。苔藓氮同位素从市区往外逐渐偏正(-8.87‰~-2.48‰),说明来自市区的铵在逐渐减少,而来自农村的铵的贡献逐渐增加。贵阳地区从市区往外苔藓氮含量随距离指数降低(y=1.5e-0.13x+1.26),而氮同位素随距离对数升高[y=2.54ln(x)-12.227],揭示了源自市区的大气铵(NHx)向周边的扩散迁移呈指数降低的变化规律。运用极限法求解苔藓氮含量和氮同位素组成随距离变化的函数,发现市区铵沉降的影响范围小于41 km,在17.2 km以外的地区,市区铵沉降低于背景农业铵沉降值。     

植物叶片氮同位素(δ15N)指示大气氮沉降的探讨

大气氮沉降的植物监测还未得到重视,尤其是氮同位素(δ15N)示踪技术的研究在国内基本还没有开展。大气中的氮能够被叶片吸收而成为植物生长的氮源使得叶片氮同位素可以用于指示大气氮沉降,但影响因素甚多其可靠性不确定。本文总结了大气氮沉降输入及其被叶片的吸收机制,进而探讨利用叶片氮同位素识别大气氮沉降存在的问题。此外,近年来的研究表明,苔藓氮同位素是指示和评价大气氮沉降的可靠工具,还探讨了苔藓氮同位素指示大气氮沉降的可行性和优势,目的在于促进从氮同位素的角度认识地表植物对大气氮的吸收,为深入开展植物氮同位素指示大气氮沉降的研究提供理论依据。     

贵阳雨水无机氮沉降的氮、氧同位素特征

雨水中氮沉降主要以铵盐(NH+4)和硝酸盐(NO-3)形式存在,这与地表生态氮循环和酸雨等环境问题直接相连.我们测定了贵阳地区雨水中的NH+4和NO-3的氮氧同位素值,讨论了氮素形态分布及其同位素组成特征,探讨了雨水中溶解无机氮的成因.雨水中的NH+4和NO-3平均值分别为0.81和o.51mg N/L;铵盐的δ15N平均值为-4.7‰,较硝酸盐的δ15N平均值负,雨水中硝酸盐δ18O值为25.2‰～40.1‰,平均值为34.2±4.3‰,季节性差别不显著.     

运用氮、氧同位素技术判别常州地区地下水氮污染源

本文运用氮、氧同位素技术对常州地区地下水氮的污染来源进行了研究.结果表明：潜水和微承压水中NO3-含量高,平均含量为38.32 mg/L,δ^15N为4.818‰～32.834‰,δ^18O为12.502‰～20.757‰,反映了多数潜水和微承压水受到了厩肥和污水的污染;中深层承压水（第1承压水、第2承压水、第3承压水）中NO3^-含量低,NO3^-平均含量为0.52 mg/L,未受到氮污染,δ^15N为2.163‰～6.208‰,δ^18O为17.051‰～23.201‰,NO3^-应主要来源于早期形成时的大气降水.     

中国煤炭和城市苔藓的氮同位素组成特征

中国城市大气污染主要是煤烟型污染,因此研究中国主要聚煤区煤炭的氮同位素组成对利用氮同位素技术示踪中国城市大气N污染的来源具有重要意义.苔藓的主要N源是大气沉降N,故苔藓的氮同位素组成能有效识别大气N源.     

贵阳地区夏季雨水硫和氮同位素地球化学特征

对贵阳地区小雨和暴雨硫和氮同位素组成特征进行了研究。小雨中硫酸盐δ34S值和硝酸盐δ15N值分别为-7.96‰～+0.73‰(平均-4.90‰)和-3.77‰～+8.49‰(平均+2.00‰),暴雨中则分别为-2.07‰～+18.32‰(平均+4.59‰)和-2.91‰～+10.10‰(平均+4.10‰),表明两种类型雨水中硫酸盐和硝酸盐来源不同。小雨硫酸盐的负δ34S值与当地硫来源(煤炭燃烧和生物成因硫)有关,而暴雨硫酸盐的正δ34S值则为海源(太平洋)结果。小雨硝酸盐的δ15N值范围较宽(-3.77‰～+8.49‰),其来源不清,但该范围内较高δ15N值的样品(>+6.0‰)可能与干沉降和火力发电厂废气有关。暴雨硝酸盐的δ15N值仍然反映海源(太平洋)。小雨铵盐的δ15N值与铵盐含量有较好的相关关系(R2=0.92)。小雨铵盐中低δ15N值的样品(-1.73‰～-22.01‰)与云水(-28.6‰)对15N较少的吸收有关。贵阳地区较高的铵盐含量(平均1.25mg/L)和较低的δ15N值(平均-12.18‰±6.68‰)表明,铵盐来源于农业肥料的大范围施用和土壤NH3的挥发。     

环境氮同位素方法示踪石家庄市地下水中硝酸盐来源

石家庄市地下水中硝酸盐含量呈上升趋势，水中硝酸盐含量分布范围为（0.4-96.0）×10-6，均值28.4×10-6，其δ15N值分布范围+6.1‰—+8.4‰，在地下水水位降落漏斗中心区（面积约8km2）δ15N值大于+9.6‰，表明有来自动物粪例的污染，其余地区水中硝酸盐的δ15N值介于+6.1‰—8.4‰之间，均值+6.9‰，表明该硝酸盐来自土壤有机氮     

氮同位素技术的应用:土壤有机氮作为地下水硝酸盐污染源的条件分析

在土壤排水良好、氧化的地下水环境中,地下水的氮同位素组成反映了源的特征。当地下水硝酸盐的δ15N值在+4‰～+9‰范围内时,这个值域指示地下水硝酸盐污染源是土壤有机氮或化肥与粪便的混合。通过分析对比前人研究资料,地下水中硝酸盐是否来自土壤有机氮的转化,其前提条件是研究区土壤有机氮是否丰富,特别是包气带中是否积累了大量有机氮转化的NO3-,并以石家庄市地下水硝酸盐污染为例,说明了这种条件分析在氮同位素技术应用时的重要性。通过包气带岩性、有机质和NO3-含量分析、施肥区与未施肥区灌水试验对比,土壤有机氮不是石家庄市地下水NO3-的一个主要污染源。当地下水硝酸盐低浓度时(1991),85.7%的样品NO3-的δ15N值在+6.1‰～+8.4‰范围内,指示污染源主要为化肥与粪便的混合,而当现今的高浓度时,样品硝酸盐的δ15N均值(+9.9‰±4.4‰)大于+8‰和超过半数(65%)样品的δ15N值大于+8‰,指示污染源主要是粪便或含粪便的污水。     

氮沉降显著降低植物氮同位素组成

过去几十年,中国的氮排放和氮沉降显著增加,对陆地生态系统的氮循环产生了深刻影响,氮同位素可以用来示踪生态系统氮循环的变化。之前的研究认为氮沉降导致了植物δ15N的降低。但是前人的研究都没有考虑到不同地区气候因子的差异对植物氮同位素的影响,因此前人的这一结论还需进一步验证。百望山、东灵山和贡嘎山分别地处北京市内、北京市与河北交界处和青藏高原东部,这三个地区氮沉降水平有显著差别,气候条件也存在明显的不同。本研究对三个地区的大量植物进行了氮含量和同位素的测定。结果显示:百望山、东灵山和贡嘎山所有植物的平均氮含量分别是2.350%±0.11%、2.531%±0.07%和2.484%±0.06%,三个地区氮含量不存在显著差异。百望山、东灵山和贡嘎山所有植物的平均氮同位素值分别为-4.069‰±0.20‰、-0.873‰±0.25‰和-1.185‰±0.12‰,百望山δ15N较东灵山与贡嘎山明显偏负,但是东灵山和贡嘎山之间没有显著差异。为了去除气候因子对同位素的影响,本研究以百望山的年均温度和年均降雨量为基点,对东灵山和贡嘎山的植物δ15N进行温度和降雨校正。去除温度和降雨对同位素的影响后,东灵山和贡嘎山所有植物的平均氮同位素值分别变成了1.012‰±0.25‰和2.389‰±0.15‰。贡嘎山最高,百望山最低,并且三个地点之间存在显著δ15N差异。另外,本研究还对三个地区同一生活型植物的氮同位素和氮含量进行了比较,也得到了相似的结果。因此,我们的研究充分表明,大气氮沉降增加显著降低了植物的δ15N。     

陆生植物氮同位素组成与气候环境变化研究进展

近年来,由于植物氮同位素组成(δ15N)记载了气候环境变化的信息,因而被广泛应用于全球变化研究中,成为古气候环境再造和了解现代气候环境变化信息的有力工具。然而,人们对气候环境引起的δ15N变化及其指示的气候环境意义并不完全清楚,这就有可能限制植物δ15N在古气候环境变化等领域研究中的应用。在概述植物氮同位素分馏和植物不同氮源的氮同位素分布的基础上,分析了温度、降水、大气CO2浓度和海拔高度等气候环境因子对陆生植物δ15N的影响以及它们的关系。指出了目前研究中存在的问题及其研究前景,认为在全球变化研究中利用植物氮同位素技术不仅可以重建古气候环境(如重建大气CO2浓度变化),揭示历史时期温度、降水的变化,而且还可以在一定的时间和空间上综合反映生态系统氮循环的特征。     

喀斯特石漠化过程中地表凋落物δ~(15)N特征

为了解喀斯特石漠化过程中地表凋落物稳定氮同位素的变异特征及其影响因素,对喀斯特高原区贵州省清镇市王家寨峰丛洼地同一流域内不同类型石漠化、不同等级石漠化以及不同干扰方式石漠化地表凋落物的氮同位素组成及其空间分异特征进行了研究。结果表明:流域内黄壤区样地的地表凋落物δ15 N值主要为-4.00‰~-1.83‰,平均值-3.13‰;黑色石灰土区样地的地表凋落物δ15 N值主要为-4.49‰~-2.44‰,平均值-3.39‰;环境水热条件是影响地表凋落物δ15 N值的主要因素;除了在黑色石灰土区的轻度石漠化与无石漠化间差异显著外,无论是黄壤区样地还是黑色石灰土区样地,其地表凋落物δ15 N值在各等级石漠化样地间、不同干扰方式环境下、甚至在不同坡位上都无显著性差异体现,两土壤类型间的总体差异也不显著(P≤0.05),这主要与喀斯特区高度的生境异质性有关。     

大气氧化态活性氮循环与稳定同位素过程：问题与展望

大气中氧化态活性氮主要包括氮氧化物(NOX=NO+NO2)和硝酸等。NOX的循环过程会影响臭氧和羟基自由基的浓度,进而影响大气氧化能力。NOX的氧化终端产物硝酸是颗粒污染物的重要组成部分,其干湿沉降过程会对生态系统产生影响。氮稳定同位素(δ15N)在大气活性氮循环,示踪区域和全球活性氮排放、传输和沉降等研究方面都展现出了一定的潜力。回顾目前用δ15N研究NOX排放和大气活性氮循环的现状,从NOX的产生机制和收集分析方法等方面讨论NOX源δ15N数据的不确定性及原因,分析NOX和硝酸在大气转化和传输过程中氮同位素的分馏效应和影响等,最后讨论用δ15N示踪NOX排放的可能性和问题。虽然目前用δ15N量化示踪排放源还存在比较大的不确定性,但是δ15N可以有效地示踪大气活性氮循环和转化过程。在此基础上,有望利用大气化学传输模型,结合同位素观测数据和分馏机制,对区域和全球大气活性氮循环过程中的同位素效应进行综合评估,提高用δ15N研究大气氧化态活性氮来源以及循环的准确性和可靠性。     

中国东北地区中新生代岩浆岩中氮及其同位素组成

通过真空热解法分析中国东北地区中新生代以来形成的碱性玄武岩和基性侵入岩中氮含量及其同位素组成的差异，结果表明喷出岩和侵入岩中流体组分在岩浆的上升侵入过程中有不同的表现形式，喷出岩与围岩有较少的混染作用发生。碱性玄武岩包裹体中氮含量较低，为1．91－14．01μL/ g，δ^15N为－22．6‰～-1.8‰。侵入岩包裹体中氮含量为25．39－731.30μL/g,δ^15N为＋0．7‰～ 20.9‰。碱性玄武岩中N2含量和氮同位素组成可能部分代表了上地幔流体的特征，脱气作用造成同位素值有较大变化；而侵入岩中的N2含量和氮同位素组成更多地反映了地壳中含氮物质浓度及同位素组成特征。     

降雪对三江平原小叶章湿地系统氮输入及生态效应

2006年11月至2007年4月,对降雪、地表积雪、积雪融水以及土壤(0～10cm)渗漏液进行野外监测,系统研究了降雪对三江平原小叶章湿地系统氮输入的影响。结果表明,降雪中氮浓度变化明显,其浓度受多种因素影响,降雪中TIN、TON和TN的沉降量分别为0.375、0.591和0.966kg/hm2。地表积雪的氮库主要由地表积雪的总水量决定。积雪融水中TIN以NH₄+-N为主,TN以TON为主;但NO₃--N较NH₄+-N易流失,TIN较TON易流失。土壤(0～10cm)对积雪融水的TIN、TON和TN截留量分别为1.53、0.10和1.63kg/hm2。积雪融水的氮输入促进土壤微生物和植物生长,具有明显的生态效应。     

喀斯特高原石灰土区退化植物群落常见灌木叶片的氮同位素组成研究

为探讨喀斯特高原石灰土区植物稳定氮同位素组成的变异特征及其影响因素,以贵州省清镇市王家寨小流域为例,选取流域内石灰土区退化植物群落3种植被类型中的4种灌木植物,分别对其叶片的氮同位素和C、N、P、K、Ca、Mg元素含量进行了测定。结果表明,研究区常见灌木叶片的δ~(15)N值为-5.86‰～-0.54‰,均值为-2.31‰;植物叶片的δ~(15)N值在不同群落间的差异显著(P0.05),但种间差异仅在灌丛群落中显著(P0.05);物种因素和群落类型的交互作用对研究区灌木叶片δ~(15)N值有显著影响(P=0.021,R~2=0.860);植物叶片δ~(15)N值与叶片K含量之间具有显著负相关(P0.05),而与叶片N含量之间并非正相关,这可能与喀斯特地区严酷的生境条件有关。     

有机化学物质碳氮稳定同位素系列标准物质研制

实验室和研究人员所使用的碳、氮同位素标准物质一般由国际原子能机构(IAEA)获得,然而近年来,随着碳氮同位素在实验室质量监控、方法评价、仪器校准等方面的广泛应用,市场需求量不断增加, IAEA研制的碳、氮同位素标准物质的种类与数量逐渐不能满足科学研究快速发展的需求。我国急需研制适应当今分析技术水平的有机质碳氮同位素国家标准物质用以进行质量监控、方法评价、仪器校准。为保证量值传递精度,本文研制了4个有机化学物质的碳氮稳定同位素标准物质,其中3个为尿素样品,1个为L-谷氨酸。经检验4种标准物质的均匀性通过F值检验,标准物质的δ~(13)C和δ~(15)N值经过一年的稳定性检验,特征量值变化在测量方法允许的不确定度范围内,由此判定δ~(13)C和δ~(15)N值稳定性良好。由包括研制单位实验室在内的12家实验室协同定值,采用高温燃烧-气体同位素质谱法测定了δ~(13)C和δ~(15)N值,系列标准物质δ~(13)C和δ~(15)N认定值区间呈梯度分布,δ~(13)C值为-40‰～0‰,δ~(15)N值为-10‰～30‰,涵盖了我国天然样品中有机质碳氮稳定同位素组成范围;研制的系列标准物质δ~(13)C的定值扩展不确定度不大于0.08‰,δ~(15)N的定值扩展不确定度不大于0.09‰,定值水平与国际标准物质相当。该系列标准物质已被国家质检总局批准为国家一级标准物质,批准号为GBW04494～GBW04497。可被用于地质、生态、环境等多种样品δ~(13)C和δ~(15)N比值测定时的分析监控、仪器校准、方法评价、质量保证和质量监控。     

中国煤中氮同位素组成特征初步研究

本文采用Dumas燃烧法测定了部分中国煤样的氮同位素组成(δ~(15 )N),并结合文献数据和煤样品的地质背景初步探讨了影响煤中氮同位素组成的因素。研究表明:(1)中国煤的δ~(15 )N值介于+1.4‰~+5.1‰之间,与世界其他地区煤的δ~(15 )N值范围(+0.3‰~+5.4‰)相吻合;同一煤层剖面分层煤样(煤级相似)的δ~(15 )N值具有非均质性特征,最大可达2.5‰。(2)煤的δ~(15 )N值是煤变质作用、沉积环境等多种因素耦合作用的结果。变质作用对煤的δ~(15 )N值的影响主要包括原始煤级、变质程度(煤级)和煤变质作用类型;沉积环境对煤的δ~(15 )N值的影响包括成煤植物的氮源以及沼泽介质的物理化学条件和微生物活动性等因素。(3)就煤变质作用(煤级)而言,中国煤的δ~(15 )N值随煤级升高呈现增高的趋势,到无烟煤又有所降低,这是煤中氮同位素稳定性差异的结果。在高级烟煤阶段(贫瘦煤)之前,随煤级升高稳定性较差的14 N优先脱除,δ~(15 )N值增高,增高幅度约1‰。在高级烟煤至初级无烟煤阶段,煤中剩余的14 N已趋于稳定,随煤级升高,部分不稳定15 N优先脱除,δ~(15 )N值降低。在无烟煤阶段,随煤级升高,14 N和15 N同步脱除,δ~(15 )N值几乎不变。在不考虑含氮地质流体影响的情况下,深成变质作用和接触变质作用对煤中δ~(15 )N值的影响应相似。(4)就沉积环境而言,形成于海陆过渡相的中高硫煤/高硫煤的δ~(15 )N值最高,形成于陆相的特低硫煤和低硫煤的δ~(15 )N值次之,而形成于碳酸盐岩台地相的超高有机硫煤的δ~(15 )N值最低,这主要与沉积环境中成煤植物的氮源以及泥炭化作用阶段植物有机质降解程度的差异有关。一般以富集15 N的海水硝酸盐为氮源的成煤植物形成的煤(海陆过渡相中高硫煤/高硫煤)较以相对亏损15 N的大气氮为氮源的成煤植物形成的煤(陆相特低硫煤和低硫煤)要富集15 N。当成煤母质在泥炭化作用阶段受到微生物降解作用较弱时(陆相特低硫煤和低硫煤),形成的煤氮含量较高,δ~(15 )N会有所上升;当成煤母质在泥炭化作用阶段受到强烈的微生物降解作用时(碳酸盐岩台地相超高有机硫煤)成煤植物蛋白质(富15 N)被降解损失的较多,形成煤的氮含量较低,δ~(15 )N值又会有所降低。此外,煤的δ~(15 )N值还与惰质组含量有关,因为在丝炭化过程中大量损失氮使得惰质组的δ~(15 )N值偏低,当成煤母质遭受的降解作用较弱时(四台煤矿12号特低硫煤),惰质组含量变化对煤δ~(15 )N值的控制作用尤为明显。(5)就成煤时代而言,中国的晚古生代煤与中生代煤的δ~(15 )N值相近,都高于新生代煤的δ~(15 )N值。δ~(15 )N值的这种差异并不是因为不同成煤时代的成煤植物不同造成的,而是因为新生代煤样为尚未经历煤变质作用的褐煤,其氮损失较少,所以新生代褐煤δ~(15 )N值较低。     

萍乡市春节前后空气质量及气溶胶的碳、氮同位素组成特征

为探讨萍乡市元旦至元宵期间空气质量变化情况及其中PM_2.5及PM₁₀中的碳、氮来源,2017年1月1日至2月16日在萍乡市进行了在线空气质量监测,采集了PM_2.5、PM₁₀滤膜气溶胶样品并进行了总氮(TN)、总碳(TC)浓度以及δ¹⁵N、δ¹³C组成。结果表明,采样期间空气的PM_2.5浓度为(82.45±43.04)μg/m^3;PM₁₀、SO_2和NO_2浓度分别为(112.98±68.66)μg/m^3、(23.85±14.32)μg/m^3和(32.68±14.4)μg/m^3。样品的PM_2.5和PM₁₀的TN、TC浓度分别为(9.73±5.99)μg/m^3、(12.68±9.53)μg/m^3和(15.15±7.9)μg/m^3、(18.7±9.11)μg/m^3,δ¹⁵N、δ¹³C分别为6.32‰±4.11‰、6.89‰±4.44‰和-25.1‰±0.89‰、-25.55‰±1.25‰。在元旦和春节期间,发生了空气污染事件,元旦期间平均PM_2.5、PM₁₀、NO_2和SO_2浓度均高于春节期间,推断元旦污染事件可能是由气象条件导致污染物聚集所引起,而春节污染事件可能是由烟花爆竹燃放释放的SO_2和大量的颗粒物进入大气所致。采样期间和两个空气污染事件的δ¹⁵N和δ¹³C组成相似,其主来源均可能为机动车尾气和煤燃烧排放及部分C_3植物燃烧。