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【熱點(diǎn)Focus】碳同位素示蹤技術(shù)及其在陸地生態(tài)系統碳循環(huán)研究中的應用與展望

發(fā)表時(shí)間:2023-07-25瀏覽量:143


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文章來(lái)源

葛體達, 王東東, 祝貞科, 魏亮, 魏曉夢(mèng), 吳金水. 碳同位素示蹤技術(shù)及其在陸地生態(tài)系統碳循環(huán)研究中的應用與展望. 植物生態(tài)學(xué)報, 2020, 44(4): 360-372. DOI: 10.17521/cjpe.2019.0208

 

原文鏈接

https://www.plant-ecology.com/CN/10.17521/cjpe.2019.0208

 

 

13C穩定同位素作為示蹤物, 與放射性碳同位素相比具有安全、無(wú)污染和容易控制等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應用于陸地生態(tài)系統碳循環(huán)的生物地球化學(xué)過(guò)程研究。隨著(zhù)碳同位素示蹤技術(shù)的廣泛應用和迅速發(fā)展,多種碳同位素示蹤技術(shù)及其與其他光譜和微生物探針技術(shù)聯(lián)用,對于揭示從微觀(guān)到宏觀(guān)尺度的碳循環(huán)過(guò)程起著(zhù)重要作用。

 

圖1 碳同位素示蹤技術(shù)及其與其他技術(shù)的耦合應用

 

 

 

碳同位素示蹤技術(shù)的原理與分析方法

碳同位素原子質(zhì)量的微小差異,使得含有不同同位素的物質(zhì)具有不同的理化性質(zhì),導致不同的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應,在物理、化學(xué)和生物等反應過(guò)程中出現同位素分餾現象。碳循環(huán)過(guò)程中,同位素交換反應使無(wú)機鹽(如碳酸鹽)富集重同位素(如13C);而碳的有機循環(huán),如光合作用的動(dòng)力分餾效應導致生物成因碳(有機物)中富集輕同位素(如12C),從而導致陸地生態(tài)系統中有機體和大氣CO2之間的碳循環(huán)過(guò)程中,出現明顯的碳同位素分餾現象。植株光合作用過(guò)程差異或土壤有機碳不同條件下微生物礦化過(guò)程差異,都會(huì )導致不同碳庫的碳同位素比值(δ13C)呈現差異。所以, 通過(guò)測定各個(gè)碳庫中碳同位素比值的變化,可以量化“大氣-植物-土壤”生態(tài)系統中碳的來(lái)源、分配及其周轉規律。

 

質(zhì)譜法、核磁共振法和光譜法是測定穩定碳同位素常用的方法。隨著(zhù)元素生物地球化學(xué)循環(huán)研究的進(jìn)一步發(fā)展,以及元素分析儀-同位素質(zhì)譜(EA-IRMS)和熱分析-傅里葉變換紅外光譜-氣相色譜-質(zhì)譜(STA-FTIR-GC-MS)等聯(lián)用技術(shù)的興起,極大促進(jìn)了碳同位素分析測試技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái),在生態(tài)系統相關(guān)的科學(xué)研究中,穩定碳同位素示蹤技術(shù)還與其他技術(shù)的進(jìn)行耦合,如原位檢測技術(shù)(13C穩定同位素探針-拉曼顯微光譜技術(shù)(SIRM)、穩定碳同位素探針-納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)(NanoSIP)、分子生物學(xué)技術(shù)(13C同位素探針-磷脂脂肪酸(PLFA-SIP))等。

 

穩定碳同位素示蹤技術(shù)

“大氣-植物-土壤”系統碳循環(huán)過(guò)程中的應用

 

基于C3/C4植物δ13C的不同, 碳同位素組成可以用于區分植物的C3和C4光合途徑以及不同植物功能群結構變化。已有研究通過(guò)測定不同碳組分(可溶性碳水化合物和結構性碳庫)的δ13C值,從而估計植物水分利用效率和光合作用在不同時(shí)間尺度上的變化。也有學(xué)者通過(guò)土壤碳自然豐度δ13C的變化,來(lái)研究土壤碳庫中活性組分碳(微生物生物量碳(MBC))的周轉速率和穩定性。隨著(zhù)分析方法測試精度的提高,采用碳同位素配對標記實(shí)驗, 只要SOC和其他一種或是兩種碳源的碳同位素比值間有較為明顯的差別,也可以解析多碳源相互作用及其對土壤呼吸的貢獻,這對于研究復雜生態(tài)系統中碳通量和凈碳平衡具有重要的應用價(jià)值。

 

碳穩定同位素人工標記技術(shù)也在實(shí)際研究中扮演重要角色,如:13C貧化示蹤技術(shù)結合的FACE實(shí)驗是研究CO2濃度增加的微域環(huán)境中SOC周轉的常用方法。目前全球已建立十余個(gè)涉及森林,農田和草地等多個(gè)生態(tài)系統和多種植被類(lèi)型的13C-FACE平臺,闡釋了大氣CO2濃度升高條件下,不同生態(tài)系統植物生理與光合效率、養分和水分利用、土壤呼吸、土壤碳的輸入量及周轉率和微生物響應等過(guò)程機制。

 

另外脈沖標記法、13C富集底物標記技術(shù),也是重要手段。已有研究利用13CO2脈沖標記結合生物標志物(磷脂脂肪酸)的穩定碳同位素探針技術(shù)(13C-PLFA-SIP),發(fā)現了碳從水稻向土壤微生物快速轉移的現象,且隨著(zhù)水稻生長(cháng)期的變化根際碳的微生物同化量顯著(zhù)增加,真菌及革蘭氏陰性菌是主要的同化微生物。13C富集底物標記技術(shù)的典型應用是在實(shí)驗土壤中加入13C標記的底物,以未標記的底物為對照,結合PLFA、氨基糖等生物標志物技術(shù),測定13C在土壤各組分有機碳的量及其來(lái)源,有助于闡明外源碳對土壤碳儲量的貢獻。

 

問(wèn)題與展望

目前應用碳同位素示蹤技術(shù)對C3/C4植被演替、土壤有機質(zhì)源匯和各組分的周轉及其微生物響應機制等方面進(jìn)行了大量研究并日趨成熟,而對于植物-土壤碳循環(huán)中植物、微生物以及土壤動(dòng)物(如原生動(dòng)物、線(xiàn)蟲(chóng)和節肢動(dòng)物等)所扮演的角色及其循環(huán)機理研究較少。盡管碳同位素示蹤在植物生理生態(tài)研究中已發(fā)揮重要作用,但許多物理、化學(xué)和生物過(guò)程還不十分清楚;放牧、施肥、耕作等人類(lèi)活動(dòng)等多種因素可直接影響或與氣候協(xié)同作用影響植被變化以及導致土壤有機質(zhì)變化的綜合研究尚需深入;還缺乏碳與其他養分元素的化學(xué)計量學(xué)方面的研究,以及碳、氮、磷、硫、氧等多種同位素聯(lián)合探測技術(shù)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的綜合開(kāi)發(fā)及應用。但仍需要在(1)穩定碳同位素耦合光譜成像技術(shù)的高精度原位檢測方法、(2)碳同位素耦合超高分辨率成像技術(shù)、(3)穩定碳同位素探針技術(shù)耦合微生物生態(tài)學(xué)多組學(xué)分析技術(shù)、(4)有機碳的來(lái)源與周轉通量的多碳源解析技術(shù)等方面付出更多的努力。

 

特別鳴謝

 

 

感謝葛體達研究員對本文的修正與支持!

 

 

 - END - 

 

 

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