自养微生物同化CO_2的分子生态研究及同化碳在土壤中的转化

大气中CO2浓度持续升高和全球气候变暖是亟待解决的重大环境问题。自养微生物在环境中广泛分布,能直接参与CO2的同化,因此研究自养微生物同化CO2的分子生态学机制具有重大的科学意义。以往对自养微生物的研究多针对基因组DNA,从DNA水平揭示了不同生态系统中碳同化自养微生物的种群结构和多样性,但这些微生物在生态系统中的具体功能有待进一步的研究。近年来,随着转录组学研究技术和稳定同位素探针技术(SIP)的发展,自养微生物同化CO2的生态机理研究不断深入,这些研究明确揭示了碳同化自养微生物是河流、湖泊和海洋生态系统中CO2固定作用的驱动者,并新发现了一些具有CO2同化功能的微生物群落。基于国内外有关研究进展,从DNA和RNA水平上对自养微生物同化CO2的分子机理以及稳定同位素探针技术(SIP)在碳同化微生物研究中的应用进行了分析和总结,初步展望了RNA-SIP技术在陆地生态系统碳同化微生物分子生态学研究中的前景。同时,探讨了陆地生态系统同化碳的转化和稳定性机理,以期为深入了解生态系统碳循环过程和应对气候变化提供理论依据。     

基于稳定同位素技术的北太平洋柔鱼角质颚信息

根据2012年7—10月中国鱿钓船在42°N—45°N、153°E—157°E海域采集的柔鱼样本,测定20对北太平洋柔鱼上、下角质颚的碳、氮稳定同位素比值,分析其碳、氮稳定同位素比值与柔鱼性别、个体大小和色素沉着等级之间的关系。结果表明:角质颚的碳、氮稳定同位素值在雌雄个体间均未发现显著差异;角质颚的碳稳定同位素值与个体大小呈显著负相关,而氮稳定同位素值与其呈显著正相关;随着柔鱼个体的生长,其角质颚的色素沉着等级逐渐增大,角质颚的氮稳定同位素比值也随之升高,而色素沉着等级与儿茶酚类物质的含量有关,儿茶酚类物质含量的增大使柔鱼角质颚强度增大,从而更有利于柔鱼摄食高营养级生物。     

基于氢氧同位素的不同木材密度植物茎水最短抽提时间

植物-水分关系是生态水文过程的重要环节,稳定同位素技术的应用极大地扩充了该领域的研究范围,提高了研究精度。但因植物样品的水分抽提费时费力,限制了该技术的应用。本研究以植物茎水抽提为例,采用低温真空蒸馏法,通过分析相同质量不同植物样品在同一时间梯度下水分提取率及基于同位素值的水分抽提时间曲线的变化特征,揭示不同植物茎水的最短抽提时间,并建立最短抽提时间与植物木材密度的相关关系。结果表明,目标植物盐肤木、红背山麻杆和火棘的木材密度分别为0.35、0.55和0.67 g·cm-3;质量基本相同(约3 g)的3种植物样品的水分提取率在45 min左右均接近100%;由于水分收集的滞后性,基于同位素值的最短抽提时间分别为不小于45、60和60 min,并随木材密度增大而延长。研究结果指示着建立木材密度与植物茎水最短抽提时间曲线的可能,能有效提高抽提效率。     

稳定碳同位素技术在北京市公园湖泊沉积物有机质来源分析与评价中的应用

湖泊是陆地水圈的重要组成部分,湖泊沉积物是水体污染物的源和汇,北京湖泊生态环境和环境质量评价越来越受关注。本研究对2012—2013年北京市19个公园湖泊表层沉积物中δ13Corg、C/N值及TOC、TON含量进行分析,探讨了湖泊生产力分布、湖泊营养输入、表层沉积物营养含量以及各沉积物有机质来源。结果表明,湖泊表层沉积物由于存在地域差异,δ13Corg、C/N、TOC、TON含量的差别较大、湖泊生产力与营养水平各不相同;通过有机指数评价法推断,所研究的湖泊中只有3个湖泊较清洁,其他均受到不同程度的有机污染;结合δ13Corg(-27.6‰~-22.1‰)和C/N(8.2~58.1)2个特征值对沉积物进行有机质来源的定性及半定量分析,推断出北京市公园湖泊有机质大多来源为污水有机质,应主要从控制污水输入方面降低湖泊污染风险。     

长白山阔叶红松林5种主要树种水分利用效率与叶片养分特征

以长白山阔叶红松林中5种优势树种(红松、水曲柳、色木槭、蒙古栎、紫椴)为研究对象,利用稳定碳同位素技术分析了植物的水分利用效率(WUE),测定了叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)3种营养元素的含量用以分析植物对养分的利用特征,并综合分析了植物WUE与叶片养分含量之间的关系.结果 表明:冠层不同位置微气象因子的差异导致WU...     

鼎湖山森林演替序列植物-土壤碳氮同位素特征

植物群落对水分利用和养分利用的优化策略, 土壤碳周转和氮循环过程对演替变化如何响应, 森林土壤有机碳积累机制等都是森林生态学需要解决的关键问题。然而, 这些生态学过程的变化在短时间内通过传统的研究手段难以被精确观测, 碳氮同位素(¹³C、¹⁵N)技术的应用或许能提供更多有价值的信息。该文通过对鼎湖山森林演替序列代表性群落——马尾松(Pinus massoniana)针叶林(PF)、针阔叶混交林(MF)和季风常绿阔叶林(BF)植物-土壤碳氮同位素自然丰度的测定, 分析了叶片稳定碳同位素比率(δ¹³C)和稳定氮同位素比率(δ¹⁵N)与其叶片元素含量的关系, 以及叶片-凋落物-土壤δ¹³C、δ¹⁵N在演替水平和垂直方向上的变化特征。结果显示: 1)主要优势树种叶片δ¹³C与其C:N极显著正相关(p < 0.01), 凋落物和各层土壤δ¹³C均表现为PF > MF > BF, 沿演替方向逐渐降低; 2)叶片δ¹⁵N与叶片N含量正相关(p = 0.05), 凋落物和表层土壤(0-10 cm) δ¹⁵N沿演替方向逐渐增大; 3)不同演替阶段土壤δ¹³C、δ¹⁵N均沿垂直剖面呈现增大的趋势。结果表明: 南亚热带地区植物群落的发展并不一定受水分利用和氮素利用的补偿制约; δ¹³C自然丰度法的应用有助于森林土壤有机碳积累机制, 尤其有助于成熟森林土壤“碳汇”机制的阐释; 植物-土壤δ¹⁵N值可作为评估土壤氮素有效性和生态系统“氮饱和”状态的潜在指标。     

青海喇家遗址人类遗骸的锶同位素比值分析

喇家遗址位于青海省民和县,主体为齐家文化的遗存,距今大约3900~4300年。喇家遗址古代人类迁移活动的研究,对于探索黄河上游古代文明,推动该地区齐家文化研究,有着积极的学术意义。本文首先采用电感耦合等离子体质谱技术对喇家遗址出土的22个个体的44份牙釉质和骨骼样品进行了元素分析,根据检测结果排除了受到污染的2份骨骼样品。其次,通过热电离质谱分析方法对喇家遗址出土22个个体的42份牙釉质和骨骼样品及8个猪牙釉质样品的锶同位素比值进行了测定。检测数据表明,猪牙釉质的锶同位素比值的标准偏差远小于其他动物,可以推断猪由当地饲养的可能性是最大的,因此其牙釉质锶同位素比值可以代表当地的锶同位素水平。经过计算得到8个猪牙釉质的锶同位素比值的平均值为0.710930,将该平均值加或减2倍标准偏差可以得到喇家遗址当地的锶同位素比值范围在0.711058~0.710802之间。以此为前提可以推测,本次检测的22个个体中,有17个个体牙釉质的锶同位素比值在遗址当地的锶同位素比值范围内,可能为本地出生。还有2个个体牙釉质在当地的锶同位素比值范围上下限附近,姑且存疑;仅有3个个体牙釉质的锶同位素比值在遗址当地的锶同位素比值范围以外,表明这些个体可能在其他地区出生,去世后埋葬在遗址中。此外,数据分析还显示,本地出生人群牙釉质的锶同位素比值平均值与骨骼的锶同位素比值平均值比较接近,暗示喇家遗址当地古人类生活方式可能比较统一。     

氧气增加与哺乳动物进化

研究人员报告说,大气中氧气含量增加的时间与哺乳动物进化的重要阶段相符,意味着氧气的增加使哺乳动物多样化和变大成为可能。PaulFalkowski和同事通过分析原始沉积物中碳和硫的同位素记录,重建了过去2.05亿年中大气的氧含量。他们发现在超大陆-联合大陆分裂成较小的大陆、大西洋海盆形成期间,大气中的氧含量大约增加了一倍。在大陆边缘生活的浮游植物的进化极大地增加了海洋沉积物中的有机物质,这最终使更多的氧气释放到大气中。     

马占相思人工林净二氧化碳交换和碳同位素通量

应用稳定碳同位素技术,对马占相思人工林冠层受光和遮荫叶片的碳同化率(A_net)和叶面积指数(L)进行加权,将叶片水平的¹³C甄别率(Δ_i)扩展至冠层光合甄别率(Δ_canopy),测定光合固定和呼吸释放的碳同位素通量及其净交换通量.结果表明：Δ_canopy的日变化明显,日出前和中午出现较低值(18.47‰和19.87‰),而日落前达到最大(21.21‰);秋季末期(11月)至翌年夏季,Δ_canopy逐步升高,年平均为(20.37±0.29)‰.不同季节自养呼吸(日间叶片呼吸除外)和异养呼吸释放CO₂的碳同位素比率(δ¹³C)平均值分别为(-28.70±0.75)‰和(-26.75±1.3)‰,春季林冠夜间呼吸CO₂的δ¹³C最低(-30.14‰),秋季末期最高(-28.01‰).马占相思林与大气的CO₂碳同位素通量在春季和夏季中午时峰值分别为178.5和217 μmol·m^-2 ·s^-1·‰,日均值分别为638.4 和873.2 μmol·m^-2·s^-1·‰.冠层叶片吸收CO₂的碳同位素通量较呼吸释出CO₂的碳同位素通量高1.6～2.5倍,表明马占相思林日间吸收大量CO₂,降低空气CO₂浓度,具有改善环境的良好生态服务功能.     

相近社会等级先民的食物结构差异——以山西聂店遗址为例

一般认为,先民食物结构的差异是人类不同社会等级的重要表现形式之一。然而,对于考古学资料中未见明显等级差异的先民来说,其是否存在食物结构上的差别,仍需认真加以探讨。为此,本文对山西聂店遗址墓葬(基本无随葬品或随葬品较少)中出土的人骨进行了C、N稳定同位素分析,研究结果表明:先民的食物结构,体现了典型中国北方农业经济的特点,即以粟作农业和家畜饲养为生。此外,尽管在考古学意义上聂店先民的等级相近,但其在食物资源的获取上却显示出明显差异,且这种差异与先民的性别、年龄和随葬品的种类和多寡无关。因此,在社会等级较为模糊的人类社会,先民对食物资源的获取,很可能更多地受到人群组成、生活习惯等因素的影响,而与社会等级的相对高低无关。