植物穩(wěn)定同位素（如δ13C, δ15N, δ34S）是記錄環(huán)境變化和解譯地表元素循環(huán)過(guò)程的重要信息。苔蘚植物因其響應(yīng)生境條件和大氣污染物的敏感性而進(jìn)入同位素生物示蹤研究的視線(xiàn)。在劉叢強(qiáng)院士的帶領(lǐng)下，中科院地球化學(xué)研究所劉學(xué)炎等在我國(guó)開(kāi)展了相關(guān)研究。其目的是通過(guò)摸索苔蘚同位素生物示蹤的方法原理，深化對(duì)大氣氮、硫污染物來(lái)源和地表地球化學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，提供區(qū)域氮、硫沉降的成因、地理分布和生物效應(yīng)等信息。早期研究結(jié)果已在Applied Geochemistry、Atmospheric Environment、Ecological Indicators、Environmental Pollution、Geophysical Research Letters、Journal of Geophysical Research等多次報(bào)道。

然而，苔蘚同位素生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性和可推廣性需要更深入的生物機(jī)理研究為基礎(chǔ)。其中，還原態(tài)氮（RDN）對(duì)苔蘚硝態(tài)氮（NO3-N）還原酶活動(dòng)（NRA）的抑制效應(yīng)可能影響苔蘚總δ15N對(duì)氮沉降來(lái)源和化學(xué)組成的記錄。在氮沉降以RDN為主的地區(qū)（即RDN:NO3-N>1），利用苔蘚總δ15N區(qū)分氮源或劃分氮沉降組分可能高估RDN而低估NO3-N的貢獻(xiàn)。為驗(yàn)證這一假設(shè)，劉學(xué)炎等首先建立了植物體內(nèi)硝酸鹽（NO3-）及其穩(wěn)定同位素（δ15N、δ18O和?17O）的分析方法，并初步演示了其在土壤-維管植物NO3-生理生態(tài)過(guò)程（Liu XY, et al. in press, Biogeochemistry, DOI: 10.1007/s10533-012-9721-4）、自然苔蘚NO3-來(lái)源區(qū)分（Liu XY, et al. 2012, Environmental Pollution, 162: 48–55）、以及苔蘚NO3-吸收還原動(dòng)力及15N、18O分餾效應(yīng)（Liu XY, et al. 2012, Functional Plant Biology, 39: 598–608）等方面的應(yīng)用。這一方法為無(wú)干擾（相對(duì)于加氮和15N標(biāo)記）、直接研究植物生態(tài)系統(tǒng)原位氮循環(huán)過(guò)程和機(jī)理推開(kāi)了一扇窗戶(hù)，同時(shí)也使苔蘚同位素監(jiān)測(cè)技術(shù)從總氮沉降指示具化到氮氧化合物示蹤。

隨后，研究組對(duì)我國(guó)貴陽(yáng)地區(qū)苔蘚NO3-同位素進(jìn)行了初步研究（Liu XY, et al., in press, Environmental Science and Technology. DOI: 10.1021/es300779h）。發(fā)現(xiàn)當(dāng)RDN:NO3-N>1，苔蘚NRA被明顯抑制，苔蘚δ15N-NO3-和雨水δ15N-NO3-接近，苔蘚總δ15N對(duì)氮沉降中RDN的高估隨R增加可達(dá)21%。當(dāng)RDN:NO3-N>3.8，苔蘚總δ15N并不包含NO3-N的信息，但更具有示蹤RDN的可靠性，支持了前期貴陽(yáng)市區(qū)銨遷移距離的苔蘚監(jiān)測(cè)模型（Liu XY, et al. 2008, Environmental Pollution, 156: 715–722）。該研究揭示了苔蘚總δ15N示蹤氮沉降的陷阱和新機(jī)制，約束了苔蘚總N和NO3-同位素生物示蹤方法的可靠性和應(yīng)用原理，提出苔蘚組織NO3-可作為以RDN為主的地區(qū)大氣硝態(tài)氮污染物的新監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

上述工作得到了*973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng)以及日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）博士后等相關(guān)項(xiàng)目的資助。