稳定同位素在滨海湿地生态系统研究中的应用现状与前景

滨海湿地生态系统位于海陆交错地区,具有独特的生态系统特征、很高的服务功能和巨大的资源潜力,但同时也受到人为活动的严峻威胁.作为天然示踪物的稳定同位素为研究滨海湿地生态环境问题提供了重要手段.本文着重探讨了稳定同位素在滨海湿地动物食物源和食物网结构、滨海植物水分来源和利用效率、环境污染和生物入侵等全球变化对滨海湿地结构和功能的影响等方面的应用,指出了当前应用中存在的不足,如食物网研究中样品处理方式和富集度的确定,水分来源研究中水分抽提方法和仪器选择等,展望了稳定同位素在滨海湿地生态系统修复评价以及碳循环和温室气体排放研究中的应用前景.     

碳同位素在湿地碳循环研究中的应用及进展

湿地碳库是区域生态系统中最重要的碳库之一,湿地碳循环是全球碳循环的重要环节。在湿地碳循环研究中,传统方法越来越不能满足人们对湿地中碳循环微观机理的了解,而碳同位素方法因其特殊的物源和过程示踪价值成为湿地碳循环研究的重要手段。本文从湿地碳循环的主要研究对象和基本研究方法出发,讨论了碳同位素方法的基本原理及其在碳循环研究中的优势,分析了碳同位素方法在湿地生物过程、水体、沉积物和土壤以及温室气体排放等方面的应用,归纳总结了碳同位素在我国湿地生态系统碳循环研究中的不足及未来发展方向。     

稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤-植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（13C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤-植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤-植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤-植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物-根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

三江平原小叶章湿地生态系统硫的生物地球化学循环

以三江平原小叶章湿地生态系统为研究对象,应用分室模型研究了硫在大气-土壤-植物系统各分室中的分布及循环过程。结果表明,在植物-土壤系统内,土壤是主要的贮存库和流通介质,有97.78%的硫贮存在土壤中,且主要以有机硫的形态存在,2.22%的硫贮存在植物中。在植物亚系统中,根是主要的贮库,79.60%的硫贮存在根中。湿地植物地上部分吸收的总S量为0.75gS/m^2;向地下再转移的总S量为0.24gS/m^2,向枯落物S库转移的总S量为0.51gS/m^2;根吸收的总S量为3.76gS/m^2;根向土壤S库转移的总S量为3.07gS/m^2;现存枯落物中的总S量为0.75gS/m^2;枯落物向土壤S库的转移量最低为0.52gS/m^2·a。输入和输出过程的研究表明,小叶章湿地生态系统在生长季（5-9月份）向大气排放H2S的量为1.42mgS/m^2,从大气吸收COS的量为1.83mgS/m^2;通过大气降水输入到生态系统中的硫为4.85mgS/m^2,其差值为5.26mgS/m^2,这表明硫在小叶章湿地生态系统中处于累积状态,湿地存在潜在的酸化趋势。     

滨海沙地不同树种人工林叶片和土壤表层稳定碳氮同位素及水分利用效率研究

以福州市滨海后沿沙地人工营造的湿地松、木麻黄、尾巨桉、肯氏相思和纹荚相思防护林为研究对象,测定不同年龄(新叶、老叶)叶片、表层土壤(0~10cm)天然稳定碳、氮同位素丰度值(δ~(13) C、δ~(15)N),研究稳定碳、氮同位素丰度值与水分利用效率和土壤氮饱和程度的相互关系,以揭示不同树种水分利用效率、氮饱和程度和碳氮循环速率差异的机理。结果表明:(1)滨海沙地不同树种叶片δ~(13) C变化范围为-31.682‰~-29.323‰,其δ~(13) C大小为:湿地松肯氏相思木麻黄纹荚相思尾巨桉,除尾巨桉外各树种δ~(13) C均表现为新叶老叶;各树种叶片δ~(15)N变化范围为-5.548‰~-2.167‰,其δ~(15)N大小为:肯氏相思纹荚相思木麻黄湿地松尾巨桉,且各树种均表现为新叶老叶。(2)不同树种表层土壤δ~(15)N变化范围为-4.675‰~-2.975‰,表层土壤δ~(15)N大小为:纹荚相思肯氏相思木麻黄尾巨桉湿地松,但不同树种表层土壤C含量无显著差异。(3)滨海沙地湿地松、木麻黄、肯氏相思和纹荚相思的水分利用效率随叶龄增加均呈显著递减趋势;不同树种新叶的水分利用效率变化范围为39.09~76.57μmol·mol~(-1),其大小依次为:湿地松肯氏相思木麻黄纹荚相思尾巨桉;老叶的水分利用效率变化范围为38.56~62.59μmol·mol~(-1),其大小依次为:湿地松木麻黄肯氏相思尾巨桉纹荚相思。(4)不同树种人工林水分利用效率与其新叶水分利用效率呈显著正相关关系,说明林分水分利用效率主要体现在新叶的水分利用效率上,同时林分水分利用效率受林分类型的影响。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

中国盐沼湿地蓝碳碳汇研究进展

滨海蓝碳主要指被红树林、盐沼湿地、海草床等蓝碳生态系统所固定的碳,这部分碳对于减缓气候变暖意义重大。其中盐沼湿地作为我国面积最大、分布广泛的滨海湿地,受到人类活动的扰动较多,其碳汇估算的数据缺乏系统性与完整性。通过收集我国的盐沼湿地相关研究与数据,本文对我国盐沼湿地的分布现状及其碳储量、碳埋藏、碳来源、温室气体通量进行了总结,其中我国盐沼湿地的分布面积为(1.27~3.43)×10⁵hm²,总碳储量为(7.5±0.6) Tg,碳埋藏速率为7~955 g C/(m²·a),非CO₂温室气体通量分别为23.6~986 μg CH₄/(m²·h)和1.58~110 μg N₂O/(m²·h)。本文系统梳理了有关我国盐沼湿地碳汇功能的研究,指出我国盐沼湿地碳循环研究仍需加深对机制机理的解析和关键调控因子的探究,以期让盐沼湿地蓝碳为我国的碳达峰与碳中和战略做出更大贡献。     

天津沼泽湿地芦苇叶片的碳稳定同位素比值分布特征及其环境影响因素

天津芦苇(Phragmites australis)沼泽具有重要的生态功能。目前天津地区水体咸化、氮污染和水资源短缺问题严重, 显著影响了芦苇湿地的植物生理生态过程。植物稳定碳同位素组成(碳稳定同位素比值(δ¹³C))能够记录与植物生长过程相关联的环境变化信息, 反映植物对环境变化的生理生态适应特性。该研究调查了天津七里海、北大港和大黄堡湿地芦苇叶片的δ¹³C分布特征, 探讨了影响该地区叶片δ¹³C值变化的主要因素。研究表明: 1)天津芦苇湿地植物叶片δ¹³C的变化范围在-26.3‰ - -23.6 ‰之间, 平均值为-25.8‰; 2)芦苇叶片δ¹³C与底泥相对含水量呈显著负相关关系, 与底泥有效氮和全氮含量呈显著正相关关系, 而与底泥盐度和磷含量没有显著相关关系; 水分条件和底泥氮营养状况是影响叶片的δ¹³C值变化的主要因素; 3)淹水条件下, 芦苇叶片δ¹³C与叶片质量氮含量呈显著正相关关系, 与叶碳氮比呈显著负相关关系, 8月份七里海湿地干涸打破了此相关关系。当前环境压力下, 天津沼泽湿地干涸极大地改变了芦苇的氮、水平衡和植物对水、氮资源的利用策略, 而湿地干涸对该过程的影响要高于盐度和氮负荷增加。     

植物在硅生物地球化学循环过程中的作用

硅是地球上重要的矿质元素,在许多生物地球化学过程中起着重要作用。传统认为硅的循环主要受岩石风化、矿物溶解和水体沉积的影响。实际上,植物在硅的生物地球化学循环中起着重要作用。植物体本身就是一个相当大的硅库,它们能以无定型硅(SiO2.nH2O)的形式积累硅,称作生物硅(BSi)、植硅石或蛋白石。陆地植物每年以BSi的形式固定约1.68×109～5.60×109t的硅,通过枯枝落叶返回到土壤中的BSi有92.5%被植物再吸收,7.5%进入土壤库。陆地植物从土壤BSi库吸收的硅量远超过从岩石风化释放吸收的硅量,植物-土壤内循环的有效性强烈地影响着陆地生态系统中的硅向河流和海洋的输送。在海洋中,硅藻通过吸收、溶解和沉积在很大程度上影响着海洋里的硅循环,硅藻每年固定的硅约为5.60×109～7.84×109t,同样,在向海底沉积的过程中,97%的BSi重新被硅藻吸收,每年只有1.43×108～2.55×108t(约3%)沉积到海底。可见,植物在陆地生态系统和水生生态系统硅的循环中均起着非常重要的作用,研究硅的全球生物地球化学循环时必须考虑到植物的作用。     

稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤 植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（¹³C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤 植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤 植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤 植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物 根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

Resource quality affects carbon cycling in deep-sea sediments

Deep-sea sediments cover ∼70% of Earth''s surface and represent the largest interface between the biological and geological cycles of carbon. Diatoms and zooplankton faecal pellets naturally transport organic material from the upper ocean down to the deep seabed, but how these qualitatively different substrates affect the fate of carbon in this permanently cold environment remains unknown. We added equal quantities of ¹³C-labelled diatoms and faecal pellets to a cold water (−0.7 °C) sediment community retrieved from 1080 m in the Faroe-Shetland Channel, Northeast Atlantic, and quantified carbon mineralization and uptake by the resident bacteria and macrofauna over a 6-day period. High-quality, diatom-derived carbon was mineralized >300% faster than that from low-quality faecal pellets, demonstrating that qualitative differences in organic matter drive major changes in the residence time of carbon at the deep seabed. Benthic bacteria dominated biological carbon processing in our experiments, yet showed no evidence of resource quality-limited growth; they displayed lower growth efficiencies when respiring diatoms. These effects were consistent in contrasting months. We contend that respiration and growth in the resident sediment microbial communities were substrate and temperature limited, respectively. Our study has important implications for how future changes in the biochemical makeup of exported organic matter will affect the balance between mineralization and sequestration of organic carbon in the largest ecosystem on Earth.     

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.     

High-throughput isotopic analysis of RNA microarrays to quantify microbial resource use

Most microorganisms remain uncultivated, and typically their ecological roles must be inferred from diversity and genomic studies. To directly measure functional roles of uncultivated microbes, we developed Chip-stable isotope probing (SIP), a high-sensitivity, high-throughput SIP method performed on a phylogenetic microarray (chip). This approach consists of microbial community incubations with isotopically labeled substrates, hybridization of the extracted community rRNA to a microarray and measurement of isotope incorporation—and therefore substrate use—by secondary ion mass spectrometer imaging (NanoSIMS). Laboratory experiments demonstrated that Chip-SIP can detect isotopic enrichment of 0.5 atom % ¹³C and 0.1 atom % ¹⁵N, thus permitting experiments with short incubation times and low substrate concentrations. We applied Chip-SIP analysis to a natural estuarine community and quantified amino acid, nucleic acid or fatty acid incorporation by 81 distinct microbial taxa, thus demonstrating that resource partitioning occurs with relatively simple organic substrates. The Chip-SIP approach expands the repertoire of stable isotope-enabled methods available to microbial ecologists and provides a means to test genomics-generated hypotheses about biogeochemical function in any natural environment.     

稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用

近20a稳定同位素技术在植物生态学研究中的应用得到了长足发展,使得对植物与水分关系也有了更深一步的了解。介绍稳定同位素性碳、氢、氧同位素在研究植物水分关系中的应用及进展,以期能为国内植物水分利用研究提供参考。由于植物根系从土壤中吸收水分时并不发生同位素分馏,对木质部水分同位素分析有助于对植物利用水分来源,生态系统中植物对水分的竞争和利用策略的研究,更好地了解生态系统结构与功能。稳定碳同位素作为植物水分利用效率的一个间接指标,在不同水分梯度环境中,及植物不同代谢产物与水分关系中有着广泛的应用。同位素在土壤-植被-大气连续体水分中的应用,有助于了解生态系统的水分平衡。随着稳定同位素方法的使用,植物与水分关系的研究将取得更大的进展。     

δ13C在植物生态学研究中的应用

稳定碳同位素技术已成为研究植物与环境之间关系最有效的方法之一。由于植物羧化效率的不同、12 C和13 C在植物体内迁移速率以及外界环境的不同,不同植物体内稳定性碳同位素比率(δ13 C值)有一定的差异。该文概述了稳定碳同位素的基本理论,并从气孔导度、叶肉细胞导度、叶片羧化效率分析了δ13 C变化的生物学机理;对近年来国内外有关不同环境因子对植物δ13 C值的影响、δ13 C值在群落及生态系统水平(以功能群、群落冠层及树轮为重点)、以及δ13 C值在碳循环中的应用研究进展进行综述,为以后稳定碳同位素研究提供参考。