樟树叶片氮同位素指示城市大气氮沉降——以南昌市为例

摘要

由于长期暴露在人为污染环境下,城市及其周边区域的生态环境相对脆弱,因而大气高N沉降的影响可能尤为显著。为了探讨维管束植物监测大气氮沉降的可行性,研究南昌市大气氮沉降的空间分布以及追溯其大气氮源,本论文测定了南昌市五个功能区的10个采样点155个樟叶样和22个根际土样品的氮含量和氮同位素值以及51个樟树叶片比叶面积和24个樟树叶片叶片面积。通过对不同功能区樟树叶氮含量和氮同位素的对比研究,揭示樟叶氮含量和氮同位素对环境因子和氮沉降变化的响应机制。进而运用不同影响条件下樟叶氮元素含量和氮同位素,并结合樟树叶年龄、樟树叶生长树冠条件以及生长土壤状况,对南昌地区的大气氮沉降进行了详细研究,探讨了樟树叶同位素方法在环境监测和大气氮沉降研究中应用的影响条件,并为城市氮污染的防治提供了地球化学依据,得到了一些有意义的发现和创新点。
　　 (1)不同功能区樟树叶氮含量和氮同位素的比较。
　　 通过对比各个功能区中樟树叶的氮含量,我们发现居民区樟树叶氮含量是各功能区中最低的；除了高速路,其它公路附近樟树叶的氮含量都低于工业区。该结果显示樟树叶氮含量与所在功能区的氮沉降强度变化情况基本一致,维管束植物可以作为大气氮沉降的指示生物。分析各功能区樟树叶的氮同位素值发现,火电厂(-2.59‰～3.57‰)、公路(-4.42‰～3.04‰)、市区居民区(-0.79～2.52‰)等采样点樟树叶的δ15N随叶龄增大而增大,且整体偏正；氨厂采样点樟树叶的δ15N随叶龄增大而降低,且整体偏负(-9.85±0.62‰)；梅岭、前湖采样点樟树叶的δ15N基本不随叶龄发生变化。这可能说明前三者的大气氮沉降主要是燃料燃烧所产生的,与氨厂氮沉降源有本质区别,同时表明利用不同叶龄樟树叶氮同位素间变化规律可以定性分析氮沉降来源。对所有樟树叶样品的δ15N和N％拟合发现无相关性,表明南昌市大气氮沉降来源复杂多样。
　　 (2)距污染源不同距离上樟树叶氮含量和氮同位素的空间分布。
　　 通过对南昌市两典型氮点源(江西氨厂和昌樟高速路)附近樟树叶氮素分析发现,樟树叶氮含量与距排放源距离关系密切,樟树叶氮含量随距离的增大而降低。氨厂附近樟树叶的δ15N整体偏负,而且其樟树叶的δ15N随距离增大而增大,随树叶年龄的增大而降低,且树底叶片的δ15N要高于树顶。这些结果都表明氨厂附近樟树叶吸收了大气中来自氨厂的大量δ15N偏负的氨。高速路附近樟树叶的δ15N整体偏正(-4.60～3.04‰),且距离公路最近的樟树叶δ15N最偏正,在离公路最远的160m处樟树叶δ15N最偏负,这反映了离公路近的樟树叶吸收了大量的来自公路的偏正的含氮化合物。
　　 (3)其它影响因素。
　　 叶片面积、土壤环境、季节等是影响樟树叶监测大气氮沉降的内因或外因,也可以根据这些影响因子分别了解大气氮沉降情况。分析部分樟树叶面积和比叶面积(SLA)发现:居民区樟树叶样品的SLA低于工业区,平均低6％；梅岭的叶片面积是所有功能区中最高的。表明高污染区植物叶片的SLA要高于低污染区或无污染区；低污染区较高污染区植物叶片面积大。通过分析污染区和非污染区樟树叶与根际土的N％和δ15N,发现各区的N％的相关性显著,而只有非污染区的樟树叶和根际土δ15N相关性显著,这表明污染区氮沉降对樟树叶的生长影响巨大。对梅岭狮子峰脚下春秋季节的樟树叶样品进行分析,分析结果表明,除嫩叶外春季樟树叶氮含量(2.36％)略低于秋季(2.49％),但并没有显著差异(p>0.05)。春季(.0.34±0.23‰)樟树叶氮同位素值显著低于秋季(0.31±‰0.23‰)(p<0.05),这可能是樟树叶在春季和秋季吸收了不同大气δ15N氮沉降所导致的。关于季节对樟树叶示踪大气氮沉降的影响有待进一步的研究。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 选题依据及研究意义

1.2 氮同位素及其分馏

1.2.1 大气氮沉降及其稳定同位素组成特征研究

1.2.2 高等植物氮源及其稳定同位素组成特征研究

1.3 植物对氮沉降的响应

1.3.1 叶片δ15N对不同污染源的响应

1.3.2 其它植物组织对氮沉降的响应

1.4 樟树生物学性质

1.4.1 樟树的基本情况

1.4.2 樟树的形态学特征

1.4.3 樟树的生理习性

1.5 工作框架

1.5.1 本课题的研究目标

1.5.2 本课题的研究内容

1.5.3 本课题的创新之处

第2章 研究区概况

2.1 南昌市自然地理特征及气象条件

2.2 南昌市社会经济状况和能源结构

2.3 南昌市大气环境污染及研究现状

2.3.1 南昌市大气污染现状

2.3.2 南昌市污染研究现状及初步结论

第3章 实验内容与方法

3.1 樟树叶样品的采集

3.1.1 采样点的布设

3.1.2 样品的采集和处理

3.2 检测因子和分析方法的选取

3.3 分析仪器与药品

3.4 测定方法

3.5 样品测定的实验室质量控制

第4章 樟树叶组织示踪大气氮沉降源

4.1 樟树叶样品采集

4.2 南昌市樟树叶氮含量的变化情况

4.2.1 樟树叶氮含量随年龄的变化情况

4.2.2 成熟樟树叶氮含量功能区分布

4.3 各功能区氮同位素变化情况及识别

4.3.1 火电厂附近氮源识别

4.3.2 公路附近氮源识别

4.3.3 各居民区氮源识别

4.4 氮与氮同位素相关性

4.5 氮硫相关性分析

4.6 结论

第5章 樟树叶组织对于不同氮源强度的响应

5.1 樟树叶样品采集

5.2 点源附近樟树叶氮含量变化情况

5.2.1 氨厂附近氨气浓度变化情况

5.2.2 高速路附近含氮化合物浓度变化情况

5.2.3 樟树叶氮含量与大气氮浓度关系探讨

5.3 点源附近樟树叶氮同位素变化情况

5.3.1 氨厂附近樟叶氮同位素变化特征

5.3.2 樟叶氮同位素对公路附近大气氮的示踪

5.3.3 樟叶氮同位素随叶龄变化特征探讨

5.4 氨厂和高速路附近樟树叶氮与硫含量的关系

5.5 结论

第6章 樟树叶示踪大气氮源的主要影响因素

6.1 樟树叶片(SLA)与面积空间分布差异

6.2 土壤对樟树叶示踪大气氮沉降的影响

6.3 樟树叶组织示踪大气氮沉降的季节性差异

6.4 结论

第7章 总结

7.1 本课题结论

7.2 建议与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果