穩(wěn)定同位素15N技術(shù)在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用展望

閆國(guó)蒼，王文穎，康 清

（1.青海畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 湟源 812100；2.青海師范大學(xué)，青海 西寧 810008）

穩(wěn)定同位素15N技術(shù)在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用展望

閆國(guó)蒼1，王文穎2，康 清1

（1.青海畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 湟源 812100；2.青海師范大學(xué)，青海 西寧 810008）

穩(wěn)定同位素技術(shù)是了解生物與其生存環(huán)境相互關(guān)系的強(qiáng)有力手段，在生態(tài)學(xué)的研究中應(yīng)用廣泛，穩(wěn)定同位素15N技術(shù)作為一種新方法和新技術(shù)，在生態(tài)系統(tǒng)氮素研究方面具有極為美好的應(yīng)用前景，并顯示出其強(qiáng)大的生命力。綜述了國(guó)內(nèi)外穩(wěn)定同位素15N技術(shù)研究進(jìn)展，并對(duì)其在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期進(jìn)一步發(fā)揮其在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，從而在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)研究中取得重大進(jìn)展。

穩(wěn)定同位素；15N技術(shù)；高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)；展望

由于穩(wěn)定同位素技術(shù)［1］具有示蹤（tracers）、整合（integration）和指示（indicators）等多種功能，并能快速檢測(cè)且結(jié)果準(zhǔn)確、不干擾自然，所以在植物生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用引起了植物生態(tài)學(xué)家的重視，使穩(wěn)定同位素技術(shù)成為了深入了解生物與其生存環(huán)境之間相互關(guān)系的重要工具，在生態(tài)學(xué)研究中日益顯示出廣闊的應(yīng)用前景。用穩(wěn)定同位素作示蹤劑以研究生態(tài)系統(tǒng)中生物要素的循環(huán)及其與環(huán)境之間的關(guān)系、利用穩(wěn)定同位素技術(shù)的時(shí)空整合能力研究在不同時(shí)間和空間尺度上生態(tài)過(guò)程與其機(jī)制以及利用穩(wěn)定同位素技術(shù)的指示功能揭示生態(tài)系統(tǒng)功能的變化規(guī)律等方法，已成為了解生態(tài)系統(tǒng)功能動(dòng)態(tài)變化的重要研究手段之一，使現(xiàn)代生態(tài)學(xué)家能夠解決用其他方法難以解決的生態(tài)學(xué)問(wèn)題。目前，生態(tài)學(xué)家已將穩(wěn)定同位素技術(shù)運(yùn)用到不同生態(tài)系統(tǒng)的研究中，但在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)研究中較為少見(jiàn)，筆者綜述了國(guó)內(nèi)外穩(wěn)定同位素15N技術(shù)研究進(jìn)展，并展望了其在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 穩(wěn)定同位素技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)20年代，自從Hevesy利用天然放射性同位素對(duì)豆科植物吸收鉛的情況進(jìn)行了研究和分析，從此，在土壤化學(xué)、土壤肥力和植物營(yíng)養(yǎng)的研究中同位素示蹤技術(shù)開(kāi)始被大量地應(yīng)用。Urey［2］對(duì)同位素物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的研究和Nier［3］研制的比值質(zhì)譜計(jì)為穩(wěn)定同位素地球化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，McKinney 等［4］對(duì) Nier型質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行了改良，從而使穩(wěn)定同位素技術(shù)成為了一種行之有效的分析方法。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，穩(wěn)定同位素（13N、15N）技術(shù)［4］在生物固氮的研究中也得到了廣泛應(yīng)用。目前，在生物固氮方面15N示蹤技術(shù)的應(yīng)用主要集中在固氮機(jī)理、自養(yǎng)固氮對(duì)氮素輸入的貢獻(xiàn)以及共生固氮過(guò)程中寄主與宿主間的營(yíng)養(yǎng)分配等問(wèn)題的探討與研究上；20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于全球性氮污染加重，加之人類(lèi)對(duì)全球環(huán)境變化的日益關(guān)注，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究全球氮素生物地球化學(xué)的過(guò)程全面展開(kāi)。2007年美國(guó)Fry的專(zhuān)著［5］《Stable Isotope Ecology》正式出版，這也意味著穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)以生態(tài)學(xué)的新分支學(xué)科的形象正式誕生。

2 穩(wěn)定同位素技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展

穩(wěn)定同位素技術(shù)在我國(guó)生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用起步較晚，其原因是當(dāng)時(shí)的資金和設(shè)備受到一定限制而阻礙了穩(wěn)定同位素技術(shù)的發(fā)展；但近十幾年來(lái)，通過(guò)與國(guó)際上的交流與合作以及我國(guó)科學(xué)家的堅(jiān)持不懈，該技術(shù)已在我國(guó)有了重大的突破和進(jìn)展，尤其是在近幾年，眾多生態(tài)研究單位和機(jī)構(gòu)投入了巨資，購(gòu)買(mǎi)同位素比率質(zhì)譜儀及其他相關(guān)儀器設(shè)備，更有不斷增加的各類(lèi)基金資助項(xiàng)目也在使用穩(wěn)定同位素技術(shù)去研究生態(tài)學(xué)問(wèn)題，由此可以看出，這將在很大程度上提高我國(guó)利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究生態(tài)學(xué)問(wèn)題的深度和廣度［6-7］。 潘慶民等［8］對(duì)內(nèi)蒙古典型草原羊草群落氮素去向的示蹤研究表明，氮素循環(huán)過(guò)程的調(diào)控可以通過(guò)對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的管理而實(shí)現(xiàn)，植物對(duì)氮素的吸收分配與其生物量的分配并不成比例，而是被近似平均地分配到了地下和地上器官中，暗示氮素添加對(duì)地上生物量的影響可能要大于對(duì)地下的影響。2005年，陸雅海等［9］通過(guò)現(xiàn)代分子生態(tài)技術(shù)和穩(wěn)定同位素技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)水稻（Oryza sativa）根際碳循環(huán)的關(guān)鍵微生物種群和功能進(jìn)行研究和探討，其結(jié)果表明，通過(guò)穩(wěn)定同位素技術(shù)他們?cè)谒靖蛋l(fā)現(xiàn)了一組新古菌的產(chǎn)甲烷功能。吳田鄉(xiāng)等 測(cè)定了內(nèi)蒙古錫林河流域圍封和放牧條件下草原群落主要優(yōu)勢(shì)植物和土壤的δ15N值，其結(jié)果表明，放牧能顯著降低表層土壤δ15N值，由此可推測(cè)：長(zhǎng)期放牧可能會(huì)導(dǎo)致氮循環(huán)速率降低。也有專(zhuān)家學(xué)者利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)［11］、溫性荒漠化草原生態(tài)系統(tǒng)等［12］做了一些研究，隨著穩(wěn)定同位素技術(shù)在我國(guó)各生態(tài)領(lǐng)域的全面運(yùn)用，穩(wěn)定同位素在生態(tài)學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域如環(huán)境科學(xué)、林學(xué)、農(nóng)學(xué)等的研究中掀起了一股熱潮［6］，相關(guān)研究人員在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中利用氮穩(wěn)定同位素（15N）進(jìn)行了初步研究。穩(wěn)定同位素技術(shù)已成為我國(guó)生態(tài)學(xué)研究常用的一種技術(shù)。

3 植物固氮能力的主要測(cè)定方法

植物固氮能力測(cè)定的主要方法［11，13-15］有15N 還原法、乙炔還原法、15N同位素稀釋法和15N自然豐度法等，由于后2種方法更適應(yīng)于野外研究，因此應(yīng)用較多。

3.115N同位素稀釋法15N同位素稀釋法的基本原理將某一形態(tài)的N庫(kù)用15N標(biāo)記后，當(dāng)其他未標(biāo)記N形態(tài)轉(zhuǎn)化成為標(biāo)記N形態(tài)時(shí)，使該N庫(kù)中的15N豐度下降；相反，當(dāng)標(biāo)記N向其他形態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)，使轉(zhuǎn)化生成的N庫(kù)中15N豐度提高。利用15N的稀釋和富集，結(jié)合各形態(tài)N庫(kù)的含量變化可以計(jì)算生物固氮對(duì)固氮植物氮素營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)百分比（%Ndfa）。

其中：AS為固氮植物的15N原子百分超，AF為參照植物的15N原子百分超。

式中：A為植物的15N原子百分超，F(xiàn)為植物的15N原子百分?jǐn)?shù)。

該方法要求必須加入高氮量，并盡量縮短試驗(yàn)時(shí)間以防止微生物同化的N又再次礦化。

3.215N自然豐度法 由δ15N自然豐度法測(cè)定生物固氮的基本原理［13］：大氣中N的天然豐度值是0.3663%原子，相當(dāng)于δ15N值為0，而土壤N的δ15N值在-6‰～16‰，土壤N中15N豐度通常大于大氣N的15N豐度，因此，主要依靠從土壤中吸收氮素的植物其豐度應(yīng)比通過(guò)固氮從大氣獲得氮素的植物大。15N自然豐度法不需要投放標(biāo)記物，而是通過(guò)生長(zhǎng)在同一地點(diǎn)的固氮植物和非固氮植物δ15N值的差異 （非固氮植物的δ15N值要比固氮植物的大）來(lái)估算固氮植物的生物固氮量。

植物的 δ15N 和%Ndfa可據(jù)下式［12,15-16］計(jì)算，即：

其中：N（plant）為植物樣品中的氮，N（s）為標(biāo)準(zhǔn)品種的氮，N（atom）為大氣中氮標(biāo)準(zhǔn)。

式中，δ15Nref為參照植物的 δ15N，δ15Nfixed為固氮植物的δ15N，δ15Nhydro為無(wú)氮基質(zhì)中水培生長(zhǎng)的固氮植物的δ15N。

結(jié)合生物量數(shù)據(jù)還可估算出總固氮量（TNfixed），即：

TNfixed=Ndfa×植物生物量×豆科植物所占百分比×豆科植物TN含量

4 穩(wěn)定同位素15N技術(shù)在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

穩(wěn)定同位素15N技術(shù)作為一種新方法和新技術(shù)，在生態(tài)學(xué)研究中應(yīng)用廣泛，并顯示出其強(qiáng)大的生命力，在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中也必將發(fā)揮其重要的作用，從而使高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)研究取得重大進(jìn)展。

4.1 在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)物種及其固氮量研究中的應(yīng)用 利用穩(wěn)定同位素15N技術(shù)對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中物種及其固氮量進(jìn)行了研究，從而可以確定物種的固氮能力，區(qū)分固氮物種和非固氮物種，明確植物自身氮的來(lái)源以及物種對(duì)固氮所做出的貢獻(xiàn)。

4.2 在氮素對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)植物生物量以及植物和土壤全氮量影響研究中的應(yīng)用 氮素作為幾大生命元素之一，根據(jù)施氮量變化，可研究高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)植物地上生物量和地下生物量及土壤全氮含量的變化，明確氮素對(duì)植物地上、地下生物量及土壤全氮含量的影響。

4.3 在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中不同施氮量對(duì)氮素平衡影響研究中的應(yīng)用 衡量植物回收轉(zhuǎn)移氮素能力的2種參數(shù)分別為氮素回收率和氮素回收水平。從這兩個(gè)角度出發(fā)去了解植物氮素的吸收利用效率可以得出更全面、更直觀的結(jié)果。植物體是氮素的主要氮庫(kù)之一。給草地添加的氮素有一部分被植物吸收利用，因此，植物對(duì)標(biāo)記氮素的回收率就是肥料的利用效率。利用氮素添加量的變化，了解植物氮素的回收率變化，確定施氮水平。用標(biāo)記肥料氮素?fù)p失量與植物氮素回收量的比值大小來(lái)表示草地的經(jīng)濟(jì)施肥量。為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，有利于肥料中氮素?fù)]發(fā)，因此在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中要合理施氮。

4.4 標(biāo)記氮素在土壤中存留量和存留率研究中的應(yīng)用 研究高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)肥料氮素在土壤中的存留，對(duì)于改善目前我國(guó)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中氮素的虧缺，以及提高當(dāng)季和下一個(gè)生長(zhǎng)季的草地生產(chǎn)力具有重要意義。因此，在恢復(fù)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)退化中，提高添加氮素肥料的利用率和保持或增加氮素肥料在土壤中的存留率已成為亟待解決的問(wèn)題。

4.5 在植物對(duì)不同來(lái)源氮素的吸收研究中的應(yīng)用植物所吸收的氮素來(lái)源分為土壤中的氮以及所添加的肥料氮。對(duì)不同來(lái)源氮素和不同肥料的氮素（如 NH4+、NO3-）進(jìn)行分析，對(duì)了解植物體及其各部位添加氮素肥料的利用效率有促進(jìn)作用。此外，可加強(qiáng)穩(wěn)定同位素15N技術(shù)與現(xiàn)有氮素模型的結(jié)合研究［11］，以支持深入研究氮素的生物地球化學(xué)過(guò)程。加深穩(wěn)定同位素15N技術(shù)在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用廣度和深度，以闡明氮素對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響，給宏觀綜合性研究提供科學(xué)依據(jù)。可開(kāi)展高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)與相鄰生態(tài)系統(tǒng)之間由于氮素物質(zhì)交換而產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)特別是污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境行為的研究，以及高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間營(yíng)養(yǎng)流動(dòng)途徑研究。

［1］林光輝.穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)：先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)的生態(tài)學(xué)新分支［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，34（2）：119-122.

［2］UREY H C.The thermodynamic properties of isotopic substances［J］.J Chem Soc，1947，1：562-581.

［3］NIER A O.A mass spectrometer for isotope and gas analysis［J］.Rev Sci Instr，1947，18（6）：398-411.

［4］McKINNEY C R，McCREA J M，EPSTEIN S，et al.Improvements in mass spectrometers for the measurement of small differences in isotope abundance ratios ［J］.J Rev Sci Instr，1950，21：724-730.

［5］FRY B.Stable Isotope Ecology ［M］.New York：Springer，2007.

［6］周瑞慶，陳開(kāi)鐵，李合松，等.應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究水稻對(duì)氮素的吸收利用［J］.湖南農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，17（4）：665-669.

［7］蔡德陵，張淑芳，張經(jīng).穩(wěn)定碳、氮同位素在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用［J］.青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，32（2）：287-295.

［8］潘慶民，白永飛，韓興國(guó)，等.內(nèi)蒙古典型草原羊草群落氮素去向的示蹤研究［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28（5）：665-671.

［9］LU Y H，CONRAD R.In situ stable isotope probing of methanogenic archaea in the rice rhizosphere ［J］.Science，2005，309（5737）：1088-1090.

［10］吳田鄉(xiāng)，黃建輝.放牧對(duì)內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)植物及土壤 δ15N的影響 ［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，34（2）：160-169.

［11］孫志高，劉景雙，于君寶，等.15N示蹤技術(shù)在濕地氮素生物地球化學(xué)過(guò)程研究中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.地理科學(xué)，2005，25（6）：762-768.

［12］李育中，祝廷成，李建東，等.同位素15N在草地氮循環(huán)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)草地，1996（3）：61-65.

［13］蘇波，韓興國(guó)，黃建輝.15N自然豐度法在生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)研究中的應(yīng)用 ［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，19（3）：408-416.

［14］程誼，蔡祖聰，張金波.15N同位素稀釋法測(cè)定土壤氮素總轉(zhuǎn)化速率研究進(jìn)展［J］.土壤，2009，41（2）：165-171.

［15］黃東風(fēng)，翁伯琦，羅濤.豆科植物固氮能力的主要測(cè)定方法比較［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（S1）：17-20.

［16］易現(xiàn)峰，張曉愛(ài).穩(wěn)定性同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)上的應(yīng)用［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（3）：306-314.

S124.2；S812

A文章順序編號(hào)1672-5190（2016）11-0040-03

2016－10－19

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31260127）；教育部春暉計(jì)劃（Z2009-1-81010）。

閆國(guó)蒼（1974—），男，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)橹参锷鷳B(tài)學(xué)。

（責(zé)任編輯：慕宗杰）