^(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。

杭嘉湖平原典型水耕人为土的碳库构成与^(13)C稳定性同位素分布特征

采集杭嘉湖平原的黄斑田、青紫泥田和烂青紫泥田3种代表性水耕人为土分层土样,测定土壤有机碳、颗粒态有机碳和黑碳在土壤剖面中的分布,不同粒径团聚体与土壤颗粒中有机碳和黑碳的差异及13C稳定性同位素的剖面分异.结果表明:黄斑田土壤有机碳库低于青紫泥田和烂青紫泥田;颗粒态有机碳占土壤有机碳总量的10.6%～29.3%,并随剖面深度的增加而下降;黑碳占有机碳总量的4.2%～24.6%,在黄斑田和青紫泥田中随深度降低,而在烂青紫泥田中剖面上下差异不大;稳定性团聚体中有机碳和颗粒态有机碳含量随粒径增加而增加,而黑碳含量的高低与水稳定性团聚体颗粒大小无关;研究发现土壤中的黑碳颗粒较小,主要出现在粘粒"粒级中,随剖面深度增加黑碳颗粒趋向减小;同位素δ13C值:黑碳>总有机碳>颗粒态有机碳,随深度增加而增加.

稳定碳同位素δ^(13)C_1在煤层气田勘探中的应用

煤层气分布状态主要受控于两种地质效应:一种是热动力学机制控制下的同位素分馏效应,存在于煤层气生成期;另一种是甲烷δ13C1解吸-扩散-运移效应,存在于煤层气生成后,源于埋深变浅而造成的泄压条件下。文中以沁水煤层气田为例,探讨了沁水煤层气田煤层气δ13C1解吸-扩散-运移效应。认为可以利用煤层气δ13C1特征来评价煤层气保存条件和开采稳定性,指导煤层气田的勘探和开发。

利用稳定性同位素区分河岸C4草地生态系统夜晚碳通量

河岸生态系统在全球碳循环过程中起着重要作用。涡度相关技术虽然能够被用来测量整个生态系统的净碳通量,但是,把净碳通量区分为组分通量的贡献将显著提高人们对生态系统碳循环的理解。稳定性同位素技术能够把净碳通量区分为具有不同同位素特征的组分通量。实验结果表明,因为考虑了同位素及CO2在取样和分析过程中的不确定性,与传统的Ordinary Least Square法相比,Bayesian法所获得的生态系统夜间呼吸释放CO2的同位素值(δ13CR)显著减小了标准误差。δ13CR具有明显的季节变化,并且受土壤含水量和大气水汽压亏缺(VPD)的影响。δ13CR与土壤含水量之间存在着正相关关系,而与VPD之间存在着负相关关系。2006年和2007年生长季,以及2005年旱季,土壤呼吸对夜晚河岸C4草地生态系统呼吸的贡献约为80%。2005年雨季,土壤呼吸只占河岸C4草地生态系统呼吸的40%左右。年际间土壤呼吸的贡献率的变化很有可能是2006年的水淹造成的。因为,通过沉降作用,水淹可以为C4草地生态系统提供额外的可供微生物分解的有机质。

牛组织中稳定性同位素碳、氮随饲料变化的研究

研究了饲料组成不同时,牛不同组织中δ13C和δ15N值的变化规律。将9头12～14月龄的青年牛随机分为3组,分别饲喂C4植物含量为100%、50%、0%的饲料,132d后屠宰。利用同位素比率质谱仪测定了牛尾毛、脱脂牛肉、粗脂肪、各种饲料的δ13C和δ15N值。结果表明,饲喂同种饲料的牛个体间碳、氮同位素组成随着时间的延长差异减小;牛尾毛、脱脂肌肉、粗脂肪中的δ13C值呈极显著相关性(P<0.01),并均与C4植物含量呈极显著的相关性(P<0.01);牛组织中的δ15N值并未随饲料呈现规律性变化。用牛组织中的δ13C值可以预测饲料中C4植物所占的比例,牛尾毛、脱脂肌肉、粗脂肪均可作为牛肉溯源的材料。

会仙喀斯特湿地三种典型植物叶片碳同位素(δ^(13)C)特征及其指示意义

为探讨会仙喀斯特湿地不同生长环境下植物叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)、稳定碳同位素(δ^(13) C)特征及其生态学指示意义,该文以挺水植物芦苇、浮水植物水葫芦和沉水植物金鱼藻为研究对象,分析了三种典型不同生活型植物叶片的δ^(13) C特征及种间和微生境的差异,并基于植物碳同位素与碳酸酐酶显著正相关的二端元模型,估算了植物利用光合作用固定的碳酸氢根离子(HCO-3)的碳量。结果表明:(1)三种植物叶片δ^(13) C的变化范围为-28.47‰~-21.69‰,平均值为-24.83‰,不同生活型植物间δ^(13) C存在差异,金鱼藻>水葫芦>芦苇。(2)植物δ^(13) C值与叶片C、N和P元素含量间呈显著正相关,与C/N、C/P和N/P呈显著负相关关系,与底泥的有机质、速效氮、总氮、速效磷和总磷含量呈显著正相关。(3)会仙喀斯特湿地三种不同生活型植物叶片N/P平均值为10.34,表现出植物受N、P共同影响的特征。(4)δ^(13) C的变化特征,揭示了三种水生植物可能通过增加磷利用效率来促进低水分利用率环境下的碳的合成,通过提高植物水分利用效率的策略来代偿较低的氮素利用效率。(5)芦苇光合作用固定HCO-3碳量为159.60 t·a^(-1)·km^(-2),水葫芦为10.80 t·a^(-1)·km^(-2),金鱼藻为9.24 t·a^(-1)·km^(-2),平均值为59.88 t·a^(-1)·km^(-2)。会仙喀斯特湿地植物的不同生活型、光合作用途径和生长微环境,是影响叶片δ^(13) C变化的主要因素。

C_3植物稳定碳同位素组成与盐分的关系

植物在盐生环境中δ13C值的改变可能包含两个成分:一个是盐分对CO2的扩散、传递或光合速率的影响而引起的δ13C值的改变;另一个是光合途径的转换引起的δ13C值的变化,δ13C值的大小与诱导发生CAM或C4代谢的程度有关。植物组织的δ13C值随盐度的变化趋势除了与植物本身固有的耐盐性有关以外,盐度和胁迫时间是影响植物δ13C的重要因素。根据盐生条件下同位素分馏特点可知,盐生植物与非盐生植物的δ13C随盐度的变化趋势有所不同。对非盐生植物而言,在低盐度和短期的盐处理下,随盐度的增加和胁迫时间的延长植物的δ13C值增大,这个阶段限制光合作用的主要因素是气孔导度;但是如果盐度过低,δ13C变化很小,则难以表现出应有的相关性;随着胁迫的加强,当限制光合作用的非气孔因素成为主导因素时,由于光合作用受到强烈抑制(光合结构遭到破坏),δ13C将随之降低。对盐生植物而言,其δ13C与最适盐度有关。最适盐度下,植物的δ13C低于其它盐度条件下的δ13C值。盐生条件下,有些C3植物可能发生光合途径的转换,无论诱导发生的是C4代谢还是CAM代谢,δ13C值均趋于增大。但是,一般情况下,盐处理诱导的光合途径的改变对植物组织整体的δ13C的影响很小。在密闭环境中或郁闭林地,植物和土壤呼吸释放的CO2再次参与光合作用,也会改变植物的δ13C值。为了更加全面地考察植物δ13C与盐度的关系,需要设置较大的盐度范围和进行长期的胁迫处理,才能够获得相对充分的数据,才有利于全面分析植物δ13C值与耐盐性的关系。

利用多年冻土区湖相沉积物中埋藏植物稳定碳同位素组成重建大气CO_2浓度

沉水植物碳同位素分馏同水中溶解无机碳浓度有一定的关系 ,因而可以通过青藏高原多年冻土区的湖相沉积物中埋藏沉水植物———龙须眼子菜 (Potamogetonpectinatus)植物屑的碳同位素组成重建该地大气CO2 浓度的变化情形 .研究结果表明 ,该地在 9 176 77kaBP间 ,大气CO2 浓度是整个研究时间段中最低的 ,其后在 6 774 5 6kaBP时期大气CO2 浓度增加 ,在 4 5 6 2 17kaBP之间 ,大气CO2 浓度是整个研究时间内CO2 浓度最高的阶段 .植物屑的碳同位素组成反映了溶解无机碳浓度的变化 ,从而可用以重建大气CO2

稳定性碳同位素对植物水分利用效率的指示作用

碳同位素技术已在地质学、生态学和植物学等领域得到广泛应用。文章概述了稳定碳同位素的基本理论,从不同植物类型、空间尺度和抗旱节水植物材料选育等方面对稳定碳同位素对植物水分利用效率的指示作用进行了简要总结,对碳同位素技术进行评价,并就未来发展方向进行展望。碳同位素分辨率与植物水分利用效率高度相关,因而利用碳同位素分辨率来衡量植物水分利用效率必将有广阔的应用前景。

土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展

土壤有机碳是地球表层储量最高且储存周期最长的生态系统碳库之一。如何提高土壤有机碳稳定性和增强土壤固碳减排能力,是陆地生态系统碳管理可持续战略的关键科学问题。国际学术界一致认为农田生态系统在固碳方面的作用越来越明显,在实现碳中和的进程中发挥重要的作用。农田管理实践方式会扰动土壤碳循环过程,采取有效的管理方式会使其成为碳汇。目前,国内研究主要集中在耕作方式、施肥和灌溉水平、秸秆还田对农田生产力、碳固持速率、温室气体排放方面的影响,但就农田生态系统有机碳稳定性对不同农田管理方式的响应机制以及与土壤碳排放之间的关系认识尚未明确。^(13)C同位素技术是研究农田土壤碳循环过程的有力工具,通过测定土壤碳排放过程中不同有机碳组分的同位素丰度,能够精准区别土壤呼吸组分和来源,从而更好地揭示土壤有机碳稳定性对农田管理措施的响应机制,为增强土壤碳汇效应和农业可持续发展提供科学依据。以往的研究大多集中在模拟试验以及小范围、短时间监测,与实际差距较大,测量结果会高估或低估实际值。因此,在未来的农田土壤碳循环研究过程中要采取多点、长时间实时原位监测,并结合^(13)C同位素技术,实现土壤CO_(2)排放实时分解,达到揭示土壤有机碳稳定性机制的目的。

碳稳定同位素技术在植物水分胁迫研究中的应用

植物体的碳稳定同位素组成主要由植物本身的生物学特性决定 ,但环境胁迫对其影响也十分明显。综述了碳稳定同位素技术在研究植物水分利用效率、生物量高低及判断历史气候依据等研究领域的进展 ,阐明了植物体的 δ1 3C值对干旱、盐分及其它环境因素的变化所引起的水分胁迫的响应 。

珠江水体悬浮物颗粒有机碳稳定同位素组成及分布特征

研究了珠江三干流西江、北江和东江水体中悬浮物颗粒有机碳稳定碳同位素的组成、分布以及季节变化特征。研究结果显示:可以根据.C_3、C_4植物及悬浮物的δ^(13)C值区分不同流域的植被覆盖状况;东江流域水土流失区以草地、农田为主,C_4植物影响较大;北江水体中颗粒有机碳主要来源于森林覆盖区,同位素组成受C_3植物影响较大;西江水体中颗粒有机碳同位素组成介于其间,同时受C_3、C_4植物影响,颗粒有机碳部分来源于森林覆盖土壤,部分来源于草地和农田。

稳定碳同位素示踪农林生态转换系统中土壤有机质的迁移和赋存规律

为了探讨土壤有机质在降解过程中的迁移、赋存规律 ,利用C3植物与C4 植物明显的δ13C值差异 ,选取贵州茂兰保护区内农林生态系统发生转换生长的地域 ,分析土壤的不同粒径组分和比重组分中土壤有机质的δ13C值 .结果表明 ,粗砂中的土壤有机质年代最新 ,细粉中的土壤有机质年代最老 ,有机质在降解过程中 ,在土壤各粒径组分中的迁移次序是 :粗砂 <细砂 <粗粉 <粘土 <细粉 ;土壤重组分中的有机质年代较老 ,以降解充分、稳定的有机无机复合体为主 ,相对而言 ,轻组分中的有机质含有更多的降解尚不充分。

海洋沉积物孔隙水中溶解无机碳（DIC）的碳同位素分析方法

海水中往往含有一定量的溶解CO2（以HCO3^-存在），其δ^13C值组成十分恒定，一般在0‰值附近。赋存在海底沉积物中的孔隙水往往含有比海水更高的溶解CO2含量，且其碳同位素组成变化极大。对这些溶解CO2的碳同位素组成进行分析，能够为我们了解海底沉积物沉积一成岩过程和生物地球化学过程提供十分丰富的信息。为此，开展了沉积物孔隙水中溶解CD2（DIC）的碳同位素分析方法的研究。

人工饲料对刺参幼参生长贡献的碳稳定同位素法分析

为了解不同养殖密度下刺参对人工饲料的吸收利用情况,实验采用碳稳定同位素法研究人工饲料对刺参幼参生长的食物贡献率。实验采用室内水族箱与刺参养殖池塘内围隔相结合的方法,刺参幼参的初始体质量为(4.78±0.58)g,水族箱(100 cm×60 cm×60 cm)内10头幼参用人工饲料按5%刺参初始体质量(湿重)连续喂养60 d;参池围隔(长8.0 m×宽8.0 m×高1.9 m)内,投喂的实验组幼参在5、10、15、25和35 ind/m2的养殖密度下经人工饲料驯化后按5%刺参初始体质量(湿重)连续喂养6 d,同时设不投饲的对照组,各4个重复。结果显示,水族箱内的刺参幼参的体质量经人工饲料饲喂60 d后均显著增加,其特定生长率(SGR)为(2.73±0.57)%/d,其稳定碳同位素比值(δ13C值)由初始时的-18.633‰±0.552‰显著变化为-19.466‰±0.316‰(P=0.032)。围隔实验中,实验组和对照组刺参的最终体质量都呈现不断减小的趋势,但同一密度的实验组刺参最终体质量均高于对照组;实验组刺参幼参的δ13C值随着养殖密度的增大由-13.262‰±0.183‰减小为-15.102‰±0.189‰,人工饲料对幼参的食物贡献在最低密度5 ind/m2下为最小值3.78%±2.98%,在最高密度35 ind/m2下达到最大值为29.48%±3.31%。研究表明,利用碳稳定同位素法可有效分析刺参幼参的生长与摄食,人工饲料对刺参生长的贡献率随着养殖密度的增大显著增大(P<0.01),但比常见鱼虾等水产养殖品种要低得多,这与刺参自身摄食生理学特点、饲料质量、养殖模式及环境等多种因素相关。

杨树稳定碳同位素分辨率与水分利用效率和生长的关系

测定7个1.5年生杨树无性系的功能叶、当年生枝和树干的Δ13C,并转换成WUE,同时用气体交换法测定这些无性系的瞬时WUE。结果表明:杨树叶、枝、干的Δ13C依次显著降低,对应的不同时间尺度的WUE则依次显著增大;用气体交换法和叶Δ13C评价7个参试无性系的结果基本一致,用当年生枝Δ13C与用树干Δ13C的评价结果基本一致,但用气体交换法、叶Δ13C的评价结果与用枝Δ13C、干Δ13C的评价结果差异很大;枝Δ13C和干Δ13C与树高、胸径间有显著正线性相关,而叶Δ13C与生长的相关性不明显。枝、干Δ13C不仅可作为评价不同杨树无性系整株水平长期水分利用效率的良好指标,而且还有可能被用于预测和评价良好水分条件下杨树的生长潜力。

不同桉树品种稳定碳同位素研究

测定了10个不同品种桉树的叶、枝干、根的稳定碳同位素(δ13C值)。结果表明,同种桉树的叶、枝干、根的δ13C值差异显著且依次降低。δ13C值在无性系之间差异显著,叶、枝干δ13C值在种间差异不显著,根的δ13C值在种间差异显著。各个器官的δ13C值和植物半致死温度之间的相关性都在0.3以下,因此δ13C值能否作为品种或抗寒性的判定指标,还需要对δ13C值和其他抗寒性指标的关系做进一步的研究。

华南Pc-C过渡期深水相剖面的碳、氧同位素记录

本文对湘西三岔、杆子坪与贵州织金3个震旦纪—早寒武世深水相剖面进行了系统的碳氧同位素研究，研究表明，这3个剖面下寒武统底部都出现明显的δ^13C负漂移。其δ^13C在剖面上的变化规律与全球浅海相碳酸盐剖面相似。这可能是下寒武统海洋生物产率的降低而导致沉积碳酸盐的δ^13C负漂移。

全球气候变化研究的新技术——稳定碳同位素分析的应用

文中主要从植被动态研究、植物水分利用效率研究、树木年轮的δ1 3C值对环境变化预测的研究以及利用1 3C标记应用于碳循环的研究几方面,阐述了稳定碳同位素分析在全球气候变化研究中的应用。

天山北坡土壤有机碳δ^13C组成随海拔梯度的变化

本文选择天山北坡三工河流域作为研究区,基于碳稳定同位素技术,分析土壤有机碳(SOC)δ^(13)C值随降雨量的变化,研究不同海拔梯度土壤剖面δ^(13)C值随采样深度的变化。结果显示,三工河流域降雨量在300mm以下的采样点,SOCδ^(13)C值随降雨量的增加呈递减趋势(R2=0.97),而降雨量在300mm^500mm的采样点,δ^(13)C值随降雨量变化不明显(R2=0.04);三工河流域纯C3植物采样点土壤剖面δ^(13)C值随采样深度呈现明显的富集效应,即土壤剖面下层δ^(13)C值大于上层,其平均差值为1.01‰,与其他相关区域研究结果一致;而沙质荒漠和土质荒漠采样点剖面下层与上层SOCδ^(13)C平均差值为4.33‰,其变化趋势与纯C3植物采样点相反,且其表层δ^(13)C值接近C4植物来源,底层接近C3植物来源,推断其地上历史植被可能经历了由C3到C4的演替过程。