C、H、O 穩(wěn)定同位素在樹(shù)木植株不同部位的分餾規(guī)律研究

高景然 YoonSoo Kim 梁永超 鄭 平 邱 堅(jiān)

（1.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院植物纖維功能材料國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108；2.西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650233；3.韓國(guó)光州全南國(guó)立大學(xué)，韓國(guó) 光州，61991）

目前利用穩(wěn)定同位素技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)稻米、牛肉等食品的產(chǎn)地溯源[1?4]。木材產(chǎn)地溯源對(duì)于保護(hù)森林資源具有非常重要的作用，可以協(xié)助執(zhí)法部門打擊木材非法采伐及貿(mào)易[5]；還可為國(guó)際木材合法貿(mào)易的“可追溯性”提供技術(shù)支持[6?7]，以及為具有地理優(yōu)勢(shì)特性的木材提供產(chǎn)地來(lái)源證明。

不同產(chǎn)地的樹(shù)木內(nèi)由于分餾導(dǎo)致同位素的不同核素組成比例（如：碳元素的13C 和12C 的比例）不同，進(jìn)而引起δ 值（例：δ13C）的不同。利用該原理有望實(shí)現(xiàn)木材產(chǎn)地溯源[8]。目前，只有少數(shù)學(xué)者通過(guò)不同產(chǎn)地木材的某種穩(wěn)定同位素δ 值的差異，探索木材產(chǎn)地溯源的可行性[9?10]，但并未系統(tǒng)闡釋穩(wěn)定同位素δ 值在木材不同部位（基部/中部/頂部、北向/南向、心材/邊材）、不同化學(xué)組分（全木、α?纖維素）及不同樹(shù)種間的變化規(guī)律，但上述因素都會(huì)影響木材產(chǎn)地溯源準(zhǔn)確率。故采用同位素比率質(zhì)譜儀分別測(cè)定樹(shù)木不同部位的δ13C、δ18O 和δ2H 值，研究C、H、O 穩(wěn)定同位素在樹(shù)木不同部分（縱向、心材和邊材、南向和北向）的分餾規(guī)律。

產(chǎn)地溯源常用穩(wěn)定同位素包括C、H、O、N、S、Sr、B、Pb 等，各同位素分餾機(jī)理不同，適用于不同種類產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源[11?12]。木材主要是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成，簡(jiǎn)稱“三大素”，C、H、O 是“三大素”的主要構(gòu)成元素。三大素的物理及化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，特別是纖維素，在木材中一旦形成便不容易與外界發(fā)生物質(zhì)交換[13]。因此，本研究以 C、H、O 為研究對(duì)象。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采樣地點(diǎn)設(shè)在西雙版納州景洪市，所有用于測(cè)試的樣品在同一林地采集。位于北緯22°1′9″～22°1′52″，東經(jīng)100°49′6″～100°51′45″；海拔610～650 m。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1）δ13C 采用DELTA V Advantage同位素比率質(zhì)譜儀（Thermo Fisher Scientific，Inc.,USA）聯(lián)合EA-HT 元素分析儀（Thermo Fisher Scientific,Inc.,USA）進(jìn)行測(cè)定。具體測(cè)試條件：樣品在960 ℃度的燃燒管中燃燒生成CO2，氦氣流速為110 mL/min，色譜柱柱溫50℃，通氧時(shí)間為1 s。2）δ2H 和δ18O 采用Finnigan Delta V Advantage 同位素比率質(zhì)譜儀（Thermo Fisher Scientific,Inc.,USA）聯(lián)合Flash 2000 HT 元素分析儀（Thermo Fisher Scientific,Inc.,USA）進(jìn)行測(cè)定，具體測(cè)試條件：樣品在1 360℃裂解管中高溫裂解分別生成H2和CO，載氣流速為110 mL/min，色譜柱柱溫為65 ℃。測(cè)定精度分別為δ13C（±0.1 ‰）、δ2H（±2 ‰）、δ18O（±0.3 ‰）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 δ 值沿樹(shù)木縱向變化規(guī)律

伐倒橡膠木（Hevea Brasiliensis）2 株，分別編號(hào)橡膠木1、橡膠木2，見(jiàn)表1。用生長(zhǎng)錐取樣從植株接地基部到稍部連續(xù)、平均取樣，共取4 個(gè)點(diǎn)，同一植株內(nèi)任意2 點(diǎn)之間的距離相等，為了排除其他因素干擾，取樣部位均在南向，心、邊材混合取樣。75 ℃低溫烘干后，高速離心球磨儀粉碎，過(guò)篩至60 目，制得全木粉；再用苯?乙醇混合液（體積比2∶1）萃取全木粉6 h，清洗后制得抽提木粉。木材中的抽提物相75℃低溫烘干后，比細(xì)胞壁三大素不穩(wěn)定，容易與外界環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換。因此，分別測(cè)定4 個(gè)點(diǎn)抽提木粉的δ2H 值、δ18O 值和δ13C 值。

表1 伐倒橡膠木樣本地理信息Table 1 Geographic information of felled rubber wood samples

1.2.2 δ 值沿樹(shù)木心材及邊材變化規(guī)律

選取心、邊材區(qū)別明顯的鐵刀木（Cassia siamea）2 株，用生長(zhǎng)錐從活立木樹(shù)高1.3 m 處的南、北向取樣。將心材南、北向試樣混合，將邊材南、北向試樣混合；按1.2.1 制備抽提木粉，分別測(cè)定心材和邊材的δ2H 值、δ18O 值和δ13C 值。

1.2.3 δ 值沿樹(shù)木南向及北向變化規(guī)律

選取橡膠木、鐵刀木、羊蹄甲（Bauhinia blakeana）3 個(gè)樹(shù)種，每種2 株，見(jiàn)表2。用生長(zhǎng)錐從活立木樹(shù)高1.3 m 處的南向和北向分別取樣，將心材和邊材混合。按1.2.1 制備抽提木粉，分別測(cè)定南向和北向的δ2H 值、δ18O 值和δ13C 值。

表2 活立木樣本的地理信息Table 2 Geographic information of living wood samples

2 結(jié)果與分析

2.1 C、H、O 穩(wěn)定同位素沿樹(shù)木縱向的變化規(guī)律

由圖1 可知，δ13C 與δ18O 數(shù)值線幾乎與橫坐標(biāo)軸平行，且橡膠木1 和橡膠木2 的δ13C 數(shù)值線幾乎重疊，橡膠木1 和橡膠木2 的δ18O 數(shù)值線幾乎重疊。說(shuō)明無(wú)論是C 元素還是O 元素，橡膠木植株間的δ值差異都很小，但δ2H 的數(shù)值線則呈現(xiàn)不規(guī)律變化。

圖1 δ13C、δ18O、δ2H 沿樹(shù)干縱向變化Fig.1 Changes of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk

為了排除植株間差異帶來(lái)的影響，在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)只采用同一植株內(nèi)的數(shù)據(jù)。由表3 可知，樹(shù)干縱向δ13C 標(biāo)準(zhǔn)偏差橡膠木1 為0.97，橡膠木2 為0.65；樹(shù)干縱向δ18O 標(biāo)準(zhǔn)偏差橡膠木1 為0.27，橡膠木2 為0.22；樹(shù)干縱向δ2H 標(biāo)準(zhǔn)偏差橡膠木1 為5.38，橡膠木2 為0.22。上述分析說(shuō)明，在C、H、O 元素中，δ13C 與δ18O 沿樹(shù)干縱向變化相對(duì)較小，δ2H 沿樹(shù)干縱向變化相對(duì)偏大，且沒(méi)有顯示出明顯的變化規(guī)律。

表3 δ13C、δ18O、δ2H 沿樹(shù)干縱向變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 3 Standard deviations of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk

尚沒(méi)有資料顯示前人探索不同樹(shù)木不同部位同位素的分餾規(guī)律，但對(duì)于稻穗（Oryza sativa）、三七（Panax notoginseng）等植物植株不同部位同位素的分餾規(guī)律，可見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。Chen 等[14]通過(guò)測(cè)定稻米強(qiáng)勢(shì)粒（著生在稻穗中上部）和弱勢(shì)粒（著生在稻穗下部）δ13C、δ18O和δ2H 發(fā)現(xiàn)：δ13C 極差為1.2‰（?27.5‰～?26.3‰），δ18O 極差為2.6‰（19.6‰～22.2‰），δ2H 極差為3.4‰（?99.5‰～?96.1‰），并且上述強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒δ 值差異在稻米產(chǎn)地溯源中仍在允許范圍內(nèi)。李昕悅等[15]，李冬雪等[16]分別測(cè)定了云南文山15 個(gè)文山三七樣本的蘆頭、塊根和須根等部位的δ18O 和δ2H 值，結(jié)果表明，塊根的δ2H 值最大（?71.32 ±11.20），須根的δ2H 值最?。?83.25 ± 6.10），蘆頭的δ2H 值為（?74.84 ± 7.12）；塊根的δ18O 值最大（21.20 ± 1.17），須根的δ18O 值最?。?6.32 ± 1.20）；蘆頭的δ18O 值為（19.57 ± 0.69）。

由表4 可知，樹(shù)干縱向δ13C 極差橡膠木1 為2.57‰（?27.55‰～?24.98‰），橡膠木2 為1.66‰（?27.25‰～25.80‰）；樹(shù)干縱向δ18O 極差橡膠木1 為0.66‰（21.76‰～21.10‰），橡膠木2 為0.59‰（21.51‰～20.92‰）；樹(shù)干縱向δ2H 極差橡膠木1 為14.66‰（?66.32‰～?80.98‰），橡膠木2 為12.88‰（?65.67‰～?78.55‰）。將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人對(duì)比分析可知，對(duì)于同位素δ 值沿樹(shù)干縱向變化規(guī)律，δ13C 是相對(duì)較好的選擇，δ18O 是相對(duì)最好的選擇，而δ2H 則偏大。

表4 δ13C、δ18O、δ2H 沿樹(shù)干縱向變化的極差Table 4 The range of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk ‰

2.2 C、H、O 穩(wěn)定同位素沿樹(shù)木心材及邊材的變化規(guī)律

由圖2 可知，鐵刀木心、邊材δ13C 差異在3 個(gè)元素中相對(duì)最小，且鐵刀木1 和鐵刀木2δ13C非常接近；鐵刀木心、邊材δ18O 差異相對(duì)較小，鐵刀木心、邊材δ2H 差異在3 個(gè)元素中相對(duì)較大，且無(wú)一定變化規(guī)律。

圖2 樹(shù)木心材和邊材δ2H、δ18O、δ13C 的變化規(guī)律Fig.2 Variation of δ2H,δ18O and δ13C in heartwood and sapwood

為了排除植株間差異帶來(lái)的影響，在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)只采用同一植株內(nèi)的數(shù)據(jù)。由表5 可知，樹(shù)干心、邊材δ13C 標(biāo)準(zhǔn)偏差鐵刀木1 為0.24，鐵刀木2 為0.01；樹(shù)干心、邊材δ18O 標(biāo)準(zhǔn)偏差鐵刀木1 為1.13，鐵刀木2 為0.41；樹(shù)干心、邊材δ2H標(biāo)準(zhǔn)偏差鐵刀木1 為1.35，鐵刀木2 為7.44。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明在C、H、O 元素中，δ13C 在樹(shù)干心、邊之間變化最小，δ18O 次之，δ2H 在樹(shù)干心、邊之間變化最大。

表5 δ13C、δ18O、δ2H 沿樹(shù)干心、邊材變化的標(biāo)準(zhǔn)差Table 5 Standard deviation of δ13C,δ18O,δ2H changes along trunk heartwood and sapwood

由表6 可知，樹(shù)干心、邊材δ13C 的極差鐵刀木1 為0.47‰（?28.08‰～?27.61‰），鐵刀木2 為0.01‰（?2.78‰～?28.76‰）；樹(shù)干心、邊材δ18O 的極差鐵刀木1 為2.26‰（18.92‰～21.18‰），鐵刀木2 為0.82‰（21.46‰～22.27‰）；樹(shù)干心、邊材δ2H 的極差鐵刀木1 為2.70‰（?98.93‰～?101.63‰），鐵刀木2 為14.89‰（?112.35‰～?97.46‰）。將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與陳天金實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析可知，對(duì)于同位素δ 值沿心、邊材變化規(guī)律，δ18O 是相對(duì)較好的選擇，δ13C 是相對(duì)最好的選擇，而δ2H 則偏大。

表6 δ13C、δ18O、δ2H 沿樹(shù)干心、邊材變化的極差Table 6 Extreme variation of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk heartwood and sapwood ‰

2.3 C、H、O 穩(wěn)定同位素沿樹(shù)木南向及北向的變化規(guī)律

由圖3 可知，南、北向δ 值差異δ13C 在3 個(gè)元素中相對(duì)最小，且同一樹(shù)種的兩個(gè)不同植株δ13C 非常接近；南、北向δ 值差異δ18O 差異相對(duì)較?。沪?H 差異在3 個(gè)元素中相對(duì)最大，且南向δ2H 大于北向。

圖3 樹(shù)木南、北向δ2H、δ18O、δ13C 的變化規(guī)律Fig.3 Variation of δ2H,δ18O and δ13C of trunk of south and north

為了排除植株間差異帶來(lái)的影響，在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)只采用同一植株內(nèi)的數(shù)據(jù)。由表7 可知，樹(shù)干南、北向δ13C 標(biāo)準(zhǔn)偏差橡膠木1 最大為0.63，羊蹄甲1 最小為0.03；樹(shù)干南、北向δ18O標(biāo)準(zhǔn)偏差鐵刀木2 最大為2.75，橡膠木2 最小為0.53；樹(shù)干南、北向δ2H 標(biāo)準(zhǔn)偏差鐵刀木2 最大為12.88，橡膠木2 最小為7.44。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明在C、H、O 元素中，δ13C 在樹(shù)干南、北向之間變化最小，δ18O 次之，δ2H 在樹(shù)干心、邊之間變化最大。

表7 δ13C、δ18O、δ2H 沿樹(shù)干南、北向變化的標(biāo)準(zhǔn)差Table 7 Standard deviation of δ2H,δ18O and δ13C of trunk of south and north

由表8 可知，樹(shù)干南、北向δ13C 的極差橡膠木1 最大為1.26‰（?26.66‰～?25.39‰）；羊蹄甲1 最小為0.06‰（?26.60‰～?25.54‰）；δ18O 的極差鐵刀木2 最大為5.49‰（19.12‰～24.61‰），橡膠木2 最小為1.06‰（20.28‰～21.34‰）；δ2H的極差鐵刀木2 最大為25.76‰（?117.79‰～?92.03‰），橡膠木2 最小為1.07‰（?70.10‰～?69.62‰）。將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與陳天金實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析可知，對(duì)于同位素δ 值沿樹(shù)干南、北向變化規(guī)律，δ13C 是相對(duì)最好的選擇，δ18O 是相對(duì)較好的選擇，而δ2H 則偏大。

表8 δ13C、δ18O、δ2H 沿樹(shù)干南、北向變化的極差Table 8 The range of δ2H,δ18O and δ13C of trunk of south and north ‰

3 結(jié)論與討論

通過(guò)上述研究可以得出結(jié)論，對(duì)于橡膠木，δ18O 沿樹(shù)木縱向分餾最?。ň∮?.27%）；其次是δ13C（均小于0.97%）；δ2H 沿樹(shù)木縱向分餾最大（最大可達(dá)5.38%）。對(duì)于鐵刀木，δ13C 在心材和邊材（均小于0.24%）的分餾最小；其次是δ18O（心、邊材分餾均小于1.13%）；δ2H 分餾最大（心、邊材分餾最大達(dá)到7.44%）。通過(guò)對(duì)橡膠木、鐵刀木和紅花羊蹄甲3 個(gè)樹(shù)種進(jìn)行測(cè)試，δ13C 南、北向分餾最小（均小于0.63%）；其次是δ18O（南、北向分餾均小于2.75%）；δ2H 分餾最大（南、北向分餾最大達(dá)到12.88%）。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，對(duì)于文中3 個(gè)樹(shù)種的木材產(chǎn)地穩(wěn)定同位素溯源，C 和O 在樹(shù)木不同部位分餾較小，是相對(duì)理想的元素。還需進(jìn)一步對(duì)其他樹(shù)種穩(wěn)定同位素δ 值分餾規(guī)律進(jìn)行研究，已確定樹(shù)木內(nèi)部同位素的分餾規(guī)律。同時(shí)，本研究所有試樣均在一地采集，還需測(cè)定其他產(chǎn)地木材C、H、O 的δ 值，進(jìn)一步探明不同產(chǎn)地、不同植株部位對(duì)各δ13C、δ18O、δ2H 變化的方差貢獻(xiàn)率的大小。