提取方式对土壤和植物水分提取率的影响及其氢氧同位素分析

氢氧同位素示踪技术是研究土壤-作物-大气连续体(SPAC)水分循环的重要手段,而土壤水和作物水的提取方法是氢氧同位素研究最关键的一步。本文采用真空蒸馏和共沸蒸馏2种提取方法对不同含水量(35%、25%和15%)下的土壤(红粘土、红砂土和水稻土)和植物(橘树和水稻)茎叶的水分分别进行了提取,并对提取出的水分进行了氢氧稳定同位素的对比分析,旨在提出合适的提取方法。结果表明:真空蒸馏对土壤和植物水分提取率显著高于共沸蒸馏(P<0.001);土壤含水量和土壤类型对水分提取率影响不显著;而水稻水分提取率显著高于橘树(P<0.001),且叶的水分提取率显著高于茎(P<0.001)。真空蒸馏提取出土壤水分的δD和δ18O值与标准样的差异不显著,而共沸蒸馏下提取出土壤水分的δD与标准样差异显著(P<0.001),水稻叶和橘树叶的δD和δ18O值高于茎。研究表明,真空蒸馏比共沸蒸馏更适合土壤和植物水分的提取且其提取出的水分更能真实反映样品中氢氧同位素组成。     

提取方法对土壤水同位素和植物水源分割的影响

选取理化性质不同的两种土壤(壤土与砂土),通过烘干后加入已知同位素值的矿泉水作为参考水进行标记,组成不同质量含水量(壤土: 0.15、0.20、0.30 g·g^-1;砂土:0.10 g·g^-1)的土-水混合物,随后设置不同的平衡时间(壤土: 3、6、12、24、48、72、96 h;砂土:96 h),确保干燥的土壤颗粒与加入的水分达到很好的混合;采用机械离心和真空冷凝抽提法对平衡后的土壤进行水分提取,并分析其同位素组成.结果表明: 同一含水量、不同平衡时间,机械离心法提取的土壤水同位素组成没有显著差异,但均比参考水的同位素值富集,氢、氧同位素最大差异分别可达7.38‰和1.24‰;然而,真空冷凝抽提的土壤水同位素比参考水偏贫化,氢、氧同位素最大差异分别可达6.27‰和1.03‰,且在低含水量下,其同位素组成随平衡时间(24 h以内)的增加贫化程度不断增大,24 h以后趋于稳定.随土壤含水量增大,两种提取方式对土壤水同位素的影响程度减弱;黏粒含量高的壤土水同位素值比黏粒含量低的砂土更容易受提取方式的影响.通过举例分析发现,提取方式引起的同位素组成差异并不显著影响植物水源分割.     

激光同位素分析仪测定液态水的氢氧同位素及其光谱污染修正

氢氧稳定同位素示踪技术是研究土壤-作物-大气连续体(SPAC)水分循环的重要手段。激光同位素分析仪以其独特的优点逐渐得到广泛应用,但其在测量植物水时,与同位素质谱仪的测量结果存在差异。本文采用Los Gatos Research公司生产的激光同位素分析仪DLT-100分别测定植物水、土壤水、雨水和地下水等共19个样品,并用其开发的光谱污染矫正软件标记和量化水样品的污染,修正污染水样品的同位素值,然后与同位素质谱仪进行比对。结果表明:土壤水、雨水和地下水等样品均未受到污染,而植物样品均受到一定程度的光谱干扰;植物水的δD和δ18O修正范围分别是1.21‰～26.65‰和0.50‰～18.27‰。该修正方法消除了δD测定的差异,并大大降低了δ18O的偏差。可见,激光同位素分析仪法在测量土壤水、雨水和地下水同位素时可以有效地代替传统的同位素质谱仪法,但对植物水的测量时,则首先需要判断样品是否受到光谱干扰,如果受到污染,仍需同位素质谱法进行确认。     

超声波协同复合酶法提取姬松茸多糖

研究了超声波协同复合酶法提取姬松茸多糖的最佳工艺条件。采用均匀设计法分别考察不同时间、pH值、温度、酶浓度、固液比对纤维素酶、果胶酶以及木瓜蛋白酶酶解反应的影响,并研究三种酶联合使用时的加酶方式以及超声波协同提取时的最佳条件。结果表明,超声波协同复合酶法可显著提高姬松茸多糖的提取率,其最佳提取条件为：超声波作用20min,分步加酶法（先加果胶酶：pH值3．8、温度50℃、时间90min、加酶量7000U／g、固液比1：45;然后加纤维素酶：pH值3．6、温度75℃、时间120min、加酶量150U／g、固液比1：45;最后加木瓜蛋白酶：pH值3．6、温度75℃、时间120min、加酶量20000U／g、固液比1：45）,多糖提取率达到14．51％。     

准噶尔盆地东南缘多枝柽柳、白刺和红砂水分来源的异同

荒漠生态系统中, 水是植物生长最主要的限制因子。为了比较同一生境下不同荒漠植物的水分来源特征, 选取了同一生境下的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、白刺(Nitraria sibirica)和红砂(Reaumuria soongorica), 测定了这3种植物茎水和各潜在水源(降水、土壤水和地下水)的氢、氧稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O)值, 并利用IsoSource软件计算了3种植物对潜在水源的利用比例。结果表明: 红砂和白刺的茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源有明显的季节波动特征。其中, 红砂为浅根系植物, 春季(3-5月)以表层土壤水为主要水源, 夏秋季节(6-10月)表层土壤含水量显著降低, 其主要的水分来源逐渐偏向于较深层的土壤水; 白刺的根系分布范围介于红砂和多枝柽柳之间, 在春季能够较多地利用表层土壤水, 而到了夏秋季节, 所利用的水分更多地来源于深层土壤水或地下水; 多枝柽柳为深根系植物, 其90%以上的水分来源于深层土壤水和地下水, 而且茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源没有季节波动特征。3种植物水分来源特征的差异与其水分利用策略密切相关, 同时, 也说明荒漠灌木可以通过自身调节向着最优(最有利)表现型发展, 从而最大限度地获取水分。     

Water isotope analysis for tracing ecosystem processes: measurement techniques,ecological applications,and future challenges

水分是生态系统的重要因子, 水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法, 利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征, 通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况, 可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究, 是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史, 在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理, 概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及 ¹⁷O-excess的研究进展, 并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后, 指出了水同位素研究亟待解决的问题, 展望了水同位素应用的前沿方向, 旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

水同位素分析与生态系统过程示踪:技术、应用以及未来挑战

水分是生态系统的重要因子,水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法,利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征,通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况,可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究,是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史,在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理,概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及~(17)O-excess的研究进展,并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后,指出了水同位素研究亟待解决的问题,展望了水同位素应用的前沿方向,旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

两种苹果砧木根系水力结构及其PV曲线水分参数对干旱胁迫的响应

研究干旱胁迫对平邑甜茶(Malus hupehensis)和楸子(Malus prunifolia)根系水力结构及其PV曲线水分参数的影响.设定正常与干旱2种水分处理,对2种苹果砧木进行氯化汞-巯基乙醇处理和压力室-容积(PV)曲线测定试验,并利用高压流速仪(HPFM),测定平邑甜茶和楸子根系水力结构.结果表明:随着水分胁迫的加重,平邑甜茶和楸子的根系导水率、根系叶比导水率、根系茎比导水率出现减少趋势.在适宜水分和重度干旱条件下,平邑甜茶根系叶比导水率分别为楸子根系叶比导水率的95％和92％,平邑甜茶根系茎比导水率分别为楸子根系茎比导水率的52％和62％,楸子与平邑甜茶相比在根系茎比导水率和根系叶比导水率上出现增加趋势.干旱胁迫可能会导致水通道蛋白的活性受到抑制,致使其根系导水率出现降低,继而导致了地上部分气体交换受到影响.严重干旱时,楸子与平邑甜茶相比可能具有更大的水孔蛋白表达量来抵御干旱胁迫.在2种水分条件下,楸子的初始质壁分离时的渗透势(ψstlp)、饱和含水时的渗透势(Ψssal)、初始质壁分离时的相对水含量(RWCtlp)、初始质壁分离时的相对渗透水含量(ROWCtlp)、组织细胞总体弹性模量(ε')值与平邑甜茶相比较均处于较低水平,束缚水含量(Va)值处在较高水平.对PV曲线水分参数进行隶属函数综合评价得出的△值为楸子大于平邑甜茶,平邑甜茶和楸子之间b值差异不明显.在适宜水分和重度干旱条件下楸子所体现出的输水策略优于平邑甜茶.PV曲线水分参数同苹果砧木根系的水力结构一样能够随着植物所处的环境做出相应的调整.对于PV曲线水分参数研究发现,楸子在膨压保持方面与平邑甜茶相比,其抗旱性优于平邑甜茶.     

高寒植物叶片性状对模拟降水变化的响应

降水变化对高寒草甸生态系统产生了显著影响,植物叶片性状特别是叶脉特征对降水变化非常敏感,然而高寒植物叶片性状特征如何响应降水变化还知之较少。采用集雨棚模拟增减50%降水的条件,以高寒草甸8种主要植物叶片为研究对象,研究了降水变化对叶片的叶脉率、叶脉密度、叶片大小、比叶质量、叶片总有机碳含量、叶片全氮含量、叶片碳同位素相对含量和碳氮比等叶片性状的影响。发现增水显著增加了植物的叶片大小、稳定碳同位素千分值、总有机碳含量、全氮含量,但显著降低了叶脉密度;而减水显著降低了叶片大小、稳定碳同位素千分值。植物叶片性状各指标对降水变化的响应存在协同变化和相互制约。不同水分生态类型的植物对降水变化的响应存在差异,中生植物通过增加叶片大小和减少叶脉密度积极应对降水的增加,矮生嵩草的叶片大小分别增加了200.3%,叶脉密度减小了17.5%,而旱中生植物通过减少叶片大小和增加叶脉密度应对降水的减少,垂穗披碱草和异针茅的叶片大小分别减少54.9%和30.7%,其叶脉密度分别增加25%和22.4%。羽状叶脉植物增加叶脉密度和稳定碳同位素千分值以适应增水条件,花苜蓿、异叶米口袋的叶脉密度的增加了7.8%和4.0%,稳定碳同位素千分值增加2.5%和3.3%,但增水条件下平行叶脉植物的叶脉密度不变或降低和稳定碳同位素千分值保持不变;减水增加了平行叶脉植物叶脉密度并减低了稳定碳同位素千分值,异针茅的叶脉密度增加了22.4%,稳定碳同位素千分值减小2.9%,而对羽状叶脉植物的叶脉密度和稳定碳同位素千分值减少或不变。植物叶片性状对增水的敏感性显著大于对减水的敏感性,增水的效应约为减水的2倍;叶片大小的敏感性显著大于其它叶片性状,约为其它叶片性状的10倍。因此,植物在应对短期降水变化时,植物形态可塑性的作用凸显,放大或缩小叶片大小是植物应对降水变化的最有效的途径,但是不同水分生态类型和叶脉类型植物可塑性的方向存在显著差异。     

风对黄花蒿水力学性状和生长的影响

吹风会影响到植物的水力学结构、光合作用、生物量分配以及植物的力学性状,研究风对植物的综合影响有助于深入了解植物应对风胁迫的响应机制。以黄花蒿为研究对象,每天吹风4h,风速为5m/s,吹风处理60d,测定了风吹条件下黄花蒿的水力学特征、光合作用、生物量分配和茎干力学特性。结果表明:在风吹条件下,黄花蒿正午水势显著低于对照,茎干导水损失率(PLC)增加了16%,最大光合速率仅为对照的62%,气孔导度为对照的55%。在试验结束时风吹植株株高仅为对照的68%,但基茎显著高于对照,同时风吹显著降低了黄花蒿的总生物量,但根冠比显著高于对照,风吹显著减小了茎导管直径和导管密度,风吹植物导管直径和导管密度分别为对照的77%和55%,同时,风吹植物茎干导水率显著低于对照,但茎干的抗弯刚度显著高于对照。以上结果表明风吹抑制了植物的水分输导能力,导致叶片水分匮缺,限制了植物的光合作用。风吹增加了茎干的力学稳定性,但同时降低了茎干的水分输导能力,这是植物茎在力学性状和水分输导之间的权衡。这种改变有利于在有风条件下维持植物的力学稳定性,但同时降低了水分输导能力。