中国暖温带落叶阔叶林中某些树种的13C自然丰度:δ13C值及其生态学意义

利用质谱分析仪对暖温带地区落叶阔叶林优势种稳定碳同位素的分析发现不同树种叶片的稳定碳同位素比率差别较大 ,大多数优势种叶片δ13C值在 -2 4.75 1‰± 0 .85 4‰～ -2 8.1 1 3‰± 1 .5 1 9‰之间。叶片的δ13C值可以分为 3个等级 , 级 ,叶片的 δ13C≥ -2 5 .5‰ , 级 ,叶片的 δ13C值在 -2 5 .5‰～ -2 7.5‰之间 , 级 ,叶片的 δ13C≤ -2 7.5‰ ,由于δ13C值在一定程度上能够反映植物的生理生态特性 ,这表明所研究的植物在生理生态特性方面也可以分为 3个类型。同时 ,由于植物的不同器官具有不同的生理生态特性 ,导致器官对 13C具有不同的分馏特性 ,也导致器官之间的δ13C值产生差异 ,分析结果显示树干、根和小枝的δ13C值一般要较叶片的δ13C值高 ,但不同树种又各具特点。生境的差异是影响稳定碳同位素比率的另一个重要原因 ,良好生境条件下生长的植物的δ13C值一般较生长在干旱瘠薄生境下的低。     

五味子稳定碳同位素分布特征及其与环境因子的关系

利用稳定碳同位素技术分析了辽宁省五味子果实、果梗、叶片稳定碳同位素组成(δ13C)随生长时间的变化规律及果实δ13C值与环境因子之间的关系。结果表明:植物不同器官δ13C值差异显著(P0.01),表现为果实(-26.356‰)果梗(-26.620‰)叶片(-28.327‰),说明光合产物由光合作用器官到非光合作用器官存在明显的碳同位素分馏,非光合作用器官之间也存在差异。随着时间变化,五味子果实δ13C值相对稳定,果梗δ13C值降低,叶片δ13C值显著降低(P0.001)。五味子果实δ13C值随纬度的升高略有升高(R=0.101),与大气δ13C值呈弱负相关(R=-0.204)。果实δ13C值随纬度的变化为利用同位素技术进行五味子产地鉴别提供了理论依据。     

高山林线急尖长苞冷杉不同器官的稳定碳同位素组成分布特征

通过分析青藏高原东南部色季拉山林线物种急尖长苞冷杉不同年龄叶片、嫩枝、枝条、树干及根系的稳定碳同位素比值（6BC）及其空间分布特征,研究了植物光合作用后稳定碳同位素分馏及其影响因素．结果表明：植物不同器官δ^13C值差异显著（P〈0．001）,为树干（-24．19‰）〉枝条（-24．56‰）〉根部（-25．05‰）〉嫩枝（-25．12‰）〉叶片（-27．25‰）,说明从光合作用器官到非光合作用器官有明显的碳同位素分馏,且非光合作用器官之间也存在差异．随着急尖长苞冷杉叶片或嫩枝年龄的增加,叶片δ^13C值降低,而嫩枝δ^13C值升高（P〈0．01）．冠层上部叶片δ^13C值明显高于冠层下部（P〈0．01）,嫩枝δ^13C值则无显著性差异（P〉0．05）．远离树干2．5m的枝条δ^13C值有明显的高度变化（P〈0．01）,而离树干较近（1．5或0．5m）的枝条及树干在不同高度之间无差异（P〉0．05）．在同一冠层高度,随着与树干距离加大,枝条δ^13C值降低,且在中部和下部枝条尤为明显．说明林线地区冷杉光合作用后存在明显的碳同位素分馏;特定冠层高度树干与枝条生长所需的碳并不是全部来源于同高度的叶片光合作用合成的碳．     

中国北方干湿气候区C_3草本植物δ~（13）C值及其与湿润指数的关系

通过对中国北方C3草本植物稳定性碳同位素的测定以及有关该区植被碳同位素资料的收集,共获取了47个样点的地理位置、气候因子和325个植物样品的碳同位素数据;计算了中国北方不同气候分区的湿润指数,分析了C3草本植物δ13C值的空间特征以及与湿润指数等环境因子之间的关系。在所调查的范围内,中国北方地区C3草本植物δ13C值的分布区间为-29.9‰--25.4‰,平均值为-27.3‰。C3草本植物δ13C的平均值从半湿润地区到半干旱地区再到干旱地区显著变重;3个气候分区植物δ13C值的变化范围分别是-29.9‰--26.7‰（半湿润区）、-28.4‰--25.6‰（半干旱区）和-28.0‰--25.4‰（干旱区）。一元回归分析表明,各气候分区C3草本植物δ13C值与湿润指数的关系存在差异,在半干旱区、半湿润区和整个北方地区,C3草本植物δ13C值与湿润指数均呈显著线性负相关（P〈0.05）,随着湿润指数的增加,C3植物δ13C平均值均变轻,但下降幅度不同。而在北方干旱气候区内,C3草本植物δ13C与湿润指数呈显著正相关（P〈0.05）,湿润指数每升高0.1,植物δ13C平均值增加1.3‰。年均温度可能是决定该区内各样点湿润指数和C3植物对13C分馏能力差别的主要原因。     

内陆黑河流域植物稳定碳同位素变化及其指示意义

对黑河流域山地、绿洲和荒漠区木本植物叶片或同化枝进行稳定碳同位素分析得出,山地植物稳定碳同位素比率(δ13C)在-23‰～-29‰之间,平均值为-26.3‰;绿洲植物在-26‰～-30‰之间,平均值为-27.2‰;荒漠植物在-23‰～-28‰和-12‰～-15‰两个范围,平均值分别为-26.0‰和-13.8‰,严酷生境植物δ13C 值较高.同种植物在不同生境下的δ13C值,也表现为较差生境高于较好生境.荒漠河岸林树种胡杨(Populus euphratica)柳树形叶的δ13C值低于杨树形叶.无论是山区还是荒漠区,随着海拔高度增加,有些植物稳定碳同位素辨别力(Δ)减小,有些变化不明显,青海云杉(Picea crassifolia)的△值随着海拔升高线性递减显著.研究得出,荒漠植被中高水分利用效率(WUE)的C4植物占有一定比例.严酷生境下植物WUE高于较好生境.胡杨长条形叶的WUE最低,圆形叶的最高,由幼苗时期的柳树形叶向杨树形叶的演变中WUE在提高.青海云杉为黑河上游山区环境变化的重要指示植物.同种植物过高的δ13C值指示着植物的衰退和生境的严重胁迫.植物适应干旱环境是沿着有利于提高水分利用效率的方向发展.     

色季拉山林线不同生活型植物稳定碳同位素组成特征

通过测定青藏高原东南部色季拉山林线处典型冷湿气候条件下植物叶片δ13C 值,从物种、生活型(常绿乔木、常绿灌木、落叶灌木及草本)两个水平研究该地区植物的水分利用策略是否存在明显的分异,进一步验证生活型能否用来划分林线地区极端环境条件下生理学特征(碳-水平衡)类似的不同植物类群.结果表明,所测定的隶属于18科、28属的31种植物叶片的δ13C值介于-30.24‰和-25.39‰之间,平均值为-27.68‰,表明色季拉山研究区内植物的碳固定均通过C3光合作用途径实现,没在C4植物的分布.常绿灌木黄杯杜鹃与海绵杜鹃δ13C值无显著性差异(P>0.05),落叶灌木西南桦楸、山生柳以及冰川茶藨子也无显著性差异(P>0.05).相反,不同生活型植物之间叶δ13C值差异显著(P<0.01),为常绿乔木(冷杉)(-27.27‰) > 常绿灌木(-27.56‰) > 落叶灌木(-27.93‰)= 草本(-27.91‰).本研究结果表明在色齐拉山高山林线地带,尽管水分相对充足,但不同生活型植被之间存在明显不同的稳定碳同位素分馏.同一生活型的叶δ13C值无显著差异,而不同生活型植物δ13C值差异显著,说明植物水分利用策略的变化主要是由于生活型的变化引起的,即不同生活型植物的叶δ13C值可综合反映不同功能类群植物的水分利用策略变化.     

聚四氟乙烯塑料管研磨法对测定C4植物碳同位素比值的影响

聚四氟乙烯(PTFE)塑料管研磨法是测定植物碳同位素比率(δ¹³C)值常用的前处理方法。该方法处理样品高效快捷,但对植物δ¹³C可能存在污染。本研究利用人工气候室开展双因素交互试验,包括空气相对湿度(50%和80%)和空气δ¹³C(¹³C富集和贫化的空气)两个因素,对比了PTFE塑料管研磨法和不锈钢管研磨法处理C4植物糙隐子草δ¹³C的结果。结果表明: 在相同湿度条件下,不同空气δ¹³C处理的植物¹³C分馏值(Δ¹³C,矫正了光合作用底物的δ¹³C差异)原本可以视为重复,但由于PTFE塑料颗粒的混入,相同湿度不同¹³C丰度空气培养下植物叶片Δ¹³C平均差值为4.8‰。该污染效应导致单个叶片δ¹³C测定的误差高达8‰。考虑到C4植物的Δ¹³C较低(通常为1‰~8‰),这种污染效应已经超出了可以接受的误差范围。通过建立类似Keeling曲线的二元混合模型对误差进行了有效消除,并准确估算了植物样品和污染物的δ¹³C。说明广泛采用的PTFE管研磨方法对研究C4植物Δ¹³C并不适用,将导致较大的误差。对精度要求较高的研究内容建议使用不锈钢瓶进行研磨。     

中国北方农牧交错带C3草本植物δ13C与温度的关系及其对水分利用效率的指示

由于植物稳定碳同位素组成(δ¹³C)综合反映了植物光合过程中C、H₂O交换的信息,因而从理论上讲它可以作为植物长期水分利用效率的潜在指标,并揭示与植物生理生态过程相联系的一系列气候环境信息。通过对中国北方农牧交错带400 mm等降水样带上28个科的118种C3草本植物叶片δ¹³C值的测定,探讨了C3草本植物δ¹³C和水分利用效率(WUE)对环境温度梯度变化的响应以及气候环境因素对其产生的影响,揭示了样带控制植物δ¹³C变化的主要环境因子。结果显示: 在400 mm降水带上C3植物δ¹³C分布区间为-31.5‰ -23.0‰,平均值为-27.6‰,分布范围与黄土区干旱-半干旱区C3草本植物一致。整体C3植物δ¹³C随年均温度和夏季均温升高分别变重0.14‰/℃和0.27‰/℃,指示植物WUE随大气温度升高而增加。但这仅是一种表象,温度与植物碳同位素的这种关系实质上是温度升高导致的土壤相对湿度(或湿润指数)降低造成水分胁迫进而影响植物碳同位素分馏的结果,植物可利用的有效水分是本样带植物碳同位素分馏的控制因子。5种C3广适性植物δ¹³C均随温度升高而变重,但变化幅度不同,而且它们之间平均δ¹³C值有显著差异,表明不同物种的水分利用状况对温度的响应不同,说明不同物种有不同适应环境变化的策略。此外,本结果还显示不同寿命的草本植物δ¹³C值以及用碳同位素表征的WUE表现出多年生草本>2年生草本>1年生草本(可能与不同寿命草本植物的根系分布和吸水能力有关),这与Ehleringer等在沙漠地区研究的结果一致,而与湿润气候区的结果相反,表明不同寿命的草本植物δ¹³C值和WUE的变化可能与当地水分条件有关。     

沙棘属植物叶片碳稳定同位素含量与气候的关系

本试验以131个沙棘属植物种群为研究对象,通过测定其叶片碳稳定同位素(δ¹³C)值,分析了碳稳定同位素特征与环境因子之间的关系。结果表明: 沙棘属植物叶片的δ¹³C值介于-24.65‰～-29.11‰,平均值为-26.97‰,属于C3植物,叶片δ¹³C值变异系数为种内大于种间,表明环境因子是影响沙棘属植物叶片δ¹³C含量变化的主导因素。沙棘属植物叶片的δ¹³C值与经纬度的变化无显著相关,与海拔呈显著负相关。通过建立回归方程: δ¹³C(‰)=0.118VAP-0.007GST-0.000028RDA-20.721(R²=0.212,P<0.0001),说明影响沙棘属叶片δ¹³C值最主要的因素是水蒸气压(VAP)、生长季温度(GST)和太阳辐射(RDA)。研究结果可为沙棘属植物对全球气候变化的响应提供理论依据。     

不同生活型绿化植物叶片碳同位素组成的季节特征

通过测定北京地区不同生活型绿化植物叶片的碳同位素组成(δ13C值),从植物种和生活型两个方面研究植物水分利用效率的自然可变性。结果表明:所测定的75种植物(隶属于35科65属)的叶片的δ13C值变幅,春季为-30.7‰--23.4‰,夏季为-31.5‰--25.1‰,秋季为-31.4‰--23.9‰;落叶灌木种间差异不显著(p=0.114),而常绿乔木(p=0.005)、落叶乔木(p0.001)、常绿灌木(p=0.022)、草本植物(p0.001)和藤本植物(p=0.001)的种间差异显著或极显著;同一生活型植物叶片的δ13C季节差异显著,春季叶片的δ13C值显著大于夏秋两季(常绿乔木除外),不同生活型植物叶片的δ13C值在春、夏、秋3个季节差异都达到了极显著水平(春季p=0.001、夏季p0.001、秋季p0.001),且叶片的δ13C值表现出乔木树种灌木树种藤本植物草本植物、常绿植物落叶植物的规律。因此,植物种和生活型均会引起植物叶片δ13C值的变化,但δ13C受生活型变化的影响较大,表明不同生活型植物的水分利用效率具有明显差异。