亞熱帶落葉喬木葉蠟正構(gòu)烷烴單體碳同位素季節(jié)變化特征及影響因素

楊 婷, 閆超陽, 黃咸雨, 2*

亞熱帶落葉喬木葉蠟正構(gòu)烷烴單體碳同位素季節(jié)變化特征及影響因素

楊 婷1, 閆超陽1, 黃咸雨1, 2*

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地理與信息工程學(xué)院 流域關(guān)鍵帶演化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430078; 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430078)

葉蠟正構(gòu)烷烴單體碳同位素組成已經(jīng)成為陸相沉積古生態(tài)重建的重要研究方法?，F(xiàn)代過程研究是提升葉蠟正構(gòu)烷烴指標(biāo)解譯的重要環(huán)節(jié), 而目前關(guān)于落葉喬木葉蠟烷烴單體碳同位素組成(δ13Calk)的季節(jié)性變化研究還比較有限。本文對兩種典型亞熱帶落葉喬木(小葉櫟、楓香)開展了為期2年的葉蠟烷烴δ13Calk研究。兩個樹種葉蠟烷烴的δ13Calk值在春季偏正, 隨后迅速偏負(fù), 秋季變幅較小, 趨于穩(wěn)定。這種季節(jié)性變化特征和初期利用儲存的老碳而后期利用新合成的糖類有關(guān)。在生長季末期, 兩種落葉喬木葉蠟烷烴相對于葉片的碳同位素分餾系數(shù)處于?6‰ ～ ?8‰, 相對于文獻(xiàn)報(bào)道的平均值偏負(fù), 這可能是因?yàn)樯L季后期仍有少量的長鏈正構(gòu)烷烴合成。研究結(jié)果揭示, 基于落葉喬木葉蠟烷烴單體碳同位素進(jìn)行古環(huán)境重建時需要考慮環(huán)境信號的季節(jié)性。

落葉喬木; 葉蠟烷烴; 單體碳同位素; 表觀分餾系數(shù); 季節(jié)變化

0 引 言

植物葉蠟覆蓋在植物組織外表面, 是葉片角質(zhì)層的主要成分。葉蠟主要由長鏈脂肪族化合物構(gòu)成, 包括長鏈正構(gòu)烷烴、脂肪酸、脂肪醇等。它的主要生理功能是調(diào)節(jié)葉片的水分蒸騰損失(Eglinton and Hamilton, 1967)。在各種葉蠟脂類中, 正構(gòu)烷烴由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、分布廣泛等特點(diǎn), 受到了最多的關(guān)注, 也被廣泛應(yīng)用于古氣候和古環(huán)境重建(Feakins et al., 2016; Li et al., 2016; 劉豐豪等, 2018)。植物葉蠟正構(gòu)烷烴的合成與植物類型、外界環(huán)境條件變化有關(guān), 溫度、降水及相對濕度等環(huán)境因子會影響植物葉蠟的含量和組成(Sachse et al., 2012; Bush and Mcinerney, 2013; Diefendorf and Freimuth, 2017)?；诓煌参飦碓吹恼龢?gòu)烷烴組成及主峰碳的差異可以區(qū)分物源信息, 已經(jīng)建立了一系列的古環(huán)境指標(biāo)。例如, 長鏈正構(gòu)烷烴的平均碳鏈長度(ACL; Poynter et al., 1989)、碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI; Cooper and Bray, 1963)以及中等碳鏈的占比(aq; Ficken et al., 2000)等指標(biāo)。

伴隨著色譜同位素比值質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展, 正構(gòu)烷烴的單體同位素組成被越來越多地應(yīng)用于古環(huán)境研究。葉蠟烷烴單體同位素能夠更為靈敏地反映外界環(huán)境條件變化, 揭示豐富的氣候信息(Diefendorf and Freimuth, 2017; Liu and An, 2020)。長鏈正構(gòu)烷烴的碳同位素組成(δ13Calk)已經(jīng)被用于反映干濕等古氣候變化和有機(jī)質(zhì)來源(Jia et al., 2015; 劉暢等, 2019)。葉蠟烷烴δ13Calk值主要受控于溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣CO2濃度和植被類型等因素(Diefendorf and Freimuth, 2017; Liu et al., 2019)。此外, 葉蠟正構(gòu)烷烴的主要合成時間也是需要重點(diǎn)考慮的因素之一, 這會決定哪些季節(jié)的環(huán)境信號能夠被δ13Calk記錄下來(Huang et al., 2018; Suh and Diefendorf, 2018; Tipple and Ehleringer, 2018)。然而, 對于植物整個生長季中正構(gòu)烷烴單體碳同位素組成變化的研究還相對較少, 已有的少量研究集中在溫帶地區(qū)(Pedentchouk et al., 2008; Suh and Diefendorf, 2018; Tipple and Ehleringer, 2018), 缺乏對其他地區(qū)特別是亞熱帶地區(qū)的研究。

在亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū), 氣溫和降水的季節(jié)性變化顯著(丁一匯等, 2013)。6月下旬至7月中旬, 長江中下游地區(qū)進(jìn)入梅雨期, 降雨量大且相對集中; 梅雨過后的盛夏時節(jié), 該地區(qū)容易發(fā)生“伏旱”現(xiàn)象。在這種波動頻繁的氣候條件下, 探究亞熱帶植物葉蠟正構(gòu)烷烴單體碳同位素組成的季節(jié)變化規(guī)律, 有助于我們理解亞熱帶地區(qū)葉蠟烷烴單體碳同位素的古氣候意義。本研究選取了兩種典型的亞熱帶落葉喬木(小葉櫟、楓香), 在前期調(diào)查葉蠟烷烴組成、氫同位素組成和葉片總有機(jī)碳同位素組成(δ13Cbulk)的基礎(chǔ)上, 探討葉蠟烷烴δ13Calk的季節(jié)變化特征, 揭示控制其季節(jié)變化的因素, 服務(wù)于落葉喬木葉蠟烷烴單體碳同位素的古環(huán)境應(yīng)用。

1 研究材料及方法

1.1 研究區(qū)域

本文的研究地點(diǎn)是武漢市南望山。武漢市(113°41′～115°05′E, 29°58′～31°22′N)是湖北省省會城市, 氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候, 夏季受東亞夏季風(fēng)影響, 高溫多雨; 冬季受冬季風(fēng)影響, 寒冷干燥。根據(jù)南望山上的空氣溫濕度儀記錄, 2014年至2015年期間, 夏季平均溫度為26 ℃, 冬季平均溫度為5 ℃, 季節(jié)變化較明顯(Huang et al., 2018)。相對濕度具明顯季節(jié)性, 月變化量不大, 總體上2014年的相對濕度(約60%)大于2015年的相對濕度(約40%)(圖1)。

細(xì)線表示日平均變化, 粗線表示十日平均變化。

武漢位于中亞熱帶向北亞熱帶過渡地區(qū), 地帶性土壤主要包括紅壤、黃棕壤和黃壤, 地帶性植被以常綠落葉闊葉混交林為主。20世紀(jì)60～70年代以來的人類活動破壞了南望山上的原生植被, 人工種植了大量的馬尾松。此后, 經(jīng)過自然次生演替, 落葉喬木小葉櫟、楓香以及常綠喬木樟樹等逐步占據(jù)了植被的主導(dǎo)地位。長期監(jiān)測點(diǎn)位于南望山山頂開闊地帶(33°31′40″N, 114°23′31″E, 海拔約為87 m), 光照良好, 生長著多株成年的小葉櫟和楓香。

1.2 樣品采集及脂類提取

樣品采集時間的設(shè)計(jì)參照同緯度的合肥站(31°49′21.30″N, 117°13′18.25″E)落葉樹種的物候信息。該站監(jiān)測的垂柳(a)初始展葉時間在3月上旬至3月中旬(中國氣象局氣候變化中心, 2020)。楓香和小葉櫟的葉片樣品采集時間為2014年3月至2015年11月, 包含兩個完整的葉片生長季。在植物葉片生長初期(3月底至5月底, 屬于春季)每1至2周采集一次, 葉片成熟期(6月及以后, 屬于夏季和秋季)一個月采集一次。葉片采集選取成熟植株, 高約5～10 m, 葉片采集位置位于約3 m高的向陽處。在2014年和2015年, 第一次葉片采集時間都在3月下旬, 采集的是已經(jīng)初步伸展開的嫩葉。

采集的葉片先用水沖洗干凈, 再用超純水淋洗3遍后用鋁箔包裹進(jìn)行冷凍干燥, 以確保無灰塵等雜物混入。凍干后的葉片先剪碎, 再用二氯甲烷和甲醇的混合溶液(體積比為9∶1)進(jìn)行超聲萃取, 提取時間為15 min, 重復(fù)4次。合并后的萃取液經(jīng)減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮, 再通過硅膠柱層析得到烷烴及非烴組分, 洗脫試劑依次為正己烷、二氯甲烷和甲醇的混合溶液(體積比為1∶1)。

1.3 脂類儀器分析

烷烴組分在島津GC 2010型氣相色譜儀上進(jìn)行定量。色譜柱為DB-5毛細(xì)管柱(長30 m, 內(nèi)徑0.25 mm, 膜厚0.25 μm)。載氣為氦氣, 流速1 mL/min。升溫程序?yàn)? 初始溫度70 ℃, 以10 ℃/min的速率升至210 ℃, 保持30 min。進(jìn)樣口溫度為300 ℃。檢測器為氫火焰離子化檢測器(FID)。內(nèi)標(biāo)為膽甾烷。通過內(nèi)標(biāo)峰面積來計(jì)算豐度, 并根據(jù)相關(guān)的響應(yīng)因子進(jìn)行調(diào)整。

正構(gòu)烷烴單體碳同位素分析在Thermo Delta XP同位素比值質(zhì)譜儀上進(jìn)行。氣相色譜儀為Thermo Trace GC。色譜柱為DB-5 MS毛細(xì)管柱。氣相色譜升溫程序?yàn)? 初始溫度50℃, 保持1 min, 然后以10 ℃/min的速率升至210 ℃, 保持2 min, 之后再以4℃/min的速率升溫至300 ℃, 保持2 min, 最后以10 ℃/min的速率升至310 ℃, 保持25.5 min。每個樣品至少重復(fù)測兩次, 保證精度<0.5‰。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)為購自美國印第安納大學(xué)的C16～C30烷烴標(biāo)樣及配置的C23～C33奇碳數(shù)烷烴標(biāo)樣。內(nèi)標(biāo)為角鯊?fù)?δ13C=?19.8‰)。最終碳同位素值是相對維也納擬箭石(VPDB)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。參照Chikaraishi and Naraoka (2003)計(jì)算葉片總有機(jī)質(zhì)和長鏈烷烴間的碳同位素表觀分餾系數(shù)。

2 結(jié) 果

2.1 葉蠟正構(gòu)烷烴組分變化

Huang et al. (2018)已經(jīng)發(fā)表了本項(xiàng)研究的烷烴含量數(shù)據(jù), 這里簡要地介紹2014～2015年小葉櫟和楓香烷烴組成的變化特征。在全部樣品中, 正構(gòu)烷烴都表現(xiàn)出了明顯的奇偶優(yōu)勢, 只是兩種喬木的主峰碳略有差別(圖2)。小葉櫟中C29與C31相對含量比例相當(dāng), 同為優(yōu)勢組分, 在所有正構(gòu)烷烴組分中占絕對優(yōu)勢(均>30%)。楓香以C31組分占比最大, 同時有大量的C29和C33, 其他組分的比例較低。以上特征與前人已經(jīng)報(bào)道的喬木葉蠟烷烴的組成相符(Sachse et al., 2012; Bush and McInerney, 2015)。這兩種植物的正構(gòu)烷烴濃度變化具有相似的季節(jié)模式, 在5～7月出現(xiàn)一個峰值, 然后降低但維持在一個相對穩(wěn)定的濃度值(表1; Huang et al., 2018)。另外, 正構(gòu)烷烴的分子分布也隨葉片生長的季節(jié)變化而變化。在兩個生長季中, 兩種植物的ACL和CPI都在葉片生長初期較低, 隨后達(dá)到一個高值, 在葉片成熟期趨于穩(wěn)定(表1)。

表1顯示, 在兩個完整的生長期內(nèi), 楓香葉片的總烷烴濃度、ACL值及CPI值整體都高于小葉櫟。另外, 兩種植物2015年的總烷烴濃度高于2014年。楓香兩個生長期的ACL值基本相近, 平均值分別約為31.14和31.10, 小葉櫟的ACL值2014年高于2015年。兩種植物CPI值兩年間整體變化趨勢相似。

2.2 葉片有機(jī)碳同位素季節(jié)變化

Huang et al. (2018)報(bào)道了小葉櫟和楓香的總有機(jī)碳同位素值(δ13Cbulk)。小葉櫟的δ13Cbulk值在兩年觀測期間的變化范圍為?30.8‰ ～ ?26.7‰。在生長初期, 小葉櫟的δ13Cbulk值為整個生長季的最高值, 隨后隨著葉片的擴(kuò)展開始偏負(fù), 在6月初δ13Cbulk值仍呈現(xiàn)小幅度下降的趨勢, 但整體趨于穩(wěn)定(圖3)。整體來看, 小葉櫟的δ13Cbulk值2014年變幅大于2015年, 2014年春季的δ13Cbulk值較2015年春季偏正約1‰, 而在夏季和秋季, 小葉櫟2014年與2015年的δ13Cbulk值及變化模式則較為相似。楓香的δ13Cbulk值分布范圍為?31.3‰ ～ ?26.0‰。同小葉櫟一樣, 楓香的δ13Cbulk值也存在相似的季節(jié)變化模式(圖3)。2014年與2015年, 楓香的δ13Cbulk值季節(jié)變化趨勢整體一致, 但2014年相較于2015年偏正, 尤其是葉片剛開始擴(kuò)展及葉片停止擴(kuò)展時期, 分別偏正了1.6‰和1.5‰。

圖2 2014～2015年小葉櫟(a)和楓香(b)正構(gòu)烷烴平均組成

表1 2014～2015年小葉櫟和楓香正構(gòu)烷烴總濃度(μg/g, 以干重計(jì)算, 下同)、主峰碳濃度(μg/g)、ACL及CPI數(shù)據(jù)

2.3 葉蠟正構(gòu)烷烴單體碳同位素季節(jié)變化

小葉櫟主要正構(gòu)烷烴C29和C31的δ13Calk值變化范圍分別為?39.4‰ ～ ?32.3‰和?40.0‰ ～ ?32.4‰ (圖4)。2014年和2015年變化趨勢基本一致: 春季δ13Calk值總體偏正, 夏季逐漸偏負(fù), 秋季變化幅度較小且趨于穩(wěn)定。小葉櫟δ13Calk值在2014年5月和6月均出現(xiàn)正偏現(xiàn)象, 隨后δ13Calk值再次偏負(fù)。比較而言, 2015年的變化較穩(wěn)定, 3月底至4月C29和C31的δ13Calk值迅速偏正, 隨后偏負(fù), 在9月達(dá)到一個低值后小幅回升, 隨后保持穩(wěn)定。

楓香正構(gòu)烷烴的主峰為C31, 其δ13Calk值分布范圍為?40.1‰ ～ ?32.9‰。C33的δ13Calk值為?40.1‰ ～ ?34.9‰(圖4)。楓香正構(gòu)烷烴C31和C33的δ13Calk值在兩個生長期變化趨勢基本一致。楓香正構(gòu)烷烴單體碳同位素在2014年4月逐漸偏負(fù), 之后葉片成熟期變幅較小。2015年4、5月逐漸偏負(fù), 之后開始偏正, 8月達(dá)到最高值, 隨后呈小幅偏負(fù)趨勢, 但仍保持較春季更偏正的δ13Calk值。2014年和2015年兩個生長期楓香的δ13Calk最高值出現(xiàn)的時間不同, 2014年出現(xiàn)在早春, 2015年則出現(xiàn)在夏季。并且整個生長期2014年的δ13Calk值均大于2015年。

同δ13Cbulk值一樣, 小葉櫟和楓香主要烷烴的δ13Calk值存在較為相似的季節(jié)變化模式。另外, 兩種植物的δ13Calk值的季節(jié)變化表現(xiàn)出了差異性。2015年兩種植物的δ13Calk值季節(jié)變化相較于2014年小, 并無頻繁起伏。但是, 兩個生長季中兩種植物δ13Calk值的峰值出現(xiàn)時間并不一致。2014年小葉櫟δ13Calk值的最高值出現(xiàn)在早春和7月, 最低值出現(xiàn)在生長期后期(11月), 楓香與小葉櫟一致; 2015年小葉櫟δ13Calk值最高值則出現(xiàn)在5月, 最低值在葉片成熟期(9月), 楓香的最高值出現(xiàn)在成熟期(9月), 最低值在5月底。

3 討 論

3.1 正構(gòu)烷烴δ13Calk季節(jié)變化的可能原因

經(jīng)過兩年的觀測, 發(fā)現(xiàn)小葉櫟和楓香葉蠟正構(gòu)烷烴的δ13Calk值均表現(xiàn)出了明顯的季節(jié)性變化規(guī)律(圖4)。葉片在生長初期, δ13Calk值偏正, 隨后逐步偏負(fù),在成熟期則保持相對穩(wěn)定。δ13Calk的變化模式與δ13Cbulk大致相同, 也和前人報(bào)道的落葉喬木的季節(jié)變化結(jié)果相符(Tipple and Pagani, 2013; 丁一匯等, 2013; 中國氣象局氣候變化中心, 2020)。上述季節(jié)性變化可能與落葉喬木的生長特性有關(guān)。在葉片生長初期, 落葉植物主要利用前一個生長季末期儲存的碳水化合物(Newberry et al., 2015; Cormier et al., 2018)。在植物體內(nèi), 光合產(chǎn)物在從葉片向其他非光合組織遷移的過程中會發(fā)生碳同位素逐步正偏的現(xiàn)象(Gleixner et al., 1993; Badeck et al., 2005), 使得儲存在枝條或樹干的碳水化合物相對富集13C(Vogado et al., 2020)。伸展初期的葉片利用這些儲存的碳水化合物使得其δ13Calk與δ13Cbulk偏正。隨著新生葉片的擴(kuò)展及葉片光合能力的增強(qiáng), 大量新的碳水化合物(具有偏負(fù)的碳同位素組成)被合成, 這些新合成且具有較負(fù)碳同位素值的糖類能夠供應(yīng)葉蠟脂類的合成, 使得葉片的δ13Calk值也逐步偏負(fù)。而在葉片生長后期, 從葉片成熟到衰老, δ13Calk保持著相對穩(wěn)定的值, 但仍存在小幅度的變化。這可能是由于成熟葉片合成新的正構(gòu)烷烴(Huang et al., 2018), δ13Calk值隨之發(fā)生變化。需要注意的是, 小葉櫟在每個生長季最早期的樣品表現(xiàn)出較為偏負(fù)的δ13Calk值(圖4), 說明還有其他因素會影響δ13Calk值的變化, 需要開展更長時間的監(jiān)測研究。

圖3 2014～2015年小葉櫟(a)和楓香(b)總有機(jī)碳同位素值變化

圖4 2014～2015年小葉櫟(a、c)和楓香(b、d)主要烷烴單體碳同位素值變化

3.2 表觀分餾系數(shù)變化

在兩年的監(jiān)測期內(nèi), 兩種植物δ13Calk的變化并不和δ13Cbulk變化完全同步, 這可以用葉蠟烷烴與葉片之間的碳同位素表觀分餾系數(shù)(app)進(jìn)行表征(圖5)。在6月底之前, 兩種植物的app值都表現(xiàn)出較大的波動幅度。從7月開始,app值相對穩(wěn)定, 除了2014年楓香以外, 變化范圍為?6‰ ～ ?8‰。葉片在春季表現(xiàn)出較大的app波動幅度, 可能反映了葉片有機(jī)質(zhì)與葉蠟烷烴合成時間的不同步性。本次研究的兩種落葉植物葉蠟烷烴含量的變化表明, 葉蠟烷烴在春季被大量地合成, 在夏季成熟階段也有少量地合成(Pedentchouk et al., 2008; Kahmen et al., 2011)。前人調(diào)查的溫帶地區(qū)落葉喬木也發(fā)現(xiàn), 葉蠟烷烴主要是在生長初期被合成(Kahmen et al., 2011; Tipple and Pagani, 2013)。

值得注意的是, 本次調(diào)查的兩種落葉喬木的葉蠟烷烴在成熟階段的app值比之前報(bào)道的偏負(fù)。例如, Suh and Diefendorf (2008)調(diào)查的北美的落葉喬木成熟期app值是(?4.3±1.4)‰。Diefendorf and Freimuth (2017)集成的C3被子植物的平均app值是?5.2‰(C29烷烴), ?5.6‰(C31烷烴)和?5.4‰(C33烷烴)。相對來講, 南望山成熟階段的app值處在集成數(shù)據(jù)的低值端。由于武漢所在亞熱帶地區(qū)并沒有比其他地區(qū)更高的降雨量或相對濕度, 這種負(fù)偏的app值很可能和新合成烷烴在總烷烴中占比有關(guān)。在溫帶地區(qū)開展的研究普遍認(rèn)為, 烷烴主要是在生長季初期合成(Kahmen et al., 2011; Tipple and Pagani, 2013)。在武漢這樣的氣候條件下, 初夏梅雨期的強(qiáng)降雨以及后續(xù)的盛夏伏旱都可以給植物葉片帶來較大的環(huán)境壓力, 使得植物新合成烷烴來抵抗環(huán)境的壓力。在這個階段, 植物的光合能力達(dá)到了最佳狀態(tài), 利用光合作用新合成的糖類, 可以造就相對負(fù)偏的app值。已經(jīng)發(fā)表的南望山植物葉蠟烷烴單體氫同位素?cái)?shù)據(jù)也支持上述認(rèn)識, 支持新合成烷烴對成熟階段葉蠟烷烴的重要貢獻(xiàn)(Huang et al., 2018)。

3.3 年際和植物間差異

本次研究發(fā)現(xiàn), 生長在非常相似環(huán)境的兩種落葉喬木, 其葉蠟烷烴組成和δ13Calk值的季節(jié)性變化卻表現(xiàn)出明顯的差異性(圖4)。楓香合成的葉蠟烷烴具有更大的ACL值, 以C31為主峰, 而小葉櫟以C29為主峰(圖2)。在δ13Calk值的季節(jié)性變化上, 小葉櫟在葉片萌發(fā)后的較長一段時間內(nèi)仍維持在相對偏正的階段, 例如在2014年, 較大的δ13Calk值持續(xù)到6月底(圖4)。與之不同的是, 楓香葉蠟烷烴δ13Calk值會在5月初開始快速下降。上述差異性可能和物種本身的生物學(xué)屬性有關(guān)。兩種植物分屬于不同的科屬, 前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不同植物屬種間葉蠟烷烴的差異性(Oakes and Hren, 2016; Zhao et al., 2018)。同時, 也可能和這兩種落葉喬木的葉片結(jié)構(gòu)有關(guān)(Freimuth et al., 2017; Suh and Diefendorf, 2018)。小葉櫟的葉子屬于披針形, 葉面積較小, 而楓香葉片闊卵形, 葉面積比小葉櫟顯著偏大。在2017年對成熟葉片的調(diào)查中, 小葉櫟葉片平均面積是17.8 cm2, 而楓香葉片平均面積是68.8 cm2(均統(tǒng)計(jì)10片成熟葉片; Huang et al., 2018)。不同的葉片面積會影響葉蠟的單位產(chǎn)量, 進(jìn)而和葉片的光合速率關(guān)聯(lián)。當(dāng)然, 這還無法解釋為何兩種植物的主峰碳有差別。值得關(guān)注的是, 在高等植物中, 隨著碳鏈長度的增加, 其δ13Calk值通常表現(xiàn)出負(fù)偏的趨勢(Smith et al., 2007; Zhao et al., 2018)。這也體現(xiàn)在本次研究中, 例如, 楓香C33烷烴的δ13Calk值比C31烷烴偏負(fù)。

圖5 2014～2015年小葉櫟(a、c)和楓香(b、d)的主要烷烴碳同位素表觀分餾系數(shù)(εapp)變化

小葉櫟δ13Calk值在2014年和2015年間也表現(xiàn)出了差異性。2014年春季(3月至5月)的波動性比2015年同期更明顯。到了生長季末期, 2014年的δ13Calk值在?36‰左右波動, 而2015年生長季末期的δ13Calk值基本維持在?38‰, 比2014年同期偏負(fù)。同小葉櫟相比, 楓香在2014年和2015年間的差異性就更明顯些。2014年, 楓香δ13Calk值整體呈下降趨勢, 整個生長季的變化范圍約為7‰。而在2015年, 楓香δ13Calk值先是處在較低值(

圖6 2014～2015年小葉櫟(a)和楓香(b)葉蠟烷烴主峰碳的碳同位素與氫同位素組成對比

4 結(jié) 論

本研究對武漢市南望山兩種典型的亞熱帶落葉喬木(小葉櫟、楓香)的葉蠟烷烴單體碳同位素組成開展了為期兩年的季節(jié)變化監(jiān)測。兩種植物的總有機(jī)碳同位素值和單體碳同位素值具有相似的季節(jié)變化模式。葉片的碳同位素值春季偏正, 夏季偏負(fù), 秋季小幅度偏負(fù)且較為穩(wěn)定。生長初期的碳同位素值偏正與落葉喬木冬季儲存富集13C的碳水化合物有關(guān); 而夏季的同位素值偏負(fù)則是由于利用了新鮮的光合作用產(chǎn)物。在生長季末期, 兩種落葉喬木葉蠟烷烴相對于葉片的碳同位素分餾系數(shù)為?6‰ ～ ?8‰, 處于已報(bào)道的落葉喬木表觀分餾系數(shù)的低值。結(jié)合前期同一批樣品葉蠟烷烴單體氫同位素的研究結(jié)果, 這種偏負(fù)的表觀分餾系數(shù)可能是因?yàn)樯L季后期仍有少量的長鏈正構(gòu)烷烴合成。本研究揭示了亞熱帶落葉喬木葉蠟烷烴單體碳同位素組成存在年份間、物種間的差異, 對短時間尺度環(huán)境條件的變化比較敏感, 因此在基于落葉喬木葉蠟烷烴單體碳同位素進(jìn)行古環(huán)境重建時, 需要考慮碳同位素信號的季節(jié)性影響。同時, 需要延長監(jiān)測時間, 對更多代表性喬木樹種進(jìn)行監(jiān)測, 并結(jié)合溫室條件下控制環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn), 進(jìn)一步提升落葉喬木烷烴單體碳同位素信號的解譯能力。

致謝:感謝中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所賈國東研究員和另一位匿名審稿專家在一、二審過程中提出的建設(shè)性修改意見和建議。

丁一匯, 王紹武, 鄭景云, 王會軍, 楊修群. 2013. 中國氣候. 北京: 科學(xué)出版社: 409–410.

劉暢, 廖偉森, 胡建芳, 付少英, 向榮, 李永祥. 2019. 南海北部東沙海區(qū)海洋氧同位素3期以來沉積有機(jī)碳記錄及其古氣候/環(huán)境信息. 地球化學(xué), 48(5): 483–492.

劉豐豪, 胡建芳, 王偉銘, 童曉寧, 黃超, 廖偉森. 2018. 8.0 ka BP以來長江中下游南漪湖沉積記錄的正構(gòu)烷烴及其單體碳同位素組成特征和古氣候意義. 地球化學(xué), 47(1): 89–100.

中國氣象局氣候變化中心. 2020. 中國氣候變化藍(lán)皮書2020 . 北京: 科學(xué)出版社: 79–81.

Badeck F W, Tcherkez G, Nogués S, Piel C. 2005. Post-photosynthetic fractionation of stable carbon isotopes between plant organs — A widespread phenomenon., 19(11): 1381–1391.

Bush R T, Mcinerney F A. 2013. Leaf wax-alkane distributions in and across modern plants: Implications for paleoecology and chemotaxonomy., 117: 161–179.

Bush R T, Mcinerney F A. 2015. Influence of temperature and C4abundance on-alkane chain length distributionsacross the central USA., 79: 65–73.

Chikaraishi Y, Naraoka H. 2003. Compound-specific δD-δ13Canalyses of-alkanes extracted from terrestrial and aquatic plants., 63(3): 361–371.

Cooper J E, Bray E E. 1963. A postulated role of fatty acids in petroleum formation., 27(11): 1113–1127.

Cormier M A, Werner R A, Sauer P E, Gr?cke D R, Leuenberger M C, Wieloch T, Schleuchr J, Kahmen A. 2018.2H-fractionations during the biosynthesis of carbohydrates and lipids imprint a metabolic signal on the δ2H values of plant organic compounds., 218(2): 479–491.

Diefendorf A F, Freimuth E J. 2017. Extracting the most from terrestrial plant-derived-alkyl lipids and their carbon isotopes from the sedimentary record: A review., 103: 1–21.

Eglinton G, Hamilton R J. 1967. Leaf epicuticular waxes., 156(3780): 1322–1335.

Farquhar G D, Ehleringer J R, Hubick K T. 1989. Carbon isotope discrimination and photosynthesis., 40: 503–537.

Feakins S J, Bentley L P, Salinas N, Shenkin A, Blonder B, Goldsmith G R, Ponton C, Arvin L J, Wu M S, Peters T, West A J, Martin R E, Enquist B J, Asner G P, Malhi Y. 2016. Plant leaf wax biomarkers capture gradients in hydrogen isotopes of precipitation from the Andes and Amazon., 182: 155–172.

Feakins S J, Sin Wu M, Ponton C, Galy V, Joshua West A. 2018. Dual isotope evidence for sedimentary integrationof plant wax biomarkers across an Andes-Amazon elevationtransect., 242: 63–81.

Ficken K, Li B, Swain D, Eglinton G. 2000. An-alkane proxy for the sedimentary input of submerged/floating freshwater aquatic macrophytes., 31(7–8): 745–749.

Freimuth E J, Diefendorf A F, Lowel T V. 2017. Hydrogen isotopes of-alkanes and-alkanoic acids as tracers of precipitation in a temperate forest and implications for paleorecords., 206: 166–183.

Gleixner G, Danier H J, Werner R A, Schmidt H L. 1993. Correlations between the13C content of primary and secondary plant products in different cell compartments and that in decomposing basidiomycetes., 102(4): 1287–1290.

Huang X Y, Zhao B Y, Wang K, Hu Y, Meyers P A. 2018. Seasonal variations of leaf wax-alkane molecular composition and δD values in two subtropical deciduoustree species: Results from a three-year monitoring program in central China., 118: 15–26.

Jia G D, Bai Y, Yang X Q, Xie L H, Wei G J, Ouyang T P, Chu G Q, Liu Z H, Peng P A. 2015. Biogeochemical evidence of Holocene East Asian summer and winter monsoon variability from a tropical maar lake in southern China., 111: 51–56.

Kahmen A, Dawson T E, Vieth A, Sachse D. 2011. Leaf wax-alkane δD values are determined early in the ontogeny ofleaves when grown under controlled environmental conditions., 34(10): 1639–1651.

Li R C, Meyers P A, Fan J, Xue J T. 2016. Monthly changes in chain length distributions and stable carbon isotope composition of leaf-alkanes during growth of the bambooand the grass., 101: 72–81.

Liu J A, An Z S. 2020. Leaf wax-alkane carbon isotope values vary among major terrestrial plant groups: Different responses to precipitation amount and temperature, and implications for paleoenvironmental reconstruction., 202, 103081.

Liu X W, Feakins S J, Dong X J, Xue Q W, Han J, Marek T, Leskovar D I, Neely C B, Ibrahim A M H. 2019. Evaluating leaf wax and bulk leaf carbon isotope surrogates for water use efficiency and grain yield in winter wheat., 59: 718–732.

Newberry S L, Kahmen A, Dennis P, Grant A. 2015.-Alkanebiosynthetic hydrogen isotope fractionation is not constant throughout the growing season in the riparian tree., 165: 75–85.

Oakes A M, Hren M T. 2016. Temporal variations in the δD of leaf-alkanes from four riparian plant species., 97: 122–130.

Pedentchouk N, Sumner W, Tipple B, Pagani M. 2008. δ13C and δD compositions of-alkanes from modern angiospermsand conifers: An experimental set up in central Washington State, USA., 39(8): 1066–1071.

Poynter J G, Farrimond P, Robinson N, Eglinton G. 1989. Aeolian-derived higher plant lipids in the marine sedimentary record: Links with palaeoclimate // Leinen M, Sarnthein M. Paleoclimatology and paleometeorology: Modern and past patterns of global atmospheric transport. The Netherlands: Springer, Kluwer Academic Publishers: 435–462.

Sachse D, Billault I, Bowen G J, Chikaraishi Y, Dawson T E, Feakins S J, Freeman K H, Magill C R, McInerney F A, Van der Meer M T J, Polissar P, Robins R J, Sachs J P, Schmidt H-L, Sessions A L, White J W C, West J B, Kahmen A. 2012. Molecular paleohydrology: Interpreting the hydrogen-isotopic composition of lipid biomarkers from photosynthesizing organisms., 40: 221–249.

Smith F A, Wing S L, Freeman K H. 2007. Magnitude of the carbon isotope excursion at the Paleocene-Eocene thermal maximum: The role of plant community change., 262(1–2): 50–65.

Suh Y J, Diefendorf A F. 2018. Seasonal and canopy height variation in-alkanes and their carbon isotopes in a temperate forest., 116: 23–34.

Sun Q, Xie M M, Lin Y, Shan Y B, Zhu Q Z, Xu D K, Su Y L, Rioual P, Chu G Q. 2016. An-alkane and carbon isotope record during the last deglaciation from annually laminated sediment in Lake Xiaolongwan, northeastern China., 56(2–3): 189–203.

Tipple B J, Ehleringer J R. 2018. Distinctions in heterotrophic and autotrophic-based metabolism as recorded in the hydrogen and carbon isotope ratios of normal alkanes., 187(4): 1053–1075.

Tipple B J, Pagani M. 2013. Environmental control on eastern broadleaf forest species’ leaf wax distributions and D/H ratios., 111: 64–77.

Vogado N O, Winter K, Ubierna N, Farquhar G D, Cernusak L A. 2020. Directional change in leaf dry matter δ13C during leaf development is widespread in C3plants., 126: 981–990.

Wang J, Xu Y P, Zhou L P, Shi M R, Axia E, Jia Y F, Chen Z X, Li J Z, Wang G A. 2018. Disentangling temperature effects on leaf wax-alkane traits and carbon isotopic composition from phylogeny and precipitation., 126: 13–22.

Zhao B Y, Zhang Y M, Huang X Y, Qiu R Y, Zhang Z Q, Meyers P A. 2018. Comparison ofalkane molecular, carbon and hydrogen isotope compositions of different types of plants in the Dajiuhu peatland, central China., 124: 1–11.

Seasonal variations in the carbon isotope compositions of leaf wax-alkanes in two subtropical deciduous tree species

YANG Ting1, YAN Chaoyang1, HUANG Xianyu1, 2*

(1. Hubei Provincial Key Laboratory of Critical Zone Evolution, School of Geography and Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430078, Hubei, China; 2. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences, Wuhan 430078, Hubei, China)

Carbon isotope compositions of leaf wax-alkanes (δ13Calk) have been essential tools for paleoclimate and paleoecological reconstructions. Research of modern processes has the potential to improve the interpretation of leaf wax-alkanes in geological archives. However, the understanding of seasonal variations of δ13Calkin subtropical deciduous species remains limited. Therefore, we investigated the seasonal variations in the carbon isotope compositions of two typical subtropical deciduous trees (,) over two years. During the spring, the δ13Calkvalues in the two tree species were relatively positive, then turned negative, and finally showed near-constant in the fall. Such a seasonal pattern possibly relates to the utilization of stored carbohydrates at the initial stage of leaf development and the use of newly synthesized sugars in the later stages. At the end of the growing season, the apparent fractionation of carbon isotopes between the bulk leaves and-alkanes ranged from ?6‰ to ?8‰, which may be due to the secondary synthesis of long chain-alkanes in small amounts at the end of the growth period. These results suggest that the seasonality of environmental factors may affect the δ13Calksignals of deciduous trees preserved in geological archives.

deciduous trees; leaf wax-alkanes; compound-specific carbon isotope; apparent fractionation; seasonal variations

P593

A

0379-1726(2022)02-0213-10

10.19700/j.0379-1726.2022.02.005

2020-09-02;

2020-10-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41807435)資助。

楊婷(1995–), 女, 碩士研究生, 地理學(xué)專業(yè)。E-mail: tyang622@163.com

黃咸雨(1981–), 男, 教授, 主要從事泥炭地分子地球生物學(xué)研究。E-mail: xyhuang@cug.edu.cn