稳定同位素:探明植物水分关系的先进技术(英文)

介绍了稳定同位素的一些关键术语和相关标准,探讨了研究植物水分关系中C、H、O三种稳定同位素的确定及其同位素效应,同时主要从植物水分来源、水分利用效率、根系吸收水分最活跃区域、植物群落内不同物种水资源利用差异等几个方面阐述了稳定同位素先进技术的应用进展,最后指出稳定同位素技术在植物水分关系研究中存在的问题。旨在此文能起到抛砖引玉的作用,以此推动稳定同位素技术在我国植物水分利用研究甚至整个生态学领域研究中的可持续发展。     

稳定同位素在植物水分来源及利用效率研究中的应用

介绍了稳定氢、氧、碳同位素技术在定量区分植物水分来源及利用效率研究中的应用。以往大量研究结果表明,由于植物根系在吸收水分过程中没有发生同位素分馏,所以通过比较和分析植物木质部水分及其可利用水源的氢氧同位素δ值,就可以定量判断植物的水源;植物在光合作用过程中会产生碳同位素的分馏,从而使得植物叶片中的碳同位素组成能够成为指示植物水分利用效率的一个间接指标,是目前研究植物叶片长期水分利用效率的最佳方法;稳定同位素技术作为安全的示踪剂,有助于人类了解植物的生理生态功能,随着该技术的不断完善和研究的不断深入,同位素技术将会在生态学研究的许多领域得到广泛的应用。     

氢氧稳定同位素示踪旱区植物水分来源与利用策略

植物吸收和利用水分的模式决定了生态系统对环境水分的响应,示踪不同条件下植物水分来源,可以为植物水分利用策略研究提供科学依据。在土壤-植被-大气连续体系统水分传输研究中,传统方法越来越不能满足学者对水分传输机理的了解,而稳定氢氧同位素示踪技术因其高灵敏度和示踪性等特点已成为研究水分运动机制的重要手段。国内外相关学者已从多时间尺度、不同层次方向来研究,但对不同区域植物水分来源的定量区分、不同植物的水分利用策略及叶片水同位素分馏机制尚未达成共识。在简述氢氧同位素示踪原理的基础上,系统阐述了定量区分植物水分来源的方法,讨论了不同生境、不同季节、不同生长期、降雨前后的植物水分利用策略和植物叶片水同位素动力分馏过程及其影响因素,旨在为区域生态用水研究提供新的研究手段和理论依据。     

~(13)C同位素判别技术在评价植物水分利用效率中的应用

由于在农田中无法直接测量植物水分利用效率,本文通过介绍13C同位素判别技术的原理及其测定方法,以及利用13C/12C技术测定植物生理水分利用率的原理,评述了碳的稳定同位素的判别技术在研究植物长期的水分利用效率(Season-long water use efficiency,缩写为WUEsl)的可能性以及在其他方面的应用。     

稳定碳同位素在植物水分利用效率研究中的应用

植物组织中的13C/12C小于空气中的13C/12C,说明在光合过程中植物对13C和12C的分辨率不同.植物对13C和12C分辨率的差别主要是由于光合作用过程中CO2经气孔扩散分差和酶羧化过程引起的.理论上的分析和实际的研究都表明碳同位素分辨率与植物水分利用效率高度相关因而利用碳同位素分辨率来衡量植物水分利用效率必将有广阔的应用前景.本文概述了稳定碳同位素的基本理论,从植物结构性碳、分布、功能群和抗旱节水育种等几个不同方面对稳定碳同位素在植物水分利用效率研究中的应用进行了简要总结,并就存在的主要问题进行了讨论.     

植物叶片水平δ13C与水分利用效率的研究进展

水分限制可能因全球气候变化加剧成为限制植物生产力的主要原因,因此,如何提高植物水分利用效率(WUE)是未来一个主要研究目标。WUE能够反映植物-土壤-大气之间的碳水循环的耦合状况,研究WUE有助于了解陆地生态系统碳水耦合机制。稳定性碳同位素技术已成为研究生态系统养分循环最有效的方法之一,也被利用到植物水分利用效率中。研究表明,植物叶片的稳定碳同位素比值(δ13C)是植物长期水分利用效率(WUE)的良好指标。本文综述了δ13C表征WUE的机制,植物δ13C和WUE的影响因子(包括:叶片结构性状、植物生理生态、气候因子、基因控制和遗传变异),分析了水分胁迫及酸沉降条件下植物的δ13C和WUE变化特征,并对全球气候变化下植物δ13C和WUE的研究进行了展望。指出气孔导度、比叶面积、叶片氮含量、细胞间CO₂浓度和大气CO₂浓度等因子可直接或间接作用植物的光合速率和蒸腾速率,从而引起WUE的变化。一般情况下,植物在干旱条件下具有更高的WUE和更低的δ13C,长期酸沉降下植物的气孔导度和光合作用均会下降,氮的输入可以通过改善水分利用效率来提高植物的生产力。建议为更清晰地认识全球气候变化,在利用稳定性同位素技术进行WUE研究过程中,需要突出数量性状基因座(QTL)、碳酸酐酶、水孔蛋白和光合羧化酶的大小亚基基因在遗传控制方面起到的关键作用,加强多时空尺度的关联研究,探索双重稳定同位素(δ13C、δ18O)概念模型的应用。      

科尔沁沙地杨树水分利用策略

目的在科尔沁沙区, 杨树人工林出现了不同程度的退化现象, 水分是本地区植物生存的主要限制因子, 本文为了探究科尔沁沙地杨树人工林的水分来源及水分利用机制, 揭示水分与杨树人工林退化的关系, 为科尔沁沙地杨树人工林生态系统恢复和重建提供参考依据。方法利用氧稳定同位素技术以科尔沁沙地杨树人工林为研究对象, 采用“DELTA plus XP”稳定同位素比例质谱仪测定植物(木质部)水及各潜在水源δ18O值, 结合自动气象站(HOBO U30-NRC)连续观测降雨量等环境和气象因子, 利用同位素质量守恒多元分析方法, 分析雨季和旱季杨树人工林水分利用策略。结果(1) 雨季土壤含水量均高于旱季, 雨季在0~100 cm土层的土壤含水量随土层深度显著增加(P < 0.05), 而100~170cm土层的土壤水分含量显著下降(P < 0.05);旱季林内土壤水分含量均大于林外土壤水分含量, 但差异均不显著(P>0.05)。(2)土壤水和植物水δ18O值都高于地下水δ18O值; 旱季土壤水δ18O值整体上比植物水δ18O值低; 雨季土壤水δ18O值反而高于植物水δ18O值。(3)杨树人工林旱季主要吸收利用130cm以下的深层土壤水, 对浅层土壤水利用较少; 雨季杨树人工林除了吸收130cm以上土壤水, 还少量的吸收深层土壤水和地下水。结论(1) 浅层土壤水氧同位素值受到太阳辐射和降水的干扰程度较大, 而深层土壤水受到的干扰程度较小。在旱季, 林内各层土壤水均大于林外各层土壤水, 尤其是80~170cm土壤层更加显著, 这从侧面解释了杨树在利用较深的土壤水及地下水时, 会将少量水分释放到土壤表层这一现象。(2)雨季沙地杨树人工林主要利用浅层土壤水, 旱季杨树人工林主要利用深层土壤水和地下水。杨树人工林根系在浅层和深层土壤中均有分布, 此种根系分布特征保证了杨树人工林在不同季节采用不同的水分利用策略, 从而确保自身水分的生理需要, 是植物应对干旱沙地环境适应性的表现。      

碳同位素分辨率在小麦水分利用效率研究中的应用进展

首先介绍了植物中稳定性碳同位素测定的方法,碳同位素比（δ＾１３Ｃ）和碳同位素分辨率（Δ）与细胞内ＣＯ２浓度（Ｃｉ）和水分利用效率（ＷＵＥ）的数量化关系。并介绍了近１５年来稳定性碳同位素在小麦水分利用效率研究中的应用进展。主要有以下几个方面：碳同位素分辨率（Δ）与地上部干物重／耗水量的关系,Δ与生物产量和籽粒产量的关系;Δ与气孔导度（Ｇ）,Δ与细胞内ＣＯ２浓度（Ｃｉ）／外界ＣＯ２浓度（Ｃａ）的关系;     

滇东南岩溶山地不同恢复模式云南松水分利用策略的差异

研究云南松不同恢复模式下的水分利用策略以探究植物合理的种间配置结构,为岩溶区脆弱生态环境的恢复提供重要的科学依据。通过测定云南松及混交群落内4种植物（清香木、香樟、滇青冈、锥连栎）的茎秆水和不同水源的氢氧同位素值,结合植物叶片碳同位素值,进而探究植物的水分利用策略。结果表明:1）岩溶地下水是喀斯特植物的稳定水源,云南松混交林中20~60 cm土壤层含水量显著高于纯林,旱雨季最大相差10.36%和15.19%,表明混交林内水分条件更好。2）云南松混交林相较于纯林,水源的利用比例季节波动小,旱季香樟与清香木加大了对岩溶地下水的利用比例18.1%、19.2%,降低了种间竞争,其深根提升上来的水分又可惠及云南松及浅根植物。3）与纯林中云南松相比,混交林中云南松叶片δ¹³C值季节变化小,表明水分利用效率相对稳定。云南松可以与清香木、香樟等阔叶树种混交种植,能够提高云南松的存活率,也减少植物群落在水源利用中的竞争。     

基于稳定同位素技术的河东沙地沙蒿水分利用研究

稳定同位素技术为研究植物水分利用提供了便利,研究河东沙地植物的水分利用对荒漠生态系统管理和生态修复有重要意义。本研究采用同位素技术分析了河东沙地沙蒿的水分利用情况,结果表明:6月和9月沙蒿主要利用0~60 cm的土层水分,6月份0~60 cm土层水分贡献率87.1%,9月份0~60 cm土层水分贡献率84.0%,6月和9月0~20 cm土层水分贡献率达到了40%;沙蒿是一种浅根系植物,主要依赖60 cm以上土层的土壤水分生存;6月和9月土壤含水量差异不大,沙蒿水分来源的变异也不大。     

Stable Isotope Studies of Crop Carbon and Water Relations： A Review

Crop carbon and water relations research is important in the studies of water saving agriculture, breeding program, and energy and material cycles in soil plant atmosphere continuum （SPAC）. The purpose of this paper is to review the current state of knowledge on stable isotopes of carbon, oxygen, and hydrogen in the research of crop carbon and water relations, such as carbon isotope discrimination （△^13C） during carbon fixation process by photosynthesis, application of △^13C in crop water use efficiency （WUE） and breeding programs, oxygen isotope enrichment during leaf water transpiration, CO2 fixation by photosynthesis and release by respiration, application of hydrogen isotope composition （619） and oxygen isotope composition （6180） for determination of water source used by a crop, stable isotope coupling Keeling plot for investigating the carbon and water flux in ecosystem, energy and material cycle in SPAC and correlative integrative models on stable isotope. These aspects contain most of the stable isotope researches on crop carbon and water relations which have been widely explored internationally while less referred in China. Based on the reviewed literatures, some needs for future research are suggested.     

Uptake of Dissolved Sulfide by Spartina alterniflora: Evidence from Natural Sulfur Isotope Abundance Ratios

The difference in the stable sulfur isotope ratios of sulfate and sulfide in marsh pore water was used to verify the uptake of hydrogen sulfide by the salt marsh cordgrass Spartina alterniflora in a North Carolina salt marsh. Most of the plant sulfur derived from pore-water sulfide was recovered as sulfate, an indication that the sulfide had been oxidized within the plant. The analysis of the sulfur isotope ratios of other coastal halophytes may be a useful technique for determining whether sulfide is taken up by plants in saline wetlands.     

稳定性~(15)N示踪技术在农业氮肥利用中的应用

[目的]氮肥在农业中占有重要的地位,因此植物氮素的营养学研究日益受到重视。了解稳定性~(15)N示踪技术应用于氮素的分配、积累及氮素利用率情况。了解稳定性~(15)N示踪技术在农业氮肥利用中的应用,为提高氮肥利用率、实现生态农业可持续发展提供必要的理论支持。[方法]利用文献资料概述稳定性~(15)N示踪技术在小麦、水稻、烟草、果树、豆科作物上的应用,着重论述氮素吸收、利用、分配的研究现状。[结果]稳定性~(15)N示踪技术是研究氮素营养吸收规律的一种方便、快捷、灵活的方法之一,在科学施肥、植物营养、农用化学物质残留等农业方面已被广泛应用。[结论]今后,应将稳定性~(15)N示踪技术应将更多的应用到农业、环境、生物食品学领域,拓宽稳定性同位素的应用范围,并建立和完善相关的同位素定量化解析模型,提高测定位同位素的准确性。     

区域土壤有机氮迁移的研究进展

农田土壤氮素迁移是影响区域环境质量的重要过程。通过综述近期在区域有机氮迁移以及稳定性同位素和模型研究方法方面的进展,指出:我国有机氮源的氮素损失在人口稠密和养殖业发达的区域已经成为非点源污染的重要来源;小流域氮素输出中可溶性有机氮是一个重要组成,其输出过程受气候以及人为引起的植被、土壤及水文过程的变化的影响;稳定性氮氧同位素可以识别水体中陆源氮污染物的分布;基于GIS的过程模型可以定量分析区域氮素迁移的数量及其环境效应。进一步提出了目前需要加强农田有机氮迁移过程及其影响机制的研究,发展基于稳定性同位素的区域氮素迁移定量方法,建立稻田生态系统和水旱轮作系统的氮素迁移定量评价模型,并归纳了减少面源污染的区域氮素迁移调控措施。     

基于氢稳定同位素技术对中国地区红脂大小蠹溯源追踪的可行性分析

红脂大小蠹是一种外来蛀干类害虫，它可以通过自然传播和人为传播途径进行远距离扩散。目前最为有效的防治手段就是及时进行监测和预警，但是由于缺乏快速追踪和溯源的手段，使得防治工作变得困难。  目的  基于氢稳定同位素溯源技术，建立可用于追踪中国地区红脂大小蠹的溯源模型。  方法  从全球降水氢同位素数据库中下载中国地区的栅格数据，利用ArcGIS 10.4.1构建中国大陆地区降水氢同位素区划图（坐标系统为Beijing 1954）。在5个样地累计诱捕红脂大小蠹成虫153头，利用稳定同位素质谱仪和元素分析仪测定样品的氢稳定同位素比值（δ2H）。利用R软件构建红脂大小蠹与降水δ2H值的标准曲线方程。  结果  通过中国大陆地区降水氢同位素区划图得出:在东部季风区，降水δ2H值呈现出区域性变化，并大致表现为从东南向西北递减的梯度变化。5个样地的红脂大小蠹的δ2H值之间具有显著性差异。红脂大小蠹与降水的δ2H值呈正相关关系，并基于试验数据建立线性回归方程式:y = 3.166x + 86.050，经t检验、F检验、R2检验以及残差检验证明模型的显著性和匹配度都很高。  结论  红脂大小蠹的δ2H值与其生境中的降水δ2H值呈现出高度相关的线性关系，且降水δ2H值在红脂大小蠹分布区具有可用于判别的规律。因此，基于本试验的数学模型可以实现中国地区红脂大小蠹的溯源追踪。