典型滨岸草地生态系统碳稳定同位素组成及分布特征

通过测定上海市青浦区东风港百慕大、白花三叶草、高羊茅和白茅等4种典型滨岸草本植物各组织以及不同垂直深度土壤有机质δ¹³C值,对滨岸草地生态系统的植物-土壤碳稳定同位素特征进行了分析.结果表明: 白花三叶草、高羊茅属于C3植物,百慕大、白茅属于C4植物,其茎叶、凋落物和根系各组织间δ¹³C值无显著差异.C3和C4植物样带表层土壤有机质δ¹³C值随着土壤深度递增而呈现截然不同的变化特征,这与样带本底δ¹³C值以及碳稳定同位素分馏效应有关,同时还受植物根系分布深度的影响.植物输入是土壤有机碳(SOC)的最主要来源,植物有机体δ¹³C组成对土壤有机质δ¹³C值有直接影响,植物各组分δ¹³C值与土壤有机质δ¹³C值均存在极显著相关.4种草本植物样带SOC含量与δ¹³C值均呈极显著相关,其中,C3植物样带SOC含量与δ¹³C值呈线性负相关,C4植物样带SOC含量与δ¹³C值呈线性正相关.     

鬼箭锦鸡儿叶片和土壤碳稳定同位素特征及其影响因素

为探究高海拔地区的植物碳(C)循环过程与其生境的关系,以生长在高山地区的豆科灌木鬼箭锦鸡儿为研究对象,沿着横跨我国东西部山区的样带采集35个样点的鬼箭锦鸡儿叶片和土壤样品,分析了鬼箭锦鸡儿叶片碳稳定同位素组成(δ¹³C)、土壤δ¹³C、叶片和土壤δ¹³C差值(Δδ¹³C)在不同采样点的特征及其与气候因子、叶片和土壤元素的关系。结果表明:鬼箭锦鸡儿叶片δ¹³C的变化范围为-30.9‰～-27.1‰,平均值为-28.4‰,土壤δ¹³C的变化范围为-26.2‰～-23.2‰,平均值为-25.3‰,Δδ¹³C的变化范围为2.0‰～7.7‰,平均值为3.1‰;叶片δ¹³C显著低于土壤δ¹³C,且随着叶片δ¹³C增加,土壤δ¹³C先降低后升高;叶片δ¹³C与生长季均温和叶片C含量呈显著负相关,土壤δ¹³C与相对湿度和最暖月均温呈显著负相关,与土壤碳∶氮(C∶N)呈显著正相关,随土壤C含量的增加土壤δ¹³C先降低后升高,Δδ¹³C与叶片C含量、土壤C含量和土壤C∶N呈显著正相关;气候因子对叶片δ¹³C和Δδ¹³C具有直接影响,同时也通过对叶片和土壤元素的影响,间接导致叶片δ¹³C、土壤δ¹³C和Δδ¹³C的改变。高海拔地区的气候因子、叶片和土壤元素共同影响鬼箭锦鸡儿的C循环过程。     

土壤剖面碳氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式及其影响机制

土壤碳、氮稳定同位素自然丰度(δ¹³C和δ¹⁵N)随土壤深度变化的研究,对揭示碳、氮元素生物地球化学循环机制具有重要意义。本文在概述土壤剖面δ¹³C和δ¹⁵N垂直分布特征的基础上,重点介绍了土壤δ¹³C和δ¹⁵N垂直分布模式的影响机制。土壤剖面δ¹³C垂直分布模式的影响机制主要有3种: 1)植被δ¹³C值的历史变化;2)植物群落C3-C4植物优势度变化;3)分解过程中¹³C富集的微生物源碳的积累。此外,讨论了¹³C休斯效应对土壤剖面δ¹³C垂直分布模式的影响。土壤剖面δ¹⁵N垂直分布模式的影响机制主要有4种: 1)反硝化过程产生的¹⁵N贫化气体的损失;2)分解过程中¹⁵N富集的微生物源氮的积累;3)菌根将¹⁵N贫化的含氮化合物转移到植物而在深层土壤积累¹⁵N富集的菌根真菌残留物;4)土壤有机质-矿物相互作用。最后提出了未来土壤剖面碳、氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式研究应该关注的重点。     

若尔盖草甸退化对土壤碳、氮和碳稳定同位素的影响

为了解不同退化阶段高寒草甸土壤碳、氮和碳稳定同位素的差异,对若尔盖湿地内沼泽草甸、草原化草甸、退化草甸3个阶段土壤的碳、氮和碳稳定同位素进行了分析.结果表明:若尔盖湿地草甸土壤δ¹³C 值介于-26.21‰～-24.72‰之间,土壤δ¹³C 值随土层加深而增大.土壤δ¹³C 值与有机碳含量对数值呈线性负相关.表层土壤(0～10 cm)δ¹³C值大小顺序为草原化草甸>退化草甸>沼泽草甸,β值大小顺序为草原化草甸>沼泽草甸>退化草甸.沼泽草甸、草原化草甸、退化草甸0～30 cm 土壤碳含量分别为105.32、42.11和31.12 g·kg^-1,氮含量分别为8.74、3.41和2.81 g·kg^-1,C/N分别为11.26、11.23和10.89.随着草甸的退化,土壤碳、氮呈降低趋势,退化草甸C/N值低于沼泽草甸和草原化草甸.随着土层深度加深,碳、氮含量呈现降低趋势.草甸退化导致的土壤δ¹³C 值差异主要发生在表层0～10 cm.3个退化阶段中,退化草甸土壤的β值和C/N最低,表明退化草甸土壤矿化作用较强.     

长白山阔叶红松林演替序列植物-凋落物-土壤碳同位素特征

稳定碳同位素组成能精确指示生态系统碳循环过程,可以为深入研究森林演替进程对碳循环过程和固碳潜力的影响提供关键信息.利用稳定碳同位素技术对长白山阔叶红松林演替序列3种林分——中龄杨桦次生林、成熟杨桦次生林、阔叶红松林的叶片、树干、根系、凋落物和土壤δ¹³C值及碳、氮元素含量进行测定.结果表明: 各演替序列优势树种叶片δ¹³C从冠上到冠下均呈降低趋势;树干δ¹³C表现为树皮小于木质部;根系δ¹³C表现为细根小于粗根.阔叶红松林未分解凋落物δ¹³C小于半分解及全分解凋落物,次生林相反;土壤δ¹³C沿深度逐渐增加.总体上,δ¹³C值叶片<凋落物<根系<树干<土壤,说明植物各器官之间有明显的碳同位素分馏效应,且相同器官不同部位之间也存在差异;植物δ¹³C沿演替方向先减小后增加,土壤δ¹³C沿演替方向不断增加,且变化规律可以通过氮元素含量与碳同位素分馏效应的关系解释,说明长白山阔叶红松林演替过程优势树种和碳周转速率的变化影响了碳同位素分馏.     

贵州喀斯特地区典型土壤有机碳垂直分布特征及其同位素组成

以贵州喀斯特地区两种主要土壤类型(石灰土和黄壤)为研究对象,通过测定土壤pH值、土壤有机碳(SOC)含量和植物优势种、枯枝落叶、土壤有机质的稳定同位素(δ13Csoc值)组成,探讨了该地区石灰土和黄壤剖面SOC垂直分布特征和δ13Csoc值组成差异。结果表明,与黄壤相比,石灰土剖面的SOC含量较高,石灰土剖面和黄壤剖面SOC含量变化范围分别在3.6～69.8和2.4～51.2g·kg-1。黄壤和黄色石灰土剖面SOC主要集中在0～20cm深度内,而黑色石灰土剖面从0～60cm逐步减少。黑色石灰土和黄壤剖面δ13Csoc值变化范围分别在-22.9‰～-21.5‰和-25.6‰～-22.4‰,前者较后者变化小。从剖面表土向下,黄壤剖面δ13Csoc值均出现逐步增加的趋势,而石灰土剖面δ13Csoc值从剖面表土向下出现上升-降低-不变的变化趋势。黄色石灰土剖面δ13Csoc值变幅较大,变化范围为-23.7‰～-18.2‰。在枯枝落叶转化为表层土壤有机质的过程中,石灰土剖面δ13Csoc值变幅高于黄壤。其中,黄壤剖面δ13Csoc值升高了2.6‰～3.0‰,石灰土剖面δ13Csoc值升高了5.5‰～6.3‰。上述结果揭示了SOC含量及其δ13C值随深度变化的差异,反映植物残体的输入及其在土壤中分解累积特征,有助于揭示SOC循环过程及规律和了解剖面土壤成土过程。     

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。     

亚热带典型森林地上和地下凋落物输入对土壤新老有机碳动态平衡的影响

凋落物是森林土壤有机碳(SOC)形成、稳定和周转的重要影响因子。目前针对亚热带不同类型森林地上和地下凋落物对新SOC累积和老SOC输出动态平衡的影响仍不清楚。本研究以中亚热带常绿阔叶天然林、马尾松人工林和杉木人工林为对象,基于C3/C4植物-土壤置换试验,利用稳定同位素¹³C示踪方法开展3年野外定位试验,分析了森林地上、地下凋落物输入对SOC周转的影响。结果表明: 森林类型、凋落物处理和时间均能显著影响SOC含量、土壤δ¹³C值、新SOC和老SOC含量,且存在显著的森林类型×凋落物处理交互效应。地上和地下凋落物输入均能显著提高SOC含量和净增量,与杉木人工林相比,天然林SOC对凋落物输入的响应更敏感。凋落物输入显著降低了土壤δ¹³C值,且天然林、马尾松人工林土壤δ¹³C显著低于杉木人工林。在马尾松人工林,地下凋落物处理的新SOC含量显著高于地上凋落物;在天然林和马尾松人工林,地下凋落物输入处理的老SOC含量显著低于地上凋落物处理。此外,地上凋落物归还量和地下根生物量与SOC含量和净增量呈显著正相关,而地下根凋落物量和C/N与新SOC含量呈显著正相关。森林地下凋落物比地上凋落物输入对SOC周转的影响更重要,且不同森林凋落物输入对SOC的影响存在差异性。本研究可为揭示亚热带典型森林土壤有机碳库的形成和可持续管理提供依据。     

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。     

红壤和风沙土添加不同化学结构有机碳对外源碳去向及累积贡献的影响

植物凋落物碳输入显著影响陆地生态系统土壤CO₂排放和有机碳(SOC)形成,然而,针对不同质地土壤添加不同化学结构外源碳去向依然不清楚。本研究将¹³C标记的葡萄糖、淀粉和纤维素添加至红壤和风沙土,比较2种质地土壤添加不同化学结构外源碳在土壤释放的CO₂、SOC、可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)库的净累积量、回收率及贡献比例上的差异。结果表明: 添加外源有机碳显著提高了CO₂、SOC、DOC和MBC的δ¹³C值,且随着外源有机碳化学结构复杂性的增加,CO₂的δ¹³C峰值依次延迟出现;外源有机碳种类、土壤类型和培养时间均显著改变外源碳去向及其在各碳库的贡献比例;在风沙土中,外源有机碳更多被矿化为CO₂,且CO₂库的外源碳净累积量和回收率大小依次为葡萄糖>淀粉>纤维素;红壤添加外源碳转变为SOC的累积量和回收率显著高于风沙土,且红壤SOC库的外源碳净累积量和回收率大小顺序也为葡萄糖>淀粉>纤维素。可见,外源有机碳化学结构和土壤质地共同调控外源碳去向及累积贡献。     

长期垄作稻田腐殖质稳定碳同位素丰度(δ13C)分布特征

研究了四川盆地丘陵区连续16年垄（宽垄）作稻田土壤稳定碳库腐殖质组分的稳定碳同位素(δ¹³C)分布特征.结果表明： 稻田土壤有机碳含量为宽垄作＞垄作＞水旱轮作.腐殖质碳以胡敏素为主,占土壤碳含量的21%～30%,提取碳以胡敏酸为主,分别占土壤有机碳和腐殖质的17%～21%和38%～65%.土壤有机碳的δ¹³C值介于-27.9‰～-25.6‰,20～40 cm和0～5 cm土壤有机碳δ¹³C值之差约为1.9‰.土壤胡敏酸δ¹³C值比土壤有机碳低1‰～2‰,更接近于油菜和水稻秸秆及根系的δ¹³C值.土壤富里酸δ¹³C值分别较土壤有机碳和胡敏酸高2‰和4‰.耕作层和犁底层胡敏素δ¹³C值分别介于-23.7‰～-24.9‰和-22.6‰～-24.2‰,δ¹³C值的变化反映了耕层中腐殖质的新老混合现象.各有机组分δ¹³C值递减顺序为：胡敏素＞富里酸＞土壤有机碳＞稻草（油菜）残体＞胡敏酸.长期水稻种植有利于增加土壤有机碳含量,同时,耕作方式影响土壤腐殖质δ¹³C在耕作层和犁底层中的分布格局.