雅魯藏布江中上游地區(qū)表土碳同位素變化及其影響因素初探

王樹源，范義姣，楊軍懷，陳梓炫，田偉東，高福元，夏敦勝

（1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅蘭州 730000；2.蘭州城市學(xué)院城市環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

依據(jù)光合作用路徑的不同，自然界的陸生植物可分為三大類：C3植物、C4植物及景天酸代謝植物（CAM型）。C3植物的δ13C值在-34‰～-20‰間變化，以-27‰附近出現(xiàn)的頻率最高；C4植物的δ13C值在-19‰～-9‰間變化，以-13‰附近出現(xiàn)的頻率最高。CAM型植物的δ13C值變化范圍比較寬，為-10‰～-30‰，基本上覆蓋了整個C3和C4植物的區(qū)間［1-2］。土壤有機(jī)質(zhì)主要來自于地上植被，記錄了不同空間和時間尺度上的植物同位素分餾，因此，土壤有機(jī)碳同位素（δ13C）與植物碳同位素具有直接關(guān)系［1-3］。

植物在土壤中的轉(zhuǎn)化過程中存在復(fù)雜的同位素分餾過程，不同地區(qū)分餾值存在一定差異，總體介于0.5‰～2.5‰之間［4-6］。不同氣候條件下土壤的δ13C可以記錄環(huán)境信息，綜合反映植物的生理生態(tài)特征，是研究植被和氣候關(guān)系的理想材料［7-9］。此外，對土壤δ13C的分析可以重建古環(huán)境，特別是利用沉積物δ13C的變化特征進(jìn)行古環(huán)境的定量重建［3，10-11］。國內(nèi)外學(xué)者在全球和區(qū)域尺度上對植物、土壤的δ13C與氣候因子（如降水、溫度、大氣壓等）的關(guān)系進(jìn)行了深入研究［12-19］，多數(shù)研究已證實(shí)C3植物主導(dǎo)下的土壤δ13C值與降水之間呈負(fù)相關(guān)，并且這種負(fù)相關(guān)關(guān)系已被應(yīng)用于中國黃土高原［20］，中亞地區(qū)［21-22］，中國北方［23-24］以及青藏高原東部［25］等地區(qū)的降水重建，但也有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)二者之間不是簡單的線性關(guān)系甚至不相關(guān)［26-27］。與C3植物不同，Rao等［10］發(fā)現(xiàn)全球范圍內(nèi)C4植物的δ13C值與MAP顯著正相關(guān)。然而，有研究認(rèn)為溫度是決定C3/C4相對豐度從而影響土壤δ13C的主要?dú)夂蛞蜃?，并將?3C作為溫度指標(biāo)應(yīng)用于受季風(fēng)影響的邊緣地區(qū)［28］、東北地區(qū)和黃土高原［29-30］以及青藏高原東南部地區(qū)［31］。此外，海拔對δ13C的影響顯著，但由于高海拔地區(qū)地域差異明顯，溫度、降水及大氣壓等氣候指標(biāo)的綜合影響使得δ13C的變化特征較為復(fù)雜［30-34］。多數(shù)研究表明植物或土壤δ13C隨海拔上升而變重［13-14，19，34］，但受局部地區(qū)微生境的影響可能出現(xiàn)負(fù)相關(guān)或變化趨勢不明顯［35-36］。也有研究發(fā)現(xiàn)表土δ13C隨海拔呈先變輕后變重的規(guī)律，海拔拐點(diǎn)處水熱條件的突變可能是引起δ13C發(fā)生轉(zhuǎn)折性改變的主要原因，但不同研究中海拔拐點(diǎn)不同，如3 500 m［32］、2 960 m［33］、2 050 m［37］等。

雅魯藏布江（簡稱雅江）流域位于青藏高原南部，受西風(fēng)和印度季風(fēng)的共同作用［38］。植被垂直地帶性分布和水熱梯度使得該區(qū)域為研究土壤δ13C的空間變化特征和氣候驅(qū)動因素提供了理想的區(qū)域?；诖?，本文采集了雅江中上游地區(qū)36個表土樣品，通過測定δ13C，結(jié)合現(xiàn)代氣象觀測資料，旨在闡明現(xiàn)代土壤δ13C隨海拔和區(qū)域氣候條件變化的規(guī)律，并探討該地區(qū)表土δ13C的控制因素，明確其氣候指示意義，為后續(xù)利用地層沉積物δ13C重建古植被、古氣候提供基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

雅江位于青藏高原南部（圖1），地理坐標(biāo)為28°59′～30°34′N，82°32′～94°28′E，中國境內(nèi)流域全長約2 057 km，屬高原溫帶季風(fēng)區(qū)濕潤-半干旱氣候［39-40］。研究區(qū)主要集中于雅江中上游地區(qū)日喀則地區(qū)和山南地區(qū)，海拔范圍為3 500～5 100 m。其中日喀則地區(qū)年平均氣溫為5.5℃，年平均降水量為369.8 mm；山南段年平均氣溫為7.0℃，年降水量為441.7 mm。土壤類型主要以（亞）高山草甸土、（亞）高山草原土和山地灌叢草原土為主，自然植被低矮稀疏，以砂生槐［Sophora moorcroftiana（Benth.）Bak?er］、固沙草（Orinus thoroldii）和白草（Pennisetum centrasiaticumTzvel）等灌木、半灌木、草本為主［41］。

圖1 雅魯藏布江中上游地區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location in the upper and middle reaches of Yarlung Zangbo River

2 樣品采集與實(shí)驗方法

2.1 樣品采集

通過野外考察，在雅江中上游地區(qū)共采集了36份表土樣品（圖1）。采樣地點(diǎn)選擇遠(yuǎn)離耕地和城鎮(zhèn)村莊，沒有受人類干擾并且自然植被穩(wěn)定，植物優(yōu)勢種典型分布的地區(qū)。采樣時去除表土最上層凋落物，采樣深度為0～5 cm，利用便攜式GPS記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔，同時記錄了采樣點(diǎn)的優(yōu)勢植物種信息。年平均降水量（MAP）和年平均氣溫（MAT）數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的“青藏高原及周邊地區(qū)氣溫和降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)（1998—2017）”［42］。該數(shù)據(jù)集基于國家氣象信息中心基礎(chǔ)資料專項最新整編的中國地面高密度臺站（2400多個國家級氣象觀測站）的氣溫和降水日值資料，對缺測站點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理之后，利用ANUSP?LIN軟件的薄盤樣條法（Thin Plate Spline）進(jìn)行空間插值，最后生成空間分辨率為1 km的年值格點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以更好地反映高原地區(qū)真實(shí)的溫度和降水變化。生長季溫度來源于https：//worldclim.org/data/index.html，干 燥 度 數(shù) 據(jù) 來 源 于https：//doi.org/10.6084/m9.figshare.7504448.v3［43］。此外，CO2分壓通過大氣壓乘以常數(shù)（335 μmol·mol-1）獲得，大氣壓根據(jù)以下公式計算［44］：

式中：P為大氣壓（kPa）；z為海拔（m）；TK為空氣溫度（K）。

2.2 實(shí)驗方法

有機(jī)碳同位素（δ13C）實(shí)驗具體方法如下：

（1）用鑷子挑去土壤樣品中的植物殘體、沙礫等，然后在瑪瑙研缽中研磨，過100目篩。取一定量研磨好的樣品置于透水坩堝中，至坩堝體積的2/3處即可。室溫下，將裝有樣品的透水坩堝放入培養(yǎng)皿中，加入2 mol·L-1的HCl反應(yīng)6 h左右。然后將培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)移到80℃恒溫水浴鍋之中反應(yīng)2～3 h，以完全去除樣品中碳酸鹽物質(zhì)。

（2）充分反應(yīng)后，用蒸餾水將樣品反復(fù)清洗至pH>5，隨后將樣品放入低于80℃的烘箱中完全烘干。將烘干的樣品重新在瑪瑙研缽中研磨，直到均勻并無顆粒感，包好磨好的樣品并存放在干燥箱中。樣品前處理在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室進(jìn)行。

（3）用燃燒法收集完全燃燒后產(chǎn)生的CO2，采用元素分析儀-穩(wěn)定同位素比率質(zhì)譜儀（EA-IRMS）分析碳同位素組成。根據(jù)黃土有機(jī)質(zhì)含量稱取樣品2～4 g，送入Flash EA 2000型元素分析儀進(jìn)行在線分析。在該系統(tǒng)中，樣品在960℃的氧化爐通氧環(huán)境下瞬間高溫燃燒，后流經(jīng)680℃的還原爐，釋放CO2和N2氣體，經(jīng)色譜填充柱分離出CO2氣體，由載He氣將CO2氣體帶入MAT-253同位素比值質(zhì)譜儀進(jìn)行碳同位素測定。樣品中有機(jī)碳同位素δ13C表示為：

式中：R樣品和R標(biāo)準(zhǔn)分別表示測試樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的13C/12C的比值。所有的碳同位素組成均采用VP?DB標(biāo)準(zhǔn)。樣品的δ13C分析在蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院國家重點(diǎn)實(shí)驗室進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 C3和C4植物分布對表土δ13C的影響

雅江中上游地區(qū)不同海拔36個表土樣品的碳同位素組成結(jié)果表明，該地區(qū)表土的δ13C值存在很大差異，總體分布在-24.6‰～-15.2‰范圍之間，平均值為-20.8‰（表1）?，F(xiàn)代土壤的同位素組成主要與地表植被類型密切相關(guān)，C3植物與C4植物的比例變化會造成土壤δ13C的組成特征存在差異［13，18，31-34］。C3和C4植物碳同位素組成（即δ13C3和δ13C4）的平均值可以被直接用來計算C4植物比例的變化，即C4（%）=［（δ13C-δ13C3）/（δ13C4-δ13C3）］×100。黃土高原中部純C3和C4植物對應(yīng)的δ13C值分別是-24‰和-14‰［11］，川西高原純C3和C4植物的δ13C值分別為-25‰和-12‰［25］，雖然不同研究中純C3和C4植物δ13C值不同，但總體趨勢幾乎相同。通過對比已知C3和C4植物的δ13C值［2］，本研究區(qū)表土δ13C值直方圖體現(xiàn)出較顯著的C4植物貢獻(xiàn)信號（圖2），特別是在海拔3 500～4 000 m之間多個采樣點(diǎn)的δ13C值在-15‰到-20‰之間，且C4植物比例平均值高達(dá)58.2%（表1）。同時，地表植被調(diào)查結(jié)果也發(fā)現(xiàn)在該海拔范圍內(nèi)，生長著禾本科，如固沙草（Orinus thoroldii）、白草（Pennisetum centrasiaticumTzvel）等C4植物（表1），這與表土δ13C值表現(xiàn)出很好的一致性。

圖2 雅江中上游表土δ13C值直方圖（已知C3、C4植物資料來源于O’Leary，1988［2］）Fig.2 Histogram of the δ13C values of surface soils in the upper and middle reaches of Yarlung Zangbo River（Known C3，C4 plants from O’Leary，1988［2］）

表1 雅江中上游地區(qū)各采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔、表土δ13C、C4植物比例、C4、C3植物優(yōu)勢種、植被類型及土壤類型Table 1 Latitude，longitude，altitude，surface soil δ13C，ratio of C4 plants，the C4、C3 plant species，vegetation type and soil type of sampling points in the upper and middle reaches of Yarlung Zangbo River

全球不同光合類型草本植物的分布表明，C4草本植物生長的溫度閾值是年平均氣溫（MAT）大于12℃［10］。本研究區(qū)采樣點(diǎn)平均海拔為4 000 m，MAT均低于12℃，卻依舊存在較高的C4/C3植物比例。旺羅等［45］在青藏高原南部也發(fā)現(xiàn)一些C4植物的生長高度可以達(dá)到海拔4 000 m以上，最高可達(dá)4 520 m。他認(rèn)為這是由于青藏高原強(qiáng)光照以及夏季集中降水等特殊氣候條件可能有利于C4植物的生長［46］。青藏高原年平均總輻射在3 800～8 600 MJ·m-2之間［47］。強(qiáng)光照為C4植物進(jìn)行雙羧酸循環(huán)提供了足夠的能量，使其在低CO2/O2條件下進(jìn)行CO2同化，并補(bǔ)償了低溫下光合作用所需的能量，最后可能導(dǎo)致即使在較高海拔地區(qū)，C4植物仍具有較高的固碳效率以及對低溫的耐受力［46，48］。此外，C4植物比C3植物具有更高的水分利用效率，春季的干旱往往限制了C3植物的生長，這使得夏季集中降水不僅為C4植物提供了充足的水分，而且也為C4植物提供了充足的生長空間［46］。然而，隨著海拔繼續(xù)升高，C4植物比例降低，如砂生槐［Sophora moorcroftiana（Benth.）Baker］，錦雞兒［Caragana sinica（Buc’hoz）Rehder］等C3植物比例逐漸升高，表土δ13C值也逐漸偏負(fù)。已有研究證實(shí)，相對于C4植物，C3植物在低溫和高海拔條件下更具競爭優(yōu)勢［3，31，49］。顯然，植物光合作用類型逐漸由C3植物主導(dǎo)，表土δ13C值偏負(fù)。

續(xù)表1

3.2 海拔對表土δ13C的影響

Morecrof和Woodward［52］認(rèn)為，在全球范圍內(nèi)，C3植物δ13C值與海拔高度成正相關(guān)關(guān)系，但植物δ13C會受到局地生境的影響，從而出現(xiàn)負(fù)相關(guān)或不相關(guān)的情況。與前人研究所發(fā)現(xiàn)的高原表土δ13C隨海拔上升呈先變輕后變重的規(guī)律不同［30，33-34，37］，本研究結(jié)果顯示雅江中上游地區(qū)，海拔3 500～5 100 m范圍內(nèi)，表土δ13C值隨海拔升高而偏負(fù)，海拔每升高100 m，δ13C值偏負(fù)0.5‰［R2=0.61，P<0.01，圖3（a）］。一方面，青藏高原面積廣泛，不同區(qū)域影響因素復(fù)雜，本研究區(qū)集中于高原南部雅江河谷中上游地區(qū)，更好地反映了高原南部表土δ13C的空間變化特征及其影響因素。另一方面，不同于前人研究中植被類型以C3植物占絕對優(yōu)勢［14，16，19，33，37］，本研究區(qū)C3與C4植物混合生長，并且在海拔3 500～4 000 m內(nèi)分布著較高比例的C4植物（表1和圖2）。結(jié)合C3與C4植物比例的變化，發(fā)現(xiàn)隨海拔升高，C4植物比例不斷減少，地上植被光合類型逐漸由C3植物主導(dǎo)（表1）。李嘉竹等［31］通過分析貢嘎山東坡地表植被、土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C發(fā)現(xiàn)土壤δ13C隨海拔的變化與C3植物、C4植物的分布有關(guān)，指出C4植物僅生長于某一特定海拔范圍內(nèi)，相比于C4植物，C3植物占據(jù)了更高海拔的生境。郭正堂等［3］在玉龍山東麓發(fā)現(xiàn)隨海拔的升高，C3植物逐漸取代C4植物，由于C3植物的同位素組成相對C4植物的偏負(fù)，致使碳同位素值隨海拔的升高偏負(fù)，并指出溫度和濕度是導(dǎo)致土壤δ13C值隨海拔更偏負(fù)的主要原因。

圖3 雅江中上游地區(qū)表土δ13C與海拔、MAT、MAP、大氣壓、生長季溫度及干燥度的關(guān)系Fig.3 Relationship between surface soil δ13C and altitude，MAT，MAP，atmospheric pressure，growing season temperature and aridity index in the upper and middle reaches of the Yarlung Zangbo River

青藏高原表土δ13C值隨海拔的變化趨勢取決于溫度、降水及大氣壓等因素間的相互競爭［10，14，19，30-33］。溫度影響植物碳同位素分餾，同時也是影響土壤微生物活性以及土壤有機(jī)質(zhì)分解的重要因子，現(xiàn)有研究表明低溫限制土壤有機(jī)質(zhì)的分解以及土壤呼吸［53］，并且隨著溫度的降低，C4植物比例減少、C3植物比例增加，其次來源于C4植物的土壤有機(jī)碳庫分解速率更快［27，54］，因此，溫度與土壤δ13C理論上應(yīng)存在正相關(guān)關(guān)系。本研究也發(fā)現(xiàn)，表土δ13C與MAT之間呈正相關(guān)［R2=0.36，P<0.01，圖3（b）］，MAT每升高1℃，表土δ13C偏正1.4‰。這歸因于隨著海拔升高，溫度降低［圖4（a）］，植物光合作用酶的活性減弱，光合速率和CO2同化速度都減小，葉片內(nèi)細(xì)胞間隙中的CO2分壓（Pi）升高，從而引起碳同位素分餾程度增強(qiáng)，植物的δ13C減?。?2，30，33］。另一方面，由于溫度降低導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)減弱，造成土壤中可利用水分增大，植物的δ13C減?。?1］，同時過低的溫度也使得土壤有機(jī)質(zhì)的分解受限。溫度對同位素的影響與飽和蒸氣壓虧缺和大氣濕度也有關(guān)，隨著海拔的升高，溫度和大氣壓綜合影響使得大氣濕度增加，飽和蒸氣壓虧缺減小，植物葉片氣孔導(dǎo)度增大，導(dǎo)致δ13C減?。?1，55］。另外，我們發(fā)現(xiàn)表土δ13C與生長季溫度顯著正相關(guān)［R2=0.58，P<0.01，圖3（e）］，生長季溫度每升高1℃，表土δ13C偏正0.85‰，這進(jìn)一步表明生長季溫度可能是影響該區(qū)域表土δ13C變化的主要?dú)夂蛞蜃?。值得注意的是，對比其他研究?0，14，27，30，33］，本研究中表土δ13C隨海拔及溫度變化的斜率均較大，推測這主要是不同于其他區(qū)域地上植被受C3植物主導(dǎo)，該研究區(qū)域生長的C4植物比例較高，導(dǎo)致表土δ13C偏正，在后續(xù)利用沉積物δ13C重建古環(huán)境時可能需要避開C4植物的影響。

圖4 雅江中上游地區(qū)各采樣點(diǎn)海拔與MAT和MAP間的關(guān)系Fig.4 Relationship between altitude and MAT and MAP of sampling points in the upper and middle reaches of the Yarlung Zangbo River

降水被認(rèn)為是影響C3和C4植物相對豐度的一個主要因素［10，21-22，30，33］。已有大量研究表明C3植物的δ13C與降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［18，31，53，56-57］。這是由于當(dāng)降水減少或者土壤濕度降低時，水分脅迫加重，植物為了減少水分蒸發(fā)，就會關(guān)閉氣孔，降低氣孔導(dǎo)度，使植物體內(nèi)的CO2濃度下降，葉片內(nèi)外的CO2濃度比降低，進(jìn)而導(dǎo)致δ13C升高［12，53］。然而，本研究區(qū)表土δ13C與年降水量呈正相關(guān)性［R2=0.28，P<0.01，圖3（c）］。不同于前人以C3植物為主導(dǎo)的研究，這種正相關(guān)關(guān)系可能與該區(qū)域C4植物比例高有關(guān)，因為C4和C3植物不同的光合機(jī)制造成對降水的響應(yīng)不一致，Rao等［10］已證實(shí)全球尺度C4植物與降水呈正相關(guān)。另一方面，李嘉竹［31］和Guo等［58］分別在貢嘎山東坡海拔2 000 m以上及西藏南北部發(fā)現(xiàn)植物δ13C與降水量呈顯著正相關(guān)，他們認(rèn)為這是由降水量與海拔或者降水量與溫度之間的負(fù)相關(guān)所導(dǎo)致的一種統(tǒng)計學(xué)相關(guān)，并無實(shí)際意義。盡管雅江中上游地區(qū)海拔與MAT［圖4（a）］和MAP［圖4（b）］間的相關(guān)性分析表明兩兩均呈顯著負(fù)相關(guān)，但通過分析干燥度（可以更確切反映地區(qū)水分干濕狀況）對表土δ13C的影響，二者間幾乎沒有相關(guān)性［R2=0.01，P<0.01，圖3（f）］，因此，我們認(rèn)為水分可能不是本研究區(qū)域表土δ13C的限制因素。

CO2分壓可以通過大氣壓乘以常數(shù)（335 μmol·mol-1）獲得，隨著海拔升高，大氣壓降低，CO2分壓也相應(yīng)降低，植物可利用的CO2濃度降低。Farquhar等［12］提出了經(jīng)典C3植物的碳同位素分餾模型：δ13C=δ13Ca-a-（b-a）×（Pi/Pa）（δ13Ca是大氣CO2的同位素組成；a為從大氣進(jìn)入植物的CO2碳同位素分餾值（約為4.4‰）；b為羧基化同位素分餾值（27‰～30‰）；Pi是葉片細(xì)胞間隙內(nèi)CO2的分壓；Pa是大氣中CO2的分壓），即大氣壓與δ13C呈負(fù)相關(guān)，并且這種負(fù)相關(guān)性已被證實(shí)［14，59］。然而，本研究發(fā)現(xiàn)雅江中上游地區(qū)表土δ13C值與該區(qū)域大氣壓呈顯著正相關(guān)［圖3（D）］，用分餾模型無法解釋這種相關(guān)性。Zhao等［33］在青藏高原東北部石羊河地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，認(rèn)為CO2分壓僅在統(tǒng)計學(xué)上與表土δ13C值相關(guān)，并不是影響該區(qū)域δ13C值變化的主要因素。盡管Morecroft等［52］通過控制實(shí)驗發(fā)現(xiàn)大氣壓與植物δ13C正相關(guān)，并且有學(xué)者認(rèn)為大氣壓降低反而會增加植物的氣孔密度和氣體擴(kuò)散能力，δ13C值降低，但目前關(guān)于大氣壓的影響依然沒有明確的定論。此外，Wang等［60］發(fā)現(xiàn)δ13Ca隨海拔變化的梯度僅為0.06‰?km-1，而本研究中表土δ13C隨海拔變化的梯度是5.0‰?km-1，遠(yuǎn)大于δ13Ca的變化程度。綜合而言，CO2分壓的變化不是影響本研究區(qū)表土δ13C差異的主要原因。

4 結(jié)論

通過分析雅江中上游地區(qū)表土樣品的δ13C，主要得出以下結(jié)論：

（1）雅江中上游地區(qū)表土δ13C主要分布在-24.6‰～-15.2‰范圍之間，平均值為-20.8‰，C4/C3植物比例的變化主導(dǎo)了該區(qū)域表土δ13C的組成差異。

（2）雅江中上游地區(qū)表土δ13C與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），海拔每升高100 m，表土δ13C偏負(fù)0.5‰。年平均氣溫和生長季溫度與表土δ13C呈正相關(guān)（P<0.01），揭示溫度（尤其是生長季溫度）可能是影響該區(qū)域表土δ13C隨海拔變化的主要原因，而降水和CO2分壓不是主要限制因素。