树木年轮δ13C含量幼龄效应的定量化探讨

从实验测得的林内外Ci/Ca差值出发,根据已有定量方程,对树木年轮δ     

新疆阿勒泰地区近440年来大气δ13C变化

化石燃料的大量使用和森林的过度砍伐,引起大气中CO₂浓度的大幅度增加,同时由于Suess效应,大气CO₂中的δ¹³C在不断地下降。植物中δ¹³C的变化是大气CO₂浓度和同位素比值变化的敏感指示器。文中利用树木年轮δ¹³C序列和植物碳同位素分馏模型,尝试恢复了新疆阿勒泰地区近440年来大气δ¹³C的变化。结果表明,1850年之前,从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C相对恒定在-6.60‰(R²=0.052),而1850年之后,该大气δ¹³C明显降低(R²=0.65),平均约为-7.04‰,平均年降低0.0084‰。这一结果高于从冰芯气泡所恢复的大气δ¹³C,1850年～1981年冰芯大气δ¹³C平均年降低约0.00657‰这可能与从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C有更高的分辨率及树木生长点大气δ¹³C不同于全球大气δ¹³C值有关。     

树木年轮 δ13C 值及其对我国北方大气CO2浓度变化的指示意义

 本文采样分析了承德市油松年轮中δ13C值自工业革命以来的变化,用以揭示我国北方大气CO2浓度的变化规律。结果表明：承德市油松年轮中的δ13C值自1810年以来平均下降了0.839‰,下降范围0.682‰～1.120‰,指示了大气CO2浓度逐渐升高的特点。δ13C值与历史时期全球大气CO2浓度之间存在显著相关关系(r＝ –0.5609,P<0.01)。应用树木年轮δ13C值与大气CO2浓度之间的关系式,推测出我国北方大气CO2浓度从工业革命以前的约278.4μmol·mol-1上升到目前的340μmol·mol-1。从而为我国的全球变化研究提供了CO2浓度历史变迁方面的证据。     

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。     

青海高原高寒地区C4植物名录

根据笔者实测的青海高原高寒地区300余种植物稳定性碳同位素比值(δ^13C)以及参阅已经发表过的国内外不同地区的δ^13C植物名录,整理出青海高原高寒地区3500余种植物中的δ^13C植物。得出青海高原高寒地区共有9科32属的52种植物属于δ^13C植物,禾本科(Gramineae)18属24种,藜科(Chenopodiaceae)9属20种,苋科(Amaranthaceae)1属4种,菊科(Compositae)2属3种,大戟科(Euphorbiaceae)、蒺藜科(Zygophyllaceae)、旋花科(Convolvulaceae)、景天科(Crassulaceae)、眼子菜科(Potamogetonaceae)各1属1种。同时归纳了52种C4植物的生活型以及地理分布区。     

基于稳定碳同位素技术研究青藏高原东部高寒区植被的光合型

通过对青藏高原东部玛多县境内高寒地区20个科、38个属、62种植物叶片的稳定性碳同位素的测定,来确定植物群落的光合型。结果表明,所测定的62种植物的稳定性碳同位素比值(δ^13C)介于-28．6‰和-25．2‰之间,说明这62种植物均属于C3植物,没有C3植物或CAM植物。植物这种光合型的分布与该研究区的环境因素有密切关系,低温是该区没有C3植物分布的关键因素,同时光合型的分布也反映了植物对独特地理环境的适应。     

新疆阿勒泰地区近440年来大气δ^13C变化

化石燃料的大量使用和森林的过度砍伐,引起大气中CO₂浓度的大幅度增加,同时由于Suess效应,大气CO₂中的δ¹³C在不断地下降．植物中δ¹³C的变化是大气CO₂浓度和同位素比值变化的敏感指示器．文中利用树木年轮δ¹³C序列和植物碳同位素分馏模型,尝试恢复了新疆阿勒泰地区近440年来大气δ¹³C的变化．结果表明,1850年之前,从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C相对恒定在-6．60％0(R²=0．052),而1850年之后,该大气δ¹³C明显降低(R²=0．65)。平均约为-7．04‰,平均年降低0．0084‰．这一结果高于从冰芯气泡所恢复的大气δ¹³C,1850年～1981年冰芯大气δ¹³C平均年降低约0．0065‰．这可能与从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C有更高的分辨率及树木生长点大气δ¹³C不同于全球大气δ¹³C值有关．     

亚热带季风常绿阔叶林树木年轮的~(13)C/~(12)C和空气CO_2浓度变化

测定了亚热带季风常绿阔叶林的几种树木年轮的~(13)C/~(12)C比率(δ~(13)C)。云南银柴的1962—1983年年轮δ~(13)C平均为-28.53±0.84(n=5),华润楠的1951—1984年年轮的δ~(13)C为-28.46±0.53(n=6)。黄果厚壳桂的1951—1984年年轮的δ~(13)C为-29.19±0.80(n=6),木荷的1975—1984年年轮δ~(13)C为-28.42±0.41(n=4),δ~(13)C数值偏离平均值逐年增大。计算空气CO_2浓度每年递增1.21μ1/L。     

不同光照条件下结缕草全株碳素生理整合格局及其生态效应

在4种光照处理条件下（处理I：对所有分株光照处理;处理Ⅱ：对所有分株遮光处理;处理Ⅲ：仅对引入^13CO2的复合节分株进行遮光处理;处理Ⅳ：仅对引入^13CO2的复合节分株进行光照处理）,分别从结缕草（Zoysia japonica Steud．）克隆植株的基部、中部和梢部（分别为第7、第17和第24复合节）分株引入^13CO2 ,对^13CO2在克隆植株不同器官内的分配格局及传输特征进行了研究。实验结果表明：从克隆植株的不同部位引入^13CO2,^13C的传输格局均表现出以引入点为起始点沿匍匐茎向基和向顶双向运输的趋势,但向顶传输的陡度值均小于向基传输的陡度值,向顶传输的距离则均大于向基传输的距离,说明”c的向顶传输更具优势。分株叶片、匍匐茎和复合节根中^13C的传输格局有一定差异;引入点分株叶中δ^13C值较高,其他分株叶中δ^13C值均迅速降低;匍匐茎内矿c值总体较低,但^13C传输范围广;当^13CO2引入点位于基部和中部时复合节根的δ^13C值高于匍匐茎,但当^13CO2引入点位于梢部时复合节根的δ^13C值低于匍匐茎。从^13C的传输范围及陡度值看,总体上分株叶中^13C的陡度值显著大于复合节根和匍匐茎;在匍匐茎中^13C呈现出平缓的传输格局但传输距离最远。此外,在4种光照处理条件下,处理Ⅳ的根及匍匐茎中13C向基或向顶传输的陡度值总体上均最高,且各器官^13C的传输距离均最远;但从基部、中部和梢部分株引入^13CO2后,分别在处理Ⅱ、处理Ⅲ和处理I的分株叶中^13C向基或向顶传输的陡度值均最高。根据实验结果,对不同光照条件下结缕草克隆植株不同器官内光合产物的分配格局及其生态效应进行了探讨。     

新的C4及CAM光合途径植物

以稳定性碳同位素比(δ~(13)C)鉴别禾本科、莎草科、苋科和萝摩科共46种植物的光合作用途径,发现了36种新的C_4植物(δ~(13)C-10.43到-13.66‰)和1种CAM植物(δ~(13)C-15.24‰)。根据Hattersley区分C_4植物三种亚类型的不同δ~(13)C值,提出在36种C_4中有8种具δ_(13)C值-10.4到-10.9‰者是NADP-ME型,6种具δ~(13)C值-13‰左右的是NAD-ME型,其余种类可能是NADP-ME或PCK型。     

玉米生长和光合作用对土壤呼吸δ13C的影响

在玉米盆栽试验期间,运用碱吸收法采集土壤呼吸样品,转化成碳酸钡后,运用质谱法测定其δ^13C值,以研究玉米生长和光合作用对土壤呼吸δ^13C值的影响。结果表明,在玉米生长下,土壤呼吸的δ^13C值随玉米生长时期而变化,变化在-14.57‰~-12.30‰之间,呈喇叭期〉成熟期〉开花期,而在裸土下,土壤呼吸的δ^13C值在-19.34‰~-19.13‰之间,不随时间发生显著变化。开花期土壤呼吸δ^13C值降低的主要原因是光合产物土壤输入的下降和根系活性的降低,成熟期玉米土壤呼吸δ^13C值的增加主要是由于衰老死亡根系的分解腐烂。玉米生长下,无论开花期还是成熟期,白天土壤呼吸的δ^13C值显著大于夜间;玉米植株遮光处理后,土壤呼吸的δ^13C值显著降低。该试验结果证明玉米生长和光合作用显著影响土壤呼吸的δ^13C值,在玉米生长期间,土壤呼吸主要来自于新近合成的光合产物。     

云南西双版纳片断化热带雨林植物叶片δ^13Ｃ值的特点及其对水分利用效率的

通过测定西双版纳两个热带雨林类型中２２６个植物种叶片的δ^13Ｃ值,以其为植物水分利用效率的指示物,研究了本地区热带雨林植物叶片δ^13Ｃ值的特点及水分利用状况,比较了不同样线植物叶片δ^13Ｃ平均值以及不同生活型植物叶片δ^13Ｃ平均值的差异。研究发现：１．西双版纳地区热带雨林植物叶片δ^13Ｃ值的范围在－３．８６５％－－２．７６０％之间,与其他典型热带地区的研制结果相近,表明该地区具有世界其他典型热麻的特征;２．补蚌样地所有植物叶片δ^13Ｃ平均值低于城子样地,植物叶片δ^13Ｃ平均值在同一样地不同样线之间也存在显差异,表明水分状况和样线的方法位是样线之间存在差异的主要原因;３．常绿植物叶片的δ^13Ｃ值显低于落叶植物,乔木、灌木、草本和藤本植物叶片的δ^13Ｃ值之间也存在显差异,水分利用状况因此而不同。     

黄土高原植被演替对土壤碳库及δ~(13)C的影响

采集宁夏云雾山草原植被演替阶段的土壤和植物样品,测定土壤容重(BD)、土壤含水量(WC)、土壤有机碳(SOC)含量、以及土壤和植物优势种稳定碳同位素组成(δ13C),并比较了它们之间的差异,分析其反映的环境信息。结果表明:在表层0~10 cm深度,灌木地SOC含量为71.7 g·kg-1,显著高于草地的54.6 g·kg-1;灌木地0~20 cm深度SOC含量占1 m深SOC含量的58.1%,而草地在0~40 cm深度的SOC含量占1 m深的34.1%;短期植被演替(约10 a)对土壤剖面0~20 cm层的δ13C值有显著影响,其中对0~10 cm层δ13C影响最大;草地演替为灌木地后δ13C偏负1.4‰,30 cm以下土壤δ13C值对短期植被变化不敏感;通过δ13C在C3植被的短期演替过程中的响应关系发现,δ13C值作为土壤碳库更替和碳循环的研究工具有很好的辨识力;灌木的δ13C值从叶子到根系存在明显差异,逐渐偏正,变化为2.2‰,草地为1.9‰;通过对0~40 cm深度植物根系δ13C值的测定发现,灌木地由表层的-28.15‰变为-26.11‰,偏正了2.04‰,草地根系δ13C值从表层的-27.08‰变为-27.57‰,偏负了0.49‰。     

黑杨杂交无性系间叶片δ13C、长期水分利用效率和光合特性的研究

在温室中通过严格控水的方法,对4个不同水分处理下,12个黑杨杂交无性系间长期水分利用效率（WUEL）、δ^13C和光合参数（Gs、Tr、Pn、WUEL,Cj、Pmax、LSP、Ce）的差异进行了研究,并分析了无性系间WUEL和δ^13C差异与光合参数差异的相互关系。结果表明：不同水分处理下,δ^13C和Gs、Tr、Pn、WUEL、Cj差异极显著。随水分胁迫的加剧,δ^13C和WUEL增加,而Gs、Tr、Pn、Cj减少。同一水分处理下无性系间WUEL和δ^13C差异显著,Gs、Tr、Pn、WUEj、Cj差异极显著。无性系问WUEL和δ^13C的差异在4个水分处理下表现出一致性．即WUEL最优的是J2,其次为J6、J7、J8、J9,同时这些无性系的δ^13C较高。Gs是影响WUEj的关键因子,Gs低的无性系WUEj高。J2、J6、J7、J8、J9的净光合速率（Ps）和瞬时水分利用效率（WUEj）虽不是最高,但其最大净光合速率（Pmax）大,光饱和点（LSP）高,羧化效率（Ce）大,光合能力强。无性系间δ^13C和WUEL差异的主要影响因子是Gs和光合能力,J2、J6、J7、J8、J9都具有Gs低和光合能力强的特点。各水分处理下δ^13C与WUEL,均呈正相关,但由于水分引起的δ^13C差异远大于无性系间的差异,因此二者的相关性仅在充分供水条件下表现较好．相关系数为0．7077。     

控温条件下C3、C4草本植物碳同位素组成对温度的响应

采取人工控制实验,探讨了6种C3、C4草本植物在昼/夜温度指标为20/12℃!36/28℃的范围内植物碳同位素组成(δ13C)及其对温度变化的响应,并结合植物比叶面积(SLA)、胞间CO2浓度(ci)与环境CO2浓度(ca)的比值、碳同化率(净光合速率Pn/胞间CO2浓度ci)等光合生长指标对植物δ13C的影响进行了分析。结果表明:所有C3、C4植物样品的δ13C值分别变化在-28.3‰!-32.1‰和-14.4‰!-17.6‰之间;在C3植物中,油菜δ13C值分布范围最集中,位于-31.1‰!-32.1‰之间;C4植物中,谷子δ13C值分布范围最窄。在控制的温度范围内,3种C3植物的平均δ13C值随温度升高而显著变低,而C4植物δ13C平均值与温度呈先增大后减小的抛物型关系,但线性回归结果未达到显著水平(P0.05)。单个植物种的δ13C值对温度的响应不同,茄子、高粱的δ13C值与温度呈线性负相关,其它4种植物与温度均呈二次抛物线关系,这可能与不同植物种具有不同的光合最适温度以及植物δ13C分馏对温度变化的敏感程度不同有关。     

4种乔木叶片光合特性和水分利用效率随树高的变化

叶片是植物主要的光合器官并对外界环境条件的改变最为敏感.水分亏缺对叶片的生理特性的影响尤为显著,主要表现在叶片的光合特性以及水分利用效率的改变.由于木质部通道增长引起的重力作用和通道阻力的增大,高大乔木叶片的生理指标随树高增加而发生变化.通过测定北京地区4种高大乔木悬铃木(Platanus hispanica)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、白腊(Fraxinus chinensis)和银杏(Ginkgo biloba)的叶片的光合特性和碳稳定同位素比率(δ13C)等随树高的变化,得出叶片的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Cond)和胞间CO2浓度(Ci)等均随着树高的增大而降低,而叶片的δ13C等则随着树高的增大而增大,其中悬铃木、刺槐、白腊、以及银杏的树冠上部比树冠下部的δ13C值分别增加了1.126‰、2.310‰、2.290‰和2 276‰.方差分析和多重比较结果表明,除个别指标外,4种乔木上下部叶片的光合特性和δ13C等指标均差异明显(P<0 05).光合能力随树高下降而δ13C值随树高增加表明树顶叶片确实受到水分胁迫的影响,支持了树高极限的水分限制假说.     

树木叶片稳定碳同位素分馏对环境梯度的响应

除了自身的遗传因素外,植物对稳定碳同位素的分馏还受温度、水分状况、光照等多种环境因素的影响。通过对生长在中国北热带、亚热带和温带的13个气候区树木的稳定碳同位素分馏与环境要素的关系的研究得出,不同气候条件下树木叶片稳定碳同位素比率(δ13C)和稳定碳同位素分辨率(Δ)差异明显,分别在-23.759‰--33.914‰和14.581‰-24.354‰的范围内。且由南向北,δ13C值呈现逐渐加重的趋势、而Δ值逐渐减小。年均温度、相对湿度、降雨量及无霜期等与δ13C值呈显著负相关、与Δ值显著正相关;年均日照时数、气温年较差、蒸发量、纬度及海拔等与δ13C值呈显著正相关、而与Δ值显著负相关;而经度、年极端最高气温等与δ13C和Δ值的相关性较弱。δ13C和Δ值的变化幅度和趋势在年均温度、年较差、无霜期、活动积温分别达到约19℃、23℃、309d、6000℃出现转折,这些指标在此基础上继续增加反而使叶片δ13C值增大、Δ值减小。而当年均降雨量和相对湿度分别超过1105mm、75%以及蒸发量小于约1700mm后,δ13C和Δ值随之变化的幅度也变小。结果表明在亚热带和温带的分界线以南,水热条件均能满足植物正常生理活动的需要,环境条件的相对改变对植物生理活动及叶片稳定碳同位素分馏的影响较小;而在北方,干旱、低温等极端的外界环境条件加剧了对植物生长和生理指标的影响、造成了不同环境梯度下叶片稳定碳同位素分馏的差异。     

叶片碳同位素对城市大气污染的指示作用

沿南京市市中心-郊区-城市森林的梯度,观测了近地层大气CO2(pN-S(CO2))、SO2(pN-S(SO2))、NO2(pN-S(NO2))浓度,以及公路两侧悬铃木(Platanus acerifolia)叶片重金属Pb、Cr含量、稳定碳同位素13C和放射性碳同位素14C的变化规律,探讨叶片13C和14C对城市大气污染的指示作用。结果表明,沿市中心-郊区-城市森林梯度,pN-S(CO2)、pN-S(SO2)和pN-S(NO2)均呈现下降的趋势,与观测点距市中心距离间均存在极显著的负相关关系;与城市森林相比,市中心pN-S(CO2)、pN-S(SO2)和pN-S(NO2)分别高7.3%、88%和210%。沿市中心-郊区-城市森林梯度,叶片δ13C和14C含量有升高的趋势,其中,δ13范围为-27.9‰—-31.4‰,14C pMC范围为95.8%—101.2%,即叶片C有9.3%—14.4%来源于化石燃料;叶片14C含量与距市中心距离间存在极显著的线性相关。叶片1δ3C与污染参数pN-S(CO2)、pN-S(SO2)、pN-S(NO2)、Pb、Cr间均表现为负相关,其中与pN-S(CO2)、Pb间的相关性达到显著水平;而叶片14C含量与pN-S(CO2)、pN-S(SO2)、pN-S(NO2)、Pb和Cr间均表现出显著的负相关。表明,叶片14C含量可用于指示城市大气污染状况,且与叶片δ13C相比更为稳定。     

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。     

海拔梯度对巴郎山奇花柳叶片δ13C的影响

2010年在四川卧龙自然保护区选择海拔为2350、2700、3150和3530 m的4个分布地点,研究了巴郎山海拔梯度对奇花柳叶片13C、光合、CO2扩散导度、氮含量、光合氮利用效率( PNUE)和比叶面积(SLA)的影响.结果表明:随着海拔的升高,目标树种叶片氮含量(尤其是单位面积氮含量)及PNUE增加,叶片δ13C值也随之显著增加,且海拔每升高1000 m,δ13C增加1.4‰;CO2扩散导度(气孔导度和叶肉细胞导度)的增加,在一定程度上阻碍了叶片δ13C值随海拔升高,但不足以改变δ13C值随海拔升高的趋势;羧化能力是羧化位点与外界CO2分压比( Pc/Pa),甚至δ13C的限制因子.在海拔2350～2700m,奇花柳光合系统内部氮素分配主要受温度的影响,而2700～3530 m的光照作用可能更大.奇花柳的SLA随海拔无显著变化.