会仙喀斯特湿地三种典型植物叶片碳同位素(δ13C)特征及其指示意义

为探讨会仙喀斯特湿地不同生长环境下植物叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)、稳定碳同位素(δ~(13)C)特征及其生态学指示意义,该文以挺水植物芦苇、浮水植物水葫芦和沉水植物金鱼藻为研究对象,分析了三种典型不同生活型植物叶片的δ~(13)C特征及种间和微生境的差异,并基于植物碳同位素与碳酸酐酶显著正相关的二端元模型,估算了植物利用光合作用固定的碳酸氢根离子(HCO3-)的碳量。结果表明:(1)三种植物叶片δ~(13)C的变化范围为-28.47‰～-21.69‰,平均值为-24.83‰,不同生活型植物间δ~(13)C存在差异,金鱼藻水葫芦芦苇。(2)植物δ~(13)C值与叶片C、N和P元素含量间呈显著正相关,与C/N、C/P和N/P呈显著负相关关系,与底泥的有机质、速效氮、总氮、速效磷和总磷含量呈显著正相关。(3)会仙喀斯特湿地三种不同生活型植物叶片N/P平均值为10.34,表现出植物受N、P共同影响的特征。(4)δ~(13)C的变化特征,揭示了三种水生植物可能通过增加磷利用效率来促进低水分利用率环境下的碳的合成,通过提高植物水分利用效率的策略来代偿较低的氮素利用效率。(5)芦苇光合作用固定HCO3-碳量为159.60 t·a~(-1)·km~(-2),水葫芦为10.80 t·a~(-1)·km~(-2),金鱼藻为9.24 t·a~(-1)·km~(-2),平均值为59.88 t·a~(-1)·km~(-2)。会仙喀斯特湿地植物的不同生活型、光合作用途径和生长微环境,是影响叶片δ~(13)C变化的主要因素。     

水肥耦合效应对楸树苗木叶片δ~(13)C的影响

以楸树(Catalpa bungei)无性系004-1苗木为研究对象,采用三因素五水平二次回归通用旋转组合设计进行盆栽试验,通过测定6、7和8月份20个处理楸树苗木叶片碳同位素组成δ~(13)C、总氮含量和总磷含量,建立数学模型,分析土壤水分、施氮量和施磷量的主因子效应、单因素效应及其耦合效应对叶片δ~(13)C的影响,以及叶片碳同位素组成δ~(13)C与其总氮含量和总磷含量的关系。结果表明:(1)楸树苗木叶片δ~(13)C存在明显的月动态变化特征,总体上呈现出6月份高于7、8月份的趋势,20个处理苗木叶片δ~(13)C平均值(6~8月)变化范围介于-29.12‰~-26.60‰之间;(2)土壤水分对叶片δ~(13)C有显著负效应,施氮量对叶片δ~(13)C有显著正效应,并且施氮量主效应大于土壤水分主效应,但施磷量对叶片δ~(13)C无显著主效应;单因素效应分析表明,楸树苗木叶片δ~(13)C随土壤水分或施氮量的增加均呈先增加后减小的"抛物线型"关系;土壤水分×施N量对楸树苗木叶片δ~(13)C有显著耦合负效应,土壤水分和施氮量耦合效应图表明,叶片δ~(13)C随土壤水分降低、施氮量增加而逐渐增加;(3)6月、7月和8月份楸树苗木叶片δ~(13)C与其叶片总氮含量均呈显著正相关关系(P0.05;n=100),但叶片δ~(13)C与总磷含量无显著相关关系(P0.05;n=100)。研究认为,楸树苗木叶片碳同位素组成δ~(13)C随生长期表现出动态变化特征,它受到土壤水分、水氮耦合的显著负向影响,以及施氮量的显著正向影响,可以通过合理水肥配施措施大幅提高楸树苗木δ~(13)C。     

不同生态烟区烤烟δ~(13)C值与生理及品质特征的比较研究

以烤烟品种K326为试验材料,在云南、福建和河南三个生态烟区大田种植,自烟叶生理成熟期起至工艺成熟期,分4次采集中部(第11叶位)烟样,对烟叶的δ13 C值、总碳、全氮、光合色素等进行测定,比较不同生态烟区烤烟δ13 C值的分布、生理生态适应性及品质特征。结果表明:(1)三个生态烟区烟叶δ13 C值、总碳、碳氮比、比叶重、叶绿素a、总叶绿素含量均表现为云南福建河南,全氮含量则为河南云南福建,叶绿素b含量为云南河南福建,类胡萝卜素含量为河南福建云南,其中的δ13 C值、总碳、碳氮比、类胡萝卜素含量在福建和云南烟区间较为接近。(2)烟叶δ13 C值与总碳含量在云南呈正相关,在福建、河南呈负相关关系;三个生态烟区烟叶δ13 C值与全氮含量均呈负相关关系;δ13 C值与光合色素含量在云南、河南烟区均呈正相关关系,在福建烟区均呈负相关关系;δ13 C值与烟碱、氮、钾、氯呈负相关关系,与总糖、还原糖呈正相关关系。(3)云南烤烟香韵丰富,刺激性中等,化学成分协调性最好;河南烤烟香气量较高,刺激性较大;福建烤烟在香气量和化学成分协调性方面表现较差。研究发现,烟叶δ13 C值与烟叶的生理特征、品质特征存在紧密联系,用烟叶的δ13 C值、生理指标、化学品质可区分不同生态烟区烤烟香气风格和品质特征。     

北京地区典型落叶阔叶乔木叶片含氮量和δ15N值对大气氮沉降的响应

为探究植物对大气氮沉降的响应和对这部分氮素的来源指示作用,本研究通过对北京地区198个采样点,典型落叶阔叶乔木杨属(Populus)和柳属(Salix)植物叶片进行采样,测定其叶片样品含氮量和δ~(15)N值。结果表明:北京地区杨属植物叶片含氮量为16.5—38.6g/kg,平均(24.0±4.0)g/kg;柳属植物叶片含氮量为17.2—36.2g/kg,平均(25.9±4.1)g/kg。研究区域范围内杨属、柳属植物叶片的含氮量均呈现出西北低、东南高的对角线型分布,与该区域大气氮沉降的空间变异相吻合。由于研究区域范围内气候因子无明显的变异,植物叶片的含氮量变化反应了大气氮沉降对植物元素化学计量特征的影响和植物对大气氮沉降的响应。北京地区杨属植物叶片δ~(15)N值为-3.95‰—8.10‰,平均(1.15±2.48)‰;柳属植物叶片δ~(15)N值为-3.04‰—9.73‰,平均(2.31±2.60)‰。杨属和柳属植物叶片的δ~(15)N值均呈现出西北高、中部高、东南低的空间分布,与叶片含氮量空间分布趋势相反。中部城区较高的δ~(15)N值反应了交通污染对大气含氮化合物增加的影响;西北部较高的δ~(15)N值反应了该区域受人为活动排放源的影响较少,自然的氮循环是其较高δ~(15)N值的主要原因;东南部较低的δ~(15)N值则有可能是由农业活动和交通共同作用的结果。     

祁连山两种优势乔木叶片δ~(13)C的海拔响应及其机理

以分布于祁连山北麓中段的两种优势乔木祁连圆柏(Sabina przewalskii)和青海云杉(Picea crassifolia)为研究对象,分析了高山乔木叶片δ13C值对海拔(2600-3600m)、土壤含水量和叶片含水量、叶片碳氮含量的响应及其机理。结果表明,这两种乔木叶片δ13C值均随海拔升高呈增重趋势,与海拔呈显著正相关关系(p0.0001)。海拔2600-3600m阳坡树种祁连圆柏叶片的δ13C值显著高于同海拔梯度阴坡树种青海云杉。祁连圆柏和青海云杉叶片的δ13C值均与年平均气温呈显著负相关关系(p0.0001),与年平均降水量呈显著正相关关系(p0.0001)。祁连圆柏叶片δ13C值与土壤含水量(p0.0001)、叶片含水量(p=0.01)和叶片碳氮比(C/N)(p0.0001)呈显著正相关关系,与叶片全氮呈显著负相关关系(p0.0001)。而青海云杉叶片δ13C值与土壤含水量、叶片全氮、叶片碳氮比和叶片含水量不相关。说明海拔变化引起的水热条件的改变,尤其是温度变化对高山乔木叶片碳同位素分馏起主要作用,但各个因子综合对高山植物叶片碳同位素分馏的作用机制可能比较复杂,需进一步深入研究。     

不同供水下白羊草(Bothriochloa ischaemum)离体根呼吸特征——基于稳定碳同位素示踪技术

植物根呼吸是土壤呼吸的主要组成,研究根呼吸对生态系统碳收支及碳平衡有重要意义。采用~(13)C脉冲标记技术,在3种供水条件下,对比不同根离体时间(标记后0,6,24,48,216,360 h)的白羊草离体根呼吸速率和根呼吸释放的δ~(13)C同位素比值变化,分析根参数与离体根呼吸相关性。结果表明:1)不同离体时间的离体根呼吸速率变化趋势一致,3种供水条件下无显著差异,均在0—20 min急剧下降,下降范围为32%—39%。2)测定离体根呼吸释放的δ~(13)C在不同离体时间的变化,为实时监测转移到白羊草根系的~(13)CO_2在根部释放的过程提供了新思路;不同离体时间,3种供水条件下根呼吸释放的δ~(13)C在2 h内均值大小呈:供水充分轻度胁迫重度胁迫。随离体时间(0—360 h)推移根呼吸释放的δ~(13)C均值先增大后减小,在216 h达到峰值31.46‰;3)离体根呼吸速率和根呼吸释放的δ~(13)C受根系根面积、比根面积、N含量、C/N及根组织δ~(13)C的影响显著。4)轻度水分胁迫可促使根系生长(C固定)和根呼吸(C代谢)同时增加。     

不同生境胡杨叶片δ~(13)C和δ~(15)N及其对环境因子的响应

以新疆南北疆8个不同生境林龄群体的胡杨叶片为材料,测定幼树和成熟胡杨叶片的天然稳定碳、氮同位素组成值(δ~(13)C、δ~(15)N)以及碳含量、氮含量和比叶面积,分析叶片δ~(13)C、δ~(15)N值与海拔、经纬度、叶片碳氮含量、比叶面积以及水分利用效率之间的相互关系。结果表明:(1)胡杨幼树和成熟林叶片δ~(13)C平均值分别为-27.863‰(-28.776‰～-26.695‰)和-28.230‰(-29.717‰～-26.033‰),不同生境胡杨叶片间的δ~(13)C值具有显著差异(P0.05),并且幼树林叶片δ~(13)C均大于对应成熟林;幼树和成熟林叶片δ~(15)N平均值分别为3.259‰(-1.842‰～9.082‰)和3.651‰(0.798‰～5.779‰)。(2)胡杨幼树和成熟林叶片碳含量平均值分别为46.225‰(44.573‰～49.056‰)和45.720‰(43.226‰～47.349‰),它们叶片氮含量平均值分别为1.708‰(1.327‰～2.116‰)和1.823‰(1.164‰～2.450‰);成熟林叶片碳含量与其δ~(13)C和δ~(15)N值分别呈极显著负相关和极显著正相关关系(P0.01),而其氮含量与δ~(13)C值呈不显著正相关关系(P0.05),与δ~(15)N值呈显著正相关关系。(3)胡杨幼树林叶片的比叶面积平均值(91.565 cm~2/g)小于成熟林叶片(103.141 cm~2/g)。(4)幼树和成熟林胡杨叶片δ~(13)C、δ~(15)N值均与纬度呈极显著正相关关系,幼树林叶片δ~(13)C、δ~(15)N值与海拔也呈极显著正相关关系,幼树林叶片δ~(15)N值与经度也呈显著正相关关系。(5)幼树和成熟胡杨林水分利用率的平均值分别为77.618μmol/mol(68.070～91.069μmol/mol)和72.463μmol/mol(62.809～97.111μmol/mol),不同林龄的胡杨水分利用率均与其叶片δ~(13)C呈极显著正相关关系(P0.001),各生境中于田县(阿日系马扎)的幼树和成熟林叶片具有较高的δ~(13)C值(-26.695‰和-26.033‰)和水分利用效率(91.069和97.111μmol/mol)。     

柴达木盆地白刺叶片δ13C与叶片和土壤养分指标的关系

在青海省柴达木盆地选择6个重要的唐古特白刺分布区域,通过测定不同白刺居群的叶片营养元素、土壤养分含量和叶片碳同位素组成δ¹³C,对比不同白刺居群间的叶片δ¹³C特征差异,并分析白刺叶片δ¹³C与地理位置信息及叶片营养和土壤养分含量指标的关系。结果显示:（1）白刺居群间叶片δ¹³C存在显著空间变异性,其叶片δ¹³C变化范围在-25.47‰~-27.66‰之间,平均为-26.66‰。(2）纬度、经度和海拔是白刺叶片δ¹³C重要影响因子,白刺叶片δ¹³C与纬度、经度和海拔分别呈极显著负相关,正相关和正相关关系（n=10）。（3）白刺叶片δ¹³C与叶片有机C含量、N、P、K含量总体均呈负相关关系,但仅叶片有机C含量达到极显著水平（n=30）,其余均未达到显著性水平（n=30）。（4）叶片δ¹³C与表层土壤（0~15 cm）有机质、全N、速效K含量呈极显著负相关关系（n=30）,与全P、碱解N和有效P含量呈显著负相关关系（n=30）,并与15~30 cm土壤有机质和全N含量显著负相关（n=30）,但叶片δ¹³C与30~45 cm土壤各化学指标相关性均不显著（n=30）。研究表明,环境因子纬度、经度、海拔,叶片有机C含量,以及立地土壤全N、全P、碱解N、有效P、速效K含量的变化均显著影响柴达木盆地唐古特白刺居群叶片δ¹³C值。     

滨海盐生植物叶片δ13C与主要养分元素化学计量的关系

高盐环境与土壤贫瘠成为限制滨海湿地植被生长的主要因素,盐分稀释(salt-dilution)与盐分抵御(salt-exclusion)为盐生植物普遍的两种适生策略,这些策略影响植物水分与养分利用效率的权衡过程。以江苏盐城滨海湿地常见稀盐盐生植物、拒盐盐生植物为研究对象,通过探讨滨海湿地不同盐生植物叶片δ~(13)C(水分利用效率的直接反映参数),与主要养分元素(N、P、K)及化学计量特征的关系,以揭示不同盐生植物养分利用策略及养分利用效率与水分利用效率之间的权衡关系。研究结果表明:滨海湿地盐生植物叶片N/P为15.3,较全球陆生植物平均值低,表现出N、P共同限制特征。两种盐生植物叶片δ~(13)C与N、P含量显著正相关,表明盐生植物采取N、P光合相关型策略适应不良环境。拒盐盐生植物叶片δ~(13)C与K~+正相关,采取K~+渗透调节相关型策略,以减小细胞渗透势、增加水分吸收,减轻植物体内盐分毒害。两种不同耐盐型植物δ~(13)C与C/N成反比,表明植物采取扩大水分利用效率以代偿减小的N利用率策略。稀盐盐生植物δ~(13)C与C/P成反比,且叶片P含量较高,表明植物可以提高P利用率以增大低水分利用率环境下的C合成和生物量。研究可为滨海湿地生态系统恢复与重建提供理论依据。     

内蒙古草原常见植物叶片δ~(13)C和δ~(15)对环境因子的响应

在中国东北样带沿线的内蒙古草原地区采集了一些常见植物的叶片样品,并测定其δ~(13)C和δ~(15)N值,分析了其统计学特征以及对环境因子(年平均降雨量和温度)的响应模式。发现东北样带草原区同时存在C_3和C_4两种不同光合途径的植物,但是C_3植物占主导地位,C_4植物数量有限。C_3植物叶片δ~(13)C随着年平均降雨量和年平均温度的升高而显著降低,反映了此区域C_3植物δ~(13)C受控于降水量和温度。C_4植物的叶片δ~(13)C值随着降雨量的增多而有轻微升高的趋势,但是C_4植物的叶片δ~(13)C值对年平均温度的响应不敏感。不论对C_3植物还是C_4植物而言,叶片δ~(15)N都随降雨量增加而显著降低,即干旱区的植物叶片δ~(15)N大于湿润地区,这说明降水是影响植物叶片δ~(15)N的一个重要因素。然而两者叶片δ~(15)N对温度的响应不敏感。