植物稳定同位素（如δ13C, δ15N, δ34S）是记录环境变化和解译地表元素循环过程的重要信息。苔藓植物因其响应生境条件和大气污染物的敏感性而进入同位素生物示踪研究的视线。在刘丛强院士的带领下，中科院地球化学研究所刘学炎等在我国开展了相关研究。其目的是通过摸索苔藓同位素生物示踪的方法原理，深化对大气氮、硫污染物来源和地表地球化学过程的认识，提供区域氮、硫沉降的成因、地理分布和生物效应等信息。早期研究结果已在Applied Geochemistry、Atmospheric Environment、Ecological Indicators、Environmental Pollution、Geophysical Research Letters、Journal of Geophysical Research等多次报道。

 

然而，苔藓同位素生物监测技术的可靠性和可推广性需要更深入的生物机理研究为基础。其中，还原态氮（RDN）对苔藓硝态氮（NO₃^-N）还原酶活动（NRA）的抑制效应可能影响苔藓总δ15N对氮沉降来源和化学组成的记录。在氮沉降以RDN为主的地区（即RDN:NO₃^-N>1），利用苔藓总δ15N区分氮源或划分氮沉降组分可能高估RDN而低估NO₃^-N的贡献。为验证这一假设，刘学炎等首先建立了植物体内硝酸盐（NO₃^-）及其稳定同位素（δ15N、δ18O和?17O）的分析方法，并初步演示了其在土壤-维管植物NO₃^-生理生态过程（Liu XY, et al. in press, Biogeochemistry, DOI: 10.1007/s10533-012-9721-4）、自然苔藓NO₃^-来源区分（Liu XY, et al. 2012, Environmental Pollution, 162: 48–55）、以及苔藓NO₃^-吸收还原动力及15N、18O分馏效应（Liu XY, et al. 2012, Functional Plant Biology, 39: 598–608）等方面的应用。这一方法为无干扰（相对于加氮和15N标记）、直接研究植物生态系统原位氮循环过程和机理推开了一扇窗户，同时也使苔藓同位素监测技术从总氮沉降指示具化到氮氧化合物示踪。

 

随后，研究组对我国贵阳地区苔藓NO₃^-同位素进行了初步研究（Liu XY, et al., in press, Environmental Science and Technology. DOI: 10.1021/es300779h）。发现当RDN:NO₃^-N>1，苔藓NRA被明显抑制，苔藓δ15N-NO₃^-和雨水δ15N-NO₃^-接近，苔藓总δ15N对氮沉降中RDN的高估随R增加可达21%。当RDN:NO₃^-N>3.8，苔藓总δ15N并不包含NO₃^-N的信息，但更具有示踪RDN的可靠性，支持了前期贵阳市区铵迁移距离的苔藓监测模型（Liu XY, et al. 2008, Environmental Pollution, 156: 715–722）。该研究揭示了苔藓总δ15N示踪氮沉降的陷阱和新机制，约束了苔藓总N和NO₃^-同位素生物示踪方法的可靠性和应用原理，提出苔藓组织NO₃^-可作为以RDN为主的地区大气硝态氮污染物的新监测指标。

 

上述工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金、中科院院长奖以及日本学术振兴会（JSPS）博士后等相关项目的资助。（来源：中科院地球化学研究所）