稳定同位素技术在湿地碳循环研究中的应用

稳定性同位素技术因其准确、灵敏和安全等特点而被广泛应用于生态学研究的诸多领域。稳定同位素技术在生物地球化学循环过程中存在独特的稳定同位素化学效应,近年来稳定同位素技术又被大量用于陆地生态系统碳循环机理方面的研究。湿地生态系统在全球碳循环中起着重要作用,其碳源和碳汇功能近来成为全球气候变化研究关注的重点问题。因此,碳的稳定同位素(13C)示踪技术适合研究从年到百年尺度的湿地碳循环过程。文章主要从湿地植被光合作用、土壤有机物质的沉积、溯源和可溶性无机碳的输入以及湿地中二氧化碳、甲烷排放等方面,重点综述稳定同位素技术在湿地生态系统碳循环中的应用。     

秸秆燃烧排放的正构烷烃及其碳同位素组成特征

为了探讨生物质燃烧过程中正构烷烃化学组成及其碳同位素的变化规律,对4种玉米秸秆进行了室内焚烧实验,用GC-MS和GC/C/IRMS方法对燃烧前后的样品进行测定.结果表明,秸秆中正构烷烃的碳数为C13~C35,分布形态为单峰型,主峰碳数为C31.正构烷烃的碳优势指数(CPI)值为1.1~5.3,平均碳链长度(ACL)为25.1~28.8.明火烟尘中正构烷烃的碳数为C14~C35,呈双峰型分布,2个主峰碳数分别是C18和C31.其CPI值为1.0~2.4,ACL值为23.0~26.8.正构烷烃单体碳同位素比值为-20.1‰~-33.5‰.闷烧烟尘中正构烷烃的碳数是C12~C35,CPI值为2.2~4.8,ACL值为26.6~28.9.其含量呈双峰式分布,2个主峰碳数分别是C22/C23、C31.正构烷烃单体碳同位素比值为-21.5‰~-32.5‰.在明火烟尘和闷烧烟尘中,正构烷烃的单体碳同位素组成与原秸秆中同碳数正构烷烃的差值分别为-13.8‰~5.4‰、-6.7‰~ -5.1‰.2种烟尘中正构烷烃的化学组成与碳同位素分布都与原玉米秸秆有着显著的差别.     

兰州及其周边区域大气降水δ18O特征及其水汽来源

根据2011年4月~2012年3月在兰州及其周边区域永登、皋兰和榆中这4个站点所采集到的243个大气降水样品及同期相关气象资料,对兰州及其周边区域大气降水中稳定同位素的时空变化特征及其环境效应进行了分析,通过回归分析建立了大气降水线方程,同时采用HYSPLIT 4.9模型对兰州及其周边区域水汽来源进行了追踪,并建立水汽输送模式.结果表明,兰州及其周边区域的大气降水线方程为δD=7.48δ18O+8.13,表明该区局地蒸发较强烈;在时间变化上,降水中同位素值表现为冬低夏高,而d-excess值变化趋势较为平稳,但不同时段下,也存在着一定的变化;从空间分布来看,由西至东加权平均δ18O值呈减小趋势;降水δ18O与温度呈正相关关系,而与降水量表现为负相关;在大尺度下,西风水汽、局地水汽以及东南季风水汽均对兰州及其周边区域有一定的影响,其中西风水汽占主导作用,而东南季风水汽的影响在时间上有一定的局限性,主要集中在6月初至8月初这一时段.     

长期秸秆还田对水稻根系碳矿化与激发效应的影响

长期秸秆还田改变水稻土环境条件,从而会影响水稻残留根系碳在土壤中的矿化和激发效应,其影响的方向和强度尚不明确.因此,基于长期定位施肥试验,采用¹³C-CO₂同位素标记技术,结合室内模拟培养试验,研究不施肥（CK）、单施化肥（CF）和秸秆还田配施化肥（CFS）这3种长期处理下,水稻根系和土壤本身有机碳的矿化特征,分析根系的激发效应的强度与方向,以及各处理CO₂释放量的来源组成.结果表明,经过120 d的室内淹水培养,根系残留（R）将CO₂累积释放量增加了617.41~726.27 mg·kg^-1.CFS+R和CF+R处理根系来源CO₂累积释放量分别为470.82mg·kg^-1和444.04 mg·kg^-1,根系的矿化率分别为18.8%和17.8%,均显著高于CK+R处理（384.19 mg·kg^-1,15.4%）.3个处理的土壤本身有机碳产生的CO₂累积排放量无显著差异,但CFS+R处理的土壤本身有机碳矿化率（4.2%）显著低于CF+R和CK+R处理（5.4%和5.8%）.CFS+R处理中根系的CO₂累积激发效应为29.6%,显著低于CK+R处理的42.5%,高于CF+R处理的14.4%.淹水水稻土CO₂累积释放量中23.47%~27.59%来源于根系,其余来源于土壤,其中,激发效应引起的CO₂释放量占比在CFS+R处理中比CK+R处理小,比CF+R处理大.综上,淹水水稻土长期秸秆还田会提高根系碳的矿化潜力,但是更有利于土壤本身有机碳的稳定.     

土壤自养微生物同化碳向土壤有机碳库输入的定量研究：14C连续标记法

自养微生物在土壤中广泛存在,但其CO2同化能力及其向土壤碳库的输入机制尚不明确.应用14C连续标记示踪技术,选取亚热带区4种典型稻田土壤在密闭系统模拟培养,探讨了土壤自养微生物同化碳向土壤碳库的输入过程和机制及其对土壤碳库活性组分的影响.结果表明,土壤微生物具有客观的CO2同化能力.标记培养110 d后,供试土壤的14C-SOC含量范围为69.06～133.81 mg.kg-1,而14C-DOC、14C-MBC含量范围为2.54～8.10 mg.kg-1、19.50～49.16 mg.kg-1.土壤自养微生物同化碳(14C-SOC)与其微生物截留碳(14C-MBC)呈极显著的正相关关系.土壤可溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和SOC的更新率分别为5.65%～24.91%、4.23%～20.02%和0.58%～0.92%.而且,土壤自养微生物同化碳的输入对土壤活性碳组分的DOC、MBC含量变化影响较大,而对SOC影响较小.对微生物在土壤碳循环过程的基本功能的认识在本研究中得以丰富和加深.     

Effects of Invasive Cordgrass on Presence of Marsh Grassbird in an Area where It Is Not Native

The threatened Marsh Grassbird (Locustella pryeri) first appeared in the salt marsh in east China after the salt marsh was invaded by cordgrass (Spartina alterniflora), a non‐native invasive species. To understand the dependence of non‐native Marsh Grassbird on the non‐native cordgrass, we quantified habitat use, food source, and reproductive success of the Marsh Grassbird at the Chongming Dongtan (CMDT) salt marsh. In the breeding season, we used point counts and radio‐tracking to determine habitat use by Marsh Grassbirds. We analyzed basal food sources of the Marsh Grassbirds by comparing the δ¹³C isotope signatures of feather and fecal samples of birds with those of local plants. We monitored the nests through the breeding season and determined the breeding success of the Marsh Grassbirds at CMDT. Density of Marsh Grassbirds was higher where cordgrass occurred than in areas of native reed (Phragmites australis) monoculture. The breeding territory of the Marsh Grassbird was composed mainly of cordgrass stands, and nests were built exclusively against cordgrass stems. Cordgrass was the major primary producer at the base of the Marsh Grassbird food chain. Breeding success of the Marsh Grassbird at CMDT was similar to breeding success within its native range. Our results suggest non‐native cordgrass provides essential habitat and food for breeding Marsh Grassbirds at CMDT and that the increase in Marsh Grassbird abundance may reflect the rapid spread of cordgrass in the coastal regions of east China. Our study provides an example of how a primary invader (i.e., cordgrass) can alter an ecosystem and thus facilitate colonization by a second non‐native species. Efectos de Spartina alterniflora Invasora Sobre Locustella pryeri en un Área Donde No Es Nativa     

九龙江口湿地植物凋落物对沉积物有机质赋存的贡献

以九龙江口湿地为研究区域,分析植物凋落物的降解过程与影响因素,基于稳定碳同位素技术估算不同植物凋落物对沉积物有机质的贡献.结果表明,红树和互花米草凋落物埋藏在中潮位的降解速率分别为0.655 a-1、1.723 a-1,均高于二者埋藏于高潮位的降解速率(分别为0.651 a-1、1.586 a-1).埋藏于高潮位的植物凋落物中碳含量的减少幅度低于中潮位.不同植物凋落物的氮、硫含量在高潮位的增加幅度都要低于中潮位,且中潮位δ13C要比高潮位降低明显.中潮位的植物凋落物对沉积物有机质的贡献高于高潮位,互花米草凋落物对沉积物有机质的贡献都要高于红树凋落物.经过1 a的降解,红树中潮位植物凋落物对沉积物有机质的贡献为5.96%,高于红树高潮位(3.03%).互花米草中潮位植物凋落物对沉积物有机质的贡献为14.81%,高于互花米草高潮位的13.97%.互花米草的贡献率(平均14.39%)高于红树(平均4.50%).植物凋落物全部降解需要漫长过程.经过1 a降解的植物凋落物对沉积物有机质的贡献低于全部降解的贡献,尤其是红树凋落物.因此,考虑植物凋落物降解对沉积物有机质贡献的影响因素如时间、植物及潮水位的差异,可以更科学地估算凋落物对沉积物有机质的贡献,为湿地有机质循环模型的构建提供一定的科学依据.     

泉州湾洛阳江河口潮间带柱状沉积物铅同位素组成的变化与来源

不同源区铅同位素的组成不同,可以利用铅同位素的这种“指纹”特征来示踪铅的不同来源.泉州湾洛阳江河口潮间带柱状沉积物中,从底层到表层其铅同位素组成呈现出一定的变化规律,其中207 pb/204Pb呈上升趋势,206 Pb/2077 Pb和208 Pb/(2066pb+207 Pb)呈下降趋势.铅污染的来源主要与工业生产、污水排放和燃油尾气排放有关,受燃煤的影响很少,从底层到表层铅同位素组成的演化趋势为:由工业及污水排放逐渐向汽车尾气方向飘移结合定年分析,推断出油铅的污染起源于20世纪80年代中期,其污染呈不断加重趋势;其中表层沉积物中铅的污染受汽车尾气排放的影响最为严重.对不同时期沉积物中铅污染的来源及其相对贡献率研究表明,1973年到1984年间,沉积物受燃油铅的影响较少,其污染来源主要以工业污染为主,其贡献率占70％以上;1984到1994年间汽车尾气铅的贡献率迅速上升,占到了50％;而1996年到2008年汽车尾气铅的贡献率逐渐增加,由50％上升到了66％.     

蓝藻水华对太湖水柱反硝化作用的影响

反硝化作用是湖泊水体最主要的脱氮过程,对减轻湖泊的氮素污染和富营养化控制具有重要意义.蓝藻水华暴发和衰亡可能会通过改变水体氮素循环途径及微环境来促使反硝化作用直接在水柱中发生,加速氮的去除.为了验证这一假设,取太湖湖水添加不同生物量的蓝藻和连续10 d的NO_3~--N、PO_4~(3-)-P营养盐,进行蓝藻生长与降解对反硝化影响的模拟实验,测定蓝藻水华期水体藻类生物量和各形态氮浓度的动态变化,同时利用~(15)N同位素添加培养结合膜进样质谱仪(MIMS)实时定量测定反硝化速率.结果表明,蓝藻在生长期吸收氮素转变为颗粒氮,在衰亡期藻细胞通过降解矿化释放了大量的NH_4~+-N,继而转化为NO_3~--N,为反硝化作用提供底物,是大幅度促进水体反硝化作用的关键;反硝化速率(以N2计,下同)最高达到(1 614. 52±301. 57)μmol·(m~2·h)~(-1),是同时期最低蓝藻生物量组反硝化速率[(534. 45±242. 18)μmol·(m~2·h)~(-1)]的3倍,实验结束时添加初始蓝藻生物量倍数最高组的TN去除率达最高(40. 02%),是未添加蓝藻组TN去除率(17. 72%)的2. 26倍,说明蓝藻堆积会显著促进反硝化作用的强度,加速水体氮素的去除.蓝藻衰亡时反硝化速率的快慢受NH_4~+浓度的影响显著,表明附着在藻团的微生物的耦合硝化-反硝化作用是氮盐去除的主要途径.本研究结果表明,水华蓝藻生长期快速吸收氮素转变为颗粒氮,蓝藻死亡降解后通过耦合硝化-反硝化作用加速氮素去除,这可能是太湖夏季氮素浓度降低的原因之一.     

长沙近地面水汽中稳定同位素的监测与分析

根据长沙地区于2014年11月12日~2015年4月13日监测的大气水汽中δ18O和δ2H及观测的气象要素,分析了长沙近地面水汽中δ18O和δ2H变化特征以及与温度、绝对湿度、降水量的关系.结果表明:1长沙大气水汽中δ18O和δ2H季节变化显著,在冬季表现为高值.冬季大气水汽中δ18O和δ2H与绝对湿度存在正相关关系.δ18O和δ2H在监测期间存在较大波动,尤其是有降水事件发生时.降水事件对长沙大气水汽中δ18O和δ2H的变化影响显著,水汽稳定同位素的低值与降水事件有关.2不同天气条件下长沙大气水汽中δ18O和δ2H的日变化实质上与绝对湿度有关,而绝对湿度的大小又主要受控于局地的蒸散发和大气湍流的强度.单次降水过程中大气水汽δ18O和δ2H存在显著的类似于降水中稳定同位素的"降雨量效应".3长沙大气水汽中δ18O和δ2H总是低于降水中δ18O和δ2H,逐日变化基本一致,它们之间的平均差值分别为8.6‰和66.82‰.4长沙冬半年大气水汽线方程为δ2H=7.18δ18O+10.58,水汽线的斜率和截距总是小于同时段大气水线的斜率和截距,春季水汽线的斜率和截距明显高于冬季水汽线的斜率和截距.