穩(wěn)定同位素在植物水分來源及利用效率研究中的應(yīng)用

吳駿恩 劉文杰 朱春景

(1.中國科學院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學重點實驗室, 云南 勐侖 666303；2.中國科學院大學, 北京 100049)

穩(wěn)定同位素在植物水分來源及利用效率研究中的應(yīng)用

吳駿恩1,2劉文杰1朱春景1,2

(1.中國科學院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學重點實驗室, 云南 勐侖 666303；2.中國科學院大學, 北京 100049)

介紹了穩(wěn)定氫、氧、碳同位素技術(shù)在定量區(qū)分植物水分來源及利用效率研究中的應(yīng)用。以往大量研究結(jié)果表明，由于植物根系在吸收水分過程中沒有發(fā)生同位素分餾，所以通過比較和分析植物木質(zhì)部水分及其可利用水源的氫氧同位素δ值，就可以定量判斷植物的水源；植物在光合作用過程中會產(chǎn)生碳同位素的分餾，從而使得植物葉片中的碳同位素組成能夠成為指示植物水分利用效率的一個間接指標，是目前研究植物葉片長期水分利用效率的最佳方法；穩(wěn)定同位素技術(shù)作為安全的示蹤劑，有助于人類了解植物的生理生態(tài)功能，隨著該技術(shù)的不斷完善和研究的不斷深入，同位素技術(shù)將會在生態(tài)學研究的許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

穩(wěn)定同位素；植物；水分來源；利用效率

伴隨著極端天氣事件的增加，陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)已經(jīng)成為當前科學研究的熱點。全球變化的一個重要內(nèi)容是區(qū)域降雨格局的變化，它對生態(tài)水分平衡與植被分布都產(chǎn)生了極為重要的影響[1]，尤其是植物吸收和利用水分的模式。因此，定量研究植物的水分利用模式，不僅有助于了解由降雨格局變化所導致的植被時空變化規(guī)律[2]，還能指導人們選擇合適的植物進行植被建設(shè)與恢復工作。

傳統(tǒng)研究植物水源的方法一直都很困難，如根系挖掘法，雖然可以確定植物可利用的水源，但無法判斷其主要水源，因為根系的存在并不意味著這些根在水分吸收方面活躍，植物群落中的根系分布策略被認為是生態(tài)位分化的一種形式，所以根系分布僅代表水分的可利用性而非水分本身分布的結(jié)果[3]；此外還有根據(jù)地表以下各土層土壤含水量變化以及植物體水分指標的季節(jié)變化研究水源的方法，這些方法受環(huán)境因素影響大，很難精確地判斷植物的水源[4]。相比較而言，穩(wěn)定同位素技術(shù)具有較高的靈敏性與準確性，是目前判斷植物水源較為先進和準確的方法。

水分利用效率(WUE)是耦合植物光合與水分生理過程的重要指標，是指植被光合作用生產(chǎn)的干物質(zhì)量與蒸散作用消耗的水量之比，是聯(lián)系植被生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和水循環(huán)的關(guān)鍵因子，具有極為重要的生理學、生態(tài)學和水文學意義[5]。早前，國內(nèi)外關(guān)于WUE的研究方法都比較直接和簡單，常見的方法有田間測量法與氣體交換法。其中田間測量法需要進行大量繁重的工作，且受人為因素影響太大；而氣體交換法所測量的WUE為瞬時水分利用效率，只能反應(yīng)植物在某一時刻的WUE，且受環(huán)境因素影響較大；相比之下，穩(wěn)定同位素技術(shù)不僅可以克服傳統(tǒng)方法中遇到的困難，更因其準確性，成為目前研究植物葉片長期水分利用效率的最佳方法。

1 穩(wěn)定同位素技術(shù)發(fā)展概況

20世紀30年代，Urey等[6]發(fā)現(xiàn)了重氫(D)，同時發(fā)現(xiàn)不同水體中重氫含量不同。然而，穩(wěn)定同位素作為獨特的示蹤劑，在當時主要應(yīng)用于巖石、生物、海洋、河流、地下水及各種礦床等領(lǐng)域的研究中[7]。直到20世紀50年代初，穩(wěn)定同位素開始大量應(yīng)用于水環(huán)境科學領(lǐng)域。從20世紀80年代到現(xiàn)在，這項技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到植物水源的研究中，從植物個體到種群，再從種群到群落；從研究森林到各式各樣的植物群落；從區(qū)分植物對雨水、土壤水、地表徑流和地下水的利用到區(qū)分對霧水露水的利用。如今，穩(wěn)定同位素技術(shù)已成為生態(tài)學研究的重要手段[8]。

2 穩(wěn)定同位素值的表示方法

自然界中穩(wěn)定同位素的含量極低，要用絕對豐度來表達同位素的差異是非常困難的，所以同位素含量通常用相對量來表示，即:

δX= (Rsample/Rstandard- 1)×1 000

( 1 )

式中：Rsample是樣品中元素的重輕同位素豐度比(如D/H,16O/18O)；Rstandard是國際通用標準物的重輕同位素豐度之比(氫、氧穩(wěn)定同位素采用v-SMOW標準，碳穩(wěn)定同位素采用v-PDB標準，如13Cstandard/12Cstandard)。

在植物水分利用策略的研究中，主要的可利用穩(wěn)定同位素有碳、氫、氧，它們的主要來源分別是CO2和H2O，其組成參考標準如表1所示。

表1 同位素組成的國際參考標準[9]

注：H和L分別代表重同位素和輕同位素。

3 氫氧穩(wěn)定同位素在定量判斷植物水分來源中的應(yīng)用

植物體內(nèi)的水主要來自于大氣降水、土壤水、地表徑流和地下水等。由于水在循環(huán)過程中發(fā)生了包括蒸發(fā)、凝聚、降落、滲透等物理化學過程，從而引起了同位素的分餾[10-11]，使得這些水體各自都具有不同的氫氧同位素值。然而植物根系在吸水過程中氫氧同位素是不會發(fā)生分餾的[12-13]，即導管內(nèi)水與根系吸收水的氫氧同位素在組成上是一致的。因此，通過分析植物木質(zhì)部水和各水源的氫氧同位素組成就可以確定植物的水分來源。

3.1 氫氧穩(wěn)定同位素研究植物水分來源的模型

3.1.1二項和三項線性混合模型 植物木質(zhì)部水分的氫氧同位素值是多種水源氫氧同位素混合組合的結(jié)果。當植物有2種水源時，可用如下公式計算其貢獻率[14]：

δD=f1δD1+f2δD2

(2)

δ18O =f1δ18O1+f2δ18O2

(3)

f1+f2=1

(4)

當存在3種水源時，計算公式依此類推：

δD =f1δD1+f2δD2+f3δD3

(5)

δ18O =f1δ18O1+f2δ18O2+f3δ18O3

(6)

f1+f2+f3=1

(7)

其中：δD (δ18O )由植物木質(zhì)部水分的穩(wěn)定氫(氧)同位素組成；δD1(δ18O1)、δD2(δ18O2)、δD3(δ18O3)為水源1、2、3的穩(wěn)定氫(氧)同位素組成；f1、f2、f3為水源1、2、3在植物所利用的水分總量中所占的百分數(shù)，和值為1。

3.1.2IsoSource 模型 當植物可能利用的水源過多時，測定的同位素種類就不能滿足線性混合模型的要求。據(jù)此，Robert Gibson公司開發(fā)了IsoSource模型[15]。該模型可以不受水源個數(shù)和測定同位素種類的限制，鞏國麗等[16]曾用該模型研究格爾木白刺的水源，同時還將該模型與其他模型進行了對比。

運行模型前需要設(shè)置來源增量(source increment)和質(zhì)量平衡公差(mass balance tolerance)2個參數(shù)[15，17]，模型運行計算的結(jié)果是一個由最大值和最小值組成的范圍值。2種模型都是計算植物各水源貢獻率的常用方法，但需注意的是各可能水源之間同位素值差異越小，計算結(jié)果與實際情況的誤差就越大。增加差異的方法有2種[18]：一種是人為地向各潛在水源添加不等量重水(D2O)；另一種是增大各可能水源樣品的數(shù)目。

3.2 植物水源的研究

3.2.1不同生活型植物的水源 植物生活型是與其生境相聯(lián)系的，是植物體與環(huán)境間某種程度上統(tǒng)一性的反映。不同生活型的植物即使處于同一生境之中，其水分來源也是不同的[19-20]，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是根系空間分布的不同以及植物葉片物候的差異[21]。水源的不同使得植物之間水分利用模式呈現(xiàn)互補性，比如同一生境的共生植物會分別利用不同深度的土壤水[22]，這種用水策略能大大促進物種之間的共存，使群落更穩(wěn)定[23]。若將植物水分利用模式與植物的生理生態(tài)狀況、環(huán)境條件相聯(lián)系，還能獲得植物增強其水分管理的重要信息，從而指導人工群落的建設(shè)[24]。一般情況下，草本植物主要利用最近一次降雨所補給的淺層土壤水；除深根性灌木主要利用深層土壤水或地下水外，其余大部分灌木利用的是混合水源；落葉植物在夏季受水分脅迫時，利用地下水的比例比針葉植物更多。

3.2.2不同水源對植物水分的補給 水源在支撐生態(tài)系統(tǒng)植物群落生長的同時，會不斷影響和塑造植物的特性，使得植物產(chǎn)生一系列獲得與利用水分的特性，如根系空間分布結(jié)構(gòu)，水力特征和氣孔功能等。同時，植物可能會在遺傳和個體發(fā)育等方面發(fā)展根系來利用水分[25]，因此，研究不同水源對植物的補給具有重要的意義。

雨水作為植物的重要水源，是大部分學者研究的重點，有研究發(fā)現(xiàn)，干旱地區(qū)的植物會在雨季儲存大量的雨水來滿足旱季的用水量[26]。土壤水是植物能直接利用的水源，即使生長在河岸邊的植物也并非直接將河水作為其主要的水源[27]。除了土壤水，有的植物還能利用具有儲水能力的石灰?guī)r基巖中的水[28]。而在干旱半干旱地區(qū)，地下水又會成為植物的主要水源[29]。除此之外，還有學者展開了霧水，露水和土壤、葉片吸附水的相關(guān)研究[30-32]。

值得一提的是植物的用水模式及其水分利用率是與水量相關(guān)的。在一定范圍內(nèi)，植物對某一水源的利用率是隨著水量的增加而增加的[19,33-34]，這種隨水量變化的水分利用模式不但能增強植物的儲水能力，還能維持其正常的蒸騰作用。

3.2.3不同季節(jié)植物對水源的選擇 由于太陽輻射或季風變化，會使植物水源的水量及其氫氧同位素值發(fā)生季節(jié)變化，水量的變化會使植物相應(yīng)地調(diào)整自身的用水策略，而同位素值的變化使得研究水源變化規(guī)律成為可能。一般來說，大部分植物在旱季主要吸收深層的土壤水和地下水，而到雨季水量充足時會轉(zhuǎn)而吸收淺層的土壤水，一定閾值內(nèi)，其吸收利用率與可獲得的水量是成正比的[35-37]。

同時，由于雨水的季節(jié)性補給以及土壤表層水分的蒸發(fā)影響，土壤垂直剖面含水的氫氧同位素組成會出現(xiàn)梯度變化。據(jù)此可測定不同深度土壤水及植物木質(zhì)部水分的氫氧同位素值，計算出各土層水分的貢獻率，從而探索其季節(jié)變化規(guī)律[27,38-40]。

4 碳穩(wěn)定同位素在研究植物水分利用效率中的應(yīng)用

水分利用效率(WUE)是反映植物水分利用特性的一個重要參數(shù)，主要取決于植物的光合、呼吸與蒸騰3個作用的耦合過程[5]。其中，光合作用是自然界中產(chǎn)生分餾的最重要過程，光合作用途徑不同的植物，即C3、C4和CAM植物，其不同的分餾方式使得其具有顯著不同的δ13C值，據(jù)此可由δ13C值來區(qū)分植物的光合作用類型[41]。此外，環(huán)境對植物光合作用過程中CO2的羧化和葉片氣孔導度的影響也會造成植物穩(wěn)定同位素13C的分餾產(chǎn)生差異[42]。

4.1 穩(wěn)定碳同位素研究植物水分利用效率的方法

穩(wěn)定碳同位素Δ值是表示碳穩(wěn)定同位素分餾效應(yīng)大小的一種方法，表示如下[43]：

Δ= (δ13Ca-δ13Cp)/(1 +δ13Cp)≈

δ13Ca-δ13Cp

(8)

對于C3植物而言，δ13C分析是評估植物葉片中細胞間平均CO2濃度的有效方法。C3植物的δ13C值可由下式來表示[43]：

δ13Ca=δ13Ca-a -(b3-a ) ×Ci/Ca

(9)

即ΔC3=a+(b3-a)×Ci/Ca

(10)

其中：δ13Cp和δ13Ca分別為植物葉片組織及大氣中CO2的碳同位素比率；a是氣孔擴散過程中發(fā)生的分餾，其分餾值約為4.4‰；b3為羧化反應(yīng)過程中發(fā)生的同位素分餾，其值約為30‰；而Ci和Ca分別為細胞間和大氣的CO2濃度。

對于C4以及CAM植物而言，13C的分餾要顯得更為復雜。首先，進入到C4和CAM植物葉片中的CO2一開始是由PEP羧化酶固定的，不同于C3植物是先由RuBisCO固定CO2；其次，C4和CAM植物還涉及到CO2通過氣孔的擴散效應(yīng)，以及溶解和轉(zhuǎn)化為HCO3-等復雜過程的分餾[44]。因此，它們各自表現(xiàn)出不同δ13C值。一般來說，C3植物的δ13C值介于-22‰ ～-38‰；C4植物的δ13C值則介于-9‰ ～-16.8‰；而CAM植物固定CO2的模式雖然與C4植物相似，但在不同的干旱條件下，它能在C3和CAM途徑間進行任意切換，所以其δ13C值介于典型的C3和C4植物之間[18]。

對于C4植物而言，其δ13C值的表示可以簡化如下[43]：

δ13Cp=δ13Ca-a-(b4+b3φ-a)×

Ci/Ca

(11)

即ΔC4=a+(b4+b3φ-a)×Ci/Ca

(12)

其中:b4表示的是PEP羧化酶羥化反應(yīng)過程中發(fā)生的同位素分餾，其值約為-5.7‰；b3為RuBisCO酶發(fā)生羥化反應(yīng)產(chǎn)生的同位素分餾，其值約為30‰，φ為維管束鞘中的CO2滲漏到葉肉細胞間隙中，沒有被PEP羥化酶所固定的比例，約為0.21。

計算植物水分利用效率的公式如下[43]：

A=g×(Ca-Ci)/1.6

(13)

E=g×ΔV

(14)

(15)

式中：A代表光合速率；E代表蒸騰速率；g代表氣孔傳導率；ΔV代表葉片內(nèi)外水氣壓差；而數(shù)值1.6表示的是水蒸汽和CO2在空氣中的擴散比率。

由上述所有公式可以看出，植物葉片δ13C值(δ13Cp)與胞間CO2濃度(Ci)相關(guān)，δ13C值隨Ci值增大而降低，又由于WUE與Ci值之間顯著相關(guān)，可發(fā)現(xiàn)高的WUE對應(yīng)著較高的δ13C值，即WUE與δ13C值呈正相關(guān)。因此，通過測定植物葉片δ13C值就可用來間接反映植物的WUE了。由于所測定的δ13C值是植物整個生長周期中對碳的吸收，所以它表示的是植物的長期水分利用效率。

4.2 植物水分利用效率的研究

4.2.1不同光合作用途徑植物δ13C與WUE的關(guān)系 Farquhar等認為，植物組織的δ13C和Δ13C與C3植物的WUE具有很強的相關(guān)性，可以作為C3植物WUE的間接測定指標[45]，這一觀點也得到了學術(shù)界普遍的認同。國際上，碳穩(wěn)定同位素技術(shù)比較廣泛地應(yīng)用于指導C3作物的生產(chǎn)，Tambussi等[46]就對C3作物的Δ值與產(chǎn)量、生理特征及其與WUE的關(guān)系進行了整合報道。相比之下，目前對于C4植物的研究還比較少，常見的主要是對玉米等C4作物的研究[47-48]，這主要是因為很多C4植物的δ13C值與其WUE的相關(guān)性不太明顯[49]。而關(guān)于CAM植物WUE的研究，Gravatt等[50]]曾發(fā)現(xiàn)CAM植物蘋果酸波動與WUE的增加沒有相關(guān)性，但植物葉片的δ13C卻能反應(yīng)植物在不同水分條件下光合途徑以及WUE的變化，但仍需大量的試驗研究與調(diào)查來證實。

4.2.2不同生長型植物δ13C與WUE的關(guān)系 不同生長型植物的WUE是不同的，喬木、灌木、草本和藤本植物葉片之間的δ13C值存在顯著差異[51]，水分利用狀況也因此而不同。一般來說1年生植物δ13C值低于多年生植物；早開花植物低于晚開花植物；常綠喬木>落葉喬木=常綠和落葉灌木=常綠草本>落葉草本=苔蘚[52-56]，其水分利用效率也呈現(xiàn)同樣特征。同時，不同植物種δ13C值年間變化差別很大，受環(huán)境影響各不相同。有的主要是由于降水的變化引起的，其δ13C值隨降雨量的增加而降低[56]；有的則是因為溫度變化和海拔高度等因素引起的，WUE均隨年均溫或海拔的增加而呈不同程度的降低[57]，反應(yīng)了不同生長型植物WUE對環(huán)境變化的不同響應(yīng)。

4.2.3不同時間尺度上植物δ13C與WUE的關(guān)系 植物組織的碳同位素組成是植物在生長過程中發(fā)生的一系列復雜的整合CO2的生理生化反應(yīng)所形成的，分析不同植物碳水化合物和碳庫的δ13C值，研究的時間跨度可以為1個生長季或植物的整個生活史(結(jié)構(gòu)性碳)，甚至對1個月或1個世紀的平均WUE進行研究。

大尺度WUE的研究，比如說近百年來全球大氣CO2濃度的持續(xù)增高使得植物δ13C值升高，WUE普遍提高[58-60]。

中等尺度，比如20世紀中后期，我國暖溫帶落葉闊葉林和亞熱帶常綠闊葉林大部分植物δ13C值持續(xù)降低比較明顯[61]，植物WUE呈下降趨勢。但青藏高原高寒植被區(qū)域中遼東櫟δ13C呈增加趨勢，這可能與青藏高原高海拔的地理位置以及高溫、強光照的特殊氣候條件有關(guān)[62-63]。

小尺度，比如研究幼樹與成年樹種的WUE，由于植物WUE與水分在樹體內(nèi)傳輸?shù)木嚯x有關(guān)，針闊葉林內(nèi)幼樹的WUE和δ13C顯著低于成年樹[64]。

尺度再小如植物生長季W(wǎng)UE的變化，很多研究表明，越往生長后期，WUE與植物δ13C值的正相關(guān)性越強，WUE呈上升趨勢[65-66]。

4.2.4不同環(huán)境條件下植物δ13C與WUE的關(guān)系 植物δ13C值的差別取決于其遺傳特性，在良好而穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境中，δ13C值的變動較少。然而，δ13C值的微小差別往往反映了植物生理活動發(fā)生較大的差異，有研究表明，非脅迫環(huán)境條件的變化可導致樣品高達±3‰～±5‰的變幅[67]。影響δ13C值的外界因子有很多(如光照、降水、溫度、濕度、CO2濃度、土壤水分狀況等)，且各因子的影響程度相同[8]。目前，很多研究結(jié)果均表明，一定程度的水分脅迫下，植物的δ13C、蒸騰效率和WUE會提高，與葉片的δ13C值呈正相關(guān)[44,68]。簡而言之，溫暖濕潤環(huán)境下的植物δ13C值比生長在寒冷干旱環(huán)境下的植物低，其WUE也同樣偏低[61,69-73]。

5 存在問題與展望

在植物水分來源的研究中，氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)是了解植物水分來源很好的手段，但在判別不同深度土壤水的貢獻率時，應(yīng)避免水樣之間氫氧同位素δ值的相對差異在10%以內(nèi)[74]，在土壤水取樣之前必須考慮好取樣土層的深度。同時，氫氧穩(wěn)定同位素對環(huán)境極其敏感，所以在采樣、處理樣品的過程中一定要注意避免樣品的蒸發(fā)以及其他水分對樣品的污染，否則會對計算結(jié)果造成極其嚴重的影響。

在植物水分利用效率的研究中，由于植物WUE和δ13C值是受到多個環(huán)境因子和植物因子共同影響的，這可能造成植物δ13C值和WUE 間相關(guān)性不強而表現(xiàn)出彼此獨立的變化。此外，在不同尺度上，如從植物葉片水平到景觀水平，以及晝夜變化到年際變化，簡單的δ13C與Ci/Ca以及植物水分利用效率WUE之間的線性關(guān)系是不可靠的，還需尋求分析各種因素影響大小的方法。同時，對C4和CAM植物的δ13C與WUE關(guān)系的研究還需加強。

如今，穩(wěn)定同位素技術(shù)在生態(tài)學研究中的運用越來越廣，它不僅可以研究植被在全球氣候變化下的響應(yīng)機制，還能為指導植被的恢復工作提供理論依據(jù)，具有重要的理論與實踐意義以及較為廣闊的發(fā)展前景。

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(責任編輯 張 坤)

Application of Stable Isotope Techniques in the Study of Plant Water Sources and Use Efficiency

WU Jun-en1,2, LIU Wen-jie1, ZHU Chun-jing1,2

(1.Key Laboratory of Tropical Forest Ecology, Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences,Menglun Yunnan 666303, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

This paper described the application of stable hydrogen, carbon and oxygen isotopes techniques in tracing sources of plant water and water use efficiency. Since the process that plant roots uptake water is non-fractionating, plant xylem water has the same composition of stable hydrogen and oxygen isotopes as soil water utilized by the plant. By analyzing the composition of hydrogen and oxygen isotopes of plant xylem water and potential sources of water, we could quantitatively determine the contributions of the sources to plants. For the study of water use efficiency, there were many researches showed that the composition of stable carbon isotopes of leaves can be an indirect indicator of plant water use efficiency. Photosynthesis is one of the most significant processes of carbon isotope fractionation in nature. So, stable carbon isotopes techniques had become the best way to study the long-term water use efficiency of plant leaves presently. As a safe tracer material, stable isotopes technique will help people to understand the plant’s ecophysiological process. Anyway, with the continuous improvement of techniques, stable isotope techniques will be widely used in many areas of ecology.

stable isotope；plant； water sources；water use efficiency

2014-01-20

國家自然科學基金項目(41271051、31170447)資助；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點項目(2013FA022)資助。

劉文杰(1969—)，男，博士，研究員。研究方向：生態(tài)水文。Email:lwg@xtbg.ac.cn。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.020

S718.45

：A

：2095-1914(2014)05-0103-08

第1作者：吳駿恩(1990—)，男，碩士生。研究方向：生態(tài)水文。Email：wujunen@xtbg.ac.cn。