寧夏針茅屬植物葉片碳穩(wěn)定同位素特征及其影響因素

劉萬弟， 李小偉

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

植物葉片δ13C值記錄了植物生長過程中的環(huán)境因子信息，能夠揭示植物對降水、熱量因子等環(huán)境因子變化的響應(yīng)[1-2]。由于該值易于測試，目前已經(jīng)廣泛用于植物水分利用效率、養(yǎng)分循環(huán)以及全球氣候變化等研究領(lǐng)域，穩(wěn)定同位素技術(shù)已成為研究植物與環(huán)境關(guān)系的有力工具[3]。葉片δ13C差異是由于植物光合作用對碳同位素的分餾所引起的，自身遺傳特性是影響因素之一，例如：C4植物葉片δ13C值通常高于C3植物，而CAM植物則在二者之間[4-5]。另外，環(huán)境因子也是引起植物δ13C值變化重要原因[6]，植物葉片光合作用和氣孔導(dǎo)度受許多環(huán)境因子影響，造成細(xì)胞內(nèi)與大氣中CO2濃度比值的變化[1]，如降水減少和溫度增加會引起植物減少蒸騰作用，提高自身水分利用效率。

植物葉片δ13C響應(yīng)環(huán)境梯度變化的規(guī)律能夠反應(yīng)植物的適應(yīng)策略。但植物葉片δ13C與環(huán)境的關(guān)系尚沒有統(tǒng)一的結(jié)論，比如：多數(shù)研究表明降水與植物δ13C呈負(fù)相關(guān)[7-8]，但也有研究顯示不同的結(jié)論，如在青藏高原草甸草原降水并不是植物δ13C的關(guān)鍵因子，而是溫度[9]；而更高海拔區(qū)域大氣壓強成為限制因素[9]。不同區(qū)域環(huán)境因子對植物δ13C影響不同，仍需更廣泛的驗證。此外，許多研究僅考慮了氣候因素，未考慮土壤因子，如賀玲威等通過研究沙棘與氣候的關(guān)系表明水蒸氣壓、生長季溫度和太陽輻射是影響葉片δ13C的主要因素[10]，而土壤水分對植物葉片δ13C影響較大[11]，植物生長發(fā)育主要受土壤和氣候共同影響，結(jié)合氣候和土壤揭示植物δ13C對環(huán)境變化適應(yīng)性至關(guān)重要。

寧夏草原地處干旱與半干旱過渡區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，南北水熱梯度明顯，針茅屬植物作為建群種由旱生到濕生呈替代分布。鑒于δ13C是植物水分利用效率的指示指標(biāo)，而水分是影響針茅屬植物生長發(fā)育的限制因素之一[12-13]。在此背景下，探究針茅屬植物葉片碳穩(wěn)定同位素特征與氣候和土壤因子的關(guān)系，可揭示針茅屬植物δ13C值的環(huán)境變化響應(yīng)機制，對針茅屬植物響應(yīng)未來氣候變化研究具有重要意義。本研究通過測定6種針茅屬植物葉片δ13C及環(huán)境因子數(shù)據(jù)，擬回答以下問題：(1)寧夏針茅屬植物葉片δ13C基本特征；(2)寧夏針茅屬植物葉片δ13C與環(huán)境因子間關(guān)系如何？(3)土壤因子和氣候因子對δ13C的解釋程度如何。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

在寧夏溫帶草原(35°14′～39°23′ N，104°17′′～107°39′ E)由北向南梯度上選擇15個自然條件下以針茅屬植物為優(yōu)勢種的樣地，范圍北至寧夏靈武市，南到寧夏固原市原州區(qū)，西至中衛(wèi)沙坡頭區(qū)，東為寧夏鹽池縣，涵蓋了寧夏境內(nèi)針茅屬主要分布區(qū)域(圖1)。寧夏屬溫帶大陸性氣候[14]，生長季年降水量在141～249 mm，年均溫在4.14～10.72℃之間，土壤以沙礫質(zhì)及礫質(zhì)土壤為主。

圖1 樣地調(diào)查分布Fig.1 Survey distribution of sample plot

1.2 研究方法

1.2.1植物取樣 由于南北物候差異，采樣于2016年7月中旬到8月中旬(植物生長旺季)進行，共15個樣地，樣地優(yōu)勢種針茅見表1。每個樣地選取3個大樣方，每個大樣方內(nèi)部取五個樣本混合，每個樣地按照五點取樣法隨機選擇成熟完整無病斑的葉片，混為一個樣本重復(fù)，3次重復(fù)。將葉片帶回實驗室，清洗表面灰塵雜質(zhì)后，放入烘箱中，65℃條件下烘至恒重，研磨后過0.1 mm篩后進行碳穩(wěn)定同位素測定。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of the sample land

1.2.2碳穩(wěn)定同位素測定 樣品在EA-HT元素分析儀(Thermo Fisher Scientific，Inc.，Waltham，USA)中高溫燃燒后生成CO2，通過DELTA V Advantage同位素比率質(zhì)譜儀(Thermo Fisher Scientific，Inc.，Waltham,USA)檢測CO2的13C與12C比率，并與國際標(biāo)準(zhǔn)物(Pee Dee Belnite，PDB)比對后計算出樣品的δ13C值，計算公式如下：

δ13C=[(Rsa-Rst)/Rst]×1000‰

式中：Rsa和Rst分別為葉片樣品以及標(biāo)準(zhǔn)樣品的13C/12C值[15]。

1.2.3氣候數(shù)據(jù) 本研究氣候數(shù)據(jù)來自世界氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站(www.worldclim.org)，包括年均溫度(Mean annual temperature，MAT)、年均太陽輻射(Solar radiation，SRAD)，年均降水量(Mean annual precipitation，MAP)，通過經(jīng)緯度坐標(biāo)提取每個樣地的月份數(shù)據(jù)，并由此計算年均數(shù)據(jù)。

1.2.4土壤數(shù)據(jù) 在每個樣地隨機選取3個點采集0～40 cm土樣混為一個樣本，重復(fù)3次。土樣帶回實驗室自然風(fēng)干后，除去土壤中的細(xì)根及石塊，研磨過0.15 mm篩后，用于土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定：土壤全氮(Soil total nitrogen，TN)采用全自動凱氏定氮儀測定；土壤全磷(Soil total phosphorus，TP)采用HClO4-H2SO4法消煮后，采用鉬銻抗比色法測定；土壤有機質(zhì)(Soil organic matter content，SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤含水量(Soil water content，SWC)用差減法測定；土壤容重(Soil bulk density，BD)采用環(huán)刀法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016和SPSS 22對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析，使用單因素方差分析比較了不同針茅物種之間的碳穩(wěn)定同位素差異，探究了針茅屬植物葉片碳穩(wěn)定同位素豐度的空間特征。通過Pearson相關(guān)分析了其與環(huán)境因子的關(guān)系；利用Canoco 5.0進行冗余分析(Redundancy analysis,RDA)以及蒙特卡洛檢驗，通過方差分解探討了環(huán)境因子對碳穩(wěn)定同位素δ13C影響的解釋程度，通過蒙特卡洛檢驗篩選影響葉片δ13C的主要環(huán)境因素，繪圖使用Origin 2021。

2 結(jié)果與分析

2.1 針茅屬植物葉片δ13C基本特征

針茅屬葉片δ13C平均值為-26.31‰，變化范圍為-24.56‰～-28.07‰，變異系數(shù)為0.23～3.63%(表2、圖2)。其中，戈壁針茅δ13C最大，沙生針茅δ13C最小，長芒草δ13C變異系數(shù)最小，短花針茅變異系數(shù)最大。沙生針茅和長芒草葉片δ13C與其他針茅間存在顯著性差異(P<0.05)(表2)。

圖2 針茅屬植物葉片δ13C分布特征Fig.2 δ13C distribution trait in Stipa leaves注：Mean表示平均值;SD表示標(biāo)準(zhǔn)偏差;Max:表示最大值;Min表示最小值Note:Mean indicates the mean value;SD indicates the standard deviation;Max:indicates the maximum value;Min indicates the minimum value

表2 針茅屬植物葉片δ13C基本特征Table 2 Basic characteristics of δ13C in Stipa leaves

2.2 針茅屬植物葉片δ13C的空間特征

針茅屬植物葉片δ13C與經(jīng)度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01,R2=0.38)；在緯度梯度上，隨緯度增加呈先增加后減小的單峰趨勢(P<0.01,R2=0.49)；在海拔梯度上，隨海拔增加呈先增加后減小的單峰趨勢(P<0.01,R2=0.46)。

圖3 針茅屬植物葉片δ13C與經(jīng)度、緯度、海拔的關(guān)系Fig.3 Correlation of Stipa leaf δ13C with longitude,latitude and altitude

2.3 針茅屬植物葉片δ13C與環(huán)境因子的關(guān)系

如圖4所示，針茅屬植物葉片δ13C與年均溫(MAT)、太陽輻射量(SRAD)、容重(BD)極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤全磷(TP)極顯著正相關(guān)；而與年均降水量(MAP)、土壤有機質(zhì)(SOC)、土壤全氮(TN)、土壤含水量(SWC)相關(guān)性不顯著。

圖4 針茅屬植物葉片δ13C與環(huán)境因子的關(guān)系Fig.4 The relationship between leaf δ13C and environmental factors in Stipa

2.4 環(huán)境因子對針茅屬植物葉片δ13C的綜合影響

為了分析土壤和氣候因子對針茅屬植物葉片δ13C的影響程度，我們對環(huán)境因子和δ13C進行方差分解分析。環(huán)境因子總共解釋了74.58%的方差，其中土壤因子單獨解釋量為32.87%，氣候因子單獨解釋了7.54%，二者共同解釋量為34.17%，表明土壤較氣候影響更大。

圖5 環(huán)境因子對δ13C方差解釋量Fig.5 Amount of variance explained by environmental factors on δ13C

如圖6所示，通過冗余分析排序圖，環(huán)境梯度在RDA軸1正方向呈熱量增加，土壤容重越大，環(huán)境干旱脅迫越大；負(fù)方向土壤養(yǎng)分呈增加趨勢。整體來說，針茅葉片碳穩(wěn)定同位素豐度與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)，與年均溫、太陽輻射和土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與水分因子相關(guān)性較弱。

圖6 不同針茅葉片δ13C與環(huán)境的排序圖Fig.6 Sequencing diagram of δ13C of different Stipa with environment注：1. 短花針茅，用圓圈表示；2. 沙生針茅，用正方向表示；3. 長芒草，用三角形表示；4.戈壁針茅，用星形表示；5.大針茅,用十字表示；6. 甘青針茅，用叉表示Note:1. S. breviflora,represented by circle;2. S. caucasica subsp. Glareosa,represented by positive direction;3. S.bungeana,represented by triangle;4. S. tianschanica var. gobica,represented by star;5. S. grandis,represented by cross;6. S. przewalskyi,represented by X mark

通過蒙特卡洛檢驗對環(huán)境因子進行篩選，結(jié)果表明：土壤全磷(TP)、土壤容重(BD)、年均溫(MAT)、太陽輻射量(SRAD)對針茅屬植物葉片δ13C貢獻率最大(P<0.05)，且依次減小(表3)。

表3 蒙特卡洛檢驗篩選結(jié)果Table 3 Screening results of Monte Carlo test

3 討論

3.1 針茅屬植物葉片δ13C基本特征

本研究中，6種針茅屬植物葉片δ13C范圍為-28.07‰～-24.56‰，均值為-26.31‰。植物存在三種光合途徑(C3、C4、CAM)，由于植物光合作用在固定CO2產(chǎn)生碳同位素分餾[4]，光合羧化酶和羧化的時空差異對13C有不同的識別和排斥，使得δ13C存在差異，因此可以用于區(qū)分植物光合途徑類型[5]。陸地植物中，C3植物δ13C為-35‰～20‰，均值為-26‰；C4植物δ13C為-15‰～7‰；均值為-12‰，CAM植物δ13C為-22‰～10‰，均值為-16‰[5]，因此，這6種針茅屬植物均為C3植物。本研究δ13C均值為-26.31‰，略低于全球陸生C3植物，其原因可能為我們的研究對象均為草本，而通常來說不同生活型植物δ13C表現(xiàn)為草本<灌木<喬木[16]。δ13C變異系數(shù)范圍為0.23%～3.63%，其中短花針茅變異系數(shù)最大(3.63%)，而沙生針茅和長芒草變異系數(shù)較低(0.40%，0.23%)。這和針茅屬植物不同生態(tài)適應(yīng)性有關(guān)，短花針茅是溫性荒漠草原的主要建群種，也可生長于較為濕潤的典型草原[17]。在我們選取樣地調(diào)查過程中，短花針茅分布范圍最廣(38°05′14″ N～36°39′55″ N)，干旱環(huán)境到較濕潤區(qū)域均有分布(圖1、圖6)，能夠適應(yīng)多種環(huán)境；長芒草通常被認(rèn)為是溫性典型草原優(yōu)勢種，但由于天然植被遭受破壞，大面積的長芒草群落較為稀少[17]，在我們的樣地中長芒草樣地處于荒漠草原區(qū)域；沙生針茅分布于沙地，分布范圍狹窄。Zhao等對青藏高原針茅屬植物大范圍調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，分布較廣的針茅環(huán)境適應(yīng)性較高[18]；Chen等對不同生境下的黃囊苔草種群研究表明，能夠通過改變其水分利用效率適應(yīng)不同的土壤水分狀況，使其在植物群落中表現(xiàn)出更強的競爭能力和生態(tài)適應(yīng)性[19]，因而植物對環(huán)境適應(yīng)力是影響針茅屬植物δ13C的重要因子。

3.2 針茅屬植物葉片δ13C的空間特征

針茅屬植物葉片δ13C與經(jīng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，通過Pearson相關(guān)可知，經(jīng)度與年均溫和太陽輻射顯著正相關(guān)，熱量和太陽輻射是影響植物光合作用的重要因子，從而引起葉片δ13C差異。δ13C隨緯度增加先上升后下降，研究區(qū)域隨緯度增加，降水減少年均溫與太陽輻射量增加，因而δ13C呈增加趨勢。而較高緯度針茅葉片δ13C降低，其原因為，樣地3(長芒草)和4(短花針茅)當(dāng)年降水較充足，δ13C與降水呈負(fù)相關(guān)；樣地1(短花針茅)和2(沙生針茅)分布于沙地，生長周期較短，而通常來說，葉片δ13C與植物壽命呈正比[20]。針茅屬植物葉片δ13C隨海拔增加呈先上升趨勢后下降，這與大多數(shù)研究不完全一致，鄭淑霞等通過文獻綜述得出結(jié)論相近：全球高山地帶植物δ13C與海拔呈正相關(guān)[3]。海拔會重塑水熱條件，海拔升高通常伴隨著溫度下降、水分增加，溫度較低會使植物部分氣孔關(guān)閉，光合作用過程對13CO2識別減少，從而增加δ13C[21]，同時隨著海拔升高，大氣中CO2分壓降低，植物對13C的吸收增加[11]，這也會使δ13C增大；而在較高海拔區(qū)域(本研究為樣地15，海拔2 462.52 m)，降水增加，這使得葉片δ13C降低。

3.3 針茅屬植物葉片δ13C與水分的關(guān)系

通常來說植物葉片δ13C與土壤水分和降水量呈負(fù)相關(guān)[22]，當(dāng)土壤中可利用水分較少時，植物會通過自身生理調(diào)節(jié)，如關(guān)閉部分氣孔[23]，從而降低水分消耗，提高水分利用效率，使得葉片δ13C變大。本研究中土壤水分和降水量均與葉片δ13C相關(guān)性不顯著，呈弱正相關(guān)，這可能與禾本科植物較短的生活周期及自身特性有關(guān)；最近研究表明：黃土高原C3植物(包括禾草、灌木、喬木)葉片δ13C與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，但禾草類植物葉片δ13C與降水量相關(guān)性不顯著[20]，這是因為禾本科植物為須根系，依賴于土壤表層水分，短期降水影響較大，而喬本和灌木植物則可以利用深層土壤水分。其次，隨著緯度增加，寧夏年均溫越高降水越少，生長環(huán)境越惡劣，針茅屬植物采用快速生長策略，生長周期較短，而通常來說，葉片δ13C與植物壽命呈正比[16,20]，因此葉片δ13C與水分關(guān)系不顯著。相反，壽命較長的植物經(jīng)歷干旱的機會也越多，其水分利用效率越高，因而壽命長的植物葉片δ13C與水分相關(guān)性更為顯著[24]。另一方面可能與我們的采樣時間有關(guān)，我們采集葉片時間為7月中旬到8中旬，寧夏屬于溫帶大陸性氣候，雨熱同期，生長季降水的補充使得δ13C與水分相關(guān)性不顯著[25]。

3.4 針茅屬植物葉片δ13C與環(huán)境因子的關(guān)系

總體來看，土壤因子對寧夏針茅屬植物葉片δ13C方差的解釋量大于氣候因子。植物葉片δ13C差異是由于光合作用對碳原子的選擇性吸收，影響光合作用的因素(土壤養(yǎng)分、水分、溫度等)均會影響葉片δ13C[26-27]，如土壤養(yǎng)分條件越好，對植物生長和光合作用越有利，從而使葉片δ13C增高[23]。通過計算土壤因子和氣候因子的變異系數(shù)以了解梯度差異，結(jié)果顯示，土壤變異系數(shù)為13.71%～83.01%，氣候變異系數(shù)為3.35%～22.57%，由此可見，在環(huán)境梯度差異上土壤因子遠(yuǎn)大于氣候因子，盡管太陽輻射是植物光合作用能量主要來源，但植物光合作用需要的水分及養(yǎng)分絕大部分來源于土壤，因而土壤很大程度決定著植物葉片δ13C值。

本研究中土壤全磷(TP)是影響針茅屬植物葉片δ13C最重要的因子，呈顯著正相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，葉片礦質(zhì)元素含量增加能夠提升光合速率，降低CO2分壓，從而使得δ13C變大[27]；另一方面植物體內(nèi)磷累積能夠增加體內(nèi)束縛水的含量，增加抗旱性，以保障干旱條件下的生長發(fā)育[28]，提高了水分利用效率，而葉片δ13C與水分利用效率(WUE)呈正相關(guān)[29]。同時，磷是核酸、核苷酸、輔酶等的組成元素，參與植物ATP的反應(yīng)關(guān)鍵之一[27]，而寧夏天然草地植物受土壤磷限制[30]；通過緯度和土壤磷含量的關(guān)系可得，研究區(qū)域由北向南土壤磷含量增加，提升了植物光合作用與水分利用效率，使得δ13C增大。另一方面，寧夏由南向北土壤容重(BD)呈增加趨勢[25]，伴隨著土壤保水保肥能力下降，且降水不足，植物對水分保存尤為重要，而針茅屬植物屬于須根系植物，許多研究表明須根系植物具有較好的保水能力[31-32]，且隨著土壤容重減少而增大，因而土壤容重減小針茅根系水分保存及供給越好，提高了水分利用效率[33]，葉片δ13C增大。

本研究針茅屬植物葉片δ13C與年均溫(MAT)、太陽輻射(SRAD)顯著負(fù)相關(guān)，這和任書杰等人研究一致[29]。而大多數(shù)研究表明年均溫與葉片δ13C正相關(guān)[34]，如賀玲威等對沙棘屬植物葉片δ13C與年均溫顯著正相關(guān)[10]，這是由于干旱脅迫，植物通過關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用水分散失，這使得植物對13CO2識別度下降，因而δ13C變大。寧夏由南向北，年均溫(MAT)和太陽輻射(SRAD)均呈增加趨勢[25]，且降水較少，干旱脅迫明顯，而針茅屬植物在應(yīng)對干旱脅迫時仍能維持較高的光合系統(tǒng)活性，通過調(diào)節(jié)氣孔調(diào)控光合所需的CO2和可利用水資源之間的折中點，能夠提高自身水分利用效率，同時降低對碳的吸收[35-36]；另一方面較高的溫度和太陽輻射使植物光合羧化酶的活性增強，對13CO2識別度增加，δ13C值降低[37]。

4 結(jié)論

綜上所述，寧夏溫性草原針茅屬植物葉片δ13C范圍為-28.07‰～-24.56‰，均值為-26.31‰，為C3植物。葉片δ13C與經(jīng)度呈負(fù)相關(guān)，隨緯度和海拔呈先增加后下降的趨勢；與水分相關(guān)性不顯著，土壤因子對葉片δ13C影響大于氣候，土壤磷含量、土壤容重、年均溫和太陽輻射量是影響葉片δ13C最主要因子，其中土壤磷影響最大，在之后的研究中應(yīng)多關(guān)注土壤磷對植物的影響。本研究結(jié)果對揭示溫性草原針茅屬植物響應(yīng)氣候變化的適應(yīng)策略，并為大尺度研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。