穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用

雷 帥，何春霞，張勁松，孟 平，孫守家

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所 國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京 210037)

“同位素”一詞由Soddy在1913年提出，同年Thomas首次用磁性分析儀證明了自然界存在同位素[1]。20世紀(jì)70年代是國際穩(wěn)定同位素研究的起步階段，一些研究者初步探討了穩(wěn)定同位素可能攜帶的環(huán)境信息，其中Farmer[2]首次利用植物中穩(wěn)定碳同位素反演大氣CO2濃度變化，拓展了同位素技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。90年代后，隨著質(zhì)譜技術(shù)創(chuàng)新，一些植物生理學(xué)家和生態(tài)學(xué)家提出了新假設(shè)并進行驗證實驗，使穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，為穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)作為一門新學(xué)科奠定了理論基礎(chǔ)[3]。激光光譜技術(shù)的出現(xiàn)為野外快速、連續(xù)測定同位素提供了可能，使穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)、食品安全以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在國外，穩(wěn)定碳同位素在生態(tài)系統(tǒng)研究應(yīng)用較早，已對暗呼吸中碳同位素分餾[4]、碳同位素分餾與環(huán)境和生理因素的關(guān)聯(lián)[5]、土壤-植物-大氣連續(xù)體中的碳同位素通量[6]等方面進行了綜述。Matteo等[7]根據(jù)1 428種文獻繪制了1996—2015年穩(wěn)定碳同位素在林學(xué)研究中熱點分布圖，發(fā)現(xiàn)研究集中在森林土壤碳固存、植物和動物群落的人為影響以及造林后樹種的生理生態(tài)反應(yīng)3個方面。在國內(nèi)，穩(wěn)定碳同位素技術(shù)應(yīng)用起步較晚但發(fā)展較快，國內(nèi)研究者綜述了穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在植物-土壤系統(tǒng)碳循環(huán)[8]、樹輪穩(wěn)定碳同位素[9]、植物水分利用效率[10]和全球氣候變化[11]等方面的應(yīng)用。隨著同位素技術(shù)應(yīng)用范圍不斷拓展，在植物的細(xì)胞、葉肉組織、韌皮部、葉片、植株、冠層、生態(tài)系統(tǒng)乃至全球尺度上均有應(yīng)用。本文主要綜述國內(nèi)外穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在不同空間尺度和模型模擬等方面的研究進展，探討研究中亟待解決的問題，以期對今后的相關(guān)研究有所裨益。

1 碳同位素的概念及分餾效應(yīng)

自然界中有6種碳同位素，其中12C、13C、14C是主要的3種，比例分別為98.89%、1.108%和1.2×10～10%，其中12C、13C是穩(wěn)定性同位素，14C是放射性同位素。為了便于同位素組成的比較，穩(wěn)定碳同位素比率的測定以VPDB(vienna pee dee belemnite)為標(biāo)準(zhǔn)，用δ表示[12]：

δ=(Rsample-RVPDB)/RVPDB×1 000‰

(1)

式中：Rsample和RVPDB分別為樣品和標(biāo)準(zhǔn)物的13C/12C摩爾比率，當(dāng)δ>0時，表示樣品的重同位素比標(biāo)準(zhǔn)物富集，δ<0時則比標(biāo)準(zhǔn)物貧化。

由于原子質(zhì)量的微小差異，含有不同同位素的物質(zhì)在理化性質(zhì)方面不同，導(dǎo)致不同的動力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)，在物理、化學(xué)和生物等反應(yīng)過程中出現(xiàn)同位素分餾現(xiàn)象。碳的有機循環(huán)中，輕同位素容易攝入有機質(zhì)(如烴、石油中富含12C)中，而在無機循環(huán)中，重同位素傾向于富集在無機鹽(如碳酸鹽富含13C)中，導(dǎo)致碳同位素出現(xiàn)明顯的分餾現(xiàn)象。在植物中，碳同位素分餾發(fā)生在以下過程中：(1) 大氣CO2經(jīng)氣孔向葉片內(nèi)擴散，使進入葉肉細(xì)胞間的CO2比葉外大氣CO2具有更低的δ13C值；(2) CO2溶于水的過程中，植物優(yōu)先從葉胞間空氣吸收12CO2使之溶于細(xì)胞質(zhì)中，其分餾由動力學(xué)效應(yīng)引起，空氣中CO2濃度越高分餾效應(yīng)越大；(3) 光合作用過程中，光合羧化酶同化CO2，使細(xì)胞質(zhì)中的12CO2通過酶的作用優(yōu)先結(jié)合到磷酸甘油酸中，合成的光合產(chǎn)物貧化13C豐度，其分餾過程可以分為光合分餾和后羧化分餾。光合分餾包括CO2擴散分餾、羧化作用分餾、暗呼吸和光呼吸分餾[13-14]；后羧化分餾指與Rubisco羧化酶代謝途徑相關(guān)的同位素效應(yīng)[15]，包括光合組織和非光合組織的后羧化分餾[16]，后羧化分餾被認(rèn)為是植物器官、代謝物和有機物分子內(nèi)δ13C差異的原因[17-18]。C3植物中碳同位素分餾通常表示為[13]：

(2)

式中：Pa、Ps、Pi和Pc分別為周圍空氣、葉表面、葉胞間隙和葉綠體中的CO2分壓，ab和a分別為CO2通過邊界層(2.9‰)和氣孔(4.4‰)擴散到葉片中的碳同位素分餾值，es為CO2進入水溶液(25 ℃，1.1‰)發(fā)生的分餾，a1為CO2通過液相擴散時發(fā)生的分餾(25 ℃，0.7‰)，k為羧化速率，b為羧化過程中的凈分餾，Rd為光呼吸速率，Γ*是沒有日間呼吸的CO2補償點，e和f為日間呼吸和光呼吸的分餾因子。為簡化計算，通常使用簡化公式估計光合碳同位素分餾[19]：

(3)

式中：b3為RUBP酶羧化反應(yīng)過程中發(fā)生的同位素分餾(27‰)，Ci和Ca分別為胞間和大氣CO2濃度。水分虧缺引起的氣孔關(guān)閉會降低Ci，導(dǎo)致δ13C增加[20]，而光合作用的光限制會增加Ci，綜合考慮光和水的影響[21]，同化率(A)與葉肉內(nèi)部CO2氣孔傳導(dǎo)率(gm)之間存在以下關(guān)系：

(4)

式中：P為大氣壓力，但也有研究認(rèn)為gm對環(huán)境條件的響應(yīng)可能只在功能植物群之間[22]或栽培品種之內(nèi)[23]存在差別，與A沒有密切關(guān)系。此外，特定物種或栽培品種的gm可能隨植物和葉齡變化而變化，這部分限制了簡化碳同位素分餾模型的應(yīng)用[24]。

C4植物具有維管束鞘和PEP酶，光合作用過程中的碳同位素分餾過程與C3植物明顯不同，一般表示為：

(5)

(6)

式中：b4為PEP酶羧化反應(yīng)過程中的碳同位素分餾系數(shù)(-5.7‰)，f為CO2從葉片細(xì)胞滲漏到維管束鞘細(xì)胞的比率(0.20～0.37)，δ13Cp和δ13Ca分別表示植物組織和大氣CO2的碳同位素比率。Farquhar、Evans和Henderson[25-27]提出三元方程，隨后Caemmerer等[28]修正了C4植物光合作用過程中的碳同位素分餾公式：

(7)

(8)

該方程將同化速率A和PEP羧化速率Vp納入方程式，使得方程更易于與氣體交換測量結(jié)合使用。式中a′表示通過葉邊界層及氣孔的組合分餾因子，Cls為葉表面CO2分壓，t表示蒸騰速率，ai(1.8‰)為CO2在細(xì)胞質(zhì)中溶解和擴散時的分餾，gm代表氣孔導(dǎo)度，b′3與b′4分餾因子與PEP羧化和Rubisco羧化期間發(fā)生的分餾有關(guān)，泄漏度由φ=L/Vp給出，其中L為無機碳從束鞘中泄漏的速率，Vp為PEP羧化速率。

景天科酸代謝(crassulacean acid metabolism，CAM)植物介于C3和C4植物之間，包含了上面提到的各種碳同位素分餾效應(yīng)，其δ13C值介于-22‰～-10‰之間，目前還沒有描述CAM植物δ13C值的簡單公式。與植物光合作用不同，生物呼吸過程中碳同位素的分餾效應(yīng)還未充分明確，其碳同位素分餾效應(yīng)可能源于：(1) 糖類分子結(jié)構(gòu)上13C的不均勻分配，Rossmann等[29]發(fā)現(xiàn)葡萄糖4位鍵上富集13C，而6位鍵上的碳貧化13C；(2) 呼吸酶的動力學(xué)同位素效應(yīng)；(3) 次生代謝過程中的同位素分餾，如乙酰輔酶A合成中，新形成的乙酰輔酶A相對于底物丙酮酸總是貧化13C，而釋放的CO2相對富集13C。由于光合產(chǎn)物的次生代謝過程對13C的分餾作用，植物不同成分因化學(xué)結(jié)構(gòu)不同其同位素比值也不同，次生代謝中合成相當(dāng)數(shù)量13C貧化的脂肪酸只能解釋6‰或更高的呼吸CO2中13C的富集現(xiàn)象，但需要進一步論證。

2 在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用

2.1 土壤碳循環(huán)

全球碳平衡受多種因素影響，土壤碳循環(huán)是其重要組成部分之一，土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(1 500 Pg)，其碳儲量約是大氣碳庫(780 Pg)的2倍，植物碳庫(550 Pg)的3倍[30]，土壤碳主要來源于植物固定的大氣CO2，根系、凋落物和其他動植物殘體經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C質(zhì)(soil organic matter, SOM)，同時釋放大量的碳回到大氣中。土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)的儲存、分解和釋放以及無機碳(soil inorganic carbon, SIC)的積累和淋溶共同調(diào)節(jié)土壤碳庫的平衡[31]。目前對土壤碳循環(huán)的研究主要集中在簡單輸出-輸入模型上，而對土壤有機碳來源及其比例、周轉(zhuǎn)速率等研究相對薄弱。穩(wěn)定碳同位素作為天然示蹤劑可以用來研究土壤碳的遷移與轉(zhuǎn)化，定量評價新老有機碳組分對碳儲量的相對貢獻，測定土壤有機質(zhì)各組分的周轉(zhuǎn)速率，以及揭示新老有機碳在土壤團聚體中的轉(zhuǎn)化過程與賦存狀態(tài)[32]。使用特定碳同位素組成的13C標(biāo)記技術(shù)，可以追蹤有機物在周轉(zhuǎn)過程中的變化動態(tài)，能為土壤碳循環(huán)提供更多的信息。吳健等[33]用13C標(biāo)記了4種典型濱岸草地植物，證實了C3和C4植物樣帶表層土壤有機質(zhì)δ13C值隨著土壤深度遞增而呈現(xiàn)截然不同的變化特征，表明土壤有機質(zhì)受植物根系分布深度的影響，植物δ13C組成對土壤有機質(zhì)δ13C有直接作用。An等[34]用13C標(biāo)記技術(shù)研究玉米生長和施氮量對土壤有機碳含量的影響，發(fā)現(xiàn)玉米種植后土壤有機碳含量增加，玉米生長促進了對土壤碳的截留。顧鑫等[35]用13C標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)有機碳的平均駐留時間隨團聚體級別的減小而升高，新有機碳在微團聚體中的周轉(zhuǎn)速率較慢，玉米秸稈中的碳隨培養(yǎng)時間增加，逐漸從大團聚體向微團聚體轉(zhuǎn)移。盡管穩(wěn)定碳同位素技術(shù)已應(yīng)用到土壤有機碳研究中，但微生物對土壤碳循環(huán)的作用以及團聚體固碳機理仍不明確。因此，使用穩(wěn)定碳同位素示蹤結(jié)合微生物分子生物學(xué)技術(shù)研究土壤團聚體固碳機理將會成為今后的研究熱點之一。

據(jù)估計，SIC約占全球碳庫總量的38%，干旱、半干旱區(qū)土壤中存在大量以碳酸鈣為主的無機碳，但受限于鈣離子供給[36]，通常認(rèn)為無機碳庫基本是一個“死庫”，對碳循環(huán)的貢獻可忽略不計[36]。因此，國內(nèi)外研究者對土壤碳循環(huán)的研究主要集中在SOC，但從2006年開始，一些研究顯示干旱荒漠區(qū)具有潛在的碳匯功能，長期被忽視的干旱荒漠區(qū)SIC碳循環(huán)開始被關(guān)注。研究顯示，土壤中的溶解性SIC來自土壤空氣或大氣而非來自土壤本身的碳酸鹽，SIC在碳循環(huán)中的作用需要重新考量[37]。土壤中存在SOC-CO2-SIC微碳循環(huán)過程，土壤淋溶流失的可溶性有機碳(DOC)和可溶性無機碳(DIC)相對比例并不固定，在某些情況下，DOC的流失比DIC比例低很多，如美國森林小流域DOC輸出量約占陸地碳淋失總量35%[38]，巴西小流域DOC輸出量僅占總量的2.5%[39]。使用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)能確定干旱區(qū)土壤δ13C的遷移轉(zhuǎn)化特征，通過分析干旱區(qū)綠洲中土壤無機碳的δ13C，發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)綠洲土壤發(fā)生性碳酸鹽所占比例較低，SOC的貢獻較少[40]。13C示蹤研究也顯示大氣中CO2可以直接進入沙漠土壤，成為土壤顆粒中的一部分[41]，這些研究證實在土壤碳庫中占比達20%的溶解性SIC不是一個死庫，而是碳循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)之一。

2.2 植物研究

2.2.1葉片組織水平

在生態(tài)系統(tǒng)中，植物對周邊環(huán)境資源的利用策略不同，表現(xiàn)出不同的生理生態(tài)適應(yīng)機制。葉片是植物與大氣能量和質(zhì)量交換的場所，瞬時蒸騰和光合速率變化較大，利用長期水分研究植物的生態(tài)適應(yīng)機制更有意義。植物葉片δ13C值間接反映植物的水分利用效率(water use efficiency，WUE)，被認(rèn)為是估測植物長期水分利用的可靠途徑[42]。Farquhar等[25]認(rèn)為，水分利用效率與植物葉片胞間CO2濃度和大氣CO2濃度之間的數(shù)量關(guān)系如下：

WUE=(Ca-Ci)/1.6ΔW

(9)

式中：ΔW為葉內(nèi)外水汽壓之差，1.6為水汽和CO2在空氣中的擴散速率比率。同時，F(xiàn)arquhar等[13]建立了碳同位素判別值(Δ13C)與Ci之間的數(shù)量關(guān)系：

Δ13C=a+(ab-a)(Ci/Ca)

(10)

Δ=(δ13Ca-δ13Cp)/(1+δ13Cp)

(11)

由公式(9～11)可以得到水分利用效率計算公式：

(12)

WUE是全球生態(tài)學(xué)的研究熱點之一，影響WUE的生物因子有A、gm、比葉面積(SLA)、葉片氮含量等。葉片胞間CO2濃度變化導(dǎo)致了碳同位素分餾的差異，而胞間CO2濃度受光合作用的羧化能力和蒸騰作用的葉片gm共同影響。對比gm和A與WUE的關(guān)系，Easlon等[43]發(fā)現(xiàn)gm更能反映WUE的變化規(guī)律。水是制約植物生長發(fā)育重要的環(huán)境因子之一，缺水或多水都會嚴(yán)重限制植物生產(chǎn)力，植物葉片和種子Δ13C值通常隨水的可用性降低而降低，其值與輕度干旱水平呈正相關(guān)，與谷物產(chǎn)量成負(fù)相關(guān)[44]，提高WUE能增加農(nóng)作物產(chǎn)量，因此在干旱季節(jié)要對農(nóng)作物合理灌溉。隨著同位素技術(shù)的不斷創(chuàng)新，激光光譜同位素分析儀因其原位、實時、高效和高時間分辨率[45]等，被用來測定葉片、韌皮部等組織中短期內(nèi)的同位素組成[46]。Alonsocantabrana等[47]利用調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)耦合氣體交換法測量A和葉片δ13C，定量分析同時具有C3和C4途徑的植物碳來源，使溯源分析更加簡單、準(zhǔn)確。

2.2.2樹木年輪

受季節(jié)影響，樹木內(nèi)形成了色澤、質(zhì)地不同的環(huán)紋，即年輪。部分樹種的樹輪由早材和晚材組成，其形成過程與環(huán)境條件密切相關(guān)。早材管胞直徑與上一年的冬季降水有關(guān)，生長后期的管胞直徑受當(dāng)年春季中期降水的影響，而晚材管胞直徑則與當(dāng)年秋季中期降水有關(guān)，表明早材可能是使用上季同化的碳形成，而晚材主要依賴于其形成前幾個月積累的碳[48]，這為研究樹木在不同物候階段的碳儲存策略提供了條件[49]。樹木壽命較長，樹輪能提供樹木全生命周期內(nèi)多種環(huán)境氣候信息，早晚材中δ13C差異可以用來解釋植物生理特定生物化學(xué)過程的變化。歐洲云杉(picea abies)樹輪早晚材δ13C結(jié)果顯示，早材δ13C與生化分餾(如淀粉形成)關(guān)系密切，晚材δ13C主要受氣候條件影響[50]。樹輪碳同位素變化具有季節(jié)性，在生長季初期時δ13C值增加，早材中δ13C值相對穩(wěn)定，最大值一般出現(xiàn)在萌芽后的光合階段，隨后開始下降，最小值出現(xiàn)在每年年輪的晚材中，δ13C值季節(jié)變幅高達4‰以上，而相鄰年輪的δ13C值相差不到0.3‰，主要是纖維素合成過程中糖代謝的季節(jié)性變化造成[51]。樹木在不同時期使用的碳來源可能不同，年輪穩(wěn)定碳同位素差異揭示巖生櫟在生長早期(1780—1825年)多使用上一年形成的碳，生長后期(1960—1994年)這種現(xiàn)象不明顯，可能是生長后期大氣CO2濃度升高和氣溫上升，巖生櫟光合利用效率增加，使當(dāng)年同化的碳能夠滿足生長需要[52]。

通過樹木年輪中δ13C值可獲得內(nèi)在水分利用效率(intrinsic water use efficiency, iWUE)，iWUE與樹木生長關(guān)系密切，CO2濃度升高使iWUE增加[53]，但iWUE的升高并未使樹木生長增加[54]。相反，在一些干旱地區(qū)，盡管iWUE增加了，但生長出現(xiàn)明顯下降[55]。除了環(huán)境條件外，樹木的生長狀況也會對年輪中的iWUE產(chǎn)生影響，在一些退化的林分中，歐洲赤松[56]、小葉楊[57]等退化樹木中的iWUE比未退化的要高，而銀杉[56]、匈牙利橡樹[58]則相反。目前，盡管樹木年輪穩(wěn)定同位素研究有了較大進展，但對同位素信號的非氣候因子的干擾、不同樹種間同位素差異、光合產(chǎn)物在極端脅迫和休眠條件下的儲存及重新利用等對樹木年輪穩(wěn)定同位素影響的研究仍需加強。

2.2.3植物群落水平

植物群落指植物個體通過互惠、競爭等相互作用形成的生活在一定區(qū)域內(nèi)的植物群體，是適應(yīng)其共同生存環(huán)境的結(jié)果[59]，其分布與自然地理環(huán)境條件有密切關(guān)系。群落生態(tài)是植物群落研究的重點之一，涉及物質(zhì)循環(huán)和能量流動，以及群落對其生存環(huán)境條件的適應(yīng)。同一群落內(nèi)的不同植物葉片的δ13C值差異顯著，總體表現(xiàn)為常綠喬木>落葉喬木=常綠和落葉灌木=常綠草本>落葉草本=苔蘚[60]。在熱帶干旱森林，植物必須忍受幾個月的干旱，陸生多汁和附生植物的δ13C約為-14‰，表明通過景天科酸代謝途徑(CAM)進行光合作用，其他樹木則為C3植物，δ13C在-26‰～-29‰之間，陸地多肉植物和附生植物更節(jié)省水資源，以適應(yīng)季節(jié)性干旱而幸存[61]。同為梭梭群落，生活在荒漠土上梭梭同化枝的δ13C值明顯高于棕鈣土、風(fēng)沙土和石質(zhì)土，生活在盆地中梭梭同化枝的δ13C值明顯低于平原、山區(qū)和丘陵地區(qū)，表明環(huán)境對植物的δ13C值有明顯影響。為了適應(yīng)干旱的荒漠環(huán)境，新疆荒漠地區(qū)的梭梭主要伴生種為刺白刺和紅沙時，梭梭δ13C值最高，WUE也較高，主要伴生種為沙棗和假木賊時，梭梭的δ13C值最低，WUE也降低[62]，這可能是水分來源不同導(dǎo)致植物水分利用效率存在差異。在中國亞熱帶地區(qū)混交的石櫟表現(xiàn)出比單作石櫟更高的碳同化率，顯示出同一生境中形成穩(wěn)定群落的不同植物之間存在互補性，增加物種多樣性能夠減輕水競爭引起的生理壓力[63]。

沿著海拔梯度分布著多種類型的植物群落，一般認(rèn)為隨海拔升高，葉片δ13C值會升高，高山櫟、苔草、高羊茅組成的群落中，單獨或組合在一起的植物葉片δ13C不隨海拔高度增加而增加，試驗結(jié)果并未支持葉片δ13C隨海拔升高的主流假設(shè)，但是δ13C值隨海拔高度呈現(xiàn)出變化區(qū)間變小的趨勢[64]。在中國天目山保護區(qū)，維管和非維管植物葉片δ13C值范圍為-34.4～-26.6‰，平均為-29.8‰，但維管植物與苔蘚葉片δ13C無顯著差異，總體上樹木的δ13C值明顯高于草本植物，葉片δ13C的高度趨勢是溫度、氣壓和土壤含水量之間相互作用的結(jié)果[65]。在高山植物群中，盡管宏觀環(huán)境條件(水分，土壤，海拔)相似，但是穩(wěn)定碳同位素信號變化覆蓋了C3植物已知的區(qū)間，δ13C中的高程信號不明顯。因此，在較窄的海拔范圍內(nèi)，δ13C高度趨勢很難用于混合種群中的物種區(qū)分[66]。

2.2.4區(qū)域分布水平

在干旱和半干旱地區(qū)，環(huán)境因子的差異對植物分布的影響非常重要[67]，特別是降水和溫度的急劇變化。在中國北方，從東到西環(huán)境因子的不同造成植物葉片δ13C差異顯著，葉片δ13C隨經(jīng)度的變化沒有明顯規(guī)律性，但隨緯度增加，δ13C顯著升高，這為探索當(dāng)?shù)刂参锓植伎臻g格局和驅(qū)動因素提供了理想條件。在中國不同區(qū)域分布水平上，C3植物葉片的δ13C變化范圍為-33.50‰～-22.00‰，均值為(-27.10±1.70)‰。在喬木、灌木和草本3種不同的生活型間，葉片δ13C的差異達到極顯著水平，其中以草本的δ13C最高，喬木最低[68]。溫帶草原植被區(qū)域、溫帶荒漠植被區(qū)域、甘南高原和山地植被區(qū)域的植物樣品(草本、灌木、半灌木、喬木)δ13C空間分布存在明顯差別，不同的區(qū)域碳庫具有不同的穩(wěn)定碳同位素比率，且具有一定的時空變化特征[69]，植物δ13C在較大地理范圍的差異，為追蹤物質(zhì)流動和來源提供了量化可能。在中國北方，三種錦雞兒屬葉片δ13C隨年平均降雨量、相對濕度的增加而顯著下降，隨海拔高度和年平均溫度的增加而增加，由于葉片δ13C和水分利用效率的差異，3種錦雞兒屬植物對未來氣候變化的反應(yīng)可能不同，有助于了解其不同氣候區(qū)的地理分布特征對植物的生理影響[70]。在同一區(qū)域，隨年均溫度和年均降雨量降低，葉片δ13C值顯著升高，年均降雨量與δ13C間的這種極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與WUE和降水量間的關(guān)系相一致[71]。

在亞熱帶和溫帶分界線以南，水熱條件可以滿足植物正常生理活動的需要，環(huán)境條件的相對變化對植物生理活性和葉片穩(wěn)定碳同位素分餾的影響不大。在北方，極端的環(huán)境條件(如干旱和低溫等)加劇了對植物生長和生理指標(biāo)的影響[72]，造成了不同環(huán)境梯度下葉片穩(wěn)定碳同位素分餾的差異。Buchmann等[73]提出了生態(tài)系統(tǒng)判別(E-cosystem discrimination, Δe)的概念，Δe是整個生態(tài)系統(tǒng)中葉片特征在時間和空間上的整合，且受到凋落物和降解過程的影響，北方森林生態(tài)系統(tǒng)Δe的變化范圍是15.9‰～19.3‰，溫帶森林Δe變化范圍較寬，為16.1‰～20.3‰，相比之下，熱帶雨林Δe變化范圍較窄為19.5‰～21.1‰[74]，葉片水平δ13C判別轉(zhuǎn)化到生態(tài)系統(tǒng)Δe水平上，表明在植物區(qū)域分布水平研究中碳同位素有潛在應(yīng)用價值。

2.3 氣候變化研究

植物對氣候變化響應(yīng)和適應(yīng)是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的前沿和熱點之一。植物會對干旱、高溫和CO2升高等環(huán)境條件變化做出響應(yīng)，在形態(tài)和生理方面出現(xiàn)變化，高度、直徑和生物量等形態(tài)指標(biāo)容易測定，但長期生理生態(tài)響應(yīng)難以量化。穩(wěn)定碳同位素在植物體內(nèi)分餾過程較為單一，與環(huán)境因子存在關(guān)聯(lián)，根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，能夠獲得植物對氣候變化的生理生態(tài)響應(yīng)信息[75]，亦可以利用穩(wěn)定同位素對過去氣候、環(huán)境和生態(tài)過程追溯研究和重建。

近年來，極端干旱事件頻發(fā)，干旱強度、持續(xù)時間增加，長期干旱增加了森林退化和死亡的風(fēng)險，Timofeeva等[76]分析蘇格蘭松(pinus sylvestris L.)的徑向生長和樹輪中δ13C，發(fā)現(xiàn)樹木在死亡前的幾十年生長已經(jīng)有所降低，δ13C值表征的WUE升高，生長衰退樹木采取更加保守的用水策略。氣候變暖增加了地中海缺水森林的干旱脆弱性，樹種分布區(qū)域變化與早期的季節(jié)性干旱影響有關(guān)，伊比利亞東部沿海的5種松林Δ13C中反映出水分損失逐漸加強與氣孔控制有關(guān)，變暖引起的干旱脅迫使得松樹向更高海拔高度遷移[77]。袁亞鵬等[78]對黑河下游額濟納旗的胡楊(populus euphratica)研究發(fā)現(xiàn)，胡楊成熟林長期適應(yīng)不同程度水分脅迫，δ13C值有明顯偏正趨勢，通過提高水分利用效率來適應(yīng)干旱脅迫。

降水能夠緩解干旱的程度，半干旱地區(qū)的降雨頻率是影響森林生存的關(guān)鍵因素之一，其影響程度取決于極端氣候天氣的發(fā)生頻率，而主要降雨事件比例的增加可能在一定程度上平衡樹木總增長率的下降[79]。在樹木生長的初期，降水和空氣濕度對年輪的生長有很大的影響，除3月平均最低氣溫和11、12月平均氣溫對年輪δ13C有一定影響外，溫度對樹輪生長的影響均小于降水和相對濕度。歐洲山毛櫸(fagus sylvatica L.)年輪纖維素中的δ13C與環(huán)境因子關(guān)系顯示，每年5～7月的降雨量對δ13C影響最大，其影響程度在干旱地區(qū)比在濕潤地區(qū)表現(xiàn)得更為明顯[80]。溫度對植物的生長影響非常重要，夏季最高溫度(Tmax)是碳同位素組成的主要驅(qū)動因素之一，其次是夏季降水[81]。不同物種對溫度的依賴性不同，東北大興安嶺北部多年凍土區(qū)的樟子松(pinus silvestris var. mongolica)對前一年12月至當(dāng)年2月份溫度的依賴性最強，而興安落葉松(larix gmelinii)則對當(dāng)年3月份溫度的依賴性最強[82]。

自工業(yè)革命時代以來，化石燃料的燃燒導(dǎo)致大氣CO2濃度從280 μmol·mol-1增加到400 μmol·mol-1[71]，陸地生態(tài)系統(tǒng)對大氣CO2濃度升高響應(yīng)的研究也越來越受到重視。Rezaie等[83]對4種山毛櫸樹輪中碳同位素測定，發(fā)現(xiàn)iWUE和CO2濃度增加之間正相關(guān)，CO2增加是iWUE增加的主要驅(qū)動因素，樹木生長增加對CO2施肥效應(yīng)(CO2fertilization)做出了積極響應(yīng)。但也有研究認(rèn)為，盡管大氣CO2濃度升高可能帶來補償效應(yīng)，但加拿大北方森林生長并未沒有出現(xiàn)增加的趨勢[84]。國際樹木年輪數(shù)據(jù)庫(ITRDB)樹木徑向生長全球記錄統(tǒng)計顯示，全球僅有20%地點的樹木增長趨勢不能歸因于氣候原因、氮沉積、海拔或緯度，可能與CO2施肥效應(yīng)有關(guān)，但大部分干旱、半干旱地區(qū)的樹木并不存在這種對生長的促進作用[85]。

樹輪穩(wěn)定碳同位素比值是研究古氣候、古環(huán)境和全球變化生態(tài)學(xué)研究中的重要指標(biāo)之一[86]。根據(jù)樹輪δ13C與氣候變化之間的關(guān)系，可以重建該地區(qū)的過去氣候資料[87]，通過北京市密云山區(qū)油松樹輪δ13C，重建了1947—2014年密云山區(qū)氣候資料，發(fā)現(xiàn)油松樹輪δ13C對7月份氣溫和夏季降水量響應(yīng)極為顯著，1947—2014年密云山區(qū)氣候變化呈現(xiàn)波動性變暖變干趨勢[88]。張瑞波等[89]發(fā)現(xiàn)落葉松樹樹輪序列δ13C與阿勒泰地區(qū)夏季氣溫關(guān)系密切，結(jié)合氣象資料重建了阿勒泰地區(qū)過去160年夏季氣溫變化，重建的溫度序列能較好地代表包括北疆、中亞部分地區(qū)和俄羅斯南部大范圍的夏季溫度變化。Voelker等[90]使用平均年齡為1 232歲紅杉重建過去1 100年的氣候，證實加利福尼亞州北部沿海地區(qū)沒有經(jīng)歷大尺度干旱，中世紀(jì)(公元900—1300年)和現(xiàn)代時期(1876年至今)氣候異常的頻率更高。植物光合作用碳固定對大氣CO2濃度變化敏感，通過測量含有大氣CO2的冰芯與植物或動物化石的δ13C，發(fā)現(xiàn)植物δ13C受氣孔對環(huán)境條件影響，大氣δ13C對植物氣孔影響很大[91]。除了重建氣候外，利用樹輪δ13C還重建了Palmer干旱嚴(yán)重程度指數(shù)[92]、厄爾尼諾-南方濤動的關(guān)系[93]和古云層變化[94]等。

2.4 同位素模型應(yīng)用研究

作為天然標(biāo)記物，穩(wěn)定同位素可以量化多種來源對混合物的貢獻，這種量化方法越來越多地用于生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和地球化學(xué)研究中。在定量區(qū)分過程中，科學(xué)家提出了多種混合模型估算方法，較為常用的有線性混合模型、濃度加權(quán)線性模型、歐氏距離法和基于貝葉斯統(tǒng)計方法的混合模型等[95]。線性回歸方法已有近50年，是來自Keeling或Miller-Tans痕量氣體同位素特征的最小偏差估計，在物理學(xué)、地理學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面被高度應(yīng)用[96]。Wehr等[97]使用Monte Carlo方法精確量化了多種條件下最常見最小二乘回歸(OLS)、幾何平均回歸(GMR)和正交距離回歸(ODR)等線性回歸方法，認(rèn)為3種回歸方程都是線性回歸方法的特殊情況，線性回歸方法適用范圍較窄，無法對多個來源的混合物進行定量區(qū)分。接著，Phillips等[98]開發(fā)了濃度加權(quán)線性混合模型，可以擴展到n個元素和n+1個來源，濃度加權(quán)線性混合模型能夠校正食物濃度差異的影響。為了能夠估算多種來源的食物比例范圍，彌補線性混合模型估算來源較少的缺陷，IsoSource軟件使用多次迭代來估計配方中食物來源的范圍，與線性模型得到的絕對比例數(shù)值相比，IsoSource能給出比值分布范圍，結(jié)果更科學(xué)合理。

目前，貝葉斯混合模型是用來確定混合物組成比例的常用模型之一，Moore和Semmens通過收集來自多個來源的所有可能同位素特征值，使用貝葉斯算法來計算混合物中各種來源，開發(fā)了MixSIR或SIAR軟件，綜合多種信息因素計算混合比[99]。通過測試常用的3種模型的預(yù)測能力，發(fā)現(xiàn)貝葉斯方法校準(zhǔn)參數(shù)，考慮了gi和13Δ中的光呼吸分餾，綜合模型比簡單模型能更好的描述晝夜之間的13Δ較大差異[100]，而簡單線性模型和貝葉斯混合模型對比評估中，認(rèn)為簡單線性模型方法中只使用一種同位素會導(dǎo)致較大的誤差，而基于貝葉斯方法同時使用兩種同位素則可修正誤差估計值，比簡單線性模型方法更準(zhǔn)確[101]?？傊€性混合模型簡單直觀，易于計算，但在普適性和精度方面仍然不足，貝葉斯同位素混合模型使用了多種同位素以及參數(shù)設(shè)定，提高了模型估計的準(zhǔn)確性。

在生物圈模型中，陸面模型(ISOLSM)[102]、簡單生物圈模型(SiB)[103]、全球動態(tài)植被模型(LPJ)[104]、陸面過程和交換模型(LPX-Bern)[105]和陸面過程模型(CLM)[106]均含有碳同位素模擬模塊，通過使用ISOLSM模型和Metolius Ameri Flux站點測量的葉片δ13C數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)了氣孔傳導(dǎo)方程的斜率，模擬結(jié)果表明氣孔導(dǎo)度對葉片δ13C具有調(diào)控作用[107]。RacZka[108]利用Niwot Ridge Ameri Flux站點光合和δ13C數(shù)據(jù)驗證CLM4.5模型，發(fā)現(xiàn)該模型能準(zhǔn)確模擬葉片和枝條組織的δ13C，但低估了土壤碳的δ13C，由于使用有潛在缺陷的氮限制方法，模型會高估氣孔導(dǎo)度。Keller等[109]使用全球樹輪δ13C數(shù)據(jù)集分別評估了CLM4.5和LPX-Bern模擬的光合產(chǎn)物δ13C和WUE變化，發(fā)現(xiàn)LPX-Bern模擬效果較好，CLM4.5模擬的WUE顯著高于實測值，原因在于CLM4.5使用了默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置，而默認(rèn)參數(shù)與模型-數(shù)據(jù)失配以及氮限制方案缺陷等導(dǎo)致模擬結(jié)果與實測值差異較大。隨著氣候變化，預(yù)計在21世紀(jì)干旱頻率、持續(xù)時間和嚴(yán)重程度將不斷增加，穩(wěn)定碳同位素模型的完善對水分脅迫響應(yīng)的精確模擬對于預(yù)測未來的碳動態(tài)至關(guān)重要。

3 問題及展望

隨著碳同位素技術(shù)的完善和研究的不斷深入，其在生態(tài)學(xué)中的研究和應(yīng)用已由原來葉片和單株水平提高到種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)乃至全球水平。但研究過程中有一些問題亟待解決：1) 環(huán)境因子和基因型(如干旱脅迫和有效輻射)之間的交互作用對Δ13C的影響并不是已有研究的那么小，還需進一步研究其作用機理；2) 多數(shù)關(guān)于水分利用效率的研究主要集中在葉片和單一控制因素上，而植物水分生理生態(tài)反應(yīng)受多種因素影響，因素之間的相互作用不可忽視；3) 同位素分餾效應(yīng)非常復(fù)雜，在溯源或定量區(qū)分研究應(yīng)用中，需要引入更多的同位素，積極尋求多種同位素的聯(lián)用，同時建立和完善相應(yīng)的源分析模型，以提高源分析的準(zhǔn)確性；4) 無論線性模型還是貝葉斯模型，同位素值相近的不同來源組分區(qū)分依然是難題。因此，穩(wěn)定同位素方法仍需要進一步改進，需要與其他先進的技術(shù)方法(例如激光技術(shù)、渦度相關(guān)、高光譜以及熱成像技術(shù))進行相互印證。

盡管穩(wěn)定碳同位素的研究還存在一些問題，導(dǎo)致結(jié)果具有不確定性，但該技術(shù)在揭示植物對環(huán)境脅迫的響應(yīng)、鑒定植物光合途徑、篩選高WUE、高產(chǎn)和抗逆性品種等方面仍然發(fā)揮了重要作用，顯示出巨大的應(yīng)用潛力。多種分析儀器的改進和在線觀測技術(shù)的成熟，使同位素測試成本逐步降低；多技術(shù)融合和多同位素指標(biāo)聯(lián)合分析，使同位素溯源和定量區(qū)分來源研究的準(zhǔn)確性提高；添加外源同位素示蹤劑，追蹤植物生理生態(tài)過程或食物鏈的長度，使其過程更加透明；理論模型與研究方法的創(chuàng)新和完善，使穩(wěn)定同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景越來越廣闊。