植物光合與呼吸過程CO2及其δ13C的變異特征與影響因素研究進展

魏 杰,王晶苑,溫學發(fā)

中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

植物光合與呼吸過程是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分,其與大氣之間的CO2交換量是人為釋放CO2量的15—20倍[1]。光合過程是植物碳過程的起始環(huán)節(jié),由于受到葉片氣孔、葉肉和羧化作用等影響,大氣中的CO2通過氣孔進入葉片合成初級光合產物的過程存在同位素效應[2—5]。呼吸過程的底物供應來自于葉片光合產物的轉化和遷移,由于底物和分餾驅動的同位素效應,葉片、莖桿和根系等呼吸釋放CO2δ13C具有明顯時空分布特征[6—7]。植物光合與呼吸過程CO2及其δ13C的變異特征與驅動機制可以為植物與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程解析以及模型模擬研究提供理論基礎和數據支撐[8—10]。

植物光合與呼吸過程CO2及其δ13C具有明顯的日變化和季節(jié)變化特征,主要受控于氣孔導度、葉肉導度、羧化作用和光合產物供應等生物因素以及光照、溫度和濕度等氣象因素[6,11—15]。葉片擴散分餾和羧化分餾導致光合產物同位素組成的差異[16—18];而葡萄糖合成和淀粉累積過程、韌皮部蔗糖釋放/回收過程以及新老碳的混合等導致莖桿和根系呼吸CO2δ13C變異特征與葉片存在一定的時間滯后效應[7,19]。

到目前為止,關于不同時間尺度上光合與呼吸CO2δ13C的變異特征及其影響因素仍然缺少清晰認識。彌補這一知識空白對于植物碳分配模式[9,20]、碳代謝關鍵過程[6,8,14,21]以及生態(tài)系統(tǒng)呼吸組分拆分等研究至關重要[5,22—23]。本文系統(tǒng)梳理了植物光合與呼吸碳過程的同位素效應及其時間變化特征與影響因素,總結了存在的問題,并展望了未來的研究方向,以期為今后該領域的研究提供理論依據和有效支撐。

1 植物碳過程及其同位素效應概述

植物碳過程主要包括光合過程和后羧化過程兩部分,光合過程是植物碳過程的起始環(huán)節(jié),吸收大氣CO2合成初級光合產物;后羧化過程是光合產物轉化和遷移環(huán)節(jié),用于維持植物生長和抵御環(huán)境脅迫(圖1)。

圖1 植物光合與呼吸碳過程及其同位素效應示意圖[6—7]Fig.1 Schematic diagram of carbon processes and their isotopic effects during plant photosynthesis and respiration[6—7]1表示光合產物合成過程,其同位素效應主要為光合同位素分餾;2,6和9表示后羧化過程中與淀粉代謝相關的碳過程,其同位素效應主要為蔗糖與淀粉之間相互轉化過程中的分餾效應;3,7和10表示后羧化過程中與不同化合物之間碳分配的相關過程,其同位素效應主要為NSC與SC相互轉化過程中的分餾效應;4,8和11表示呼吸過程,其同位素效應主要為呼吸分餾;5表示韌皮部運輸過程,其同位素效應主要為蔗糖裝載、運輸和卸載中的分餾效應;12表示通過菌根真菌網絡進行的地下碳交換過程,其同位素效應主要為具有不同同位素信號的碳組分交換過程中的平衡分餾效應。1為植物葉片光合過程CO2同化過程,2—12為后羧化過程中碳的儲存、轉化、遷移和釋放過程

1.1 光合過程及其同位素效應

光合過程主要發(fā)生在葉片的葉綠體內,包括原初反應、光反應和暗反應(圖2)。其中,原初反應主要發(fā)生在葉綠體的類囊體,是光合過程的初始環(huán)節(jié);光反應主要發(fā)生在葉綠體類囊體膜,包括光反應1和光反應2兩個過程,提供必需的酶和ATP[16,24—25];根據光合途徑的不同,暗反應主要分為C3途徑、C4途徑和景天科酸代謝途徑(Crassulacean acid metabolism,CAM)[6,17,26]。以C3途徑為例,光合過程包括:大氣CO2通過邊界層到達氣孔并進入葉肉細胞,在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)作用下,CO2與核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)合成甘油酸-3-磷酸(PGA),在甘油醛磷酸脫氫酶作用下被還原型輔酶II(NADPH)和H+還原形成甘油醛-3-磷酸(PGAld),即初級光合產物。C3途徑,即卡爾文循環(huán),是所有植物光合作用碳同化的基本途徑,也是植物合成葡萄糖和淀粉的光合產物的唯一途徑;C4和CAM途徑并不普遍存在,且只能固定和轉運CO2,而不能形成葡萄糖和淀粉等光合產物。光照、溫度、水分等條件適宜時,光合作用形成的葡萄糖轉化為蔗糖,部分蔗糖進一步合成淀粉并暫時儲存在葉片中;在環(huán)境脅迫條件下,光合作用受限,光合產物供應不足,淀粉則轉化為蔗糖,供葉片生長、呼吸等代謝作用[6—7,11]。

圖2 葉片結構、葉綠體結構以及光合碳合成過程Fig.2 Structure of leaf and chloroplast and the photosynthetic carbon synthesis

在光合碳合成過程中,由于擴散分餾和羧化分餾等同位素效應的存在,植物優(yōu)先利用較輕的12CO2,導致植物體內有機物13C貧化[2—3,27]。擴散分餾主要發(fā)生在大氣CO2通過邊界層和氣孔進入葉綠體的過程中,CO2通過邊界層、氣孔和細胞內轉移過程的分餾系數分別為2.9‰、4.4‰和1.8‰。其中,CO2在細胞內轉移過程中的分餾包括氣態(tài)CO2溶于水的擴散分餾(0.7‰)和CO2在溶液中的平衡分餾(1.1‰,25 ℃)[2—3]。羧化分餾主要發(fā)生在CO2與核酮糖-1,5-雙二磷酸/磷酸烯醇式丙酮酸在羧化酶催化作用下的羧化過程,其分餾系數為29‰[2—3]。呼吸分餾主要包括光呼吸分餾和暗呼吸分餾,其中,光呼吸分餾系數為8‰;不同研究者計算得到的暗呼吸分餾系數不同,目前應用較多的分餾系數為0‰。

1.2 后羧化過程及其同位素效應

葉片后羧化過程主要發(fā)生在葉綠體基質和細胞質中,光合過程形成的甘油醛-3磷酸等主要通過兩種途徑進入下一步反應,其中一部分在葉綠體基質內形成果糖-6磷酸,進一步轉化為ADP-葡萄糖,最后形成淀粉,暫時儲存在葉綠體中;一部分則通過葉綠體被膜上的轉運器運出葉綠體,在細胞質中形成蔗糖[19,28]。其次,葉綠體中的淀粉在適當條件下轉化成蔗糖;細胞質中的蔗糖主要用于葉片呼吸,合成纖維素和木質素,通過篩管向莖桿和根系運輸,并在莖桿和根系中進行NSC和SC的轉化、并通過呼吸代謝釋放CO2等[6,23]。蔗糖由葉片向莖桿和根系的運輸過程主要是在韌皮部篩管中完成的,包括葉片韌皮部裝載、維管束的運輸以及在莖桿和根系韌皮部中卸載,其中,蔗糖轉運蛋白、轉化酶和單糖轉運蛋白對于蔗糖等運輸至關重要[29]。根系中的細根通常與叢枝菌根或外生菌根共生,形成菌根真菌網絡[8,30],并基于此網絡,進行地下碳交換[8—9]。

后羧化過程中的同位素效應與代謝途徑以及特定有機質輸出等有關[6,28,31],主要包括葉片后羧化分餾過程、葉片-莖桿-根系運輸過程以及莖桿和根系中物質轉化和混合等過程的同位素效應(表1)。葉片后羧化過程的同位素效應主要包括葡萄糖合成過程中的同位素效應(分餾驅動,包括碎分裂分餾以及和酶相關的分餾等)、淀粉累積過程中的同位素效應(底物驅動,主要為淀粉與蔗糖相互轉化等)、呼吸(蘋果酸脫羧)過程中的同位素效應(底物驅動,主要為葡萄糖分解)、以及光促進暗呼吸過程中的同位素效應(底物驅動,包括丙酮酸脫羧等)[6]。葉片-莖桿莖干-根系運輸過程的同位素效應主要包括蔗糖在韌皮部蔗糖中的釋放/回收過程中的同位素效應(底物驅動,主要為不同來源蔗糖的混合)、以及不同代謝過程和滯留時間的蔗糖混合過程中的同位素效應(底物驅動,主要為蔗糖混合過程的平衡分餾)[6,28]。莖干和根系后羧化過程的同位素效應主要包括物質轉換過程中的同位素效應(底物驅動,主要為可溶性糖、淀粉等相互轉化)、PEPC重新固定CO2過程中的同位素效應(分餾驅動,包括PEPC排斥13C、溶解和水合過程等)、碳交換過程中的同位素效應(底物驅動,主要為不同δ13C可溶性碳的交換過程)和呼吸過程中的同位素效應等[6,31]。

表1 植物光合與后羧化碳過程及其同位素效應[3,7]Table 1 Photosynthetic and post-carboxylated carbon processes and their isotope effects in plants[3,7]

2 光合與呼吸關鍵過程觀測技術與方法

植物光合過程的關鍵參數葉肉導度是光合作用的重要影響因素,也是葉片尺度模型以及區(qū)域甚至全球尺度的碳循環(huán)模型的輸入參數,其測定方法通常包括葉綠素熒光法、曲線擬合法和碳同位素分餾在線聯測法[32—34]。葉綠素熒光法通常基于光呼吸補償點(Γ*)和日間線粒體呼吸速率(RL)計算獲得,而Γ*和RL的經典測定方法Laisk法的理論基礎和準確性受到了廣泛質疑,且二者的測定誤差對光合速率計算結果影響顯著[25,35]。此外,葉片對光的吸收能力及其在光系統(tǒng)中的分配比例等經驗系數均存在不確定性。雖然Γ*也是碳同位素分餾在線聯測法的輸入參數,但其對該方法中葉肉導度的計算影響很小[36]。曲線擬合法易于理解、便于操作,但其擬合模型因光合作用的發(fā)生狀態(tài)不同而不同,不利于推廣[33]。越來越多的研究者認為,碳同位素分餾在線聯測法更適合多種環(huán)境條件下葉肉導度的準確計算[26,36],而葉綠素熒光法中的Laisk法在低輻射條件下可能導致葉片呼吸速率的低估[35]。

植物呼吸過程CO2及其δ13C的觀測方法主要包括微氣象學方法(渦度協方差法和通量梯度法)和箱式法。微氣象學方法多用于冠層、生態(tài)系統(tǒng)或區(qū)域尺度上CO2通量觀測,其中,通量梯度法直接觀測兩個高度處CO2濃度,結合湍流擴散系數,即可計算呼吸通量;或者直接觀測兩個高度處δ13C即可得到同位素通量比值,適用于湍流較弱和有效風浪區(qū)較小的情況。渦度協方差法已成為生態(tài)系統(tǒng)尺度CO2通量觀測的標準化、規(guī)范化方法;但易受復雜地形和復雜氣象條件的制約與影響。箱式法是單株植物或葉片尺度上的CO2通量觀測方法。箱式法則從早期的靜態(tài)箱-堿液吸收滴定[37]、靜態(tài)箱-氣相色譜測定[38]以及靜態(tài)箱(放置離體葉片、莖桿或根系)-穩(wěn)定同位素質譜儀[7,35]等人工離線測定模式,逐漸發(fā)展到自動箱-紅外光譜測定[39—42]等自動在線測定模式,已成為目前通用的方法。

以上觀測技術與方法通常在自然條件(同位素自然豐度)或人工條件(同位素脈沖標記/連續(xù)標記)下進行?；谧匀粭l件或人工條件下的CO2及其δ13C的連續(xù)觀測以及植物體不同器官和組分碳含量及其δ13C組成,與生物和氣象要素等相結合,前人開展了植物體內關鍵碳過程、碳分配模式以及生態(tài)系統(tǒng)光合與呼吸組分拆分等研究[7,19,41,43]。

3 光合過程CO2及其δ13C變異特征與影響因素

光合過程CO2及其δ13C日變化特征通常表現為單峰曲線或雙峰曲線,氣孔導度、葉肉導度和羧化作用是光合過程的關鍵限制因素[5,25,44—45]。

3.1 光合過程CO2及其δ13C變異特征

葉片光合過程CO2日變化特征通常表現為單峰曲線或雙峰曲線,即光合CO2同化速率在上午或下午達到峰值,而中午由于氣孔開度降低或關閉,光合CO2同化速率降至最低,出現“午休”現象[44—45]。其季節(jié)變異普遍表現為“單峰型”,即光合CO2同化速率在生長季中期達到最高,而在生長季初期和末期較低。此外,少量研究發(fā)現了植物光合CO2同化速率的“雙峰型”變化趨勢,即光合CO2同化速率在生長季初期逐漸升高并達到峰值,隨后逐漸回落至低谷,在生長季中期前后再次逐漸升高并達到峰值,并在末期快速回落。與植物光合CO2同化速率變化趨勢相似,光合過程CO2δ13C通常表現為“單峰型”或“雙峰型”兩種類型,即上午或下午分餾較大,而中午前后分餾較小的變異特征[3,27]。

3.2 光合過程的影響因素

光合過程的影響因素通常包括生物因素和非生物因素。早期一些研究認為CO2從氣孔下腔到葉綠體羧化位點的擴散阻力趨近于無窮小,從而簡單地把生物影響因素劃分為氣孔限制和非氣孔限制兩個因素[35]。隨著葉肉導度研究的深入,發(fā)現不同植物葉肉導度存在差異,并且隨著光照、溫度、濕度等環(huán)境條件發(fā)生變化。因此,葉肉導度是光合過程的重要限制因素,進而將光合過程的影響因素進一步細分為氣孔限制、葉肉限制和羧化限制三個限制因素[35—36]。

光合過程的非生物影響因素主要包括光照、溫度和濕度的環(huán)境因素。其中,強光、高溫和低濕等環(huán)境下,植物氣孔開度降低或關閉,導致光合作用原料供給不足和CO2同化速率降低[2—3]。低光強下發(fā)育的葉片,葉肉細胞壁厚度增加,碳酸酐酶和水孔蛋白等活性降低,葉綠體的位置改變,導致葉肉限制顯著偏高[46—47]。羧化過程中的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶和甘油醛磷酸脫氫酶等酶活性降低,產生光抑制并阻止光合產物合成[25,45,48]。氣孔限制和葉肉限制條件下,擴散分餾是光合過程同位素效應的主要控制因素,此時,12CO2優(yōu)先通過邊界層和氣孔進入葉片,溶于水后進一步輸送到羧化位點。由于氣孔限制和葉肉限制導致的分餾效應遠低于羧化分餾,因此,其分餾系數低于氣孔和葉肉不受限制時的分餾系數,導致初級光合產物δ13C偏正[6—7,36,49]。羧化限制條件下,由于酶活性降低和光抑制效應,用于酶促羧化反應的12CO2明顯減少,導致初級光合產物δ13C偏正[3,34]。光合過程的分餾效應使得植物體有機質δ13C比大氣偏負20‰左右[2—3]。

4 呼吸過程CO2及其δ13C變異特征與影響因素

葉片[27,50]、莖桿[15,51]和根系[13,52]呼吸過程CO2及其δ13C日變化通常表現為單峰曲線或雙峰曲線,達到峰值的時間一般在中午12點到晚上22點之間[27,50],主要受控于光合產物供應[52]、物候[53—54]等生物因素以及土壤溫度[55]、濕度[56—57]、氮含量[58]等非生物因素。呼吸過程CO2δ13C變異的驅動機制通常包括呼吸底物合成和轉化過程的同位素效應、PEPc重新固定CO2過程中的同位素效應、呼吸脫羧過程的同位素效應以及碳交換過程中的同位素效應等[6—7]。

4.1 呼吸過程CO2及其δ13C變異特征

植物呼吸主要包括葉片呼吸、莖桿呼吸和根系呼吸過程,其CO2及其δ13C日變化通常表現為單峰曲線或雙峰曲線。葉片呼吸包括光呼吸和暗呼吸兩部分,受到溫度、濕度、光照、O2和CO2等環(huán)境條件的共同影響[32,59—61]。光呼吸需要葉綠體、過氧化物體和線粒體的協同作用,代謝途徑中的幾種主要物質(乙醇酸,乙醛酸和甘氨酸)都是二碳化合物(也稱為C2循環(huán)),主要受控于葉綠體內O2和CO2濃度,表現為高O2和低CO2濃度促進光呼吸[62—63]。暗呼吸也稱作細胞呼吸或線粒體呼吸,在有光和無光條件下均可進行,包括白天的非光呼吸和夜間呼吸,白天暗呼吸通常低于夜間,這可能是光照抑制暗呼吸作用引起的,即kok效應[32,35]。莖桿呼吸和根系呼吸過程底物來源主要包括光合產物由地上向地下的運輸過程以及地下碳向上運輸過程,具體過程請見4.2和4.3節(jié)。

葉片呼吸、莖桿呼吸和根系呼吸過程的同位素效應主要與呼吸底物合成和轉化過程、脫羧過程和碳交換過程等有關。光呼吸分餾主要與丙酮酸或谷氨酸脫羧過程有關,釋放的CO213C貧化,其δ13C通常表現為早晚偏正、中午偏負的趨勢,總的分餾系數為7‰—8‰[62,64]。葉片暗呼吸、莖桿呼吸和根系呼吸顧城的同位素效應主要與呼吸底物合成和轉化過程、PEPc重新固定CO2過程以及呼吸脫羧過程有關[6—7]。呼吸底物合成和轉化過程的同位素效應首先發(fā)生在葡萄糖合成過程的醛縮酶縮合作用,使13C在己糖的C-3和C-4位置相對富集,而12C在磷酸丙糖中相對富集,導致呼吸釋放的CO2相對于底物更加富集13C[6,65—66]。PEPc重新固定CO2主要包括三個分餾過程,即PEPc排斥13C,分餾系數約為2.2‰;CO2進入水中溶解平衡,使得氣態(tài)中富集13C,分餾系數為1.1‰;水合作用平衡分餾富集13C,分餾系數為9‰;PEPc重新固定CO2總的分餾作用達到5.7‰[3,67]。呼吸脫羧過程的同位素效應在糖酵解、TCA和PPP途徑中均有發(fā)生,且與葡萄糖合成過程相反。糖酵解途徑及其后的丙酮酸脫氫酶復合物(PDH)的脫羧反應利用葡萄糖C-3和C-4位置的碳,釋放出13C相對富集的CO2[7,12]。PPP過程產生的CO2來自于13C相對貧化的葡萄糖C-1位置,其對13C和12C的分餾作用分別為9.6‰和4‰,使得CO2的13C相對呼吸底物貧化[68]。

4.2 光合產物向下運輸過程對呼吸CO2及其δ13C的影響機制

蔗糖作為莖桿呼吸和根系呼吸底物的主要來源,主要通過韌皮部篩管由葉片向下遷移(圖3),其運輸方式包括通過蔗糖轉運蛋白的質外體裝載、沿著共質體的運輸以及擴散過程[15,41,51]。蔗糖運輸的驅動機制目前仍存在爭議,包括基于質量流量模型的源庫膨壓差驅動機制[69—70]和基于均勻膨壓以及膨壓和溶質濃度擾動的長距離快速分布機制[71]兩種觀點。氧化還原電位控制的蔗糖轉運以及蔗糖與植物激素間的信號傳達是碳水化合物分配的重要控制因素[72]。莖桿呼吸過程不僅受控于蔗糖供應,還取決于莖桿利用現有蔗糖的能力[6,73]。

圖3 莖桿結構與可溶性糖在莖桿中的運輸過程及其同位素效應Fig.3 Stem structure and the transport process and isotope effect of soluble sugar in stem

蔗糖從篩管滲出后的代謝反應中發(fā)生排斥13C的分餾,導致呼吸釋放的CO213C貧化;根據質量守恒,重新回收到韌皮部中的蔗糖中13C更加富集(圖3)[6,28]。白天韌皮部蔗糖主要由醛縮酶/轉酮醇酶的反應產物丙糖轉化而來,其13C相對貧化;而夜間韌皮部蔗糖由暫時淀粉降解而來,其13C相對富集[66,74]。不同代謝過程和滯留時間蔗糖具有不同的δ13C值,其混合過程明顯減弱了莖桿中淀粉δ13C值的晝夜變異,并且隨著向基部運輸距離增加而增強[7]。莖桿基部和根韌皮部蔗糖的δ13C值通常沒有明顯的晝夜變化[70,75],表明運輸過程中蔗糖混合過程可能不是呼吸釋放CO2的δ13C值晝夜變異的主要控制因素,而呼吸過程所利用底物(可溶性糖、淀粉、脂類/氨基酸、或儲存的和新鮮的同化物等)的晝夜變化可能是這一現象的主要控制因素[7,76—77]。

4.3 根系CO2向上運輸過程對呼吸CO2及其δ13C的影響機制

根系呼吸通常被認為是土壤呼吸的重要組成部分,但最近的研究表明,很大一部分根系呼吸釋放的CO2繼續(xù)儲存在根系中,并通過木質部導管,與水和礦物質等同步向地上部分輸送,并通過莖干呼吸或葉片呼吸釋放到大氣中,進而影響CO2排放速率的日變化和季節(jié)變異特征[78]。除根系自身呼吸產生的CO2外,根系還可以從土壤中吸收溶解無機碳,但在大多數情況下,由于根系-土擴散梯度限制,植物從土壤中吸收的CO2很少,表明根木質部中的大部分CO2來自根系呼吸。Aubrey和Teskey研究發(fā)現,通過木質部蒸騰流運輸到地上部分的CO2是根系呼吸釋放到土壤中CO2的2倍[79]。已有的研究表明,根系來源的CO2對莖桿呼吸的貢獻比例最高可達12%[79—81]。定量分析根系木質部CO2通量,對于了解根系呼吸作用具有重要意義,并將重新定義根系代謝的能量成本以及地下碳分配的估算,提高對于根呼吸和森林碳循環(huán)的理解[78]。

不同植物根系通過菌根真菌網絡進行地下碳交換,其交換的量級及其同位素組成對根系呼吸以及從根系運輸至地上部分的CO2濃度及其δ13C具有顯著影響(圖4)。幾乎所有陸地植物都存在地下真菌菌根網絡[82],前人的研究多關注于對養(yǎng)分吸收的貢獻,但是對于碳交換的研究相對較少[8,82—83]。通過對挪威云杉大樹進行長期連續(xù)原位標記研究發(fā)現,地下碳交換在細根總碳量中占比達到40%[8],而對花旗松幼苗開展控制實驗研究的結果表明,地下碳交換只占到整個標記期間總碳量的0.1%[9]。根系碳交換通常雙向進行,而不是根據供需梯度決定交換方向,因此,其對參與碳交換的植物根系呼吸底物均有顯著影響[8]。

圖4 植物間根系與菌根真菌網絡共生關系、根系與叢植菌根共生關系以及根系與外生菌根共生關系示意圖Fig.4 Symbiotic relationship between roots and mycorrhizal fungi network,roots and arbuscular mycorrhizal,and roots and ectomycorrhizal among plants

5 應用實踐與研究進展

5.1 碳分配模式及其影響因素分析

基于自然條件下CO2及其δ13C的連續(xù)觀測以及植物體不同器官和組分碳含量及其δ13C組成,與生物和氣象要素等相結合,前人開展了植物碳在植物體內分配模式和遷移速率及其內在驅動機制研究[7,41]。將箱式法與渦度協方差法相結合,Wingate等分析了光合碳同位素分餾與植物莖桿、土壤和生態(tài)系統(tǒng)呼吸同位素信號的相關關系,發(fā)現呼吸釋放CO2δ13C值變異幅度低于光合分餾,并且具有2—10d的延遲,可能是新合成碳與植物體內碳混合過程引起的分餾效應導致的[11]。將渦度協方差法與手動和自動箱式法相結合,Br?ndholt等分析了日尺度、季節(jié)尺度和年際尺度上溫帶山毛櫸林樹干、根系和土壤呼吸CO2的相對貢獻,結果發(fā)現,冬季莖桿呼吸和土壤呼吸對生態(tài)系統(tǒng)呼吸的貢獻分別為6%和52%,夏季莖桿呼吸、根系呼吸和土壤呼吸對生態(tài)系統(tǒng)呼吸的貢獻分別為16%、17%和49%[41]。Br?ndholt等利用自動箱-紅外光譜技術對森林土壤、莖桿和根系CO2及其δ13C通量開展了兩個月的連續(xù)觀測,發(fā)現不同生態(tài)系統(tǒng)單元(完整土壤、溝狀土壤、樹干和粗根)呼吸CO2δ13C值差異較小[41]。

基于人工條件下的同位素脈沖/連續(xù)標記方法研究了標記CO2進入樹木及其釋放到土壤和大氣中的情況[19,43]。脈沖標記在量化碳分配、評估碳分配在植物生長過程中的作用、資源獲取和碳儲存等應用廣泛。根據47項相關研究的數據,Epron等發(fā)現闊葉和針葉樹物種之間的轉移速率不同,并且隨著溫度和土壤含水量的降低以及干旱的增強而降低[84]。標記的碳在韌皮部溶液(轉移庫)和成熟葉(源器官)中的半衰期較短,而在庫器官(生長組織、季節(jié)性貯藏)中的半衰期較長。在高時間分辨率下,植物呼吸CO2δ13C觀測提供了新合成的碳在呼吸底物庫中平均停留時間的最佳估測值,并為不同器官分別建模提供了理論和數據基礎。Studer等利用脈沖標記和連續(xù)標記方法研究了植物-土壤系統(tǒng)中碳的遷移、分配和儲存時間,結果發(fā)現當第8d達到13C輸入和輸出平衡時,兩種方法得到的結果才達到一致[19]。

與脈沖標記方法更適用于從葉片到莖桿和根系等的最小遷移時間研究不同,連續(xù)標記方法則更適用于平均遷移時間研究。針對全球升溫對植物呼吸的影響,Drake等開展了大樹冠層脈沖標記實驗,并對葉片、冠層、根系和土壤呼吸CO2及其δ13C值進行了連續(xù)觀測,結果發(fā)現實驗升溫3℃并沒有導致葉片和冠層呼吸速率的增加,也沒有改變整株植物不同器官呼吸貢獻的相對比例以及碳的平均儲存時間,呼吸對變暖的完全適應可能會抑制正的氣候變暖反饋[43]?？偟膩砜?標記的碳中10%用于地上部分呼吸,40%用于地下部分呼吸,其余50%儲存在植物體內。

5.2 生態(tài)系統(tǒng)光合與呼吸組分拆分

生態(tài)系統(tǒng)光合與呼吸是構成凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)的重要組分,基于生態(tài)系統(tǒng)光合和呼吸過程,理論上NEE可細分為總生態(tài)系統(tǒng)光合通量、生態(tài)系統(tǒng)葉片光呼吸通量、生態(tài)系統(tǒng)葉片暗呼吸通量以及生態(tài)系統(tǒng)非葉片呼吸通量[85]。葉片光合過程中,邊界層、氣孔、葉肉、羧化限制以及光呼吸和暗呼吸等產生的同位素效應導致光合產物13C貧化而大氣CO2的13C富集的過程稱為光合碳同位素判別[2—3]。呼吸過程中,后羧化過程的同位素效應導致呼吸釋放的CO2的13C貧化,進而使得大氣CO2的13C貧化[86]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)光合產物和呼吸CO2的同位素組成(δ13C)的差異可以實現NEE組分光合和呼吸通量的拆分,該技術稱為同位素通量拆分方法。生態(tài)系統(tǒng)非葉片呼吸 δ13C和冠層尺度光合判別(13Δcanopy)是同位素通量拆分方法中兩個關鍵參數。傳統(tǒng)的基于渦度協方差系統(tǒng)觀測的生態(tài)系統(tǒng)光合和呼吸通量拆分通常采用溫度/光照響應函數等統(tǒng)計拆分方法[87—88],但存在溫度敏感性變化、自相關以及忽略光對葉片呼吸的抑制作用(即Kok效應)造成光照條件下呼吸通量被高估等問題[23,88]。而高時間分辨率大氣CO2和δ13C數據與渦度協方差通量觀測相結合的同位素通量拆分方法,不借助與溫度或光照相關的功能函數關系,通過獨立計算可實現晝夜和日尺度光合和呼吸通量的拆分,有效避免了渦度協方差技術通常采用的溫度/光照響應函數等統(tǒng)計拆分方法存在的自相關及高估白天呼吸通量等問題[5,22]。

生態(tài)系統(tǒng)光合和呼吸通量同位素組成的差異是生態(tài)系統(tǒng)NEE光合和呼吸通量拆分的理論基礎。Wehr和Saleska利用完整生長季的同位素通量數據分析發(fā)現,NEE大的日變化可能是由通量塔采樣足跡在高通量和低通量區(qū)域之間的變化引起的,而這是渦度協方差技術無法發(fā)現的[22]。結果表明光合作用的同位素特征隨季節(jié)變化在-24‰和-28‰之間,在生長季的大部分時間里,生態(tài)系統(tǒng)碳輸入和輸出之間的同位素差異保持在-0.5‰左右。Wehr等基于溫帶落葉林3年以上的同位素通量觀測研究,發(fā)現基于同位素通量拆分理論計算的生態(tài)系統(tǒng)呼吸在6—7月僅為夜間NEE的一半左右,首次在生態(tài)系統(tǒng)尺度上發(fā)現了Kok效應[23]。Oikawa等研究表明,基于Reichstein方法和人工神經網絡方法利用夜間NEE來推斷日間生態(tài)系統(tǒng)呼吸高估了日間GPP和生態(tài)系統(tǒng)呼吸的量級,可能是由于植物夜間呼吸速率高于白天導致的,進一步證實了Kok效應的存在[89]。Chen等選擇植物生長旺季高溫干旱和低溫濕潤兩個時期作為對比研究時段,基于大氣 CO2δ13C比值和通量廓線觀測系統(tǒng)7個高度的大氣CO2和δ13C數據以及渦度協方差通量數據,利用同位素通量拆分和統(tǒng)計拆分兩種理論實現了小時尺度的NEE拆分,同位素通量拆分理論在高溫干旱的中午時段估算的呼吸通量低于夜間,而統(tǒng)計拆分方法沒有捕捉到這種白天呼吸通量的降低,推測與 Kok 效應和研究區(qū)季節(jié)性干旱有關[5]。

6 結論與展望

植物光合與呼吸過程CO2及其δ13C的時間變異特征能夠反映植物碳分配方式、碳代謝關鍵過程以及植物與環(huán)境相互作用等重要生理生態(tài)過程,可以為植物和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程和模型模擬研究提供理論依據和數據支撐。隨著觀測技術和方法的進步,逐步實現了非破壞性的野外原位高頻觀測,有效獲取了小時尺度或更小時間尺度上植物光合與呼吸CO2及其δ13C的變異特征,揭示了植物體內碳的分配模式和遷移時間以及生態(tài)系統(tǒng)光合與呼吸拆分等問題[5,22]。

由于光合與呼吸涉及碳合成、轉化和遷移等多種代謝過程,其內在機理和分餾機制仍需進一步研究。光合過程的關鍵限制因素(比如:葉肉導度)并不能直接觀測,需要多種手段相結合以有效提升計算的準確性[34]。由于白天的呼吸代謝是由光合作用、光呼吸和氮同化等相互作用的結果,這些相互作用在細胞代謝水平如何整合及其對脫羧過程的影響仍不清楚,導致無法預測光下葉片呼吸CO2通量及其對環(huán)境條件的響應機制[32]。此外,Laisk方法和Kok方法通常低估了白天葉片呼吸,為了更好地理解葉片呼吸代謝的機制,葉片對輻射和CO2摩爾分數的響應還有待進一步研究[35]。雖然前人已經對非結構性碳水化合物與結構性碳水化合物相互轉化的條件及其對碳同位素組成的影響開展了大量研究,但仍需將實驗方法與對廣泛植物種類和環(huán)境條件的實地研究相結合,以進一步確定非結構性碳水化合物在近期和未來的雙重作用及其對呼吸CO2及其δ13C變異特征的影響機制。在不同植物種類中,根系CO2通過木質部導管運移地上部分的比例及其對植物和生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)和同位素特征的影響等研究很少[79]。植物間地下碳交換的過程、方向和量級仍不清楚,植被本身和環(huán)境條件對上述過程的影響仍需進一步研究[8—9]。