穩定碳同位素在草地生態系統碳循環中的應用與展望

張 昊, 李建平,2

(1.寧夏大學 農學院, 銀川 750021; 2.西北退化生態系統恢復與重建國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021)

草地生態系統是全球陸地生態系統的重要組成部分，存儲了陸地生態系統約15.2%的碳，其中89.4%的碳存儲在草地土壤中[1]。土壤碳含量的微小變化可顯著影響大氣中CO2含量[2]，草地生態系統土壤碳固持對全球氣候變化有著重要的影響[3]。放牧與圍封等人類活動會顯著影響草地生態系統碳庫，導致碳素流動不穩定，年際變化影響較大[4]，對于短期研究生態系統碳循環存在著較大的誤差和不確定性。

隨著同位素技術及其分析模型的發展，穩定碳同位素技術因具有標記、整合和指示功能，檢測快速、準確[5]，可定量即時分析生態系統中碳動態，克服生態系統碳元素固持的時間和空間變異問題[6]，客觀地揭示生態系統中碳動態的現象和原理。目前，國內外在穩定同位素方面最新的研究方向有以下幾個方面:不同土地利用類型對土壤有機碳氮循環的影響機制[7];動物食物來源與食物網結構及動物遷徙[8];植物碳代謝、土壤碳轉化及生態系統碳循環的研究[9];地球化學過程基于Bigeleisen-Mayer公式的同位素分餾機制[10];生態系統中基于貝葉斯混合模型確定混合物組成比例[11];穩定同位素探測技術與分子生態學研究[12];元素添加對生態系統碳氮循環過程研究[13];植物光合及水分利用效率[14-15]。

本文通過查閱應用穩定碳同位素技術研究草地生態系統的相關文獻，綜述了大氣—植被—土壤碳流動機制，闡述了碳在不同土層的動態變化和微生物參與的土壤團聚體碳固持的基本過程，總結了我國不同類型草地生態系統以及區域內草地植被變遷過程中δ13C值大小及其影響因素。以期明確草地生態系統碳固持動態、氣候變化與草地生態系統協同機制，為草地資源可持續利用提供研究依據和研究方向。

1 穩定碳同位素揭示草地生態系統的碳來源

1.1 草地生態系統碳的來源判定

大氣中的CO2通過葉片上的氣孔進入植物，并通過光合作用固定在植物中，成為草地生態系統碳的主要碳源。自然界的植物包括C3植物、C4植物和極少數的景天酸代謝(Crassulacean acid metabolism,CAM)植物，植物的不同光合作用途徑是其劃分的依據。具有不同光合途徑的植物在光合作用中會產生13C豐度差異，從而使植株體內δ13C存在差異[16]，其差異可定量反映該區域植物群體輸入的光合碳量。研究表明，C3植物的δ13C值介于-20‰～-35‰，而C4植物的δ13C值在-9‰～-17‰變化，CAM植物δ13C的變化范圍介于二者之間為-10‰～-22‰[17]。植物δ13C值的不同是由于光合作用對13C的分餾所致。光合羧化酶(RuBP酶和PEP酶)對CO2的同化過程中，C3和C4植物對13C產生了判別，導致了不同光合途徑的植物具有不同的δ13C值。公式(1)和公式(2)分別為C3和C4植物光合作用過程中的碳同位素效應方程[18]:

δ13C葉片=δ13C大氣-a-(b-a)Ci/Ca

(1)

δ13C葉片=δ13C大氣-a-(b0+b×f-a)Ci/Ca

(2)

式中:δ13C葉片，δ13C大氣分別表示葉片內和葉外空氣CO2的δ13C值；δ13C大氣現在大約為-8‰,可看作固定值;a為CO2經由氣孔的擴散過程產生的物理過程分餾,大約為4.4‰;b和b0分別代表C3植物的RuBP羧化酶和C4植物的PEP酶羧化過程的碳同位素分餾系數,分別約為30‰和5.7‰;f為CO2從葉肉細胞滲漏到維管束鞘細胞的比率,通常為0.20～0.37；Ci/Ca為胞間CO2濃度和空氣CO2濃度的比率。Ci/Ca是研究植物光合作用必不可少的生理生態特征值,其反映了CO2需求和CO2供給的相對大小。

光合途徑的不同是植物穩定碳同位素組成的主要影響因素，植物對碳同位素的分餾作用同樣與植物種類密切相關[19]。另外，光照、溫度、CO2濃度和水分等許多環境因子也對碳同位素分餾產生影響[20]。在一定范圍內，光照強度的增加可以降低植物葉片的氣孔導度，增強光合羧化酶活性;CO2濃度升高能夠降低C3植物氣孔導度[21]，提高水分利用效率[22]。環境因子可以通過影響植物光合作用進而增加或減弱植物對碳同位素的分餾程度。

1.2 δ13 C可反映植被變遷

植物和土壤δ13C值記錄了植被的演替過程和生態系統的變化[23]。在C3和C4兩種類型植物的互相演替過程中，由于植物凋落物與根系分泌物直接影響表層土壤δ13C值，而C4植物δ13C值較C3植物相比更趨向正值，所以C4植物表層土壤δ13C值更大。有研究表明，以C4植物為主的土壤δ13C值隨著土層深度的加深而減小[24],C3植物則相反[9]。正因為C3和C4植物土壤δ13C值的表現不同，所以在植被變遷后會對表層土壤δ13C值產生影響。例如吳健等在對濱岸草地土壤δ13C的研究表明，在經以C3雜草為主要植被改造種植百慕大(Cynodondactylon)和白茅(Imperatacylindrica)兩種C4植物后，δ13C值隨土壤的加深呈現出先減小后增大的趨勢，這可能是由于土壤受到先前種植的C3植被與現在的C4植被混合影響造成的[24]。在草地退化的過程中，δ13C值也會發生變化。對青藏高原東部若爾蓋濕地正在退化的高寒沼澤草甸的研究表明:隨著草地的退化，草甸優勢種發生明顯變化，其草甸覆蓋率和物種豐富度明顯下降，并且土壤質地由淤泥壤土變成了含沙粒較多的沙壤土，表層土壤δ13C值明顯上升[9]。但草地退化后植物δ13C值的變化與土壤不同，對黃河源區典型高寒草甸的研究表明，植物δ13C的大小隨著草地退化而減小，這主要是因為草地退化導致地上生物量減少，光合效率降低，δ13C值偏低[25]。

1.3 環境因子對植被變遷的影響

δ13C值反映了目前該地區的植被狀況，光照、大氣CO2濃度、溫度和土壤水分等環境因素的變化可能對植物碳同位素分餾產生影響，而地表凋落物被微生物分解轉化為土壤有機質的過程中也會產生碳同位素的分餾，影響土壤13C的自然豐度[26]，因此δ13C值的變化可以反映出環境因子對植被分布及變遷的影響。光照強度的減弱和大氣CO2濃度的降低是植物光合作用的主要限制因子，只不過較弱的光照強度會減小植物δ13C值，而低濃度的CO2使植物δ13C值增大[27]。

對青藏高原C3和C4植物分布的研究發現，高緯度高海拔的河源區高寒草甸植物δ13C值變化范圍介于-29.50‰～-24.69‰，均屬于C3植物[25];緯度較低的高海拔地區發現了8種C4植物，其δ13C值變化范圍介于-13.69‰～-11.10‰[28];而在低海拔地區陽坡發現了以C4植物為主的植物群落，其δ13C值變化范圍介于-16.90‰～-11.20‰[29]。我們可以發現青藏高原地區C4植物主要分布在氣溫相對較高的低緯度或低海拔地區，因此可以推測溫度可能是C3和C4植物分布和變遷的一個重要因素。

人類活動和氣候變化的綜合影響降低了地下水位是草地退化的主要原因之一，地下水位的下降導致腐殖質沉積以及碳的流失[30]，并且減少了植被覆蓋和生物多樣性[31]。δ13C值的變化可提供環境變化的證據，降水量和環境濕度的不同會導致C3植物δ13C值發生改變。研究表明，在若爾蓋高原高濕沼澤草甸退化演替過程中，地下水位的下降導致環境濕度較低[30]，而低濕度和降水少的情況下會降低植物葉片的氣孔導度，降低葉片胞間和周圍大氣CO2的梯度(Ci/Ca)[18]，所以濕潤生態系統中C3植物的δ13C值比干旱地區的δ13C值要小。退化草地地下水位下降，土壤含水率低，表層土壤的微生物在相對干燥的土壤環境中降解率相對較低，土壤δ13C值更接近植物的δ13C值[32]。所以，在草地退化后環境濕度降低，植物δ13C值會增大，相應的表層土壤δ13C值也會有相同的趨勢。

2 穩定碳同位素對草地植被碳素去向的示蹤

2.1 草地生態系統對土壤有機碳(SOC)的貢獻

植物群落作為陸地生態系統土壤有機質的主要來源，可通過地表凋落物(枯枝落葉和死根等)分解、根系分泌物和細根周轉等方式將光合作用同化的碳輸入到土壤。大多數的土壤有機質是由植被根部所積累的葉類殘留物經過土壤微生物的轉化形成的。由于植物凋落物是土壤有機質的主要來源，土壤δ13C反映了植物δ13C特征和隨后土壤微生物分餾過程的綜合影響[33]，一般來說，表層土壤中的δ13C值直接反映了當前植被凋落物的碳輸入情況[32]。

穩定碳同位素示蹤技術為原位跟蹤和量化陸地生態系統中的碳流動提供了一種合適的方法。從脈沖標記后的枝條到地下分配的13C流的速率和數量可用于量化最近固定的植物光合產物對生態系統土壤碳庫的貢獻，這一部分主要是植物根系及其分泌物對土壤碳庫的貢獻。在不同的植物和生態系統中，碳在不同碳庫中的轉移有很大的不同。穩定碳同位素示蹤技術表明，草地植被向地下分配的同化碳的比例在28%～48%[34]。Hafner等研究發現，放牧草地18%的光合碳進入到地下被土壤所固定[35]。Wu等對高寒草甸植物的碳分配研究表明，約有59%的新固定碳轉移至地下部分，其中7.3%經過轉化成為新的土壤[36];黑麥草(Loliumperenne)和蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)分別將其新固定碳的56%～69%和38.4%轉移至地下部分，其中留在土壤碳庫的比例分別為13%～21%和22%[37-38]。相比于草地植物，其他生態系統將碳固定到土壤的比例相對較小。谷類作物光合作用固定的碳約有20%～30%輸入到地下部[39]，其中水稻(Oryzasativa)固定的光合碳約有2%～10%輸入到土壤[40];荒漠植物白刺(Nitrariatangutorum)將約有16%的碳轉移到土壤碳庫中[41]。另外，吳健等根據穩定碳同位素自然豐度，使用穩定同位素混合模型，利用植物樣帶δ13C值，計算了新輸入有機碳轉移到土壤中的比值，并發現不同植物對SOC的貢獻率有著較大的差異[24]。

2.2 土壤團聚體固碳機理研究

利用穩定碳同位素技術能夠準確標識土壤中新輸入碳的存在狀態和周轉過程，揭示微生物在土壤碳循環和周轉過程的機理性問題。有研究利用穩定碳同位素的自然豐度證實了土壤最新沉積的有機質顆粒分布并非隨機的，抗溶解的大團聚體在新有機質中富集[42]，新鮮大顆粒有機質可以通過土壤微生物分泌有機物、改變土壤疏水性以及物理纏繞等方式被分解，進而促進土壤團粒結構的形成和穩定。表層土壤中接近90%的SOC位于團聚體內，穩定的土壤團聚體形態可以減少SOC的分解，有學者利用13C示蹤標記技術揭示新有機碳在土壤團聚體有機組分的轉化情況，結果表明有機碳是首先由大團聚體轉移到微團聚體內，并且隨著團聚體級別的減小碳的周轉速率逐漸變慢[43]。這是因為土壤團聚體內部孔隙度低，空氣和水分無法直接進入，從而大團聚體阻礙了微生物對有機碳的持續分解[44];而微團聚體內的孔隙甚至小于細菌進入的最低限度，微生物只能通過分泌胞外酶向團聚體內部擴散來分解有機碳，而這一過程將消耗大量能量[45]，土壤團聚體對微生物的物理隔絕降低了有機碳的分解;另外，化學穩定機制也是減少SOC分解的主導機制，它可以使有機碳與礦物質顆粒通過范德華力、氫鍵、靜電引力等方式結合形成穩定狀態的有機無機復合體。Angers等采用了穩定同位素示蹤標記技術，將小麥秸稈用13C，15N雙標記，檢測了秸稈分解過程中C和N在團聚體內的存在狀態，得出了在大團聚體內部形成微團聚體的結論[46]。隨后Six等提出了大團聚體“生命循環”的概念模型解釋此結論[47]。有機質又可以將微團聚體膠結成大團聚體，并且處于生長狀態的根系和菌絲也可以增加大團聚體有機碳的含量，增強了土壤的固碳能力[48]。關于土壤碳固定的微團聚體保護機制是目前的研究熱點之一，而利用穩定同位素的相關技術可以明確這一過程。

2.3 不同類型草原穩定碳同位素分布值

我國草地類型豐富，不同草地類型具有不同同位素分布值。根據不同類型草地或草原土壤的13C的自然豐度，比較其δ13C值的大小，可以更加明確不同地理環境下環境因子對不同類型草地生態系統有機碳循環的影響。Yao等[49]研究表明，全國不同類型草原土壤δ13C值大小順序為:平原草甸>荒漠草原>典型草原>高寒草原>山地荒漠草原>高寒草甸>草甸草原。陳芃娜等研究也有相似規律，并且表明海拔2 100 m為分水嶺，高海拔和低海拔處的表層土壤的δ13C值變化趨勢不一致，高海拔處SOC同位素δ13C值呈現隨海拔升高而增大的趨勢[50]，也有學者發現了類似的規律，二者臨界海拔有所不同[51]。張月鮮等在中國西北地區不同類型草原穩定碳同位素的研究中表明土壤δ13C值的大小順序荒漠草原>亞高山草原>山地荒漠草原>高山草甸和高寒草甸[52]。荒漠草原基本處于低海拔和植被生物量低的干旱—半干旱地區，與濕潤地區相比植物δ13C值要大[9]，所以對于土壤有機質來源較為單一的荒漠草原來說，土壤δ13C值要相對高于其他類型草原。在一定海拔高度內，δ13C值較大的C4植物主要分布于低海拔地區[29]，所以影響低海拔地區不同草原類型δ13C值大小最重要因素可能是植被類型的差異，而高海拔地區不同類型草原δ13C值的大小主要受光照，溫度和土壤水分等因素影響。我國不同地理環境造成的環境因子的差異較大，通過影響有機質的分解轉化，進而影響碳同位素的分餾效應，最終導致δ13C值的不同。將穩定碳同位素方法與其他物種和其他領域(森林和海洋)的δ13C相結合，或多或少有助于在草地上建立更詳細的全球同位素梯度[49]。

2.4 土壤不同土層有機碳動態變化

大多數關于SOC分解的研究僅集中于表層土壤，而更多的研究認識到，深層土壤也含有大量的碳[53]，這些碳也可能隨著時間的推移而分解或轉移。對整個土壤剖面中SOC分解速率的綜合估算可以幫助我們更好地了解和預測SOC對氣候變化的響應。土壤中穩定碳同位素組成已被認為是SOC分解的綜合指標[54]，土壤δ13C與對數轉化的SOC濃度之間的線性回歸斜率β值與SOC分解具有較強的聯系，β值越低SOC分解的越快[55]，因此利用穩定碳同位素技術是理解區域和全球范圍土壤碳動態的一種潛在方法。有研究表明，SOC隨著土層深度和土壤δ13C值的增加而減小，土壤δ13C值和SOC隨深度的變化與微生物和物理混合的過程有關[9]。人們普遍認為，土壤δ13C值隨深度增加是微生物分解過程中同位素分餾造成的[26]。微生物在SOC分解過程中傾向于優先分解較輕的12C組分[56]，因此13C組分在分解的底物中積累，深層土壤中的殘余有機碳就富含13C。然而，環境條件不同，土壤微生物種群和SOC分解速率也有所差異，不同微生物種群碳同位素的分餾作用導致的不同土壤δ13C值與SOC分解速率的關系需要進一步研究。

3 穩定碳同位素對生態系統碳流判定方法

作為天然標記物，穩定同位素可以量化多種來源對混合物的貢獻，這種量化方法越來越多的用于生態學、生物學和地球化學研究中。對于有機混合物物源的判別，可根據不同來源的有機物中穩定碳同位素豐度的明顯差別這一特征來進行[57]。生態學的研究中通常利用混合模型來定量區分有機物質來源及貢獻比例，較為常用的有線性混合模型和基于貝葉斯統計方法的混合模型等[58-64]。

土壤碳庫貢獻率的分析需要考慮研究區域的碳源數量和各碳源與產物的穩定同位素值是否滿足模型要求兩種因素[58]，線性回歸方法可以定量分析各來源對混合物的貢獻比例。Román等[59]使用Iso source 1.3.1軟件，根據同位素線性回歸混合模型，利用δ13C值估算了陸地和海洋來源物質對西班牙西北伊比利亞半島河口地區草甸沉積物碳的相對貢獻。王丹等[58]在研究互米花草對濱海濕地土壤碳庫的貢獻時分別采用二源和三源混合模型計算土壤有機碳庫各來源的貢獻率，根據試驗結果分析后與前人[60]單一運用二源混合模型的結論相比較，指出對土壤有機質進行定量溯源分析時，應根據研究區域可能存在的碳源數量和植被組成來選擇合適的穩定同位素混合模型，才能相對準確地進行分析。然而線性回歸方法適用范圍較窄，無法對多個來源的混合物進行定量區分。

目前，貝葉斯混合模型是用來確定混合物組成比例的常用模型之一[11]，該模型利用貝葉斯算法，集合可能的多種來源的同位素特征值，允許納入信息分析前的一些條件，推出SIAR軟件包用于計算混合物比例[65]。使用貝葉斯混合模型計算混合物來源的方法被廣泛使用，有研究運用Ordinary Least Square(OLS)法和貝葉斯法比較分析了土壤呼吸對C4草地生態系統夜晚碳通量的貢獻度，研究發現土壤呼吸對生態系統呼吸的貢獻約為80%左右，并且貝葉斯法更能反映生態系統的真實情況，可以降低結果的標準誤差[61]。Kubo和Kanda利用貝葉斯混合模型分析得出東京灣表層沉積物以海洋有機質為主，約占總有機質的69%[62]。Garcias-Bonet等測定了海陸沉積物中的海草和紅樹林沉積物的碳同位素組成，通過貝葉斯同位素混合模型表明，海草葉片和大型藻類葉片是海草沉積物中有機物積累的主要因素，紅樹林葉片是紅樹林沉積物的主要貢獻者[63]。Yu和Zhang利用雙同位素MixMIR模型，通過測定穩定同位素組成(δ13C和δ15N)，估算了海洋、河流和大氣沉降物對渤海半封閉海域有機質的相對貢獻率分別為69.0%，9.6%和21.4%[64]。

在對簡單線性模型和貝葉斯混合模型評估中，認為簡單線性模型方法中只使用一種同位素會導致較大的誤差，而基于貝葉斯方法的混合模型可以同時使用兩種同位素則可修正誤差估計值，比簡單線性模型方法更準確[66]。總之，線性混合模型簡單直觀，易于計算，但在普適性和精度方面仍然不足，貝葉斯同位素混合模型使用了多種同位素以及參數設定，提高了模型估計的準確性。

4 結論與展望

穩定碳同位素技術對研究草地生態系統碳循環具有重要意義。利用穩定碳同位素的自然豐度，可以根據植被δ13C值了解該地區C3植物和C4植物的分布，可以很好獲悉植被的短期演替過程。另外通過研究環境因子對植物中穩定碳同位素的影響，在全球氣候變化大背景下，討論環境和人為因素對草地植被的自然演替，過度放牧導致的草地退化和封育對草地植被恢復等過程中產生的作用程度是否可以用δ13C值來反映。此外，穩定碳同位素可以揭示碳在土壤團聚體中的賦予狀態和周轉過程以及固碳機理。然而，考慮到草地生態系統復雜而多變，以往的研究中或多或少簡化或低估了該過程的復雜程度，未來的研究中我們需要加強以下幾方面的研究。

從過去的研究中我們已經了解了土壤有機質的來源主要是地表凋落物(枯枝落葉和死根等)分解、根系分泌物和細根周轉，但這些組分對土壤的貢獻比例還不是很清楚。穩定同位素模型不僅可以對表層土壤有機質的來源進行判別，并且可以計算出各組分的貢獻比例，更加明確草地生態系統碳循環中各組分的轉移程度，對明確生態系統的碳流移動有重要意義。

深層土壤碳來源及去向的判定目前研究較少。到目前為止，大多數研究都集中在表層土壤碳動力學。與生態系統SOC來源相比之下，深層土壤含有全球一半以上的SOC，使用0—100 cm土層碳儲量來估算土壤碳儲量將導致嚴重低估;盡管就可能的碳儲量變化而言，表層土壤可能更具動態性，但不應忽略100—500 cm土層中的大型碳儲量及其動態[53]。與表土相比，深層土壤具有不同的有機質來源和微生物群落，其微生物活性和功能在全球變暖的背景下有更強烈的響應。

此外，我們還可以利用穩定同位素模型來計算土壤不同土層之間的動態變化，更加明確不同環境因素對深層土壤碳流的影響，深入研究土壤SOC的組成以及碳的來源和分配對揭示不斷變化的SOC動態和對氣候變暖的響應具有重要意義。