采用稳定碳同位素法分析白羊草在不同干旱胁迫下的水分利用效率

本研究以黄土高原乡土草种白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng.)为研究对象,采用盆栽控制实验,比较白羊草在3个水分处理(CK80%FC、MS60%FC和SS 40%FC)下的生物量积累和分配模式、瞬时水分利用效率(WUE)、不同部位(新叶、老叶、茎、细根、粗根)的稳定碳同位素组成(δ~(13)C)和碳同位素分辨率(Δ~(13)C)及其相互关系,以及干旱胁迫下影响水分利用效率的主导环境因子。结果表明:1)重度干旱胁迫显著降低植物整体生物量,显著增加根冠比和细根生物量比例;2)随着干旱胁迫加剧,白羊草各器官的δ~(13)C均呈上升趋势,Δ~(13)C呈减小趋势,SS处理不同器官δ~(13)C和Δ~(13)C没有显著差异,CK和MS处理的各器官δ~(13)C均值表现分别为细根粗根老叶新叶茎、细根新叶老叶粗根茎,CK和MS处理Δ~(13)C的值总体呈根叶茎。3)新叶的δ~(13)CNL和Δ~(13)CNL与WUE的相关系数均最大,说明利用稳定碳同位素方法测定白羊草水分利用效率具有可行性。4)不同水分处理的WUE的主导影响因子不同,CK、MS、SS水分处理WUE分别受到叶面温度、大气水汽压亏缺和空气温度的影响最大。为采用稳定碳同位素方法指示白羊草水分利用效率可行性及阐明植物的胁迫响应机制提供理论依据。     

北京山区侧柏-荆条系统水分来源对降雨事件的响应

分析了北京鹫峰山区侧柏、荆条枝条水及其潜在水分来源的氢氧同位素特征,运用IsoSource模型解析侧柏、荆条系统水分利用来源的季节变化及其对降雨事件的响应.结果表明:旱季初期(4月)研究区0～20 cm土层富集土壤水¹⁸O值,20 cm以下该值则随着土层深度增加逐渐减小,侧柏主要利用前2～3 d降雨补充的0～30 cm层土壤水;旱季末期(6月)侧柏和荆条分别利用当天雨水补充的0～10和10～30 cm层土壤水;雨季(7月)侧柏利用前期降水补给的0～40 cm层土壤水(59.3%)和近期降水(12.5%),荆条则利用近期降雨供给的0～30 cm层土壤水;侧柏的土壤水分来源逐月加深,至生长季末(11月)其主要利用60～80 cm层土壤水(前2～3 d降雨补给),而荆条枝条水δ¹⁸O值远离各水分来源δ¹⁸O值.两物种对水分的竞争压力小,适应本区域气候特征,尤其在应对特大暴雨等极端天气时,植物系统垂直分布的水分来源能够有效分流洪峰,减小暴雨瞬时破坏力.     

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.     

亚高寒草甸植物叶片生理指标对坡向的响应

研究了甘南亚高寒草甸不同坡向条件下矮嵩草、狼毒和棘豆叶片的叶绿素、游离脯氨酸和可溶性糖含量,以及稳定碳同位素(δ¹³C)的变化,分析干旱胁迫条件下,植物适应干旱胁迫的生理机制.结果表明: 随着坡向由北坡-西北坡-西坡-西南坡到南坡的变化,土壤含水量(北坡0.36 g·g^-1,南坡0.15 g·g^-1)呈降低趋势,土壤温度(北坡14.76 ℃,南坡24.85 ℃)和光照度(北坡540.34 lx,南坡744.12 lx)呈增加趋势;植物物种的组成也随之发生了变化,北坡主要有灌木金露梅及杂类草,而南坡主要有禾草类物种.3种植物叶片的脯氨酸、可溶性糖、叶绿素含量及稳定碳同位素(δ¹³C)随着坡向的变化均有不同程度的变化,且物种不同,各物种的生理指标变化幅度也有差异.在坡向梯度上,3种植物的脯氨酸、可溶性糖含量和稳定碳同位素与土壤含水量均呈显著负相关,与温度和光照强度呈显著正相关;植物叶片叶绿素与土壤含水量呈显著正相关,与温度和光照强度呈显著负相关.其中,土壤含水量是坡向梯度上影响植物生长的关键因子.植物叶片生理指标(脯氨酸、可溶性糖及叶绿素等)可以作为衡量植物抗逆性的因素,3种植物的抗性大小顺序为:矮嵩草>狼毒>棘豆.     

基于稳定同位素的SPAC水碳拆分及耦合研究进展

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和技术的基础上,重点阐释了基于稳定同位素光学技术的SPAC系统水碳交换研究进展,包括:在净碳通量中拆分光合与呼吸量,在蒸散通量中拆分蒸腾与蒸发量,以及在系统尺度上的水碳耦合研究.新兴的技术和方法实现了生态系统尺度上长期高频的同位素观测,但在测量精准度、生态系统呼吸拆分、非稳态模型适应性、尺度转换和水碳耦合机制等方面存在挑战.本文探讨了现有主要研究成果、局限性以及未来研究展望,以期对稳定同位素生态学领域的新研究和技术发展有所帮助.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

西双版纳石灰山热带季节性湿润林内几种植物的水分利用策略

对两双版纳生境严酷的石灰山热带季节性湿润林内几种植物(潺槁木姜子、羽叶白头树、高榕、豆果榕、清香木等)的水分利用策略进行了研究.结果表明,石灰山热带季节性湿润林内土壤水势在于热季(2月～4月)75 cm深度处达到最低值,为-O.055MPa,雨季(5～10月)在30 cm处出现最低值为-O.039MPa.测定不同深度土壤体积含水量昼夜变化表明,白大和夜间各层深度土壤体积含水量没有显著变化(P>0.05),说明本林内植物没有水分再分配现象的发生.通过对雨水、土壤水、地下水、雾水、穿透水以及植物木质部水分的稳定性同位素分析得出,在干季,滴落雾水能够补给土壤表层水,在雨季,降雨则是地下水的主要水分输入.植物在昼夜尺度上虽然没有对水分进行时空区分利用,但是植物有更为长久有效的水分利用策略,即植物通过自身发达的根系统利用深层土壤水和地下水.目前,热带雨林的乱砍滥伐,森林片段化特别严重,尤其是生长在石灰山严酷生境的热带季节性湿润林受到破坏后,森林的重建和恢复是相当困难的.因此,对脆弱石厌山热带季节性湿润林的保护是十分必要的,而对石灰山热带季节性湿润林植物的水分利用方式和策略的研究将为此目标提供理论依据.     

中国农业科学院稳定同位素实验室

<正>中国农业科学院稳定同位素实验室成立于2002年,经过近10年的努力,在同位素的研究与测试领域取得一些重要进展,实验室与欧洲7个稳定同位素实验室展开积极的合作,参加了国际比对,实验结果得到了国际同行的认可和高度评价。实验室利用国际原子能机构的标准物质对相关结果进行标定,采用国际标准测定方法进行C、H、O、N、S稳定同位素测定,保证了结果的准确性。     

马占相思叶片液汁碳同位素甄别率和水分利用效率

利用PMS压力室压取叶片液汁并借助稳定碳同位素质谱仪测定碳同位素比率,分析了马占相思(Acacia mangium )叶片液汁光合产物的甄别率(△)和估测了水分利用效率.结果表明:阴天马占相思林冠层日平均空气CO2 的碳同位素比率(δa)为-7.57‰±1.41‰,晴天则为-8.54‰±0.67‰;阴天叶片液汁的光合产物碳同位素比率(δp)日变化呈鞍型,而晴天则从早上至黄昏逐步降低;晴天δp与叶片/空气水汽压亏缺(D)明显呈负相关,阴天的δp变化相对较小;δp随叶片水势(ψ)降低而降低,显示水分胁迫引起δp降低;叶片液汁的D和经气体交换法获得的细胞胞间(Pi)和外界(Pa)CO2分压之比呈正相关,测定结果与理论上碳同位素相关扩散和生化分馏相一致.分析结果显示,田间马占相思空气CO2经气孔扩散的稳定同位素效应口a=4.6‰,有关Pi的净固定的稳定碳同位素效应6=28.2‰.认为液汁碳同位素甄别率是外围空气CO2进入光合产物的净甄别率,由叶片液汁△估测的水分利用效率与气体交换法所得结果相一致(R2=0.86,P＜0.001).本文所采用的叶片液汁光合产物测定即时△以及计算水分利用效率的方法,可减少田间条件下环境因素明显变化对水分和碳同位素的影响,该方法有助于进一步开展由植株至冠层扩展的碳和水分平衡的生理生态研究.     

中国农业科学院稳定同位素实验室

中国农业科学院稳定同位素实验室成立于2002年,经过近10年的努力,在同位素的研究与测试领域取得一些重要进展,实验室与欧洲7个稳定同位素实验室展开积极的合作,参加了国际比对,实验结果得到了国际