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。     

四川裂腹鱼耳石碳、氧稳定同位素特征

为探讨耳石碳(δ¹³C)、氧(δ¹⁸O)稳定同位素在淡水鱼类群体识别中的作用,本研究以养殖条件下不同年龄组四川裂腹鱼为对象,采用稳定同位素质谱仪进行碳、氧同位素测定,揭示耳石中碳、氧稳定同位素特征,探讨其与环境间的关系. 结果表明:1⁺龄四川裂腹鱼δ¹³C和δ¹⁸O值均与耳石质量无显著相关关系,但在微耳石和星耳石之间存在显著差异;不同年龄四川裂腹鱼微耳石δ¹³C和δ¹⁸O平均值分别为(-9.58±0.06)‰、(-8.33±0.17)‰,其在雌雄个体之间均无显著性差异,但在不同年龄组间存在显著差异. 耳石δ¹⁸O和δ¹³C的关联分析能有效区分四川裂腹鱼不同养殖年龄群体,可作为一种识别淡水鱼类养殖群体的手段.     

A review of the calibration methods for measuring the carbon and oxygen isotopes in CO2 based on isotope ratio infrared spectroscopy

稳定同位素红外光谱(IRIS)技术克服了传统的大气CO₂气瓶采样-同位素质谱(IRMS)技术时间分辨率低且耗时费力的缺点, 可以实现高时间分辨率和高精度的大气CO₂碳同位素组成(δ ¹³C)和氧同位素组成(δ ¹⁸O)的原位连续测定。基于IRIS技术测量CO₂ δ ¹³C和δ ¹⁸O的误差来源主要包括δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值对CO₂浓度变化的非线性响应(浓度依赖性)以及对环境条件变化的敏感性导致的漂移(时间漂移)。如何有效地校正浓度依赖性和时间漂移导致的误差是IRIS仪器应用的前提。该综述阐述了δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值的浓度依赖性产生的理论基础, 回顾了浓度依赖性的理论校正和经验方程校正方法和应用; 回顾了时间漂移的校正原理、方法和应用; 概述了数据溯源至国际标准的原理、方法与应用现状。结合实际情况推荐利用3个或3个以上已知CO₂浓度和δ ¹³C、δ ¹⁸O真值的CO₂标准气体涵盖待测气体CO₂浓度的浓度依赖性校正, 设置适当的校正频率校正时间漂移并进行数据溯源。指出应该加强不同仪器和校正方法的比对研究; 采用IRIS技术测定CH₄、N₂O和H₂O同位素组成也可以采取类似的校正方法。     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

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.     

生长在超干旱环境下的3种相思树种表现出异常低的叶片、树枝、树干、根中δ13C含量

生长在超干旱环境下的3种相思树种表现出异常低的叶片、树枝、树干、根中δ¹³C含量 在植物生理生态学中,叶片中碳13(¹³C)含量负值较少(富集),表明叶片处于通过气孔的气体交换减少,比如在干旱胁迫下。此外,与叶片相比,13C在非光合组织中的负值也较少。然而,对从叶片(光合器官)到树枝、树干和根(非光合器官)中的δ ¹³C数值的关系知之甚少,特别是缺少在关联密切的多个树种间或者不同器官间,以及对生长在极端高温和干旱胁迫下的树木中进行测定。本研究测定了3种近缘沙漠相思树种(Acacia tortilis、A. raddiana和A. pachyceras)从叶片到根的¹³C含量。我们在以色列南部成树的叶片组织中测定了δ ¹³C含量。与此同时,在试验果园进行了为期7年的3个水平的灌溉试验。在试验结束时,测定了叶片、树枝、树干和根的生长参数和δ ¹³C含量。研究结果表明,叶片组织中δ ¹³C含量约为−27‰,其同位素贫化程度远超过生长在地球上最干燥和最热环境中的沙漠树种的预期值。在不同的相思树种和不同器官中,所有灌溉水平处理中的δ ¹³C含量并没有富集(−28‰到ca. −27‰),证实了在成熟相思树中的测定结果。在不同器官中,叶片δ ¹³C含量与树枝和根的δ ¹³C含量异常相似,甚至比树干的δ ¹³C含量负值更少。高度贫化的叶片δ ¹³C表明,尽管这些树木生长在极端干燥的生境中,但其气孔气体交换较高。非光合组织中缺乏δ ¹³C富集可能与叶片和异养组织生长的季节耦合有关。     

植物光合与呼吸过程CO2及其δ13C的变异特征与影响因素研究进展

植物光合与呼吸作用是生态系统碳循环的关键过程，其CO₂ δ¹³C的变异特征与影响因素分析是解析植物碳分配模式、代谢关键过程以及生态系统光合与呼吸组分拆分的理论基础。然而，关于不同时间尺度上光合与呼吸CO₂及其δ¹³C的变异特征及其影响因素仍然缺少清晰认识。从植物碳过程及其同位素效应、观测技术与方法、变异特征与影响因素以及应用实践与研究进展等方面论述了植物光合与呼吸碳过程及其δ¹³C的时间变化特征，揭示了气孔、叶肉和羧化限制等生物因素以及温度、湿度和光照等非生物因素对碳过程及其同位素效应的影响。总结了存在的问题，并展望了未来的研究方向，以期为今后该领域的研究提供理论依据和有效支撑。     

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。     

基于稳定碳同位素的北京西山侧柏林生态系统呼吸区分

基于稳定碳同位素对北京西山侧柏林生态系统呼吸进行定量拆分,能够为该地区森林生态系统碳交换研究奠定基础。本研究采用光谱技术对森林不同高度处CO₂浓度和δ¹³C值进行连续观测,同时采用土壤气室和枝条气室测定地下呼吸和地上呼吸的δ¹³C值,求得生态系统呼吸各组分比例。结合土壤呼吸通量的测定,实现对生态系呼吸的定量区分。结果表明: 森林生态系统各呼吸组分夜间δ¹³C值呈波动变化,植物地上呼吸δ¹³C值变化范围为-31.74‰～-23.33‰,土壤地下呼吸δ¹³C值变化范围为-32.11‰～-27.74‰,生态系统呼吸δ¹³C值介于二者之间。夜间平均土壤呼吸通量为1.70 μmol·m^-2·s^-1,占生态系统总呼吸的47%～91%;夜间地上呼吸量的平均值为0.72 μmol·m^-2·s^-1,对生态系统总呼吸的贡献较小。由同位素混合模型推算求得的日间呼吸变异大于温度响应模型的结果,其平均值分别为2.31和2.28 μmol·m^-2·s^-1。     

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。     

暖温带典型树种春季物候期水溶性化合物δ13C变化规律

为明确植物水溶性化合物δ¹³C(δ¹³C_wsc)的春季物候节律性变化规律,以我国暖温带地区典型树种油松和刺槐为研究对象,测定春季物候期两树种各器官的δ¹³C_wsc,探究其与环境因子的相关性。结果表明: 油松和刺槐各器官的δ¹³C_wsc差异性显著。油松的新梢最大(-25.03‰±0.01‰),非光合作用器官比光合器官高0.83‰~1.8‰,两树种的地上部分普遍低于地下部分。随着物候节律推移,两树种采取不同的碳存储策略。油松在顶芽开放时所需碳源从近端老叶中获取;展叶始期老叶积累的光合产物不能满足新稍和根系生长所需碳,90%依赖于枝干碳储备;叶充分展开后新老叶光合机能恢复,逐渐补给枝干消耗的碳。刺槐在叶芽开放和展叶始期,枝干作为主要碳源向新生叶和根系传送;叶充分展开后具备光合固碳能力的成熟叶成为主要碳源。主成分分析发现,观测期气温、≥10 ℃积温、日照时长和太阳辐射为δ¹³C_wsc的主要影响因子,可解释δ¹³C_wsc变异的86.3%。两树种与气温、相对湿度呈显著负相关,与饱和水气压差、≥10 ℃积温和日照时长呈显著正相关。影响植物δ¹³C_wsc的主要环境因子随物候进程不断变化。本研究可为准确估算区域典型树种春季器官的碳分配格局、制定科学合理的区域森林经营策略提供参考。     

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。     

长白山红松年轮碳同位素与净初级生产力的关系

解析树木年轮碳同位素变化是揭示气候与环境变化的有效途径,然而少有研究分析年轮碳同位素对森林净初级生产力(NPP)的指示效应.基于生长季气象因子,分析了长白山红松年轮δ¹³C记录序列与阔叶红松林红松种群NPP变化趋势以及两者之间的相关关系.结果表明: 1970年以前,研究区红松年轮δ¹³C与红松种群NPP变化同步,且两者间呈极显著线性正相关关系,年轮δ¹³C记录了气候变化对红松种群NPP的影响;1970年以后,红松年轮δ¹³C与红松种群NPP变化出现分异,两者呈负相关关系但相关性不显著,表明干旱等其他环境因子的影响使年轮δ¹³C对气候变化的敏感性和对NPP指示性降低.这一相关关系在红松年轮δ¹³C与当年和下一年红松种群NPP之间都存在,表明当年环境状况对来年红松生长的重要意义.说明长白山红松年轮δ¹³C对红松种群NPP有良好的指示性,树木年轮δ¹³C有重建森林历史NPP长期变化的潜力.     

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。