基于^(13)C同位素标记法探究连作对丹参生长及光合碳分配的影响

以1年龄盆栽丹参为研究对象,设置^(13)C脉冲标记处理与^(12)C正常处理,应用^(13)C脉冲标记法研究连作与非连作丹参光合碳分配规律,比较植株标记40 d后的形态学与理化指标差异,分析丹参地上部、根部以及根际土壤碳的^(13)C丰度、碳同位素比率、^(13)C原子百分比以及单位干重样品的^(13)C总量,以明确连作对丹参生长与光合作用的影响机理。结果表明,连作条件下,丹参各部分生物量与叶绿素含量明显下降,抗氧化酶活性升高;有效成分中的丹参酮Ⅰ、丹参酮Ⅱ_(A)、二氢丹参酮Ⅰ以及迷迭香酸含量均降低;连作显著影响^(13)C-光合碳分配比例,非连作丹参地上部、根部以及根际土壤中^(13)C-光合碳比率分别为27.14%、72.80%和0.06%,连作丹参为59.38%、40.59%和0.03%。综上,连作后,丹参生长发育与次生代谢受到明显影响;光合产物向地下部的转移能力降低,导致连作丹参根部生长发育受到明显抑制;丹参光合作用的强弱是反映丹参生长状况的重要指标。

基于^(13)C脉冲标记法探究种植密度对侧柏幼苗生长及光合碳分配的影响

【目的】通过盆栽试验定量研究侧柏光合碳在地上部分、地下部分及土壤中的分配规律,探索人工林生态系统中植物-土壤的碳周转情况。【方法】以树龄1 a的侧柏幼苗为研究对象,设置3个种植密度水平(低密:1株/盆,中密:3株/盆,高密:5株/盆),两个处理(^(13)C脉冲标记处理和未标记处理),采集地上部分、地下部分及根际土壤样品,对比分析植株生物量、^(13)C、全碳(TC)和全氮(TN)含量以及根际土壤理化性质的变化。【结果】随种植密度的提高,侧柏幼苗地上部分生物量、地下部分生物量和总生物量均呈递增的趋势,高种植密度显著提高了根际土壤溶解性有机碳和硝态氮的含量(P<0.05)。3个种植密度下植物-土壤系统各组分固定的^(13)C含量均表现为地上部分>地下部分>根际土壤(P<0.05)。种植密度显著影响了光合^(13)C含量在各组分的分配比例,且随种植密度的提高,分配在地上部分的比例呈递增趋势,变化范围为61.95%~64.92%;分配在地下部分的比例呈递减趋势,变化范围为38.04%~35.07%;而分配在土壤中的比例无显著差异(0.01%~0.02%)。【结论】种植密度显著影响侧柏幼苗的生长及光合碳在地上部分、地下部分和土壤中的分配比例,高密度种植提高了植株及土壤的碳固定,但也可能造成了种间竞争作用,使光合碳优先分配在植株的地上部分,而减少了向地下部分的转运。

利用^(13)C标记和自然丰度三源区分玉米根际CO_(2)释放

石灰性土壤中,根际土壤释放的CO_(2)有三个来源,即根源呼吸、土壤有机碳(SOC)分解和土壤无机碳(SIC)溶解,三源区分土壤释放的CO_(2)是量化土壤碳平衡的前提。分别在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期进行7 h的^(13)O_(2)脉冲标记,经过27 d示踪期后破坏性取样,测定^(13)标记与自然丰度处理中,玉米地上部、根系、土壤和土壤CO_(2)的碳含量和δ^(13)值,利用^(13)示踪并结合自然丰度法区分玉米土壤CO_(2)的来源。研究结果显示,随着玉米生长,根源呼吸对土壤CO_(2)的贡献呈降低趋势,从拔节期的66.7%降低至灌浆期的25.8%。整个玉米旺盛生育期内(从拔节期到生育期末),根源呼吸和土壤总碳释放对土壤CO_(2)具有同等贡献,SOC和SIC释放对土壤总碳释放的贡献率分别为30%和20%。玉米生长对土壤的碳输入(根系+根际沉积物)超过土壤总碳(SIC+SOC)的释放,总体表现为土壤碳汇。研究表明,SIC溶解对全球碳库稳定性和调节CO_(2)浓度的影响非常重要,若忽视石灰性土壤中SIC溶解,则会高估SOC的分解,进而影响SOC激发效应以及土壤碳平衡的评估。

^(13)C同位素标记DDT、DDD、DDE的简便合成

有机氯农药滴滴涕(双对氯苯基三氯乙烷,DDT)作为一种持久性有机污染物,在环境中长时间滞留,并逐步代谢为更加稳定的滴滴伊(1,1-二氯-2,2-双(4-氯苯基)乙烯,DDE)和滴滴滴(双(6-羟基-2-萘)二硫,DDD)。同位素稀释质谱法(IDMS)是国际上唯一认可的痕量和超痕量检测的权威性检测方法。稳定同位素标记产品是该方法的物质基础。报道了^(13)C_(12)标记p,p′-DDT、p,p′-DDD和p,p′-DDE的合成。以^(13)C_(6)-苯为同位素标记原料,通过氧氯化得^(13)C_(6)-氯苯,^(13)C_(6)-氯苯分别与三氯乙醛水合物和二氯乙醛水合物经浓硫酸催化缩合制得^(13)C_(12)-DDT和^(13)C_(12)-DDD,以聚乙二醇-600为相转移催化剂,^(13)C_(12)-DDT脱氯化氢制得^(13)C_(12)-DDE。该方法产率高、产品纯度高、操作简便,可为同位素标记的二氯二苯基三氯乙烷类化合物(DDTs)的合成提供参考。

^(13)C稳定同位素在陆地生态系统植物-微生物-土壤碳循环中的应用

绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO_(2),是陆地生态系统的主要碳(C)源,量化光合C在植物-土壤系统间的分配,对于明确C的周转与存留、预测气候变化背景下植被和土壤C库潜力具有重要意义。^(13)C稳定同位素技术具有准确性和易操作性,在C循环研究中被广泛应用,为探究植物-土壤系统C分配、土壤微生物群落结构、C利用效率和土壤C矿化为CO_(2)通量变化等特性提供重要技术支撑。本研究首先介绍^(13)C稳定同位素的发展和标记方法,主要有^(13)C脉冲(单次与多次)标记、^(13)C连续标记、借助C_(4)土壤种植C_(3)植物确定^(13)C丰度以及不改变植被条件鉴定自然^(13)C丰度等。其次总结该技术在植物-微生物-土壤系统C循环中的应用:主要包括^(13)C同位素标记在植物-土壤系统C分配,^(13)C自然丰度技术在树木生长轮和植物群落水平C循环、土壤有机C形成与分解过程中的应用;在土壤微生物方面,概述^(13)C稳定同位素在磷脂脂肪酸、氨基糖、芯片-稳定同位素探针、纳米二次离子质谱同位素成像、荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术等微生物标志物上的应用。接着总结^(13)C稳定同位素方法的缺点,即^(13)C样品检测价格昂贵、由于^(13)C分馏作用影响^(13)C丰度检测不准确及^(13)C标记与微生物标志物技术结合对^(13)C标记丰度要求较高等。最后,对未来^(13)C同位素示踪技术研究提出展望:在理论上,需探究^(13)C标记底物在植物-土壤-微生物系统C分配、转化和固持的作用机制和影响机制,构建统计与验证模型;在应用上,应注重交叉学科的运用,将地理信息系统、遥感等地学技术与^(13)C稳定同位素相结合,从更广泛、更全面的角度推进陆地生态系统C循环研究。

高州油茶果实膨大期光合产物的运输和分配特征

【目的】研究高州油茶在果实快速膨大期光合产物的运输和分配特征,进一步掌握南方特色油茶品种果实品质与光合产物分配的相关性,为华南地区油茶产业高质量发展提供理论支撑。【方法】采用^(13)C同位素脉冲标记法,对高州油茶饲喂^(13)CO_(2)气体2 h,在标记后0、6、24、48、72 h分别测定叶、枝、果皮和种仁的^(13)C含量,同时测定其叶片、种仁和果皮中的糖组分特征和非结构性碳水化合物(NSC)。【结果】1)^(13)C光合产物在叶中合成后,在标记结束后0~6 h向各库器官的运输速率最大,6~48 h光合产物运输趋于稳定。2)光合产物运输趋于稳定后,在各器官的分配比从大到小依次为叶>种仁>果皮>枝。高州油茶光合作用固定的^(13)C光合产物在标记结束后0~72 h消耗了95.07%。3)光合产物主要以果糖的形式在各器官存储,叶与果实之间存在着较高的蔗糖质量浓度梯度。4)各器官非结构性碳水化合物(NSC)积累量为果皮>叶>种仁。可溶性糖/淀粉比值为种仁最大,果皮次之,叶最小。【结论】果实膨大期高州油茶叶中合成的光合产物在合成后的24 h内向各库器官快速运输,大多光合产物被植物呼吸消耗。近期合成的光合产物在各器官中分配比以叶最高,不利于高州油茶果实发育。叶与果皮中较高的蔗糖质量浓度是高州油茶果皮较厚的原因之一。果实快速膨大期果皮发育、脂肪酸合成和油脂积累是种仁与果皮中可溶性糖/淀粉比值较高的原因。

植物^(13)C标记对生物质炭理化性质的影响

研究了未标记和^(13)C脉冲标记的水稻和杨树在不同温度下制备得到的生物质炭理化性质的差异.以水稻和杨树为原料,进行^(13)C脉冲标记,分别在300℃和500℃下裂解,得到8种不同的生物质炭,即300℃和500℃未标记水稻生物质炭、300℃和500℃^(13)C标记水稻生物质炭、300℃和500℃未标记杨树生物质炭及300℃和500℃^(13)C标记杨树生物质炭,分析植物^(13)C标记、裂解温度和原料对生物质炭主要理化性质的影响.结果表明,植物^(13)C标记后,制备得到的生物质炭TC含量降低,固定碳含量增加,水稻生物质炭的NO_(3)^(-)-N含量增加.随着裂解温度从300℃升高到500℃,^(13)C标记生物质炭的灰分、pH、固定碳含量增加,DOC、TN和NH_(4)^(+)-N含量减少,C/N有所增加.三因素方差分析表明,制备原料是影响生物质炭的灰分、TC和固定碳含量的最重要因素,对变异的解释程度分别为0.87、0.92和0.55;裂解温度是影响生物质炭的pH、DOC、TN、NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N含量的最重要因素,对变异的解释程度分别为0.94、0.91、0.79、0.47和0.67;生物质炭的理化性质受到制备原料、裂解温度和植物^(13)C脉冲标记三者的交互作用的影响,尤其是制备原料和裂解温度之间的交互.进一步通过主成分分析发现,裂解温度对生物质炭的理化性质影响最大,其次是制备原料,植物^(13)C标记的影响最小.综上所述,植物^(13)C脉冲标记对所制备的生物质炭的主要理化性质存在明显影响,易分解碳和氮则主要受裂解温度的影响.本研究将为同位素技术在生物质炭研究中的应用提供基础数据,并为相关研究选择合适的生物质炭种类提供参考.

长期不同施肥对光合碳在甘薯-土壤系统中分配的影响

依托40年长期定位试验研究平台,采用^(13)CO_(2)脉冲标记方法对4种不同施肥方式下光合碳在甘薯-土壤系统中的分配进行了定量研究。结果表明:施肥能显著增加甘薯植株各器官的生物量与干物质量,以有机无机配施处理增加幅度最为显著。甘薯-土壤系统光合固定碳转移较快,且分配差异较大,其^(13)C丰度在脉冲标记1 d后表现为:叶片、叶柄>藤蔓、块根>土体,且不施肥处理地上部^(13)C丰度显著高于施肥处理。脉冲标记30 d后,甘薯植株各器官^(13)C丰度降低,其中在地上部分配比例为19.38%~31.44%,块根中为60.19%~71.86%,而土体^(13)C丰度却略有升高,分配比例为8.05%~11.11%;与不施肥处理相比,施肥处理显著增加块根中^(13)C含量,且MNPK处理块根中^(13)C含量显著高于NPK和M处理,表明在甘薯膨大期施肥处理有利于光合碳在块根中累积,其中以有机无机配施累积效果更为显著。

施钙量对不同花生荚果发育时期光合碳在植株-土壤系统分配的影响

探究施钙对不同花生荚果发育时期光合碳在植株-土壤系统分配的影响,有利于改善钙肥管理,提升花生产量和土壤有机碳含量。本研究选用普通大花生品种‘花育22’,设置CaO 0、75、150和300 kg hm^(-2)4个施钙梯度,分别记为T0、T1、T2、T3,于盆栽条件下研究施钙量对花生产量和不同荚果发育时期光合碳在花生植株-土壤系统中分配的影响。结果表明,不同施钙量对花生植株总干物质积累无明显影响。适宜施钙量可显著降低花生千克果数和千克仁数,提升花生出仁率、饱果率和荚果产量,在2018年和2019年,T2处理荚果产量较T0可分别提升17.5%和25.1%。基于施钙量与花生荚果和籽仁产量的拟合分析发现,当钙肥施用量为165 kg hm^(-2)和173 kg hm^(-2)时,可分别获得最高的花生荚果和籽仁产量。适宜施钙量可明显提升鸡咀幼果期和荚果膨大期花生植株光合^(13)C的积累量,提升各荚果发育时期^(13)C在花生籽仁中的分配比例,其中,在荚果定型期和籽仁充实期,T2和T3处理下^(13)C在花生籽仁中的分配比例分别可达33.4%~37.2%和38.7%~40.0%。适宜施钙量还可提高花生植株光合^(13)C在土壤中的分配比例,最高可达52.6%(T2),但随着花生荚果发育进程的推进,此分配比例逐渐降低。综上,适宜施钙量可调控不同花生荚果发育时期光合^(13)C在植株-土壤系统的分配,显著提升花生产量和光合^(13)C在花生籽仁和土壤中的分配比例;本研究条件下,推荐适宜施钙量(CaO)为173 kg hm^(-2)。

长期复种绿肥下光合碳在水稻-土壤系统中的分配与稳定

冬季复种绿肥是我国南方稻区传统的培肥增产模式,探究长期冬种绿肥下光合碳在水稻-土壤系统中的分配规律,对深入解析稻田土壤碳循环、充分发挥绿肥的生态功能具有重要意义。基于稻-稻-绿肥复种长期定位试验(38年),针对稻-稻-紫云英、稻-稻-油菜和稻-稻-休闲三种处理,采用^(13)C-CO_(2)脉冲标记技术,研究长期冬季复种绿肥下光合碳在早稻季分蘖期水稻-土壤系统中的分配特征。结果表明,与冬季休闲处理相比,复种紫云英和油菜处理使早稻地上部^(13)C-光合碳积累量每穴分别增加19.9 mg和80.6 mg;复种紫云英处理使早稻地下部^(13)C-光合碳积累量每穴降低2.7 mg,而复种油菜处理对早稻地下部^(13)C-光合碳积累量无显著影响。同时,冬季复种紫云英和油菜减少了早稻^(13)C-光合碳向土壤的分配,积累量每穴分别降低7.6 mg和7.8 mg;复种紫云英处理对水稻^(13)C-光合碳在土壤颗粒有机碳(POC)和矿物结合态有机碳的分配比例无显著影响,复种油菜处理促进了水稻^(13)C-光合碳向土壤POC中的分配,使^(13)C-POC的占比增加35.3%。综上,长期复种绿肥促进了水稻分蘖期光合碳在水稻-土壤系统中的积累,与冬季休闲处理相比,冬季复种绿肥使光合碳在水稻-土壤系统中积累量增加3.7%~28.0%;增加了光合碳向水稻地上部的分配,减少了其向水稻地下部及土壤中的分配比例;且复种油菜处理减弱了土壤中水稻光合碳的稳定性;从增加有机碳总量和光合碳稳定性的角度可知,复种紫云英是相对较好的一种冬季复种绿肥模式。

秸秆添加对石灰性土壤有机与无机碳释放的影响

在富含碳酸盐的石灰性土壤上,土壤本身CO_(2)释放不仅来自土壤有机碳(SOC)的分解,也源于无机碳(SIC)的溶解。在秸秆还田下,石灰性土壤CO_(2)释放来源达到三个(秸秆碳、SOC和SIC),由于区分技术的限制,当前区分CO_(2)释放三源的研究,尚少见报道。以华北石灰性农田土壤为研究对象,采用^(13)C标记玉米秸秆添加土壤进行室内培养32周,设置4个处理,分别为无添加对照(CK)、低量秸秆添加(S1,相当于田间秸秆还田量9.6 t·hm^(-2))、中量秸秆添加(S2,秸秆还田量28.8 t·hm^(-2))和高量秸秆添加(S3,秸秆还田量48.0 t·hm^(-2)),利用秸秆碳、SOC与SIC之间的δ^(13)C差异,借助稳定同位素溯源模型IsoSource,区分土壤CO_(2)的释放来源,明确秸秆添加对石灰性土壤有机与无机碳释放的影响。结果表明,随着培养时间的进行,土壤释放CO_(2)中源于秸秆的贡献呈下降趋势;秸秆分解对土壤CO_(2)释放的贡献随着秸秆添加量增加而增加,对于S1、S2和S3处理,土壤释放CO_(2)中源于秸秆、SOC和SIC的贡献比值约分别为3︰3︰4、5︰2︰3和6︰2︰2;与CK相比,S1处理降低SOC分解的激发效应(程度为9%),S2和S3处理反而增加了SOC分解的激发效应(程度分别为22%和57%);秸秆和SOC矿化增加SIC溶解的释放,随秸秆添加量增加而增加,S1、S2和S3处理提高SIC源CO_(2)的释放程度分别为368%、561%和652%。因此,秸秆添加不仅影响SOC源CO_(2)的释放,也增加了SIC源CO_(2)的释放,若忽略SIC溶解对土壤CO_(2)释放的贡献,可能导致SOC矿化量的高估,进而影响SOC激发效应评估的准确度。

稳定同位素的示踪方法简介与试题命制

对人教版新教材关于同位素标记法的描述进行分析,介绍稳定同位素的简单示踪方法,基于核心素养命制了一道应用^(13)C标记的试题,并对试题的平均分、难度和区分度进行了综合的评价与分析。

The role of soluble sugars during drought in tropical tree seedlings with contrasting tolerances

非结构碳水化合物(NSCs)是植物的贮藏化合物,用于代谢、运输、渗透调节和叶片脱落后的再生。即使在最适宜生长的条件下,植物也会继续储存NSCs。这种储存可能是由于生长受到抑制而产生的被动积累,也可能是由于以生长为代价而产生的主动储备。前者暗示NSCs可能是碳汇有限生长的副产物,而后者则表明NSCs在植物适应逆境中具有的功能作用。本研究中,利用13C脉冲标记,我们追踪了具有不同干旱耐受性的两种热带树种的幼苗在干旱和常湿条件下茎和根器官中可溶性糖的来源,以估计干旱前储存的NSCs与干旱期间同化的NSCs的相对分配。我们监测了生长、气孔导度、茎干水势和NSC储存以评估对干旱的全碳响应。结果表明,与对照幼苗相比,不耐旱树种生长速度减慢,在叶片、茎和根器官中储存NSCs,在茎和根器官中可溶性糖(源于干旱前的储存)的比例更大。相反,与对照幼苗相比,耐旱树种则能保持生长和茎根NSCs浓度,但叶片NSCs浓度降低,茎和根可溶性糖的比例更大,这些可溶性糖来自于新同化的光合产物。这些结果表明,不耐旱树种由于缺水导致生长受限而被动积累NSCs,而耐旱树种则通过分配NSCs到茎和根器官来积极响应缺水。这些策略似乎与基线最大生长速率相关,并且支持了以前的研究结果,表明在生长和耐旱性之间存在一种权衡关系,同时也为NSCs分配的可塑性在干旱中的重要性提供了新的证据。

长期秸秆还田对水稻根系碳矿化与激发效应的影响

长期秸秆还田改变水稻土环境条件,从而会影响水稻残留根系碳在土壤中的矿化和激发效应,其影响的方向和强度尚不明确.因此,基于长期定位施肥试验,采用^(13)C-CO_(2)同位素标记技术,结合室内模拟培养试验,研究不施肥(CK)、单施化肥(CF)和秸秆还田配施化肥(CFS)这3种长期处理下,水稻根系和土壤本身有机碳的矿化特征,分析根系的激发效应的强度与方向,以及各处理CO_(2)释放量的来源组成.结果表明,经过120 d的室内淹水培养,根系残留(R)将CO_(2)累积释放量增加了617.41~726.27 mg·kg^(-1).CFS+R和CF+R处理根系来源CO_(2)累积释放量分别为470.82mg·kg^(-1)和444.04 mg·kg^(-1),根系的矿化率分别为18.8%和17.8%,均显著高于CK+R处理(384.19 mg·kg^(-1),15.4%).3个处理的土壤本身有机碳产生的CO_(2)累积排放量无显著差异,但CFS+R处理的土壤本身有机碳矿化率(4.2%)显著低于CF+R和CK+R处理(5.4%和5.8%).CFS+R处理中根系的CO_(2)累积激发效应为29.6%,显著低于CK+R处理的42.5%,高于CF+R处理的14.4%.淹水水稻土CO_(2)累积释放量中23.47%~27.59%来源于根系,其余来源于土壤,其中,激发效应引起的CO_(2)释放量占比在CFS+R处理中比CK+R处理小,比CF+R处理大.综上,淹水水稻土长期秸秆还田会提高根系碳的矿化潜力,但是更有利于土壤本身有机碳的稳定.