植物光合碳在不同器官-土壤系統的動態分布特征13C示蹤

孟 猛, 徐永艷

(西南林業大學, 昆明 650224)

土壤有機碳是陸地生態系統最大的碳庫，微小的波動就能影響著全球碳平衡與循環，進而影響整個生態系統的可持續發展[1-4]。對于陸地及大氣碳循環而言，光合作用起著關鍵的驅動效應，光合效應產生的碳能夠被輸送至植被多個部位，并通過根系傳輸至地下植株部分，進而通過根系分泌物傳輸至土壤，而在微生物分解等作用下，碳素能夠通過二氧化碳等形式再次進入大氣，或者被固定在土壤之中[5]。基于研究分析技術的限制，對于農作物碳平衡方面的研究主要側重于土壤呼吸的制約因素方面，但在園林植被研究方面較為缺乏。

從碳同位素的角度來講，對于13C而言，其不僅不需要安全防護，且具有較強的穩定性，常作為示蹤物加以運用[6-7]。對于穩定碳同位素分析技術，已經在很多領域得以廣泛應用，常用的標記法有連續及脈沖標記兩種，后者操作相對便捷，能夠在較低的成本下開展碳分配信息追蹤，雖然對于一次脈沖標記而言，其無法充分體現植被生長期的多個階段碳素信息，但是通過一系列標記能夠充分測算碳分配[8-9]。為了探究光合作用下碳的固定及轉移，常常借助于穩定同位素示蹤技術加以研究，這種方法不僅安全穩定，還操作便捷，在實踐研究中得以廣泛運用[10-13]。國內用13C脈沖法研究植物光合碳的分配主要集中在玉米、水稻和小麥等作物，但關于園林植物光合碳的分配鮮有研究[10-13]。園林植物是城市的凈化器，對土壤有機碳的輸入和輸出、碳循環產生影響。研究園林植物光合碳的分配問題對城市碳平衡具有重要意義。本研究利用13C脈沖標記法示蹤園林植物光合碳在不透園林植物—土壤系統中的分配和去向，為科學評價園林植物草光合碳的分配提供參考，為研究園林植物對城市碳源與匯的影響提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

選取昆明市樟樹、夾竹桃、廣玉蘭、女貞作為研究對象，借助于盆栽試驗加以探究，要求種植盆直徑及高度均為20 cm，并分別將5 kg風干土進行過篩處理，要求達到10 mm，同時將基肥混入其中，主要是尿素及氯化鉀。各研究對象分別取幼苗10株，借助于脈沖標記法進行定期觀測。

1.2 脈沖標記

為了降低試驗誤差，針對各研究植被3個有標記的支柱分別進行重復試驗，同時為了盡可能地避免污染，試驗過程中通過間隔行的設置加以避免。標記之前分別設置了柱狀的標室，在內壁上涂霧化劑，要求其內高、內徑分別達到0.4，1 m，并將其置于五cm深的土壤，為避免根系進入，在其周邊借助于尼龍網眼孔覆蓋，這能夠保障植被和外界正常的水分及養分交換。標記時間開始于2015年8月1日，從上午11：00開始，首先在高壓瓶中置入高純度13C的CO2，并將之與標計室通過管子連接，然后置入10 L13CO2，這樣標記室氣體量上升至3.18%，在頂膜密封后標記，40 min后停止，之后進行長達五小時的密封。得益于內置風扇，其中的氣體流通并不受阻，待其中的二氧化碳含量很低的情況下，可以移走標計室。連續4 a重復試驗。

1.3 樣品采集與制備

在進行標記的第一天，通過隨機取樣的方式挖出含有根系的植株各15株，然后進行編號，并置于實驗室，待其清洗干凈后進行長達四十八小時的烘干處理，要求溫度達到70℃，稱重后進行生物量測量。接下來進行粉碎處理，并對其δ13C和C加以測量。過2 mm篩后再次進行測定，為了降低試驗誤差，進行連續三次試驗重復。而為了測定地下生物量，本研究借助于土鉆取樣。

1.4 樣品測定與分析方法

為了對樣品進行分析，取20 g土壤，并將之置于白色平板，首先將其中的雜質進行清理，接下來將其置于去離子水容器中，要求容量達到100 ml，然后進行長達30 min的振蕩處理，這樣能夠促進有機碳的溶解。其次，取出清液后置于燒杯，這樣能夠保存可溶性有機碳，避免在進行HCl沖洗過程中發生水溶性有機碳流失;然后在其中加入HCl溶液，要求其pH低于3，這樣能夠有效地將可溶性碳酸鹽予以去除;接下來置入50 ml HCl溶液，從而清除碳酸鹽，并進行長達兩天的處理，然后將不含碳酸鹽的土壤進行沖洗，待其達到中性狀態時停止處理，接下來需要將燒杯中的清液置于其中，并進行烘干處理，要求溫度達到六十度，進行研磨后進行過篩處理，以便于后續開展指標測定。

為了開展相應的指標測定，本研究借助于元素分析儀，同時利用同位素比率質譜分析儀，這種EA-IRMS設備具有較穩定的測量效果，且便于操作。對于收集到的樣品，借助于元素分析儀首先進行高溫燃燒處理，這樣能夠產生一定量的二氧化碳，然后借助于質譜儀開展其中的13C與12C比率監測，并將之與標準物PDB開展相應的比較分析，進而計算初相應的δ13C比率值;要求測定精度在0.1‰。在不考慮呼吸損失的情況下，通過光合作用進行碳固定后，一定量的13C不僅進入根、莖葉，同時還會不斷轉移至土壤，對于不同組分的固定13C量計算如下:

13Ci=(F1-F2)/100

13Ci分配比例=13Ci/13C×100

式中:標記組及非標記組的13C豐度分別用F1,F2表示,而Ci代表的是碳含量。

采用Excel 2013和SPSS 21.00進行數據統計和分析。

2 結果與分析

2.1 葉13C豐度

由圖1可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃葉片碳含量有明顯的差異，其中葉片碳含量具體表現為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中樟樹顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)，女貞最低(p<0.05)。不同園林植物葉片13C含量有明顯的差異，其中葉片13C含量具體表現為女貞>廣玉蘭>夾竹桃>樟樹，其中女貞顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)，樟樹最低(p<0.05)。

圖1 葉13C豐度

2.2 莖13C豐度

由圖2可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃莖碳含量有明顯的差異，其中莖碳含量具體表現為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中不同園林植物莖碳含量差異均顯著(p<0.05)。不同園林植物莖13C含量有明顯的差異，其中莖13C含量具體表現為女貞>廣玉蘭>夾竹桃>樟樹，其中女貞和廣玉蘭顯著高于其他植物(p<0.05)，樟樹和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)。

圖2 莖13C豐度

2.3 根13C豐度

由圖3可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃根碳含量有明顯的差異，其中根碳含量具體表現為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中樟樹顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)，女貞最低(p<0.05)。不同園林植物根13C含量有明顯的差異，其中根13C含量具體表現為女貞>廣玉蘭>樟樹>夾竹桃，其中女貞和廣玉蘭顯著高于其他植物(p<0.05)，女貞和廣玉蘭差異不顯著(p>0.05)。

圖3 根13C豐度

2.4 土壤有機碳含量和δ13C豐度

由圖4可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃土壤有機碳含量有明顯的差異，其中土壤有機碳含量具體表現為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中樟樹和夾竹桃顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和女貞差異不顯著(p>0.05)。不同園林植物土壤13C含量有明顯的差異，其中土壤13C含量具體表現為女貞>廣玉蘭>樟樹>夾竹桃，其中不同園林植物差異均不顯著(p>0.05)。

圖4 土壤有機碳含量和δ13C豐度

2.5 輸入到地下各組分的碳量

為進一步分析草地—土壤系統中新固定的13C動態變化及分配情況(表1，2)，本研究以單位面積計算不同園林植物—土壤系統各組分固定13C數量(13C mg/m2)及其分配比例。標記當天，廣玉蘭和女貞葉片固定13C數量最高(85.56,83.32 mg/m2)，夾竹桃最低(62.01 mg/m2);不同園林植物莖固定13C數量變化范圍在32.78～48.21 mg/m2，廣玉蘭和女貞最高;不同園林植物根固定13C數量變化范圍在13.02～28.15 mg/m2，廣玉蘭和女貞最高;不同園林植物土壤固定13C數量變化范圍在5.32～12.45 mg/m2，廣玉蘭和女貞最高;標記21 d以后，不同園林植物莖、葉、根和土壤固定13C數量與初始值呈一致的變化規律。

表1 不同退化階段草地—土壤系統各組分13C含量動態變化 mg/m2

由表2可知，標記當天，不同園林植物—土壤系統光合同化13C主要集中分配在莖葉中，其次是根中、土中;標記21 d，不同園林植物—土壤系統光合同化13C主要集中分配在根中，其次為莖葉和土中，其次是根和土壤中。

表2 標記后不同退化階段草地—土壤系統各組分13C的分配

2.6 不同植物光合碳對土壤有機碳的貢獻

標記結束后，不同園林植物對土壤有機碳的貢獻量和累積量見圖5。樟樹對土壤有機碳的貢獻量最大，對土壤有機碳的貢獻量依次表現為樟樹>女貞>夾竹桃>廣玉蘭;凈固定碳的累積輸入量由整個時期的貢獻量的累加得到，由圖5可知，有機碳的累積量呈相反的變化趨勢。

圖5 不同植物光合碳對土壤有機碳的貢獻

2.7 13C-SOC的影響因素

相關性分析表明(表3)，土壤養分顯著影響了光合同化碳在地上部和土壤中的分布，其中，莖葉13C含量與有機碳、全氮、堿解氮和速效磷含量呈顯著的正相關(p<0.05);根13C含量與有機碳、全氮、堿解氮和速效磷含量呈顯著的正相關(p<0.05);土壤13C含量與有機碳、全氮呈極顯著的正相關(p<0.01)，與堿解氮和速效磷含量呈顯著的正相關(p<0.05)。

表3 13C-SOC的影響因素

3 討 論

通過本研究分析得知，植株地上部分能夠有效保留通過光合固定的大部分13C，主要原因在于對于植被根系而言，其具有較強的碳庫活力，對于碳素的轉運更為頻繁，能夠有效地向葉片輸送碳素。對于不同的植被而言，其地下部對于合碳的分配具有較大差異，對于農作物來講，隨著不斷的生長發育，碳素逐漸向地上部進行轉移分配，不僅玉米如此，大麥及水稻亦是如此;對于牧草而言，則并沒有體現這樣的碳素轉移規律[14-15]，主要原因在于經過長期進化選擇，農作物具有更高的地上收獲指數，使得碳素更多地向植株地上部分轉移，地下部呈現更低比例的光合碳。對于園林植被來講，其具有明顯的營養生長期長的特點，即使是在收獲以后，其地下根系的生長發育依然不受阻，而對于農作物來說剛好相反，其收獲后地下根系逐漸死亡，從而導致作物地下部光合碳含量明顯較低[16]。對于根系生長發育而言，其需要必要的養分及水分來維持，這就形成了一個能量消耗的作用機理，就地下光合碳投入而言，園林植被明顯較低。對于樟樹和夾竹桃來講，其具有較大的葉面積指數，能夠產生較高的光合有效輻射，受此影響，植被的光合碳固定能力得以明顯提升，從而形成了植被較低水平的自養呼吸水平，對于植被碳積累起著積極作用[17-18]。整體來講，對于樟樹和夾竹桃而言，不僅其葉片氮濃度呈現較低水平，其光合作用效果依然較低，為了促進其碳平衡，需要進行長時間的光合作用。

對于穩定碳同位素分析技術，已經在很多領域得以廣泛應用，與14C標記法相比而言，13C標記法不僅無放射性，呈現較高的安全性，同時能夠進行均勻標記，具有更多的有點[19]。在穩定碳同位素測定技術不斷提升的情況下，借助于該研究分析技術能夠有效地對植被不同生長期的光合作用產物加以分析，尤其是其去向問題，無論是植被秸稈及殘茬，還是根系的動態分解，以及有機碳的分配狀況，都能夠加以有效分析[20-21]。借助于該標記法，不僅能夠進行連續標記，同時能夠進行脈沖標記，本研究采取后者標記法加以研究，從而對于植被的不同生長期器官加以標記，對不同植被加以標記。通過連續四次的標記，雖然園林植被不同，但是其葉、莖、根及土壤的13C呈現出較高水平，這說明借助于該研究方法能夠獲取較為充足的13C材料。通過對比分析得知，不同植被具有不同含量的13C豐度，但是其不同器官的13C豐度變化規律基本一致，其莖體現出最高水平，其次是葉，而土壤中含量最低，這與以往學者的研究基本一致[22]，這也說明光合碳能夠快速高效地在土壤及植被之間進行有效轉移分配。

借助于脈沖標記，植被通過光合作用獲得并儲存13C，之后再進行地上及地下部分的轉移分配，通過研究得知，經過長達21 d的標記之后，地下部的13C含量占比最低達到了11.6%，而最高達到了51.3%。有學者通過該標記方法探究了牧草的碳分配狀況，其30%～50%的同化碳素被轉移地下部分[23];也有學者研究得知，進行連續27 d的標記之后，光合碳的轉移比例區間為20%～40%;根系的生長也離不開必要的碳素，光合碳的轉移主要為滿足根系生長所需，這種對13C的消耗更多的以根際沉積物的形式進行，此外，無論是植被根系呼吸，還是植被靜夜呼吸，都會釋放一定量的13C;隨著植被的不斷生長，生物量呈現不斷上升態勢，隨著13C的同化出現，草地通過光合效應固定的13C被逐漸分解[22]。無論是植被的不同以及管理方式的差異，還是物候期、示蹤期長短，都能夠對13C施加著不同程度的制約，本研究在長達二十一天的標記處理之后進行再次采樣，通過分析得知，對于土壤及植被根、莖葉而言，其碳含量水平呈現較大的差異，且占比較高，主要原因在于在根際分泌物作用下，根際沉積物現象較為突出，從而影響了土壤的理化特點，加速了土壤有機質轉化，導致不同程度的碳含量[23-24]。

對于標記當天而言，土壤中光合碳的含量相對較高，這說明土壤對于碳的固定效率較高，且含量較高，經過長達二十一天的標記之后，對于13C固定能力最強的時候是MD，主要原因在于對于樟樹及夾竹桃而言，其正處于根深葉茂的長勢旺盛期，能夠產生更強的光合效應，從而形成更高含量的光合碳，并經過莖葉逐漸向根系傳輸，根系以分泌物的形式傳輸至土壤，從而形成了植被與土壤之間的碳轉移分配[25]。通過分析得知，5%～27%的碳被轉移至土壤之中，從而使得土壤碳含量得以提升，這與地下生物量息息相關，同時受制于地下碳傳輸水平。在根系作用下，通過光合作用固定的13C經過根系沉積物的形式傳輸至土壤，在微生物分解利用下，形成了一定的固定及分配，這也是下一步細化研究的重點研究方向之一。