稳定碳同位素示踪农林生态转换系统中土壤有机质的含量变化

为了观察生态系统的转变对土壤有机质的影响,在贵州茂兰喀斯特原始森林保护区内农林生态系统发生转变的地域,分析了土壤有机质含量和土壤有机质的δ¹³C值森林点土壤有机碳含量普遍较高(1.81%～16.00%),而农田点土壤有机碳含量在0.43%～2.22%之间,表明毁林造田加速了土壤有机质的降解,使土壤有机质总量减少;利用C₃植物与C₄植物δ¹³C值的显著差异,对比森林点与农田点的δ¹³C值(森林点:-23.86‰～-27.12‰;农田点:-19.66‰～-23.26‰),计算表明,毁林造田同时也降低了土壤有机质中活性大的组分的比例,使土壤肥力下降.     

不同岩溶环境条件下岩溶地下水中δ~(13)C_(DIC)特征

岩溶地下水的δ13 CDIC值主要是受土壤碳库和碳酸盐岩碳库的δ13 C所制约。本研究选取两个气候条件完全不同的南方广西桂林、北方山西汾阳为对比研究对象,通过取样测试分析两个地区岩溶地下水的δ13 CDIC值,发现北方汾阳岩溶地下水的δ13 CDIC范围为-7.53‰～-12.25‰,平均为-9.84‰;南方桂林岩溶泉水的δ13 CDIC范围为-9.22‰～-15.99‰,平均为-13.06‰;北方岩溶水比南方偏重3.22‰。结合两个地区所处的气候环境条件分析,北方暖温带干旱半干旱大陆性季风区,C4植被发育,C3/C4比例低,土壤碳库的δ13 C重;南方亚热带湿润季风区C3植被发育,C3/C4比例高,土壤碳库的δ13 C轻。因此气候条件不同引起生态条件的差异而造成南北方地下水δ13 CDIC的不同。这为利用同位素方法研究地下水对气候条件变化的响应提供了理论依据。     

一种鉴别植被和气候变化的定量方法——植物岩中的稳定碳同位素比率

大平原北部的蛋白石植物岩(Opal Phytoliths)中封存碳的~(13)C/~(12)C比值可作为重建古气候的依据。宿主植物的碳同位素组成与植物岩中有机质的碳同位素组成之间存在着明显的相关关系。沿气候梯度土壤表层分布的植物岩的~(13)C/~(12)C此值反映了当前植被中C_3和C_4植物的比例。土壤中植物岩的δ~(13)C值随土壤深度的变化而变化,而这种变化是由多种作用引起的:尘土对土壤表面的埋藏作用、生物扰动和可能由于雨水的渗透而引起的淋滤作用。此外,尘土和植物根系对植物岩的贡献是否有同位素效应还不清楚。土壤中植物岩的δ~(13)C值随~(14)C年龄的减小而增加,表明全新世期间,本区C_4植物的比例增大。视年龄为全新世中期的植物岩主要以C_4植物独占优势,这一事实与干旱的中全新世古气候解释相吻合。     

珠海淇澳与广州南沙湿地3种植物稳定碳氮同位素组成比较

研究了珠海淇澳和广州南沙3种湿地植物互花米草、芦苇和短叶茳芏的碳、氮含量及其稳定同位素的组成,结果表明外来入侵的C₄植物互花米草在植物体的C含量、C/N值、底泥的δ13C值（-23.83‰）和δ15N值（6.56‰）均显著与本地植物芦苇和短叶茳芏的不同,外来入侵种互花米草对土壤微生物的影响依赖于其密集的根系,使其入侵的潮间带土壤微生物种类、酶活性显著升高,体现出互花米草对湿地系统中C、N循环的深刻影响,为此有必要控制该外来入侵植物的蔓延生长。所测定的芦苇和短叶茳芏的δ13C值,表明采样地的芦苇属于C₃植物,而短叶茳芏则为C₄植物。本研究为进一步探讨这3种湿地植物-土壤系统中的C、N循环提供了基础资料。     

喀斯特地区土壤有机质的稳定碳同位素地球化学特征

以喀斯特地区二种主要的土壤类型石灰土和黄壤为例,对三种植被类型下土壤及土壤不同粒径组分中有机质的稳定碳同位素组成(δ13C值)进行了分析,结果显示:石灰土剖面中土壤有机碳含量均大于1.0%,最大值为表层土的7.1%,而三个黄壤剖面中土壤有机碳含量在0.3%～4.6%之间;石灰土剖面中土壤有机质δ13C值的变化范围仅为-24.1‰～-23.0‰,土壤不同粒径组分中有机质的δ13C值变幅也较小;而黄壤剖面中土壤有机质δ13C值的变化范围较大,在-24.5‰～-21.1‰之间,土壤不同粒径组分中有机质的δ13C值变幅也较大。对比研究表明,不同土壤类型中有机质的深度分布特征具有显著差异,土壤有机质的稳定碳同位素地球化学具有明显的区域性特征。     

喀斯特高原区5种常见灌木叶片δ~(13)C值的季节变化及其对石漠化程度的响应

测定了贵州高原喀斯特石漠化小流域内5种灌木叶片δ13C值的季节变化,旨在探讨季节及石漠化等级对植物叶片δ13C值的影响。结果表明:不同季节间植物叶片δ13C值呈显著差异,生长初期(4月)叶片的δ13C值显著高于生长中后期(7月、9月及12月);5种灌木种种间差异显著,火棘的叶片δ13C值最负,荚蒾的叶片δ13C值最正,粉枝莓,鼠李和竹叶椒的叶片δ13C值居中;7月不同石漠化等级间植物叶片δ13C值存在显著差异,而在其余月份(即4月、9月及12月)不同石漠化等级间植物叶片δ13C值不存在显著差异,但基本呈现无、轻度石漠化植物叶片小于中度石漠化植物叶片δ13C值的格局;整个生长季中,叶片δ13C值与土壤含水量的相关关系研究表明大多数种在大多数时间随土壤水分的减少其δ13C值增高。     

典型排放源黑碳的稳定碳同位素组成研究

采集了我国主要的黑碳排放源(生物质燃烧、民用燃煤和机动车尾气)的烟尘样品,分析烟尘中黑碳(BC)和总碳(TC)与原始燃料的稳定碳同位素组成(δ13C),对比各种δ13C值之间的关联性,评估运用δ13C技术进行BC源解析的潜力.结果表明:①3种典型排放源烟尘样品的δ13CBC与燃料有较好的一致性,且不同排放源的δ13CBC变化范围之间有比较明显的差别:生物质燃料除玉米秸(C4植物,δ13CBC为-13.62‰)显著不同外,C3植物的δ13CBC平均值为-26.49‰±1.17‰;烟煤的平均值为-23.46‰±0.37‰;机动车尾气(包括柴油车和汽油车)的平均值为-25.17‰±0.40‰.②各种排放源的BC形成过程存在程度各异的碳同位素分馏,C4植物(玉米秸)燃烧过程分馏作用较明显(BC的δ13C相对燃料负偏1.62‰),而C3植物和民用煤燃烧过程的分馏较小(分别正偏0.63‰和0.52‰).③BC的纯化手段(CTO-375方法)对生物质烟尘的δ13C有一定的影响(BC和TC的δ13C相差约为0.50‰),对化石燃料烟尘没有影响.上述典型排放源的δ13C数据库可为BC源解析提供依据.     

典型绿洲不同土壤类型有机碳含量及其稳定碳同位素分布特征

土壤有机碳及其稳定同位素组成反映了生态系统碳循环的关键信息,对研究全球变化下陆地生态系统碳动态及碳资源的可持续发展具有重要意义.本研究以阿拉尔绿洲4种土壤类型为研究对象,测定不同深度土壤有机碳(SOC)含量和δ~(13)C值,探讨不同土壤类型有机碳分布、δ~(13)C_(SOC)丰度差异及其与土壤环境因子的关系.结果表明:(1)土壤整体有机碳含量由高到低依次为灌漠土、棕漠土、盐土、风沙土,且在表层(0~20 cm层)具有较大值;δ~(13)C_(SOC)变化范围在-26‰~-23‰,表层(0~20 cm)由正趋负为盐土风沙土灌漠土棕漠土.(2)土壤有机碳含量受土壤类型、深度及其交互作用极显著影响,δ~(13)C_(SOC)受土壤类型、交互作用显著影响;进一步交互效应检验中土壤有机碳受因素水平影响极强,同位素相对较弱.(3)冗余分析发现土壤有机碳与土壤无机碳、全氮、土壤含水量、容重均存在显著或极显著正相关关系,与C/N具有显著负相关关系;δ13CSOC与电导率存在显著正相关关系,与土壤无机碳、土壤含水量均存在极显著负相关关系.土壤环境因子的重要性排序为土壤含水量土壤无机碳容重全氮C/N电导率pH.分析得出土壤有机碳及其同位素在不同土壤类型中呈现出不同变化规律,其土壤类型的效应强于土壤深度,受土壤含水量影响最甚.     

黔中喀斯特石漠化区不同土壤类型对常见植物叶片δ13C值的影响

通过测定黔中喀斯特区清镇市王家寨小流域内常见种叶片δ13C值,探讨土壤类型和石漠化等级对喀斯特植物水分利用效率的影响.结果表明,小流域内不同土壤类型植物叶片的δ13C值总体差异不显著(P>0.05),黄壤区植物叶片δ13C值分布区间较黑色石灰土区窄,变异系数较小,整体较黑色石灰土区偏负.小流域内黑色石灰土区植物群落δ13C均值随石漠化进行趋正,黄壤区随石漠化呈现出先趋正后趋负的变化格局.方差分析结果显示黄壤区各石漠化植物群落δ13C值间不存在显著差异(P>0.05),黑色石灰土区各石漠化植物群落δ13C值间均存在显著(P<0.05)或极显著差异(P<0.01).相关分析结果显示黄壤区植物叶片δ13C值的主要影响因子为土厚和坡度,黑色石灰土区为土壤含水量.研究区土壤对植被δ13C值的影响是通过调节土壤水分实现的.     

玉米生长和施氮水平对土壤有机碳更新的影响

设置了两种土壤施氮水平(150和300 mg·kg-1),3个生长时期(喇叭期、开花期和成熟期)收获玉米植株的土壤盆栽试验,采用同位素质谱法测定玉米植株和土壤有机碳的δ13C值,以研究玉米植株生长和施氮水平对土壤有机碳更新的影响.结果表明,玉米植株的δ13C值为-12.9‰～-13.2‰,受玉米生长时期和施氮水平的影响不显著;种植玉米后,土壤有机碳含量增加,说明在供试土壤上,玉米生长促进了土壤碳汇的作用;玉米生长和施氮水平显著影响土壤有机碳的δ13C值和土壤有机碳的更新.根据土壤有机碳δ13C变化计算,玉米根际碳沉积对土壤有机碳的贡献为4%～25%,随玉米生长时间的延长,玉米根际碳沉积对土壤有机碳的贡献增大.种植一季玉米后,低氮处理的土壤有机碳的δ13C值大于施用高氮的处理,但土壤总有机质含量低于高氮处理.由此说明,在养分不足的条件下,玉米根分泌物可能更能激发土壤原有机质的矿化,从土壤中获得更多的养分.     

植物及土壤碳同位素组成对环境变化响应研究进展

植物和土壤的δ13C（碳同位素组成）能可靠记录环境信息,综合反映植物的生理生态特征以及碳循环过程中的生物化学过程,为人们理解生态系统碳循环提供有用信息.因此,研究植物和土壤的δ13C与环境因子的关系可以揭示生态系统碳循环的格局及其控制因子,进而有效预测全球变化及其对生态系统的影响.对植物和土壤的δ13C以及二者的差值（Δδ13C）与气候因子（如温度、降水量、大气压强等）、土壤因子（如C/N、土壤质地、土壤pH等）的关系进行了综述.现有研究表明:C₃植物的δ13C与降水量、大气压强均呈负相关,与温度的关系非常复杂,而针对C₄植物和在群落水平上开展的研究还较少;土壤δ13C与降水量、土壤C/N、土壤w（粉粒）及w（黏粒）均呈负相关,与温度、土壤pH、土壤w（砂粒）均呈正相关,然而环境因素间的耦合作用使得情况复杂化,多种环境因素的匹配关系究竟如何影响土壤δ13C的机制问题仍有待深入研究;Δδ13C能够更加全面准确地反映土壤碳循环信息,但对其与环境因子关系的研究较少,并且影响Δδ13C的驱动因子及机制也不明确.因此,在土壤-植物体系内,同时在物种和群落水平上,进行植物和土壤δ13C特别是Δδ13C与环境因子关系的研究,能够更加准确地预测和揭示环境变化对生态系统碳循环的影响,这也将是今后该领域的研究重点.      

贵州喀斯特山区植物叶片碳同位素组成研究

通过测定贵州喀斯特山区灌丛12种主要植物叶片的δ13C值,研究了该区植物叶片碳同位素组成特征,以及种间、生境差异和时空变化特征。研究结果表明:该区植物叶片的碳同位素组成的变化范围为-26.98‰--29.15‰,平均值为-28.14‰。研究区δ13C值的分布相对均匀,除高于我国热带雨林区植物外,低于其它地区。研究结果还表明,种间碳同位素组成存在较大的差异。生境的变化对蕨的碳同位素组成影响较大,而对渐尖毛蕨、盐肤木、火棘、马桑影响较小。盐肤木、渐尖毛蕨、云南鼠刺、火棘叶片的δ13C值从生长初期到末期有降低的趋势,但降低的幅度存在差异。植物的δ13C值随小尺度海拔的变化规律与随大尺度海拔变化的规律一致,都是随着海拔的增加δ13C值增大,但不同植物种间变化的幅度是不一样的。     

重庆农田土壤有机碳稳定性同位素空间分布特征

对重庆182个典型农田土壤剖面有机碳稳定性同位素组成(δ¹³C_SOC)的测定结果表明,所有剖面土壤δ¹³C_SOC值均随采样深度增加逐渐趋正,表、中和底层均值分别为（-23.63±1.53）‰、（-22.43±1.59）‰和（-21.42±1.90）‰.就地域而言,渝东北土壤δ¹³C_SOC值偏负程度最高,渝中土壤则偏正.水田δ¹³C_SOC值明显偏负,旱地偏正,水旱轮作则居中;三者表层土壤δ¹³C均值分别为（-25.32±0.93）‰、（-23.17±1.37）‰和（-24.75±1.28）‰;不同类型土壤表层δ¹³C均值依序为：水稻土<潮土<紫色土<石灰（岩）土<黄壤.回归树分析表明,表层土壤δ¹³C_SOC值主要受作物类型控制,中底层则主要与土壤类型有关;其它因素如土壤性质（总氮、 SOC和pH）和气象条...     

利用Rb/Sr值、有机碳氮同位素及14C重建贵州喀斯特地区古环境变化

本文利用碳酸盐岩风化剖面土壤中Rb/Sr值、有机碳氮的稳定同位素值(δ~(13)C_(org)和δ~(15)N_(org))并结合~(14)C定年结果,讨论了贵州黔西南喀斯特地区晚更新世以来的植被和气候变化情况。结果表明:(1)晚更新世以来,研究区气候在千年尺度上经历了多个冷热、干湿循环过程,植被以C4植物为主;(2)研究区在14 750 a BP时期可能发生过较为极端的气候事件;(3)Rb/Sr值和δ~(13)C_(org)值可以用来指示古环境变化情况,高Rb/Sr值和高δ~(13)C_(org)值指示湿热气候,低Rb/Sr值和低δ~(13)C_(org)值指示干冷气候。     

西安周边河流溶解无机碳浓度及同位素组成初探

通过分析西安周边4条主要河流(浐河、灞河、涝河、黑河)的溶解无机碳(DIC)浓度和碳同位素组成,初步探讨了西安周边主要河流溶解无机碳(DIC)的浓度变化及碳源.结果表明西安周边主要河流DIC浓度的变化范围为0.34～5.66mmol.L-1,平均为1.23 mmol.L-1,自源头到下游,DIC浓度呈现升高趋势.4条河流δ13CDIC值的变化范围在-13.3‰～-7.2‰之间,平均值约为-10.1‰,4条河流整体表现为δ13CDIC值在源头偏负(平均值约为-12.6‰),中下游农耕区δ13CDIC值偏正(平均值约为-9.4‰),靠近入渭河河口的城市区δ13CDIC表现为偏负值(平均值为-10.5‰).DIC浓度与河流DIC碳同位素组成的变化规律揭示了河流溶解无机碳来源的变化,土壤CO2的输入可能是源头水体DIC的主要来源;中下游农耕区河水δ13CDIC值偏正是由于农业区农作物存在C4植被(如:玉米),使得农业区土壤CO2和土壤碳酸盐具有偏正的碳同位素组成,进而导致河流水体具有偏正的δ13CDIC值;靠近河口处具有较低δ13C值,污水的大量输入可能导致河水δ13CDIC表现为偏负.结果表明西安周边河流溶解无机碳浓度和同位素组成变化大致指示了河流从源头到下游过程中DIC的可能来源,可为黄土高原小流域河流无机碳来源示踪研究提供参考.     

稳定碳同位素示踪农林生态转换系统中土壤有机质的迁移和赋存规律

为了探讨土壤有机质在降解过程中的迁移、赋存规律,利用C₃植物与C₄植物明显的δ¹³C值差异,选取贵州茂兰保护区内农林生态系统发生转换生长的地域,分析土壤的不同粒径组分和比重组分中土壤有机质的δ¹³C值.结果表明,粗砂中的土壤有机质年代最新,细粉中的土壤有机质年代最老,有机质在降解过程中,在土壤各粒径组分中的迁移次序是:粗砂＜细砂＜粗粉＜粘土＜细粉;土壤重组分中的有机质年代较老,以降解充分、稳定的有机无机复合体为主,相对     

喀斯特峡谷区常见植物叶片δ^13C值与环境因子的关系研究

通过对贵州花江峡谷喀斯特石漠化区4种典型石漠化植物群落中11种常见植物种叶片的δ13C值测定,研究了各植物种对影响植物碳同位素分馏的主要环境因子(土壤储水量、大气相对湿度、光照强度、土壤厚度)的响应,分析了石漠化梯度中不同土层土壤储水量、大气相对湿度、土壤有机质、年均气温、光照强度等环境因子梯度变化与植物叶片δ13C值的关系.结果表明,大部分物种的δ13C值对环境因子的变化趋势表现为随环境水分好转呈下降趋势,即水分利用效率下降;也有部分物种呈稳定不变或逆势上升趋势.相关性分析表明,清香木(Pistacia weinmannifolia)、石岩枫(Mallotus repandus)、红背山麻杆(Alchornea trewioides)的主导因子是土层储水量;肾蕨(Nephrolepis cordifolia)、野桐(Mallotus japonicus vat.floccosus)的主导因子是土壤厚度;肾蕨、八角枫(Alangium chinense)、构树(Broussonetia papyrifera)的主导因子是光照强度;而广西密花树(Rapanea kwangsiensis)、圆叶乌桕(Sapium rotundifolium)和灰毛浆果楝(Cipadessa cinerascens)则分辨不出主导因子,即环境影响因素更为综合.总体而占,叶片高δ13C值是对低水分、高光、低资源环境的适应.     

内华达州莫哈韦沙漠东部土壤的稳定碳同位素化学与气候和植被的关系

沿着莫哈韦沙漠东部的一条现代气候剖面,实验测定了土壤环境的稳定碳同位素组成与现代气候和植被的关系。即使所有海拔上的植物组合都具有类似的同位素组成,土壤CO_2和土壤碳酸盐的δ~(13)C值也要随着海拔的增高和植物密度的加大而降低。一些因素(包括成土方解石与石灰岩方解石之比率的差异、过去植被的差异)被认为可以解释这一趋势。然而,在植物稀少的莫哈韦沙漠,成土碳酸盐的δ~(13)C值受植物密度和生物活动的差异的控制。这一关系可能为评价过去的植物密度(只要这些植物的同位素组成是均一的)提供了一种方法。     

岩溶区不同土地利用下地下水碳同位素地球化学特征及生态意义

通过分析贵州洪家渡盆地地下水水化学和溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)同位素(δ13CDIC)季节变化特征,探讨岩溶区不同土地利用类型下影响地下水δ13CDIC特征的自然过程和人为因素.结果表明:洪家渡盆地地下水中DIC主要来源于碳酸盐岩风化和土壤CO2.地下水δ13CDIC值冬季为-14. 8‰～-4. 1‰,平均值-10. 1‰;夏季为-14. 5‰～-6. 3‰,平均值-10. 2‰.含煤地层中硫化物氧化和酸雨带来的H2SO4参与碳酸盐岩风化使地下水δ13CDIC值整体偏正.由于土壤CO2效应,人类活动干扰程度小的林地地下水δ13CDIC值夏季冬季.夏季农业活动施用的大量肥料产生的HNO3参与了碳酸盐岩风化,使耕地地下水δ13CDIC值夏季冬季.居住区人为输入的有机质降解对地下水DIC贡献较大,冬夏季δ13CDIC平均值分别-11. 9‰和-11. 6‰,季节差异较小.不同季节、不同土地利用类型下,人类活动方式不同导致地下水δ13CDIC值与水化学存在差异.因此,δ13CDIC可以反映人类活动对岩溶含水层的影响,具有良好的生态指示意义.     

喀斯特小流域内不同背景区植物解剖结构与植物叶片δ~(13)C的关系研究

本文应用光学显微镜和电子扫描显微镜的方法测量了生长在贵州省清镇市王家寨小流域内不同背景区(喀斯特与非喀斯特)11种植物的叶片解剖结构,比较了不同背景区整体植物以及各样地之间相同植物的叶片解剖结构与其δ13C值的相关关系。研究结果表明,研究区内所有植物从非退化到退化过程中的叶片解剖结构与δ13C值呈现显著的正相关关系,喀斯特背景区的竹叶椒和小叶鼠李,非喀斯特背景区的粉枝莓、油茶和构树的叶片解剖结构与δ13C值也呈现显著的正相关关系,喀斯特背景区与非喀斯特背景区植物具有比较一致的变化趋势,而生长在两背景区的同种植物叶片解剖结构和δ13C值均无显著性差异。这说明了在本研究小流域内,由于光、热、水、气等外部影响因素的一致性,不同背景区从非退化样地到退化样地的发展过程中,植物叶片的解剖形态特征为了适应环境的改变而产生了相同的响应趋势,这些响应变化均与植物叶片的δ13C值具有正相关关系,尤其是石漠化样地上的植物叶片解剖形态特征以及其δ13C值对生境条件的响应是最迅速和最敏感的。