植物菘藍穩(wěn)定碳同位素組成與生態(tài)因子的關(guān)系

閆 峻， 金貴善， 劉漢彬， 劉永剛， 崔建勇， 郭冬發(fā)

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029； 2.北京中醫(yī)藥大學(xué)， 北京 100029)

菘藍(Isatisindigoticafort.)是十字花科草本植物，主要分布于中國的河北、江蘇、安徽、河南、山西、浙江、山東和廣西等地，為工業(yè)上常用有機染料的原料，同時也是臨床常用中藥材，具有清熱解毒、涼血消斑、利咽等功效，主要用于治療發(fā)熱咽痛、瘟疫時毒、痄腮、丹毒等[1-3]。穩(wěn)定碳同位素技術(shù)具有示蹤、整合和指示等多項功能，以及檢測快速、結(jié)果準確等特點，在地球化學(xué)、生態(tài)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用[4]。穩(wěn)定碳同位素是目前研究植物與環(huán)境之間關(guān)系較為有效的方法之一[5]。植物和土壤中的穩(wěn)定碳同位素組成會受到經(jīng)緯度、海拔、溫濕度、降水和日照時間等地理因素和氣象因素的影響[6-7]。因此，對植物中穩(wěn)定碳同位素組成與地理和生態(tài)因子的相關(guān)性研究具有十分重要的意義。

本研究采用氣體同位素質(zhì)譜法對植物菘藍的根和葉以及種植地土壤中穩(wěn)定碳同位素組成進行了測定。在此基礎(chǔ)上，通過相關(guān)回歸分析考察了植物菘藍的根和葉以及種植地土壤中穩(wěn)定同位素與種植地的地理位置因子(經(jīng)度、緯度、海拔)和氣象因子(溫度、大氣壓力、相對濕度、地表溫度、件數(shù)量)的相關(guān)性，為植物中碳同位素分餾作用的研究和穩(wěn)定碳同位素作為植物菘藍產(chǎn)地溯源的指標(biāo)提供了理論依據(jù)。

1 實驗儀器和試劑

1.1 實驗儀器

DeltavPlus型氣體同位素質(zhì)譜儀和Flash 2000元素分析儀，美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品。

1.2 實驗材料、試劑和數(shù)據(jù)

不同來源的植物菘藍的干燥根和葉，產(chǎn)地分別為北京、河北、河南、山西、山東、陜西、江蘇、四川、廣東和吉林等地，由北京中醫(yī)藥大學(xué)提供；GBW 04407、GBW 04408和IAEA-600標(biāo)準物質(zhì)均為國家一級標(biāo)準物質(zhì)或國際標(biāo)準物質(zhì)；不同產(chǎn)地的地理和氣象信息，購自四川智慧云圖環(huán)境科技有限公司。

2 實驗方法

2.1 植物菘藍和種植地土壤樣品的制備

本研究根據(jù)植物菘藍的主產(chǎn)區(qū)信息，分別收集了北京、河北、山西、山東、河南、陜西、江蘇、四川、廣東和吉林等省份共15個產(chǎn)地的中藥材和種植地土壤，在采樣現(xiàn)場抖動下根區(qū)土壤，混勻后取500 g，自然風(fēng)干后過100目篩，備用；菘藍植株樣品干燥后用1%檸檬酸水清洗區(qū)附著的泥土、去離子水多次淋洗根和葉，將根和葉分開，60 ℃烘干，粉碎并過100目篩，備用。將干燥后植物和土壤樣品，用錫杯包裹，通過AS200自動進樣器進入元素分析儀生成CO2。

2.2 儀器條件

元素分析儀的He載氣流量為100 mL·min-1，氧氣流量為150 mL·min-1，通氧時間3 s，反應(yīng)爐溫度為960 ℃，色譜柱溫度為45 ℃。CO2參考氣離子流強度(質(zhì)量數(shù)為44)約為2.0 V，Conflo IV中的He載氣壓力為1.01×105Pa。

2.3 標(biāo)準物質(zhì)和數(shù)據(jù)計算

標(biāo)準物質(zhì)選用中國國家標(biāo)準物質(zhì)GBW 04407和GBW 04408以及國際原子能機構(gòu)標(biāo)準物質(zhì)IAEA-600。數(shù)據(jù)采用相對國際碳同位素標(biāo)準VPDB值表示，分析精度優(yōu)于±0.2‰。先用參考氣對樣品、中國及國際參考物質(zhì)進行初步定值，GBW 04407、GBW 04408和IAEA-600的測定值與真值計算出線性回歸校正曲線，再對樣品值進行線性回歸校正。

3 實驗結(jié)果

3.1 植物菘藍的根和葉及其種植地土壤中穩(wěn)定碳同位素分析結(jié)果

采用第2.1節(jié)的樣品制備方法和第2.2節(jié)的分析方法，對不同產(chǎn)地植物菘藍的根和葉及其種植地土壤中的穩(wěn)定碳同位素的組成進行測定，結(jié)果見表1。

表1 菘藍根、葉及其種植地土壤中穩(wěn)定同位素組成測量結(jié)果Table 1 The results of stable isotope composition in roots, leaves and soil of isatis indigotica fort.

由表1可見，植物菘藍根和葉中的穩(wěn)定碳同位素平均值分別為-27.9‰和-29.5‰，屬C3植物[8]。

3.2 植物菘藍的根和葉及其種植地土壤中穩(wěn)定碳同位素與地理位置信息和氣象信息相關(guān)性分析結(jié)果

植物菘藍不用產(chǎn)地的氣象因子和地理因子信息見表2和表3。

表2 植物菘藍不同產(chǎn)地的地理因子信息Table 2 Information of geographical factors in different producing areas of isatis indigotica fort.

在本研究中，植物菘藍及其種植地土壤中穩(wěn)定碳同位素組成與地理/氣象因子的相關(guān)系數(shù)r均為正值，說明菘藍根、葉及其種植地土壤中穩(wěn)定碳同位素組成與地理/氣象因子均為正相關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗判斷，相關(guān)系數(shù)r<0.3時，認為無相關(guān)性或不相關(guān)(在表4中用*表示)，0.30.8時認為具有高度相關(guān)性(在本研究中未出現(xiàn)高度相關(guān)性)。

由表4可見，菘藍根中穩(wěn)定碳同位素組成與緯度、經(jīng)度、平均氣壓、最高氣壓、最低氣壓、相對濕度、降水量、日平均地溫、日最高地溫、日最低地溫和日照時數(shù)不具有相關(guān)性，與海拔、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫有低度相關(guān)性；菘藍葉中穩(wěn)定碳同位素組成與經(jīng)度、平均氣壓、最高氣壓、最低氣壓、相對濕度、降水量、日最高地溫不具有相關(guān)性，與海拔和日照時數(shù)具有低度相關(guān)性，與緯度、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日平均地溫、日最低地溫具有中度相關(guān)性；種植地土壤與海拔、平均氣溫、最高氣溫、平均氣壓、最高氣壓、最低氣壓、相對濕度、降水量、日平均地溫、日最高地溫不具有相關(guān)性，與緯度、經(jīng)度、最低氣溫、日最低地溫和日照時數(shù)具有低度相關(guān)性。

表4 菘藍根、葉及其種植地土壤穩(wěn)定碳同位素組成與地理因子的相關(guān)性Table 4 Correlation between stable carbon isotope composition and geographical factors in roots, leaves and soil of isatis indigotica fort.

4 結(jié) 論

從整體上來看，菘藍根和種植地土壤中穩(wěn)定碳同位素組成與地理因子和氣象因子相關(guān)度較低，無中度以上相關(guān)度的因子；而菘藍葉中穩(wěn)定碳同位素組成與部分地理因子和氣象因子具有中度的相關(guān)性。因此可以認為植物的地上部分在生長過程中受地理和自然氣候的影響較地下部分更大一些。本研究成果為植物中碳同位素分餾作用的研究和穩(wěn)定碳同位素作為植物菘藍產(chǎn)地溯源的指標(biāo)提供了理論依據(jù)。