王志鵬，楚彬，周睿，花立民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)-新西蘭梅西大學(xué)草地生物多樣性研究中心，甘肅 蘭州 730070)

動植物關(guān)系及其對生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境的變化是生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點之一[1].尋找可靠且能量化的動植物生理指標解析生態(tài)學(xué)過程是生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵所在[2-3].穩(wěn)定性同位素是指質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一類非放射性元素.由于穩(wěn)定同位素組成具有源——匯示蹤和信息傳遞功能，因此，穩(wěn)定性同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)研究中所起到的重要作用受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注[4].自然界中，植物因為光合途徑不同[5-7]，不同植物的碳穩(wěn)定性同位素(δ13C)差異很大.研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片的δ13C值與水分之間呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系[8]，因而碳穩(wěn)定性同位素可以表征植物長期的水分利用效率[9].氮穩(wěn)定性同位素(δ15N)與植物固氮途徑關(guān)系密切[10]，固氮植物和非固氮植物由于利用氮源不同，固氮植物的δ15N更接近于土壤，非固氮植物δ15N則更高一些[11].因此，利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)可以測定植物固氮途徑和固氮量[12].此外，穩(wěn)定性同位素技術(shù)在研究生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)級和動物食性方面提供了很好的技術(shù)手段[13-14]，對明晰復(fù)雜的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)有著重要作用[15].

青藏高原被稱為地球的“第三極”，對中國乃至亞洲的水文、氣候等有著重要影響[16].高寒草甸作為青藏高原主要的生態(tài)系統(tǒng)，對全球氣候變化和人為干擾響應(yīng)敏感[17].高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的變化機制、系統(tǒng)內(nèi)消費者間的營養(yǎng)級位置、食性信息以及食物鏈結(jié)構(gòu)等成為當前研究的重點.面對北半球氣候暖干化的加劇[18]，從植物降水利用率的角度探討高寒草甸在不同生境的水分和礦物質(zhì)適應(yīng)策略就顯得尤為重要.如前所述，鑒于穩(wěn)定性同位素技術(shù)在研究植物水分利用效率、固氮等方面的可靠性，本研究選擇祁連山東段的高寒草甸生長的主要植物，通過測定其碳、氮穩(wěn)定性同位素(δ13C和δ15N)，分析植物種、科以及生活型地上和地下部分的穩(wěn)定性同位素特征.研究結(jié)果不僅可以完善高寒草甸植物穩(wěn)定性同位素特征數(shù)據(jù)庫，而且為研究高寒草甸植物水分利用效率、固氮能力以及動植物營養(yǎng)級關(guān)系奠定基礎(chǔ).

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗在甘肅省天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)的高寒草甸區(qū)進行，該地區(qū)海拔2 700～3 100 m，地理坐標為N 37°11′， E 102°29′，晝夜溫差大，空氣稀薄，太陽輻射強，氣候寒冷潮濕，年均降水量416 mm，主要集中在7～9月，年均蒸發(fā)量1 592 mm，無絕對無霜期.僅分冷、熱兩季.年均氣溫0.1 ℃， 7月和1月平均氣溫分別為12.7、-18.3 ℃，≥0 ℃的年積溫1 380 ℃，無霜期20～140 d.研究區(qū)主要植物有線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、垂穗披堿草(Elymusnutans)和草地早熟禾(Poapratensis)等[19].

1.2 植物種、科及生活型劃分依據(jù)

根據(jù)《中國植物志》[20]和勞恩凱爾[21]植物生活型分類系統(tǒng)，劃分研究區(qū)植物種、科及生活型.

1.3 植物樣本采集與預(yù)處理

于2015年9月初，選擇天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)高寒草甸的冬季草場.地形平坦，無海拔變化，有鼢鼠分布.隨機拋樣圓30個，采集樣圓內(nèi)的各種植物，每種植物全株采集后裝于信封中.將植物樣本帶回后，分離植物的莖葉和根系，裝于不同信封中.在65 ℃下烘干48 h之后，用瑪瑙研缽研磨成粉，過80目篩后置于室溫干燥處備用.

1.4 植物同位素測定

植物樣本C、N穩(wěn)定同位素的測試分析在中國林業(yè)科學(xué)研究院穩(wěn)定同位素比率質(zhì)譜實驗室進行.測試儀器為DELTA V Advantage同位素比率質(zhì)譜儀(Isotope Ratio Mass Spectrometer)，外部設(shè)備為Flash 2000 EA-HT元素分析儀(Elemental Analyzer).

樣品在元素分析儀中高溫燃燒后生成CO2和N2，質(zhì)譜儀通過檢測CO2的13C與12C比率，與國際標準物(Pee Dee Belnite或PDB)比對后計算出樣品的δ13C值，通過檢測N2的15N與14N比率，并與國際標準物(大氣N2)比對后計算出樣品的δ15N值.C、N同位素的分析精度分別為0.1‰和0.2‰.δ13C和δ15N的測算公式如下：

δX=(Rsa-Rst)/Rst× 1 000[22]

式中，δX指待測樣品的穩(wěn)定性同位素比率，Rsa是待測樣品的同位素比值，Rst是某一標準物質(zhì)的同位素比值.

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

應(yīng)用Excel對數(shù)據(jù)進行劃分、整理與作圖，應(yīng)用SPSS 19.0對不同科以及不同生活型植物穩(wěn)定性同位素進行非參數(shù)檢驗和單因素方差分析，對植物不同部分進行獨立樣本T檢驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)植物種類及生活型

研究區(qū)內(nèi)植物共有13科、21屬、24種(表1)，其中禾本科植物3種，莎草科植物2種，毛茛科植物2種，薔薇科植物3種，傘形科植物2種，玄參科植物2種，楊柳科、龍膽科、木賊科、百合科、牻牛兒苗科和蓼科各1種.根據(jù)勞恩凱爾植物生活型分類系統(tǒng)，將植物劃分為5個生活型,其中地面芽植物共有12種、地上芽植物2種、地下芽植物6種、高位芽植物1種以及一年生植物3種.

2.2 不同種植物的穩(wěn)定性同位素特征

基于穩(wěn)定性同位素技術(shù)的植物光合型劃分依據(jù)，研究區(qū)植物全部屬于C3植物，無C4植物.這些植物中，δ13C在-35‰～-20‰，其中地上部分δ13C在-29.63‰～-25.45‰，地下部分δ13C在-29.03‰～-25.96‰.地上部分δ15N在-1.27‰～5.74‰，地下部分在-2.67‰～6.51‰.植物地上部分δ13C的變幅比地下部分δ13C變幅更大，而地下部分δ15N的變幅高于地上部分(表2).

表1 研究區(qū)內(nèi)植物分類

植物地上部分的δ13C，迷果芹(Sphallerocarpusgracilis)((-29.12±0.39)‰)和鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)((-26.27±0.43)‰)分別是24種植物中最低和最高的.植物地下部分δ13C，濕生扁蕾(Gentianopsispaludosa)((-28.99±0.03)‰)和毛茛(Ranunculusjaponicus)((-26.17±0.28)‰)分別是最低和最高的.依據(jù)植物δ13C與其水分利用效率顯著正相關(guān)[9]，鵝絨委陵菜植株地上部分和毛茛植株地下部分水分利用效率最高，迷果芹植株地上部分和濕生扁蕾地下部分水分利用效率最低.

植物地上部分的δ15N，肉果草(L.tibetica)((4.37±1.81)‰)和高山唐松草(Thalictrumalpinum)((0.55±0.23)‰)分別是最高和最低的.對地下部分植物而言，婆婆納(Veronicadidyma)((5.25±1.42)‰)和杯腺柳(Salix cupularis)((-2.46±0.28)‰)分別是最高和最低的.根據(jù)固氮植物和非固氮植物穩(wěn)定性同位素δ15N劃分標準[37]，將δ15N在-2‰～2‰的植物劃分為固氮植物，其他的劃分為非固氮植物.本研究區(qū)中，蒲公英(Taraxacummongolicum)、毛茛(Ranunculusjaponicus)和鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)等9種植物具有固氮能力.

表2 試驗區(qū)內(nèi)植物穩(wěn)定性同位素δ13C和δ15N

2.3 不同科植物穩(wěn)定性同位素分布特征

由表3可以看出，植物地上部分δ13C含量，楊柳科最低，百合科最高，二者之間差異顯著(P<0.05).植物地下部分δ13C含量，蓼科最高，龍膽科最低，二者之間差異顯著(P<0.05).植物地上部分的δ15N含量，百合科最低，木賊科最高，二者之間差異顯著(P<0.05)，植物地下部分的δ15N含量，楊柳科最低，木賊科最高，二者之間差異顯著(P<0.05)，百合科、蓼科、禾本科、龍膽科、玄參科差異不顯著(P>0.05).

本試驗研究區(qū)中，不同科植物水分利用效率存在差異.楊柳科植物地上部分水分利用效率最低，其地下部分水分利用效率卻較高.百合科和蓼科植物無論地上部分或地下部分水分利用效率都較高.龍膽科植物地下部分水分利用效率最高，地上部分水分利用效率卻較低.從植物生物固氮能力來看，僅毛茛科、菊科和牻牛兒苗科植物地下部分δ15N在-2‰～2‰，具有固氮能力(圖1、2).

表3 不同科植物穩(wěn)定性同位素δ13C和δ15N變化范圍及均值

同列數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示不同科之間穩(wěn)定性同位素差異顯著(P<0.05)；*表示植物不同部分穩(wěn)定性同位素值存在差異(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01).

The different lower-case letters indicate that there are significant differences in stable isotope values between different families (P<0.05)； * indicates that there are differences in stable isotope values of different parts of plants (P<0.05),and ** indicates that the differences are extremely significant (P<0.01).

圖1 不同科植物地上部分穩(wěn)定性同位素分布Figure 1 Stable isotope distribution of aboveground parts of different families

圖2 不同科植物地下部分穩(wěn)定性同位素分布Figure 2 Stable isotope distribution of underground parts of different families

2.4 不同生活型植物穩(wěn)定性同位素特征

就地上部分而言，地上芽植物δ13C最低，高位芽植物δ13C最高，二者差異顯著(P<0.05)；地面芽植物δ15N最高，高位芽植物δ15N最低,但差異不顯著(P>0.05)，就植物地下部分而言，地上芽植物的δ13C最高，一年生植物的δ13C最低(P>0.05)；高位芽植物δ15N最低，一年生植物δ15N最高(P<0.05)(表4).

從植物水分利用效率來看，高位芽植物地上部分水分利用效率最高，但地下部分水分利用效率較低.地上芽植物地上部分水分利用效率最低，但其地下部分水分利用效率最高.一年生植物地下部分水分利用效率最低，且地上部分水分利用效率也較低.從生物固氮能力來看，高位芽植物和地上芽植物都具有固氮能力，部分地面芽植物、一年生植物和地下芽植物具有固氮能力(圖3、4).

表4 不同生活型植物穩(wěn)定性同位素δ13C和δ15N均值

同列數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示不同生活型之間穩(wěn)定性同位素值差異顯著(P<0.05)；*表示植物不同部分穩(wěn)定性同位素值存在差異 (P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01).

The same lower-case letters indicate that there are significant differences in stable isotope values between different life forms(P<0.05)；* indicates that there are differences in stable isotope values of different parts of plants (P<0.05),and ** indicates that the differences are extremely significant (P<0.01).

3 討論

3.1 高寒植物光合類型

根據(jù)植物光合碳同化途徑的不同，可將植物分為C3、C4和CAM 3種類型.植物光合類型與植物生物量差異、抗逆性等有著密切關(guān)系[23].近年來，研究全球氣候變化條件下，草原群落中C3和C4植物組成比例變化已成為生態(tài)學(xué)家關(guān)注的熱點之一[24].王啟基等[25]根據(jù)植物細胞解剖結(jié)構(gòu)曾報道過高寒草甸植物群落中有7種禾本科植物屬于C4植物.但是，環(huán)境條件中溫度而不是光照水平?jīng)Q定著不同光合類型植物的地理分布范圍和區(qū)域[26]，隨著海拔增高和緯度增加，C4植物逐漸減少，C3植物逐步增加.目前，利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)研究植物的光合類型已被絕大多數(shù)科學(xué)家所認可[27].本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)所采集的13個科24種植物均為C3植物，無C4植物或者CAM植物.這個結(jié)果與易現(xiàn)鋒等[28]關(guān)于祁連山南麓的海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致.

圖3 不同生活型植物地上部分穩(wěn)定性同位素分布Figure 3 Stable isotope distribution of aboveground parts of different life forms

圖4 不同生活型植物地下部分穩(wěn)定性同位素分布Figure 4 Stable isotope distribution of underground parts of different life forms

3.2 植物穩(wěn)定性同位素與生長器官的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，植物不同器官的穩(wěn)定性同位素不同，如蒲公英的δ13C在地上部分((-28.23±0.42)‰)和地下部分((-26.48±0.16)‰)間存在極顯著差異(P=0.004)，金露梅地上部分((-26.89±0.25)‰)和地下部分((-27.49±0.09)‰)的δ13C也差異顯著(P=0.035)；翻白委陵菜的δ15N地上部分((2.47±0.56)‰)和地下部分((5.21±0.62)‰)差異顯著(P=0.01)，婆婆納的δ15N地上部分((0.80±0.32)‰)和地下部分((5.25±1.42)‰)也差異顯著(P=0.013).其原因在于不同組織光合過程與氮代謝過程中對穩(wěn)定性同位素的代謝有差異.代謝快的器官可以近似的看做動物的活性組織，反之則可以看作惰性組織.源是為植物提供營養(yǎng)的組織或器官，其生命活動相對活躍；庫是植物貯藏營養(yǎng)的組織，代謝較慢.因此植物的源更類似于動物肌肉等活性組織，而庫則類似于動物的惰性組織.惰性組織的生命化學(xué)反應(yīng)較弱，一般會比活性組織富集更多的穩(wěn)定性同位素[29].但植物的源是生產(chǎn)器官，對營養(yǎng)的利用效率不高，所以其13C富集.但問荊(Equisetumarvense)則與上述規(guī)律不同，其δ13C會隨著δ15N增加而增加.可能是因為問荊作為蕨類植物，蛋白質(zhì)優(yōu)先向孢囊部分運輸[30].

3.3 高寒植物水分利用率

植物水分利用效率(WUE)指植物消耗單位水分所生產(chǎn)的同化物質(zhì)的量.它實質(zhì)上反映了植物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系，是評價植物生長適宜程度的綜合生理生態(tài)指標[31].傳統(tǒng)測定植物水分利用效率多采用直接測定法和光合氣體交換法.這兩種方法多限于實驗室內(nèi)，單植株某個生長時期 WUE的測定，難以在野外實地操作[32].近年來，隨著穩(wěn)定性同位素技術(shù)的發(fā)展和檢驗成本的降低，為測定植物水分利用效率提供了一種便捷的方法.目前，利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)多測定植物地上部分，特別是葉片，來反映該植物的水分利用效率[33].但是，本研究發(fā)現(xiàn)，高寒草甸植物地上部分莖葉和地下部分根組織的δ13C穩(wěn)定性同位素差異變化幅度較大，變幅為-1.16‰～2.21‰.究竟采用植物的哪個組織的穩(wěn)定性同位素來反映植物的水分利用率，對研究者帶來了挑戰(zhàn).陳世蘋等[34]研究發(fā)現(xiàn)，植物群落中黃囊苔草(Carexkorshinskyi)葉片δ13C值隨著土壤水分的降低而顯著增大.王云霓等[35]研究發(fā)現(xiàn)葉片的δ13C從樹冠的上部到下部逐漸減小，并指出光合能力變化是引起δ13C垂直變化的決定因素.盡管本研究高寒草甸區(qū)沒有大型喬木，但是，這種δ13C的變化與環(huán)境條件如溫度、光照等相關(guān).本研究發(fā)現(xiàn)針對不同的生活型植物,隨著生長點位置的升高植物地下部分δ13C逐漸降低，這可能是因為水分利用效率高的植物組織地上部分大于地下部分.因此，本研究建議在測定高寒草甸區(qū)灌木或較大闊葉類雜類草的水分利用效率，要注意到環(huán)境條件以及采樣部位的影響.

3.4 高寒植物的固氮能力

氮素作為植物所需的最重要的礦質(zhì)元素之一，其利用效率問題一直備受關(guān)注[36].氮穩(wěn)定性同位素一方面反映植物是否具備固氮能力[37]，另一方面反映植物生境中的水分條件[38].植物不同部位對氮素的吸收征調(diào)能力也不盡相同.本研究發(fā)現(xiàn)植物地上部分δ15N與地下部分δ15N相比高(0.06±1.84)‰，表明植物吸收的氮素在莖和葉中的分配比例較高，而在根中的分配比例較小.周克瑜等[39]研究發(fā)現(xiàn)植株莖葉δ15N相比根部更能準確反應(yīng)該植物的固氮量.本研究中發(fā)現(xiàn)盡管乳白香青(Anaphalislactea)、肉果草(Lanceatibetica)和黃鵪菜(Youngiasimulatrix)等8種植物的地下部分δ15N值更高，但要代表植物的固氮能力，還是應(yīng)該以植株地上部分的氮穩(wěn)定性同位素值為準.此外，本研究也發(fā)現(xiàn)，所有植物整體的穩(wěn)定性同位素表現(xiàn)出隨著δ13C增加δ15N降低的趨勢，這表明植物對氮素的利用會受植物獲取水分能力的影響.本研究中不同生活型的植物穩(wěn)定性氮同位素差異也說明這一點.地上芽植物和高位芽植物地上部分的氮穩(wěn)定性同位素高于地下部分，其原因在于這些植物占據(jù)較高空間生態(tài)位，接受光照充足，蒸騰作用強，植物莖葉部分水分散失速度較快，生長點位于地表易受水分脅迫導(dǎo)致.

高寒草甸植物種類繁多，本研究只采集常見的24種植物進行植物穩(wěn)定性同位素研究，其結(jié)果難免存在局限性.但本研究關(guān)注的穩(wěn)定性同位素技術(shù)的嘗試，并以此技術(shù)作為儲備，為后期研究高寒草甸植物與環(huán)境的相互關(guān)系，以及植物與動物的營養(yǎng)級關(guān)系奠定了基礎(chǔ).

4 結(jié)論

高寒草甸不同物種本身的穩(wěn)定性同位素不同，同一物種不同生長器官的穩(wěn)定性同位素也不同.不同生活型植物生長的環(huán)境條件不同，因此植物穩(wěn)定性同位素還與環(huán)境中的水分和溫度條件有關(guān).