碳同位素技術(shù)在陸地土壤碳循環(huán)中的應(yīng)用

年世宇 陳孝楊 王校剛

摘要 碳同位素技術(shù)，著重論述了陸生系統(tǒng)中碳循環(huán)過(guò)程的13C、14C測(cè)定的基本原理及相關(guān)方法。聚焦同位素法在土壤有機(jī)碳、作物光合碳、土壤呼吸等方面的研究進(jìn)展及應(yīng)用實(shí)例，在此基礎(chǔ)上，提出了全球碳循環(huán)研究的未來(lái)重點(diǎn)：全球背景下光合碳的循環(huán)特征;土壤有機(jī)碳的來(lái)源、分布和周轉(zhuǎn);土壤呼吸的區(qū)分及環(huán)境響應(yīng)問(wèn)題;大氣二氧化碳增多背景下，土壤碳轉(zhuǎn)化與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系;13C-PLFA技術(shù)的交叉取食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

關(guān)鍵詞 碳同位素;土壤有機(jī)碳;土壤碳循環(huán)

中圖分類(lèi)號(hào) S154 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）05-0009-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.003

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract Based on the technology of carbon isotope， the basic principle and related methods of 13C and 14C determination of carbon cycle in terrestrial system were discussed emphatically. The research progress and application examples of focused isotope method in soil organic carbon， crop photosynthetic carbon and soil respiration， etc. Based on this， the future key points of global carbon cycle research were proposed： the cyclic characteristics of photosynthetic carbon in the global background; source， distribution and turnover of soil organic carbon; soil respiration differentiation and environmental response; the relationship between soil carbon transformation and soil microbial community structure in the context of increased atmospheric carbon dioxide;crossfeeding risk assessment of 13CPLFA technology.

Key words Carbon isotope;Soil organic carbon;Soil carbon cycle

人類(lèi)生存離不開(kāi)能源的使用，從鉆木取火到燃燒化石燃料，無(wú)一例外地會(huì)使得大氣中以二氧化碳為首的溫室氣體的濃度增加及全球變暖的加劇，隨之而來(lái)的全球環(huán)境問(wèn)題中最重要、最緊迫的問(wèn)題之一便是如何科學(xué)地緩解溫室效應(yīng)。作為生態(tài)系統(tǒng)中重要的生命元素，碳對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響最為直接。在全球碳循環(huán)中，土壤有機(jī)碳庫(kù)一直是陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)中最重要的組成部分。同時(shí)陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)處于全球碳循環(huán)的中心位置，一直影響著全球碳循環(huán)[1]。全球表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1 550 Pg，占總碳儲(chǔ)量的62%左右。同時(shí)大氣碳庫(kù)占總碳儲(chǔ)量的1/4 ～ 1/3，陸地植被碳庫(kù)約為總碳儲(chǔ)量的1/5[1]。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在增加1%時(shí)，大氣中的二氧化碳濃度會(huì)相應(yīng)地減少7×10-6 Pg[2]。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳轉(zhuǎn)化及平衡由各種碳過(guò)程決定，影響最強(qiáng)烈的是光合作用和呼吸作用。呼吸作用囊括土壤呼吸和地表植被呼吸[3]。陸地表層植被與土壤通過(guò)碳過(guò)程進(jìn)行吸收與釋放CO2，進(jìn)而影響著全球碳循環(huán)過(guò)程?；诖耍谌蜃兓芯恐?，研究土壤碳循環(huán)中土壤有機(jī)碳的關(guān)鍵過(guò)程和控制機(jī)制變得尤為關(guān)鍵[4]。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，穩(wěn)定碳同位素技術(shù)經(jīng)歷了理論研究（如同位素分餾機(jī)理原理），開(kāi)始面向具體的生態(tài)問(wèn)題[5]。作為研究土壤碳循環(huán)科學(xué)有效的方法，穩(wěn)定碳同位素技術(shù)已然在國(guó)內(nèi)生態(tài)研究中迅速發(fā)展及應(yīng)用[6]。劉微等[7]重點(diǎn)進(jìn)行土壤-植物系統(tǒng)中碳同位素技術(shù)在碳循環(huán)方面的應(yīng)用總結(jié)。袁紅朝等[8]綜述了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中穩(wěn)定碳同位素技術(shù)的應(yīng)用。筆者主要論述了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)多個(gè)過(guò)程中碳同位素測(cè)定的基本原理和方法，聚焦同位素法在土壤有機(jī)碳、作物光合碳、土壤呼吸等方面的研究進(jìn)展及應(yīng)用實(shí)例，并展望了該方法在國(guó)內(nèi)碳循環(huán)研究中的應(yīng)用前景。

1 碳同位素的基本認(rèn)識(shí)

同位素是質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的元素，在元素研究中可分為穩(wěn)定性同位素和放射性同位素。穩(wěn)定同位素?zé)o放射性，可直接在自然狀態(tài)下進(jìn)行研究，克服放射性同位素的不足[9]。

在自然界的元素循環(huán)中，同位素在質(zhì)量差異影響下，經(jīng)歷熱力學(xué)（或動(dòng)力學(xué)）分餾。不同來(lái)源樣品的同位素的豐度在環(huán)境影響下會(huì)有所差異。該突變攜帶有關(guān)環(huán)境的信息，并使用它來(lái)執(zhí)行相關(guān)環(huán)境因素的時(shí)空反演。同位素可以被原位標(biāo)記，常用來(lái)研究生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)及周轉(zhuǎn)等[10]。

碳有15種同位素（8C、9C、10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C、 17C、18C、19C、20C、21C、22C），其中，穩(wěn)定的同位素是12C、13C，二者分別占據(jù)碳素量的98.89%和1.11%。上述同位素中，僅12C、13C和14C三者為長(zhǎng)期存在的同位素，且14C為放射性同位素[11]。

穩(wěn)定碳同位素比δ13C通常表示為樣品的同位素比與標(biāo)準(zhǔn)同位素比之間的差異：δ13C=[（Rsample/Rstandard）-1]×1 000‰，其中R=13C/12C，Rstandard是PDB（peedee belemnite）標(biāo)準(zhǔn)，Rstandard=RPDB=0.011 237 2[12]。

在土壤碳動(dòng)態(tài)研究中，同位素技術(shù)一直是示蹤碳氮循環(huán)的有力工具[13]。土壤碳循環(huán)存在著新老碳的轉(zhuǎn)化等動(dòng)態(tài)過(guò)程，利用同位素技術(shù)可揭示土壤-微生物系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程，如進(jìn)行新碳過(guò)程的示蹤研究等。

在揭示土壤碳循環(huán)干擾過(guò)程中，同位素技術(shù)更有效。穩(wěn)定碳同位素技術(shù)由于具有安全易控?zé)o污染的優(yōu)勢(shì)，可用來(lái)研究1～100年的碳循環(huán)過(guò)程，有效闡明土壤碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化及相關(guān)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。同時(shí)在土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存中，定量評(píng)估新老碳的相對(duì)貢獻(xiàn)[14]。

2 土壤有機(jī)碳分布

2.1 表土植被的δ13C值

植物根據(jù)其光合作用的途徑不同，分為3類(lèi)：C3植物、C4植物和景天酸代謝（crassulacean acid metabolism，CAM）植物。植物的13C水平受同位素分餾影響，使得植物δ13C值存在差異。C3植物δ13C值為-20‰～ -35‰，C4植物δ13C值為-9‰ ～ -17‰[15]，CAM植物δ13C值為-10‰ ～ -22‰[8]。

光合途徑影響著植被的光合作用（高CO2濃度條件）。大多數(shù)關(guān)于C3和C4植物的研究表明，高濃度的CO2可使C3植物的凈光合速率提高10%。然而，C4植物的光合作用沒(méi)有顯著促進(jìn)[16]，促進(jìn)效果小于10%，甚至檢測(cè)不到。這是由于C4植物的光合作用機(jī)制（葉片構(gòu)造、光合酶系統(tǒng)等）不同于C3植物。光合作用機(jī)制使得C4植物的光合作用在正常CO2濃度下達(dá)到閾值水平。二氧化碳濃度持續(xù)上升時(shí)，C4植物光合作用增幅變緩[17]。

光合作用時(shí)期內(nèi)，植被存在13C分餾，不同類(lèi)型的光合途徑產(chǎn)生植被不同的分餾程度。土壤有機(jī)碳的δ13C值與作為有機(jī)碳源的植被中的δ13C值基本保持一致，因?yàn)樵谔挤纸膺^(guò)程中，植物光合分餾效果遠(yuǎn)大于土壤有機(jī)碳分解分餾效果，它可以反映當(dāng)?shù)刂脖惶脊檀娴耐凰亟M成[6，18-20]。

植物中13CO2分餾也受植物類(lèi)型的影響。為了確定溫?zé)釒ч熑~林中主要樹(shù)種的同位素組成情況，嚴(yán)昌榮等[21]通過(guò)13C自然豐度法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，所選擇的6株植物的δ13C值存在顯著差異，δ13C值最大的為山杏（-24.75‰±0.85‰），最小的為胡桃楸（-28.11‰±1.52‰），該差異現(xiàn)象主要因?yàn)椴煌?lèi)型的樹(shù)種具備不同的生理生化特性。在植被-土壤系統(tǒng)中，An等[22]采用13C同位素技術(shù)研究了光合碳的分配與動(dòng)態(tài)響應(yīng);Pei等[23]研究表明光合碳在地下部分配受作物生育時(shí)期、耕作管理方式、土壤自身養(yǎng)分狀況及肥力水平等因素的共同制約。

2.2 土地利用變化的土壤有機(jī)碳δ13C值

隨著同位素技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定碳同位素技術(shù)更多地運(yùn)用在生態(tài)系統(tǒng)更替中土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化研究。

在我國(guó)西部地區(qū)，過(guò)去為了實(shí)際地解決糧食耕作等問(wèn)題，常采用砍伐森林（草）的做法，但相關(guān)的科學(xué)研究成果甚少。在貴州茂蘭喀斯特原始森林保護(hù)區(qū)的農(nóng)林更替區(qū)，劉啟明等[24]運(yùn)用同位素技術(shù)研究生態(tài)系統(tǒng)更替下土壤有機(jī)質(zhì)的影響，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳含量農(nóng)田在0.43%～2.22%，森林則在1.81%～16.00%，說(shuō)明森林砍伐促進(jìn)降解土壤有機(jī)質(zhì);利用C3、C4植物的δ13C值差異，比較森林點(diǎn)和農(nóng)田點(diǎn)的δ13C值（森林-23.86‰～-27.12‰，農(nóng)田-19.66‰～-23.26‰），計(jì)算表明，砍伐森林降低了土壤有機(jī)質(zhì)中有效成分的比例，降低了土壤肥力。

林轉(zhuǎn)農(nóng)變化條件下，土壤有機(jī)碳含量的變化可能是由以下原因引起的：①無(wú)機(jī)肥（Ca、N、P等）通常用于農(nóng)田，從而加速土壤有機(jī)質(zhì)的降解;②森林土壤中存在大量環(huán)節(jié)動(dòng)物（如蚯蚓），可以保護(hù)土壤有機(jī)質(zhì);③農(nóng)田由于人工耕種，造成其土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)受到較為嚴(yán)重的破壞，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)對(duì)土壤的物理保護(hù)作用也隨之減弱[25]。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤類(lèi)型和肥力水平一直影響著土壤有機(jī)碳。同時(shí)，作物殘余碳的輸入對(duì)土壤源性有機(jī)碳的分解和積累產(chǎn)生影響。Pei等[23]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的添加在前2個(gè)月對(duì)土壤源性有機(jī)碳存在正向啟動(dòng)效應(yīng)，之后的2～6個(gè)月啟動(dòng)效應(yīng)相對(duì)減弱;C/N比較低時(shí)，碳限制了微生物消耗玉米或玉米-土壤系統(tǒng)中的原生土壤碳，這導(dǎo)致玉米秸稈在不同土壤類(lèi)型和肥力水平下的分解差異;同時(shí)，玉米碳的添加在前期會(huì)顯著降低黑土中殘留的土壤源性有機(jī)碳;2個(gè)月后，有無(wú)玉米秸稈添加的2種土壤中有機(jī)碳差異增加。這表明玉米源生碳包含在土壤源生有機(jī)碳中，這可以抵消土壤源生有機(jī)碳的損失。 黑土和高肥力水平的土壤會(huì)固定更多的玉米碳，更有利于保護(hù)土壤源性有機(jī)碳免受玉米碳分解[23]。

2.3 植被類(lèi)型轉(zhuǎn)化對(duì)有機(jī)碳δ13C值的影響

草地、森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)C3、C4類(lèi)型的轉(zhuǎn)變，持續(xù)影響著土壤有機(jī)碳及土壤呼吸的δ13C值[26]，因此，SOC-δ13C值的動(dòng)態(tài)變化顯示了C3、C4生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的變化歷程。由此，δ13C值可用于定量描述千年等時(shí)間尺度上C3、C4生態(tài)系統(tǒng)的歷史變化過(guò)程，確定土壤有機(jī)碳的來(lái)源，揭示C3、C4植物光合作用對(duì)表土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，探索土地利用-氣候耦聯(lián)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演替的影響，重建生態(tài)系統(tǒng)變化的歷史環(huán)境。

Dignac等[27]通過(guò)C3-C4植物類(lèi)型變遷定點(diǎn)試驗(yàn)，采用氣相色譜（GC）-銅氧化聯(lián)合分析技術(shù)，對(duì)小麥-玉米轉(zhuǎn)化土壤中木質(zhì)素衍生單體同位素組成的變化進(jìn)行了跟蹤，結(jié)果表明，土壤總有機(jī)碳量與生物降解程度未受連續(xù)9年的玉米（C4植物）種植所影響，但玉米的碳同位素組成發(fā)生顯著變化，玉米對(duì)土壤總有機(jī)質(zhì)和木質(zhì)素的貢獻(xiàn)分別為9%和47%，表現(xiàn)出木質(zhì)素的周轉(zhuǎn)速率比總有機(jī)質(zhì)更快，也反映出木質(zhì)素在土壤中的不穩(wěn)定性。

耕作形式變化下土壤有機(jī)碳變化研究是土地利用變化下土地碳循環(huán)變化研究的重要方面，也是全球變化效應(yīng)的重要研究方面。李志鵬等[28]研究表明，經(jīng)過(guò)3年的重新種植，0～20 cm耕作層的總有機(jī)碳（TOC）顯著下降，20 cm以下幾乎沒(méi)有變化。這與Puget等[29]得出的結(jié)論一致，表明0～20 cm深度的表土是稻田土壤有機(jī)碳的富集層。

3 作物光合碳的分配

3.1 光合碳的運(yùn)輸過(guò)程

植物同化碳作為土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，其與土壤質(zhì)量和大氣環(huán)境的變化聯(lián)系緊密。將植物同化碳輸入和轉(zhuǎn)化為土壤碳庫(kù)的生物地球化學(xué)過(guò)程包括[30]：①植物同化碳運(yùn)輸?shù)降叵虏坎⑼ㄟ^(guò)植物韌皮部運(yùn)輸?shù)礁?。在根際周?chē)纬筛练e物（分泌物和脫落物形式）運(yùn)輸碳至根際部。②轉(zhuǎn)化為微生物量碳（土壤微生物作用）或作為土壤碳庫(kù)中的有機(jī)物儲(chǔ)存;③同化在植被體內(nèi)的碳由植被呼吸與根際微生物呼吸運(yùn)回大氣;④部分以植物殘?bào)w形式進(jìn)入土壤，通過(guò)土壤微生物作用轉(zhuǎn)化釋放或成為土壤有機(jī)碳的一部分。

3.2 土壤中光合碳的運(yùn)移規(guī)律

光合碳主要以根沉積物、作物殘?jiān)@2種形式進(jìn)入土壤碳庫(kù)。根際沉積物作為農(nóng)田土壤的主要來(lái)源之一，在農(nóng)田土壤碳循環(huán)中，對(duì)維持碳平衡尤為重要[31]。在光合碳的分配轉(zhuǎn)化研究中，碳同位素技術(shù)是重要手段，主要包括天然豐度法、同位素脈沖標(biāo)記和連續(xù)標(biāo)記技術(shù);天然豐度法利用C3和C4植物之間δ13C值的差異，后兩者利用植物光合作用完成標(biāo)記。標(biāo)記技術(shù)可以量化植物土壤系統(tǒng)中光合碳的分布和固定，從而有效地澄清植物和土壤之間碳的循環(huán)。

研究顯示，植物光合作用下，近一半的光合產(chǎn)物運(yùn)輸至地下部，貢獻(xiàn)給根際呼吸或成為土壤有機(jī)碳的一部分[32-33]。Lu等[34]應(yīng)用13C脈沖標(biāo)記法結(jié)合盆栽試驗(yàn)，對(duì)不同生育期水稻土壤中的微生物量碳（MBC）和溶解有機(jī)碳進(jìn)行了含量測(cè)定，結(jié)果表明，光合碳通過(guò)可溶性根系分泌物形式進(jìn)入土壤，并在水稻最大分蘗期和抽穗期MBC呈先降后升趨勢(shì);同時(shí)13C在MBC的變化顯示其最大值在第3天后大幅降低至第7天，隨后逐漸降低。造成大幅降低現(xiàn)象可能是由于微生物呼吸導(dǎo)致13C的初始損失，隨后的緩慢降低現(xiàn)象則因?yàn)槲⑸锛?xì)胞的結(jié)構(gòu)成分導(dǎo)致了13C的周轉(zhuǎn)。該研究還發(fā)現(xiàn)，谷類(lèi)作物中約有30%的碳作物收縮到地面，一半的碳儲(chǔ)存在根部。譚立敏等[35]研究發(fā)現(xiàn)，植物光合碳對(duì)稻田土壤的碳匯功能具有重要作用。在100 d的培養(yǎng)期內(nèi)，13.5%～20.2%的新碳被礦化分解，僅有2.2%～3.7%的土壤原生有機(jī)碳被分解，光合碳的輸入促進(jìn)稻田土壤碳的積累和固定。

植物類(lèi)型、生長(zhǎng)時(shí)期及周邊環(huán)境因素共同決定著根際碳的地下輸入情況。Swinnen等[36]通過(guò)脈沖標(biāo)記試驗(yàn)對(duì)冬小麥和春大麥光合碳的地下分配進(jìn)行了研究，在分蘗期同化物的總根結(jié)位置中，87%的同化物在冬小麥生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)被微生物吸收，69%的同化物由大麥直接吸收。于鵬等[37]通過(guò)13C脈沖標(biāo)記和穩(wěn)定同位素質(zhì)譜聯(lián)用研究了不同生長(zhǎng)階段對(duì)水稻光合碳分布的影響，結(jié)果表明，返春期、分蘗期和抽穗期的總同化率分別為75.92%～39.53%、70.01%～52.02%、86.38%～69.60%，3個(gè)時(shí)期的總同化率均隨標(biāo)記后時(shí)間推移而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其被同化光合碳的損失率分別為47.93%、25.70%和19.43%，顯示出不同時(shí)期的同化率差異較為顯著;同時(shí)地下部根系所分配到的碳量分別為21.93%～37.91%、10.89%～19.61%、4.68%～8.61%，反映出不同時(shí)期大部分的光合碳在被同化后向地上部運(yùn)轉(zhuǎn)，少量會(huì)運(yùn)移至根部和土壤中，該規(guī)律在水稻生長(zhǎng)的抽穗期使得其根部獲得更多的光合碳，有助于稻穗發(fā)育和籽實(shí)的飽滿。3個(gè)生育期在標(biāo)記后，光合碳在植物-土壤系統(tǒng)中的固定量隨時(shí)間推移而呈減少趨勢(shì)。顯示出在水稻植株的生命周期里，光合碳的遷移與分配是動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

對(duì)于水稻，光合碳、根沉積物等進(jìn)入土壤碳庫(kù)的行為方式，在減少溫室氣體排放維持、土壤碳收支穩(wěn)態(tài)等方面發(fā)揮正向作用[38]。該方面的展望中，加強(qiáng)同化產(chǎn)物向土壤運(yùn)輸-生態(tài)系統(tǒng)碳通量的響應(yīng)研究，及研究有機(jī)物質(zhì)對(duì)外部影響因素的響應(yīng)機(jī)制，如碳氮通量的變化、作物生產(chǎn)力、栽培和施肥方法等。

3.3 土壤光合碳循環(huán)的微生物機(jī)制

光合碳（也稱(chēng)作物同化碳）由地上部向地下部運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)輸?shù)礁禃r(shí)，由活性根系轉(zhuǎn)化為根際沉積物而釋放進(jìn)入土壤中。長(zhǎng)期以來(lái)作為植被-土壤-微生物的連接紐帶，根際沉積物同時(shí)為土壤微生物提供大量能源和碳源。根際沉積物中微生物偏好的組分促進(jìn)了微生物活性，此部分活性與土壤中的碳行為（積累與分解）密切相關(guān)[39]。根際碳被證實(shí)是根際微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物行為的重要影響因素[40]。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，為土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)利用提供動(dòng)力。

在土壤-微生物系統(tǒng)中，光合碳在分布時(shí)受諸多因素影響。通過(guò)在黑麥草的拔節(jié)期進(jìn)行13C脈沖標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)1 d內(nèi)大約10%的光合碳固定在土壤中，且大部分轉(zhuǎn)化為微生物量碳;標(biāo)記后1～8 d，隨著微生物的生長(zhǎng)，根際土壤中13C的比例從90%降至35%，土壤比例從80%下降至30%，表明根際微生物中13C的周轉(zhuǎn)率比土壤快[41]。Pausch等[39]通過(guò)14C脈沖標(biāo)記與優(yōu)化根結(jié)位置算法聯(lián)合的方式，研究了田間根生物量碳，結(jié)果表明，標(biāo)記后16 d內(nèi)根際沉積物存在于土壤有機(jī)碳（SOC）、可溶有機(jī)碳（DOC）和微生物量碳（MBC）的比例分別為31%、0.3%、7%。殺蟲(chóng)劑對(duì)種植Bt轉(zhuǎn)基因玉米的農(nóng)田的土壤微生物生物量有影響[42]?？偠灾?，根際沉積物在土壤-微生物間的分配受到植物生育期、耕作管理方式和土地利用方式等的制約。地膜覆蓋和施肥是旱地產(chǎn)量的主要方法，其在土壤-微生物系統(tǒng)中的光合碳分配機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

土壤微生物多樣性對(duì)光合碳的響應(yīng)機(jī)制逐漸成為土壤科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。在環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物特征方面中，識(shí)別并聯(lián)系微生物功能與來(lái)源一直是關(guān)鍵問(wèn)題。隨著穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)（stable isotope probing，SIP）的發(fā)展，聯(lián)系特定微生物與其功能的問(wèn)題得到了有效的解決，SIP技術(shù)得出的結(jié)果可以提供微生物與代謝功能的直接信息，直接揭示微生物相關(guān)機(jī)制，豐富微生物遺傳多樣性研究領(lǐng)域。SIP技術(shù)原理即用13C標(biāo)記過(guò)的底物培養(yǎng)微生物，13C通過(guò)代謝合成在磷脂脂肪酸和核酸中，利用GC/MS/IRMS等相關(guān)技術(shù)測(cè)定磷脂脂肪酸（PLFA）中13C的相對(duì)豐度，通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)反映13C在微生物的分配情況[43]。SIP同時(shí)可以結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，客觀識(shí)別出土壤中的關(guān)鍵微生物，同時(shí)揭示特定微生物在土壤-植被-微生物系統(tǒng)中的作用機(jī)制。

4 土壤呼吸

土壤呼吸指原始土壤（未受擾動(dòng)）中所有可以產(chǎn)生二氧化碳的代謝過(guò)程，由根呼吸、土壤動(dòng)物和土壤微生物的異養(yǎng)呼吸組成，根呼吸是自養(yǎng)呼吸的一部分[17]。碳同位素技術(shù)具備成熟的試驗(yàn)條件，避免了對(duì)土壤與根系的較大擾動(dòng)。

4.1 土壤呼吸的區(qū)分

土壤作為龐大的碳庫(kù)體，其全球碳循環(huán)會(huì)隨著微小的參數(shù)變化發(fā)生響應(yīng)。對(duì)全球碳循環(huán)而言，準(zhǔn)確區(qū)分土壤呼吸的結(jié)構(gòu)組成尤為重要。土壤呼吸一般由純根呼吸、土壤微生物呼吸和根際微生物呼吸組成[44]，其中，根源呼吸包括純根呼吸和根際微生物呼吸。

4.1.1 根源呼吸與土壤微生物呼吸的區(qū)分。

4.1.1.1 13C自然豐度法。

土壤微生物呼吸中的有機(jī)質(zhì)來(lái)源于土壤中舊的有機(jī)質(zhì)，根源呼吸則來(lái)源于土壤中新種植被體內(nèi)的新有機(jī)質(zhì)，兩者在土壤呼吸中的比例可以從質(zhì)量平衡得出。宋文琛等[45]通過(guò)13C自然豐度法研究發(fā)現(xiàn)，在植物生長(zhǎng)旺盛季（7、8和9月），土壤微生物呼吸和純根呼吸占根源呼吸的比例分別為57%、43%;48%、52%;73%、27%。土壤呼吸中根源呼吸的貢獻(xiàn)率受土壤溫度影響。Rochette等[46]在C3土壤上種植玉米，結(jié)合動(dòng)態(tài)密閉箱法得到在土壤呼吸中根源呼吸的最大貢獻(xiàn)率高達(dá)45%;在多次試驗(yàn)后，表明該方法在實(shí)踐上具有區(qū)分土壤微生物呼吸和根源呼吸的可能性。Robinson等[47]研究百慕大草地表明，根源呼吸在植物全生長(zhǎng)季內(nèi)占土壤呼吸的比例是40%～100%。

13C自然豐度法存在假定條件，即土壤釋放的二氧化碳的δ13C值僅受土壤微生物呼吸與根源呼吸的影響，實(shí)際上該值受到諸多因素影響，如濕度、海拔和施肥等，但這些影響遠(yuǎn)小于C3、C4植被類(lèi)型造成的影響[48]。13C相對(duì)脈沖標(biāo)記法也具有一些有利因素：植物和土壤均已完成自然標(biāo)記;無(wú)放射性安全問(wèn)題;省略標(biāo)記程序，操作更簡(jiǎn)潔。

4.1.1.2 脈沖標(biāo)記法。

脈沖標(biāo)記方法包括單脈沖標(biāo)記、重復(fù)脈沖標(biāo)記和連續(xù)脈沖標(biāo)記。單次脈沖標(biāo)記適用于小型植物（封閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)）對(duì)標(biāo)記二氧化碳的吸收。添加到系統(tǒng)中的標(biāo)記碳可以在實(shí)驗(yàn)箱中計(jì)量出總量[49]。連續(xù)標(biāo)記是在時(shí)間超過(guò)植物生長(zhǎng)期后，在實(shí)驗(yàn)室或田間條件下連續(xù)標(biāo)記植物一段時(shí)間的方法。實(shí)驗(yàn)箱對(duì)于運(yùn)用14C連續(xù)標(biāo)記小型植物已有多次報(bào)道，但在大型植物的應(yīng)用中存在局限。在該領(lǐng)域有2種主要的連續(xù)標(biāo)記方法：①利用核爆炸產(chǎn)生的14C標(biāo)記;②FACE試驗(yàn)，即將植物放置于特定的穩(wěn)定同位素信號(hào)環(huán)境內(nèi)。

4.1.2 根系呼吸與根際微生物呼吸的區(qū)分。

在根源呼吸中，區(qū)分根系呼吸與根際微生物呼吸的主要方法在學(xué)術(shù)界有下列幾種[50]：①將離體根方法與根去除方法相結(jié)合;②將組成綜合方法與根除去法相結(jié)合;③通過(guò)嵌入不同規(guī)格的PVC管分離3種土壤呼吸成分;④碳同位素法。

該研究主要介紹了碳同位素方法，包括14C脈沖標(biāo)記法和13C天然豐度法。14C脈沖標(biāo)記方法通過(guò)研究14C標(biāo)記物作用于植物，形成標(biāo)記來(lái)追蹤14C行為，通過(guò)研究14C在植物-土壤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，區(qū)分根際微生物呼吸和根系呼吸。13C天然豐度法使用不同的13C豐度值（植物根系、土壤和凋落物內(nèi)）來(lái)估算土壤呼吸所有成分的來(lái)源貢獻(xiàn)。 根際土壤碳轉(zhuǎn)移過(guò)程主要是根據(jù)根-微生物-土壤界面13C含量的差異進(jìn)行研究[51]。

在進(jìn)行根際微生物呼吸與根系呼吸對(duì)根源呼吸貢獻(xiàn)率的研究中，研究方法不同所得的比例也有很大差異[52]。其中，根際微生物呼吸貢獻(xiàn)率為17%～77%，純根呼吸為23%～81%[52]。一些學(xué)者分析了前人的結(jié)果，指出實(shí)驗(yàn)室條件下，50%的草本根呼吸是由根源呼吸提供[52]。

目前，同位素標(biāo)記是區(qū)分根際微生物呼吸和根系呼吸效果最好、最準(zhǔn)確的方法。然而，這種方法需要大量人力進(jìn)行同位素手動(dòng)標(biāo)記，這種方法昂貴且研究時(shí)間和空間規(guī)模小。同時(shí)不適合分離森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸組分[53]。根排除法雖然存在根與根際微生物貢獻(xiàn)的不可分離缺點(diǎn)，且由于樣品擾動(dòng)等，CO2排放會(huì)出現(xiàn)初始峰值。然而，它通常用于野外試驗(yàn)中確定根呼吸和根際微生物呼吸在土壤表面碳排放中的總貢獻(xiàn)[54]。為了適應(yīng)不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的研究，應(yīng)該更加注重各種研究方法的綜合應(yīng)用，以探索更準(zhǔn)確合理的土壤呼吸成分分離技術(shù)。

4.2 土壤呼吸對(duì)土壤溫濕度的響應(yīng)

隨著全球變暖，土壤呼吸過(guò)程受到越來(lái)越多的環(huán)境因素的影響，如溫度、土壤溫度、土壤濕度、pH等，也受到植被、土壤動(dòng)物和人為因素的干擾。其中土壤溫濕度是土壤呼吸速率的主要影響因素[50]。

土壤溫度在溫室效應(yīng)下會(huì)升高，進(jìn)而引起土壤呼吸速率增加。土壤異養(yǎng)呼吸對(duì)增溫的響應(yīng)有如下方式：①改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活動(dòng)，直接促進(jìn)土壤異養(yǎng)呼吸速率[55];②通過(guò)改變土壤含水量來(lái)調(diào)整呼吸基質(zhì)的有效性和呼吸基質(zhì)對(duì)微生物的暴露，從而間接影響土壤異養(yǎng)呼吸速率[56];③土壤酶是微生物呼吸的必需物質(zhì)，土壤升溫通常促進(jìn)土壤酶活性。因此，一般情況下的增溫促進(jìn)土壤異養(yǎng)呼吸。

在歐洲不同氣候區(qū)的土壤上，Dalias等[57]開(kāi)展了增溫對(duì)土壤碳礦化速率的影響研究，發(fā)現(xiàn)土壤微生物在早期升溫與晚期增溫的行為有所不同。在高寒生態(tài)系統(tǒng)（高寒森林、北極等）中，土壤異養(yǎng)呼吸顯示出對(duì)升溫的顯著適應(yīng)[58]。這些結(jié)果表明，長(zhǎng)期變暖可能削弱陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球變暖之間的正反饋。變暖環(huán)境中的土壤微生物將改變身體的使用方式，從而影響土壤呼吸，如升溫增加土壤微生物對(duì)土壤穩(wěn)定碳的使用[59]。

在自然生態(tài)系統(tǒng)中，土壤水分和溫度總保持同時(shí)變化特征。孫偉等[60]利用Keeling曲線結(jié)合13C同位素，研究了河岸C4草地生態(tài)系統(tǒng)的夜間碳通量，結(jié)果顯示，生態(tài)系統(tǒng)呼吸的δ13C值與土壤含水量呈正相關(guān)，與空氣飽和差呈負(fù)相關(guān)。然而，在調(diào)節(jié)升溫對(duì)土壤呼吸的影響方面，土壤水分可能存在閾值。

5 總結(jié)與展望

在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中，碳同位素技術(shù)發(fā)揮著重要作用。該方法可以為碳循環(huán)和轉(zhuǎn)化研究提供了科學(xué)可靠基礎(chǔ)。但在土壤碳循環(huán)研究中，13C同位素技術(shù)的應(yīng)用存在許多問(wèn)題和不足：①13C同位素使用成本高;②獲取13C標(biāo)記的有機(jī)物料操作難度不低;③同位素比例質(zhì)譜的檢測(cè)成本高，且價(jià)格昂貴，甚至有時(shí)難以達(dá)到精度要求，一定條件下同位素技術(shù)的推廣應(yīng)用受限。同時(shí)，全球變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球變暖條件下其土壤碳循環(huán)會(huì)發(fā)生響應(yīng)。

在未來(lái)研究中，建議進(jìn)行以下方面的研究：

①研究全球背景下作物光合碳的循環(huán)特征，研究不同自然因素和人為因素對(duì)光合碳循環(huán)的影響。形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，為光合碳循環(huán)的特征提供科學(xué)依據(jù)。

②土壤有機(jī)碳的來(lái)源、分布和周轉(zhuǎn)。應(yīng)用碳同位素技術(shù)來(lái)增強(qiáng)對(duì)不同生態(tài)類(lèi)型、不同植物類(lèi)型和不同利用模式的響應(yīng)的全球碳循環(huán)過(guò)程。

③土壤呼吸的區(qū)分及環(huán)境響應(yīng)問(wèn)題。目前，使用同位素方法區(qū)分木本植物根系呼吸的田間試驗(yàn)很少涉及?；诂F(xiàn)有方法的各種同位素方法的進(jìn)一步改進(jìn)及其與非均勻方法的組合將有助于深入研究該問(wèn)題。同時(shí)，在大氣CO2濃度增加的條件下，進(jìn)行土壤呼吸組分占比對(duì)CO2濃度和土壤溫濕度的響應(yīng)研究，為改進(jìn)全球碳排放理論體系提供了參考。

④土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤碳轉(zhuǎn)化對(duì)大氣CO2的響應(yīng)研究較少。下一步運(yùn)用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)展開(kāi)大氣 CO2濃度升高與肥料施用量的計(jì)量研究，CO2濃度升高與土地管理利用方式等人為因素的影響，從而為提高土壤質(zhì)量提供參考依據(jù)。

⑤13C-PLFA技術(shù)為生物地球化學(xué)過(guò)程提供分析信息，但在操作過(guò)程中極易存在交叉取食問(wèn)題。因此，對(duì)于該技術(shù)的下一步，應(yīng)在不同時(shí)間點(diǎn)分析土壤樣品，比較初級(jí)同化率和次生異樣捕食速率，為交叉取食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供有力依據(jù)。

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