荒漠植物白刺新固定碳在植物-土壤系統(tǒng)中的分配

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(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心,內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 磴口 015200)

植物光合碳是“大氣-植物-土壤”系統(tǒng)碳循環(huán)的起點，光合碳由地上部向地下部轉(zhuǎn)運，用作根系呼吸和根系發(fā)育，轉(zhuǎn)移至根系中的光合碳以根系分泌物或植物殘體形式將同化的碳水化合物輸入土壤[1]，以根系沉積物形式向土壤根際環(huán)境中輸入碳轉(zhuǎn)化為微生物量碳中的一部分，或以有機質(zhì)形式貯存于土壤碳庫中。因此，碳是植物體主要組成元素，也是土壤有機質(zhì)重要組成部分。中國科學(xué)院有關(guān)研究人員在PNAS(美國科學(xué)院院報，Proceedings of the National Academy of Sciences)發(fā)布的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支最新研究成果顯示，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)在過去幾十年一直扮演著重要的碳匯角色，其中灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為(6.69±0.32) Pg C，貢獻(xiàn)了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳總量的8%[2]。全球干旱區(qū)面積約52億 hm2，占陸地生態(tài)系統(tǒng)面積的35%[3]。我國荒漠化土地面積為261.16萬 km2，占國土面積的27.2%[4]。因此，面積廣闊的荒漠地區(qū)在全球碳循環(huán)過程中起著重要作用。

定量新固定碳在植物組織、土壤和呼吸損失中的分配，是準(zhǔn)確評估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的重要基礎(chǔ)[5]。目前，植物新固定碳的分配尚缺乏完善的理論或數(shù)學(xué)模式，是全球碳循環(huán)研究的難點和熱點[6]，主要原因在于植物地下碳分配，如根系生長、死亡、脫落、分解、根際分泌、土壤微生物分解等環(huán)節(jié)，幾乎都無法通過原位直接觀測得到[7]。弄清植物新固定碳向地下的分配及轉(zhuǎn)化已經(jīng)成為準(zhǔn)確模擬生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、預(yù)測其對環(huán)境變化響應(yīng)的關(guān)鍵[7-8]。13C同位素標(biāo)記技術(shù)是追蹤和定量研究植物新固定碳在“大氣-植物-土壤”連續(xù)體中運輸和分配的有效方法，其最大的優(yōu)勢在于能夠追蹤不同組分碳的去向，定量植物新固定碳向不同碳庫的分配，有助于預(yù)測新固定碳對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳固定的貢獻(xiàn)，已經(jīng)被廣泛用來研究植物新固定碳的分配[9-10]。

近年來，大量研究表明，植物新固定碳的分配因植物種類和生態(tài)系統(tǒng)類型的不同而有差異，也會因植物物候、土壤養(yǎng)分、環(huán)境條件的不同而變化。如青藏高原高寒矮蒿草(Kobresiahumilis)草甸植物將59%的新固定碳分配至地下系統(tǒng)，而作物運輸?shù)酵寥捞紟斓男鹿潭ㄌ嫉陀?3%[11]，牧草將30%～50%的光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到地下[12]，谷類作物[小麥(Triticumaestivum)和大麥(Hordeumvulgare)]約有20%～30%的光合碳分配到地下部[13]，水稻(Oryzasativa)光合碳約有2%～10%以根際沉積碳的形式輸入土壤[14]。然而，先前的研究多集中在森林樹種幼苗、作物或草地植物等方面[15-17]，對干旱區(qū)荒漠植物新固定碳在植物組織、土壤和呼吸損失之間分配的研究極其缺乏。盡管有個別研究報道了CO2濃度倍增和土壤干旱對兩種盆栽幼齡沙生灌木碳分配的影響[18]，但實驗結(jié)果來源于室內(nèi)盆栽實驗，不能真實的反應(yīng)野外自然狀態(tài)下荒漠植物新固定碳分配情況。

唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是我國西北荒漠地區(qū)主要的優(yōu)勢種和建群種，它的根系非常發(fā)達(dá)，對干旱的適應(yīng)性極強，在維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)平衡方面具有重要作用[19]。本研究以荒漠植物白刺為研究對象，采用13C穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù)，在野外原位追蹤荒漠植物白刺新固定碳在莖、葉、根、土壤和呼吸損失中的分配動態(tài)，量化白刺新固定碳在植株各組織及土壤中的分配，以此為基礎(chǔ)估算荒漠生態(tài)系統(tǒng)固定碳量及其向不同碳庫的分配。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣，中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心二場內(nèi)，地理位置為E 106°43′，N 40°24′，海拔約1050 m。該區(qū)是河套平原與烏蘭布和沙漠的結(jié)合部，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.6 ℃，多年平均降水量約145 mm，降水主要集中在6-9月，約占全年降水的60%～70%，年蒸發(fā)量約2381 mm， 無霜期136 d。 植被類型屬于溫帶灌木荒漠，唐古特白刺是研究地點的優(yōu)勢植物，能夠阻擋風(fēng)沙并形成白刺灌叢沙包，沙包高約1～3 m，直徑約6～10 m，植被蓋度約為45%～75%，伴生種有沙鞭(Psammochloavillosa)、油蒿(Artemisiaordosica)等。群落蓋度為20%～30%。土壤類型沙包上為風(fēng)沙土，沙包之間沒有流沙覆蓋處為灰棕漠土[20]。實驗期間的降水和氣溫變化如圖1所示。

圖1 研究區(qū)降水和溫度變化(2017年)Fig.1 Rainfall and temperature changes in the study area (2017)

1.2 13CO2氣體標(biāo)記室設(shè)計和安裝

13CO2標(biāo)記氣室為50 cm×50 cm×50 cm的正方體，四周為金屬框，標(biāo)記氣室側(cè)壁用透明PVC薄板制作，透明薄膜封頂。為使標(biāo)記氣體在標(biāo)記室內(nèi)迅速混合均勻，在標(biāo)記室內(nèi)正中央安裝一個小電風(fēng)扇。13CO2通過Na213CO3與H2SO4在標(biāo)記室內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。標(biāo)記氣室共制作12個，分別安裝于對照和實驗樣地內(nèi)。由于白刺的年齡難以確定，因此在選擇樣地時選擇生長狀況相似、大小相近的白刺沙包，各樣地土壤條件、環(huán)境條件相同。

1.3 荒漠植物白刺新固定13C分配動態(tài)監(jiān)測

1.3.1樣品采集 本研究在2017年的7月中旬進(jìn)行，在野外進(jìn)行原位13C同位素脈沖標(biāo)記實驗。實驗選擇晴朗天氣，提前1 d安裝好13CO2氣體標(biāo)記室，以減少對土壤的擾動。標(biāo)記后分不同時間段(0, 1 h, 3 h, 7 h, 18 h, 24 h, 2 d, 4 d, 8 d, 17 d, 25 d 和 32 d)分別采集白刺葉、莖、根、土壤和氣體樣品。植物樣品烘干后粉碎待測定其全C 和δ13C值；土壤樣品過2 mm 的土壤篩，過篩的土壤樣品風(fēng)干后貯存在4 ℃條件下，供測定其全C 和δ13C值；氣體樣品密封保存并盡快完成分析測試。樣品采集重復(fù)3 次。

1.3.213C測定 上述氣體樣品、植物固體樣品和土壤樣品利用中國林業(yè)科學(xué)研究院穩(wěn)定同位素實驗室EA-IRMS測定儀器(元素分析儀-同位素比率質(zhì)譜分析聯(lián)用儀，F(xiàn)lash EA 1112 HT-DELTA V Advantage, Scientific, Inc., USA)測定其13C豐度值(δ13C，‰)，同時可得到固體樣品中的含C量(%)。其原理為: 樣品在元素分析儀中高溫燃燒后生成CO2，質(zhì)譜儀通過檢測CO2的13C與12C比率，并與國際標(biāo)準(zhǔn)物(Pee Dee Belemnite或PDB=0.011237)比對后計算出樣品的δ13C比率值。δ13C 測定精度: ±0.1‰。具體計算公式如下。

(1)

(2)

白刺新固定13C進(jìn)入莖、葉、根、土體和呼吸損失中，各組分固定13C量[13C excess (at%)]：

13C excess (at%)=13C of samples (at%)-13C of natural abundance (at%)

(3)

式中：13C of samples (at%)為標(biāo)記組分13C豐度(%);13C of natural abundance (at%)為不標(biāo)記組分13C豐度(%)。

進(jìn)入各器官及土壤的固定碳量：

13C amount (mg·m-2)=13C excess (at%)×C pool size (g·m-2)×10

(4)

式中：C pool size分別代表各器官和土壤的總碳量。

各組分13C分配比例P13Ci(%)：

P13Ci=(13Ci/13C)×100

(5)

式中：13C為根、莖、葉、土壤固定和呼吸損失13C量之和。

1.4 地上凈初級生產(chǎn)力測定

地上凈初級生產(chǎn)力采用收獲法測定，考慮到白刺沙包迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡，陰面和陽面的區(qū)別，分別在其東南、東北、西南和西北4個方向約1/2沙包半徑處設(shè)置1 m×1 m樣方，共4個，在10月20日將每個樣方內(nèi)當(dāng)年生長的新生葉片和新枝條全部收獲，視為該樣方當(dāng)年地上凈初級生產(chǎn)力。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與制圖采用Microsoft Excel 2017 和SigmaPlot 10.0，其中采用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較同一時間白刺不同器官和土壤中的13C含量差異，以及同一器官在不同時間上13C含量差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 白刺新固定碳在植物葉、莖、根和土壤中的分配動態(tài)

不同標(biāo)記時間段內(nèi)13C-新固定碳在白刺葉、莖、根、土壤中的分配差異明顯。由圖2可知，白刺植株在沒有進(jìn)行標(biāo)記之前，葉片和莖中的13C豐度均在-23.5‰～-17.9‰之間，并且沒有顯著差異(P>0.05)。在標(biāo)記后1 h內(nèi)，葉片和莖中13C豐度值迅速上升到最高值，13C豐度值分別達(dá)到520.1‰ 和 592.5‰，比對照分別增加14和20倍，此后13C豐度值隨時間推移逐漸下降，直至32 d 后趨于穩(wěn)定；而標(biāo)記后1 h內(nèi)根系和土壤中還未發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的13C，直到標(biāo)記后18 h，在根系和土壤中發(fā)現(xiàn)了被標(biāo)記的13C，13C初始豐度值分別達(dá)到9.5‰和-23.8‰，并且從18 h到標(biāo)記結(jié)束13C豐度值呈現(xiàn)波動狀態(tài)，最大豐度值分別為49.2‰(標(biāo)記后8 d)和-22.5‰(標(biāo)記后17 d)。

圖2 白刺各器官和土壤中13C豐度的變化趨勢Fig.2 Temporal variation of 13C abundance of shoots, roots and soil C sampled during the 32 d label period

2.2 白刺新固定碳在呼吸損失中的分配動態(tài)

從圖3白刺新固定碳經(jīng)地上部呼吸和土壤呼吸損失后的13C豐度變化來看，標(biāo)記1 h后，經(jīng)過地上呼吸損失的13C豐度迅速達(dá)到最大，13C豐度值為1082.2‰，比對照高63倍，隨后13C豐度值迅速下降，到標(biāo)記后4 d與對照沒有顯著差異(P>0.05)。而標(biāo)記后18 h，土壤呼吸損失的13C豐度迅速上升到最大值，此時13C豐度值為445.8‰，比對照高13倍，隨后13C豐度值迅速下降，與地上呼吸類似，在標(biāo)記后4 d與對照沒有顯著差異(P>0.05)。

圖3 呼吸損失中13C豐度的變化趨勢Fig.3 Temporal variation of 13C abundance in CO2 efflux by shoot respiration and soil respiration during the 32 d label periodRaa: Respiration of aboveground；Rs: Respiration of soil.

2.3 白刺新固定碳在植物-土壤系統(tǒng)中的分配比例

圖4 13C在植物-土壤系統(tǒng)中的分配比例Fig.4 Temporal changes of 13C amount in the plant-soil system and 13C distribution (in %) among different pools

從圖4中可知，在標(biāo)記后0～1 h，白刺葉片吸收的13C量大部分都集中在地上部分，其所占比例達(dá)60.69%，之后隨著時間的遞增，由于葉片吸收的光合碳逐漸被呼吸消耗和轉(zhuǎn)運到根系，分配到地上部的13C量逐漸降低，其中在標(biāo)記后1～18 h期間，地上部13C量顯著下降，標(biāo)記后24 h，13C分配比例變化趨于穩(wěn)定；而地下部13C分配比例隨時間遞增呈現(xiàn)先迅速升高后保持穩(wěn)定的趨勢，最終，在進(jìn)行13C標(biāo)記后的第32天，分配到地下部的13C量達(dá)到穩(wěn)定。白刺新固定碳在標(biāo)記后0～18 h內(nèi)經(jīng)過呼吸損失較多，并且在標(biāo)記后1 h呼吸損失量最大，達(dá)到52.42%，標(biāo)記18 h至標(biāo)記結(jié)束，呼吸損失量保持穩(wěn)定。最終，在標(biāo)記32 d后，白刺新固定碳在地上部和地下部13C分配比例分別占35.59%和32.49%，呼吸損失占31.92%。

2.4 白刺固碳量及其向不同碳庫的分配量

通過測定白刺植株地上部凈初級生產(chǎn)力為380 g·m-2，白刺地上部、根系的含碳量分別為(60.1±0.01)%和(57.1±0.08)%，根據(jù)13C在白刺生長盛期各個組分的分配比例可以計算出植物地上部和地下根系的生長季固碳量。由表1 可知，白刺地上部同化累積的碳量最多，達(dá)1030.6 kg C·hm-2·yr-1，其中葉片和莖分別積累了521.2和509.4 kg C·hm-2·yr-1；大約有940.8 kg C·hm-2·yr-1分配到地下部，其中根系中積累了482.6 kg C·hm-2·yr-1，土壤中積累了458.2 kg C·hm-2·yr-1。白刺生長季固碳量為2895.6 kg C·hm-2·yr-1，由此可知白刺具有較強的固碳能力。

表1 植物-土壤系統(tǒng)中新固定碳通量Table 1 Destination of newly fixed C in the plant-soil system at the end of the label period and estimated annual C flux to different C pools

3 討論

目前，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的估算方法主要包括生物量和土壤碳儲量清查法、碳通量觀測法，衛(wèi)星遙感、大氣CO2濃度反演以及生態(tài)系統(tǒng)模型法等，但這些方法均只能測定植被碳庫或土壤碳庫的大小，不能反映植物新固定碳向植物組織、土壤和呼吸損失的分配動態(tài)[21]。人工添加13C同位素被稱為同位素標(biāo)記試驗，通常有3種方法：脈沖標(biāo)記、重復(fù)脈沖標(biāo)記和持續(xù)標(biāo)記[22]。其中，脈沖標(biāo)記是一次性注入標(biāo)記物，容易在野外實施。當(dāng)植物新固定碳在不同碳庫穩(wěn)定分配時，基于質(zhì)量平衡關(guān)系，可計算出各碳庫的分配量[23]。目前已經(jīng)有大量研究采用13/14C同位素標(biāo)記技術(shù)在室內(nèi)研究植物新固定碳的分配[15, 24-25]，野外原位開展的植物新固定碳分配的研究鮮有報道，本研究在野外原位條件下，采用13C同位素標(biāo)記技術(shù)測定荒漠植物白刺新固定碳在葉、莖、根、土壤和呼吸損失等各部分的分配，據(jù)此估算荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳收支的變化，這將為更準(zhǔn)確的評估干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供科學(xué)依據(jù)。

植物新固定碳在莖、葉、根系和土壤中的穩(wěn)定分配及轉(zhuǎn)化時間往往因植物種類、物候期、環(huán)境條件的不同而存在差異[26-28]，通常需要2～4周，因此，“新”一般是指數(shù)星期的時間尺度[1]。本研究表明白刺將16.7%累積在根系，31.9%被土壤呼吸消耗，15.8%存留在土壤碳庫中。對青藏高原高寒矮蒿草草甸植物的碳分配研究表明，大部分新固定的碳在一天之內(nèi)完成向各個碳庫的分配，約有59%的新固定碳向地下系統(tǒng)分配，且在示蹤期內(nèi)，分配到活根系的新固定碳比例始終最高，其中有30.9%存在于活根，17.2%隨土壤呼吸作用返回大氣，7.3%經(jīng)過轉(zhuǎn)化成為新的土壤碳[11]。蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)將38.4%的新固定碳分配至地下部分，其中46%存在于根中，22%進(jìn)入土壤，32%通過根際呼吸返回到大氣中[29]。玉米(Zeamays)通過根際分泌和根系呼吸消耗的新固定碳分別為0.5%和16.0%[30]。小麥生長期內(nèi)15%～39%的新固定碳轉(zhuǎn)移至地下部，其中35%～48%被根系和根際微生物消耗[31]；黑麥草(Loliumperenne)將56%～69%的新固定碳轉(zhuǎn)移至地下部，其中52%～62%集中在根系，24%～31%被根系呼吸消耗，13%～21%存留在土壤碳庫中[32]。Kuzyakov 等[33]用脈沖標(biāo)記實驗共同研究了地上-地下碳的分配，發(fā)現(xiàn)牧草植物同化的碳大約30%～50%進(jìn)入到地下，Hafner等[9]研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記27 d 后20%～40%的光合碳進(jìn)入到地下。本研究與以上研究得出的結(jié)果基本一致。植物新固定的碳將分配到地下部用于根系生長，不斷以根際沉積物的形式損失13C[34]，同時莖葉和根呼吸也釋放13C；再加上植株不斷生長，生物量繼續(xù)增加，未標(biāo)記部分同化13C，稀釋了白刺新固定的13C，因此導(dǎo)致了32 d 后植株13C豐度值的下降。本研究還表明，白刺莖、葉在標(biāo)記后1 h內(nèi)13C豐度值迅速上升到最高值，而根系在標(biāo)記后18 h發(fā)現(xiàn)被標(biāo)記的13C，這與Ostle等[35]研究結(jié)果類似，他認(rèn)為光合碳向根系及土壤中的傳輸與分配與莖葉相比存在一定滯后性，根系中光合碳含量在標(biāo)記后的24～48 h達(dá)到峰值。

白刺生長季年固碳量估算值為2895.6 kg C·hm-2·yr-1，任昱[36]對白刺固碳能力的研究表明，白刺生長季固碳量為5116 kg C·hm-2·yr-1，本研究白刺的固碳量明顯低于該值，這可能是其將枯落物也作為固碳量的一部分估算造成的。黨曉宏等[37]以西鄂爾多斯地區(qū)5種天然荒漠灌叢為材料，依據(jù)年光合固碳量將荒漠灌叢分為3類：年光合固碳高灌叢-沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)：6216～8892 kg C·hm-2·yr-1；年光合固碳中等灌叢-四合木(Tetraenamongolica)、紅砂(Reaumuriasongarica)：1742～3962 kg C·hm-2·yr-1；年光合固碳低等灌叢-半日花(Helianthemumsongaricum)：386 kg C·hm-2·yr-1。與上述研究結(jié)果相比，本研究白刺固碳量在荒漠灌木中屬于中等水平。

4 結(jié)論

使用13C同位素標(biāo)記技術(shù)能夠準(zhǔn)確估計荒漠植物新固定碳在葉、莖、根、土壤和呼吸損失中的分配比例。白刺將35.59%的新固定碳用于地上部分的生長和發(fā)育，16.67%集中在根系，31.92%被呼吸消耗，15.82%存留在土壤碳庫中。通過估算荒漠植物白刺生長季年固碳量可知，白刺具有較強的固碳能力，對增強荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、發(fā)揮荒漠碳匯功能具有重要意義。