孟 猛, 徐永艷

(西南林業(yè)大學(xué), 昆明 650224)

土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，微小的波動就能影響著全球碳平衡與循環(huán)，進(jìn)而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[1-4]。對于陸地及大氣碳循環(huán)而言，光合作用起著關(guān)鍵的驅(qū)動效應(yīng)，光合效應(yīng)產(chǎn)生的碳能夠被輸送至植被多個部位，并通過根系傳輸至地下植株部分，進(jìn)而通過根系分泌物傳輸至土壤，而在微生物分解等作用下，碳素能夠通過二氧化碳等形式再次進(jìn)入大氣，或者被固定在土壤之中[5]?；谘芯糠治黾夹g(shù)的限制，對于農(nóng)作物碳平衡方面的研究主要側(cè)重于土壤呼吸的制約因素方面，但在園林植被研究方面較為缺乏。

從碳同位素的角度來講，對于13C而言，其不僅不需要安全防護(hù)，且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，常作為示蹤物加以運(yùn)用[6-7]。對于穩(wěn)定碳同位素分析技術(shù)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，常用的標(biāo)記法有連續(xù)及脈沖標(biāo)記兩種，后者操作相對便捷，能夠在較低的成本下開展碳分配信息追蹤，雖然對于一次脈沖標(biāo)記而言，其無法充分體現(xiàn)植被生長期的多個階段碳素信息，但是通過一系列標(biāo)記能夠充分測算碳分配[8-9]。為了探究光合作用下碳的固定及轉(zhuǎn)移，常常借助于穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)加以研究，這種方法不僅安全穩(wěn)定，還操作便捷，在實(shí)踐研究中得以廣泛運(yùn)用[10-13]。國內(nèi)用13C脈沖法研究植物光合碳的分配主要集中在玉米、水稻和小麥等作物，但關(guān)于園林植物光合碳的分配鮮有研究[10-13]。園林植物是城市的凈化器，對土壤有機(jī)碳的輸入和輸出、碳循環(huán)產(chǎn)生影響。研究園林植物光合碳的分配問題對城市碳平衡具有重要意義。本研究利用13C脈沖標(biāo)記法示蹤園林植物光合碳在不透園林植物—土壤系統(tǒng)中的分配和去向，為科學(xué)評價園林植物草光合碳的分配提供參考，為研究園林植物對城市碳源與匯的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

選取昆明市樟樹、夾竹桃、廣玉蘭、女貞作為研究對象，借助于盆栽試驗(yàn)加以探究，要求種植盆直徑及高度均為20 cm，并分別將5 kg風(fēng)干土進(jìn)行過篩處理，要求達(dá)到10 mm，同時將基肥混入其中，主要是尿素及氯化鉀。各研究對象分別取幼苗10株，借助于脈沖標(biāo)記法進(jìn)行定期觀測。

1.2 脈沖標(biāo)記

為了降低試驗(yàn)誤差，針對各研究植被3個有標(biāo)記的支柱分別進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，同時為了盡可能地避免污染，試驗(yàn)過程中通過間隔行的設(shè)置加以避免。標(biāo)記之前分別設(shè)置了柱狀的標(biāo)室，在內(nèi)壁上涂霧化劑，要求其內(nèi)高、內(nèi)徑分別達(dá)到0.4，1 m，并將其置于五cm深的土壤，為避免根系進(jìn)入，在其周邊借助于尼龍網(wǎng)眼孔覆蓋，這能夠保障植被和外界正常的水分及養(yǎng)分交換。標(biāo)記時間開始于2015年8月1日，從上午11：00開始，首先在高壓瓶中置入高純度13C的CO2，并將之與標(biāo)計室通過管子連接，然后置入10 L13CO2，這樣標(biāo)記室氣體量上升至3.18%，在頂膜密封后標(biāo)記，40 min后停止，之后進(jìn)行長達(dá)五小時的密封。得益于內(nèi)置風(fēng)扇，其中的氣體流通并不受阻，待其中的二氧化碳含量很低的情況下，可以移走標(biāo)計室。連續(xù)4 a重復(fù)試驗(yàn)。

1.3 樣品采集與制備

在進(jìn)行標(biāo)記的第一天，通過隨機(jī)取樣的方式挖出含有根系的植株各15株，然后進(jìn)行編號，并置于實(shí)驗(yàn)室，待其清洗干凈后進(jìn)行長達(dá)四十八小時的烘干處理，要求溫度達(dá)到70℃，稱重后進(jìn)行生物量測量。接下來進(jìn)行粉碎處理，并對其δ13C和C加以測量。過2 mm篩后再次進(jìn)行測定，為了降低試驗(yàn)誤差，進(jìn)行連續(xù)三次試驗(yàn)重復(fù)。而為了測定地下生物量，本研究借助于土鉆取樣。

1.4 樣品測定與分析方法

為了對樣品進(jìn)行分析，取20 g土壤，并將之置于白色平板，首先將其中的雜質(zhì)進(jìn)行清理，接下來將其置于去離子水容器中，要求容量達(dá)到100 ml，然后進(jìn)行長達(dá)30 min的振蕩處理，這樣能夠促進(jìn)有機(jī)碳的溶解。其次，取出清液后置于燒杯，這樣能夠保存可溶性有機(jī)碳，避免在進(jìn)行HCl沖洗過程中發(fā)生水溶性有機(jī)碳流失;然后在其中加入HCl溶液，要求其pH低于3，這樣能夠有效地將可溶性碳酸鹽予以去除;接下來置入50 ml HCl溶液，從而清除碳酸鹽，并進(jìn)行長達(dá)兩天的處理，然后將不含碳酸鹽的土壤進(jìn)行沖洗，待其達(dá)到中性狀態(tài)時停止處理，接下來需要將燒杯中的清液置于其中，并進(jìn)行烘干處理，要求溫度達(dá)到六十度，進(jìn)行研磨后進(jìn)行過篩處理，以便于后續(xù)開展指標(biāo)測定。

為了開展相應(yīng)的指標(biāo)測定，本研究借助于元素分析儀，同時利用同位素比率質(zhì)譜分析儀，這種EA-IRMS設(shè)備具有較穩(wěn)定的測量效果，且便于操作。對于收集到的樣品，借助于元素分析儀首先進(jìn)行高溫燃燒處理，這樣能夠產(chǎn)生一定量的二氧化碳，然后借助于質(zhì)譜儀開展其中的13C與12C比率監(jiān)測，并將之與標(biāo)準(zhǔn)物PDB開展相應(yīng)的比較分析，進(jìn)而計算初相應(yīng)的δ13C比率值;要求測定精度在0.1‰。在不考慮呼吸損失的情況下，通過光合作用進(jìn)行碳固定后，一定量的13C不僅進(jìn)入根、莖葉，同時還會不斷轉(zhuǎn)移至土壤，對于不同組分的固定13C量計算如下:

13Ci=(F1-F2)/100

13Ci分配比例=13Ci/13C×100

式中:標(biāo)記組及非標(biāo)記組的13C豐度分別用F1,F2表示,而Ci代表的是碳含量。

采用Excel 2013和SPSS 21.00進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉13C豐度

由圖1可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃葉片碳含量有明顯的差異，其中葉片碳含量具體表現(xiàn)為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中樟樹顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)，女貞最低(p<0.05)。不同園林植物葉片13C含量有明顯的差異，其中葉片13C含量具體表現(xiàn)為女貞>廣玉蘭>夾竹桃>樟樹，其中女貞顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)，樟樹最低(p<0.05)。

圖1 葉13C豐度

2.2 莖13C豐度

由圖2可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃莖碳含量有明顯的差異，其中莖碳含量具體表現(xiàn)為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中不同園林植物莖碳含量差異均顯著(p<0.05)。不同園林植物莖13C含量有明顯的差異，其中莖13C含量具體表現(xiàn)為女貞>廣玉蘭>夾竹桃>樟樹，其中女貞和廣玉蘭顯著高于其他植物(p<0.05)，樟樹和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)。

圖2 莖13C豐度

2.3 根13C豐度

由圖3可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃根碳含量有明顯的差異，其中根碳含量具體表現(xiàn)為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中樟樹顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和夾竹桃差異不顯著(p>0.05)，女貞最低(p<0.05)。不同園林植物根13C含量有明顯的差異，其中根13C含量具體表現(xiàn)為女貞>廣玉蘭>樟樹>夾竹桃，其中女貞和廣玉蘭顯著高于其他植物(p<0.05)，女貞和廣玉蘭差異不顯著(p>0.05)。

圖3 根13C豐度

2.4 土壤有機(jī)碳含量和δ13C豐度

由圖4可知，廣玉蘭、女貞、樟樹、夾竹桃土壤有機(jī)碳含量有明顯的差異，其中土壤有機(jī)碳含量具體表現(xiàn)為樟樹>夾竹桃>廣玉蘭>女貞，其中樟樹和夾竹桃顯著高于其他植物(p<0.05)，廣玉蘭和女貞差異不顯著(p>0.05)。不同園林植物土壤13C含量有明顯的差異，其中土壤13C含量具體表現(xiàn)為女貞>廣玉蘭>樟樹>夾竹桃，其中不同園林植物差異均不顯著(p>0.05)。

圖4 土壤有機(jī)碳含量和δ13C豐度

2.5 輸入到地下各組分的碳量

為進(jìn)一步分析草地—土壤系統(tǒng)中新固定的13C動態(tài)變化及分配情況(表1，2)，本研究以單位面積計算不同園林植物—土壤系統(tǒng)各組分固定13C數(shù)量(13C mg/m2)及其分配比例。標(biāo)記當(dāng)天，廣玉蘭和女貞葉片固定13C數(shù)量最高(85.56,83.32 mg/m2)，夾竹桃最低(62.01 mg/m2);不同園林植物莖固定13C數(shù)量變化范圍在32.78～48.21 mg/m2，廣玉蘭和女貞最高;不同園林植物根固定13C數(shù)量變化范圍在13.02～28.15 mg/m2，廣玉蘭和女貞最高;不同園林植物土壤固定13C數(shù)量變化范圍在5.32～12.45 mg/m2，廣玉蘭和女貞最高;標(biāo)記21 d以后，不同園林植物莖、葉、根和土壤固定13C數(shù)量與初始值呈一致的變化規(guī)律。

表1 不同退化階段草地—土壤系統(tǒng)各組分13C含量動態(tài)變化 mg/m2

由表2可知，標(biāo)記當(dāng)天，不同園林植物—土壤系統(tǒng)光合同化13C主要集中分配在莖葉中，其次是根中、土中;標(biāo)記21 d，不同園林植物—土壤系統(tǒng)光合同化13C主要集中分配在根中，其次為莖葉和土中，其次是根和土壤中。

表2 標(biāo)記后不同退化階段草地—土壤系統(tǒng)各組分13C的分配

2.6 不同植物光合碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)

標(biāo)記結(jié)束后，不同園林植物對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)量和累積量見圖5。樟樹對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)量最大，對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)量依次表現(xiàn)為樟樹>女貞>夾竹桃>廣玉蘭;凈固定碳的累積輸入量由整個時期的貢獻(xiàn)量的累加得到，由圖5可知，有機(jī)碳的累積量呈相反的變化趨勢。

圖5 不同植物光合碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)

2.7 13C-SOC的影響因素

相關(guān)性分析表明(表3)，土壤養(yǎng)分顯著影響了光合同化碳在地上部和土壤中的分布，其中，莖葉13C含量與有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效磷含量呈顯著的正相關(guān)(p<0.05);根13C含量與有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效磷含量呈顯著的正相關(guān)(p<0.05);土壤13C含量與有機(jī)碳、全氮呈極顯著的正相關(guān)(p<0.01)，與堿解氮和速效磷含量呈顯著的正相關(guān)(p<0.05)。

表3 13C-SOC的影響因素

3 討 論

通過本研究分析得知，植株地上部分能夠有效保留通過光合固定的大部分13C，主要原因在于對于植被根系而言，其具有較強(qiáng)的碳庫活力，對于碳素的轉(zhuǎn)運(yùn)更為頻繁，能夠有效地向葉片輸送碳素。對于不同的植被而言，其地下部對于合碳的分配具有較大差異，對于農(nóng)作物來講，隨著不斷的生長發(fā)育，碳素逐漸向地上部進(jìn)行轉(zhuǎn)移分配，不僅玉米如此，大麥及水稻亦是如此;對于牧草而言，則并沒有體現(xiàn)這樣的碳素轉(zhuǎn)移規(guī)律[14-15]，主要原因在于經(jīng)過長期進(jìn)化選擇，農(nóng)作物具有更高的地上收獲指數(shù)，使得碳素更多地向植株地上部分轉(zhuǎn)移，地下部呈現(xiàn)更低比例的光合碳。對于園林植被來講，其具有明顯的營養(yǎng)生長期長的特點(diǎn)，即使是在收獲以后，其地下根系的生長發(fā)育依然不受阻，而對于農(nóng)作物來說剛好相反，其收獲后地下根系逐漸死亡，從而導(dǎo)致作物地下部光合碳含量明顯較低[16]。對于根系生長發(fā)育而言，其需要必要的養(yǎng)分及水分來維持，這就形成了一個能量消耗的作用機(jī)理，就地下光合碳投入而言，園林植被明顯較低。對于樟樹和夾竹桃來講，其具有較大的葉面積指數(shù)，能夠產(chǎn)生較高的光合有效輻射，受此影響，植被的光合碳固定能力得以明顯提升，從而形成了植被較低水平的自養(yǎng)呼吸水平，對于植被碳積累起著積極作用[17-18]。整體來講，對于樟樹和夾竹桃而言，不僅其葉片氮濃度呈現(xiàn)較低水平，其光合作用效果依然較低，為了促進(jìn)其碳平衡，需要進(jìn)行長時間的光合作用。

對于穩(wěn)定碳同位素分析技術(shù)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，與14C標(biāo)記法相比而言，13C標(biāo)記法不僅無放射性，呈現(xiàn)較高的安全性，同時能夠進(jìn)行均勻標(biāo)記，具有更多的有點(diǎn)[19]。在穩(wěn)定碳同位素測定技術(shù)不斷提升的情況下，借助于該研究分析技術(shù)能夠有效地對植被不同生長期的光合作用產(chǎn)物加以分析，尤其是其去向問題，無論是植被秸稈及殘茬，還是根系的動態(tài)分解，以及有機(jī)碳的分配狀況，都能夠加以有效分析[20-21]。借助于該標(biāo)記法，不僅能夠進(jìn)行連續(xù)標(biāo)記，同時能夠進(jìn)行脈沖標(biāo)記，本研究采取后者標(biāo)記法加以研究，從而對于植被的不同生長期器官加以標(biāo)記，對不同植被加以標(biāo)記。通過連續(xù)四次的標(biāo)記，雖然園林植被不同，但是其葉、莖、根及土壤的13C呈現(xiàn)出較高水平，這說明借助于該研究方法能夠獲取較為充足的13C材料。通過對比分析得知，不同植被具有不同含量的13C豐度，但是其不同器官的13C豐度變化規(guī)律基本一致，其莖體現(xiàn)出最高水平，其次是葉，而土壤中含量最低，這與以往學(xué)者的研究基本一致[22]，這也說明光合碳能夠快速高效地在土壤及植被之間進(jìn)行有效轉(zhuǎn)移分配。

借助于脈沖標(biāo)記，植被通過光合作用獲得并儲存13C，之后再進(jìn)行地上及地下部分的轉(zhuǎn)移分配，通過研究得知，經(jīng)過長達(dá)21 d的標(biāo)記之后，地下部的13C含量占比最低達(dá)到了11.6%，而最高達(dá)到了51.3%。有學(xué)者通過該標(biāo)記方法探究了牧草的碳分配狀況，其30%～50%的同化碳素被轉(zhuǎn)移地下部分[23];也有學(xué)者研究得知，進(jìn)行連續(xù)27 d的標(biāo)記之后，光合碳的轉(zhuǎn)移比例區(qū)間為20%～40%;根系的生長也離不開必要的碳素，光合碳的轉(zhuǎn)移主要為滿足根系生長所需，這種對13C的消耗更多的以根際沉積物的形式進(jìn)行，此外，無論是植被根系呼吸，還是植被靜夜呼吸，都會釋放一定量的13C;隨著植被的不斷生長，生物量呈現(xiàn)不斷上升態(tài)勢，隨著13C的同化出現(xiàn)，草地通過光合效應(yīng)固定的13C被逐漸分解[22]。無論是植被的不同以及管理方式的差異，還是物候期、示蹤期長短，都能夠?qū)?3C施加著不同程度的制約，本研究在長達(dá)二十一天的標(biāo)記處理之后進(jìn)行再次采樣，通過分析得知，對于土壤及植被根、莖葉而言，其碳含量水平呈現(xiàn)較大的差異，且占比較高，主要原因在于在根際分泌物作用下，根際沉積物現(xiàn)象較為突出，從而影響了土壤的理化特點(diǎn)，加速了土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致不同程度的碳含量[23-24]。

對于標(biāo)記當(dāng)天而言，土壤中光合碳的含量相對較高，這說明土壤對于碳的固定效率較高，且含量較高，經(jīng)過長達(dá)二十一天的標(biāo)記之后，對于13C固定能力最強(qiáng)的時候是MD，主要原因在于對于樟樹及夾竹桃而言，其正處于根深葉茂的長勢旺盛期，能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的光合效應(yīng)，從而形成更高含量的光合碳，并經(jīng)過莖葉逐漸向根系傳輸，根系以分泌物的形式傳輸至土壤，從而形成了植被與土壤之間的碳轉(zhuǎn)移分配[25]。通過分析得知，5%～27%的碳被轉(zhuǎn)移至土壤之中，從而使得土壤碳含量得以提升，這與地下生物量息息相關(guān)，同時受制于地下碳傳輸水平。在根系作用下，通過光合作用固定的13C經(jīng)過根系沉積物的形式傳輸至土壤，在微生物分解利用下，形成了一定的固定及分配，這也是下一步細(xì)化研究的重點(diǎn)研究方向之一。