碳穩(wěn)定性同位素與全球變化

穩(wěn)定性碳同位素與全球變化匯報(bào)內(nèi)容：1.前言2.穩(wěn)定性碳同位素的基本認(rèn)識(shí)3.穩(wěn)定性碳同位素技術(shù)的應(yīng)用

4.結(jié)語(yǔ)穩(wěn)定性碳同位素與全球變化言前

穩(wěn)定同位素記錄的環(huán)境信息十分豐富，包括植物生長(zhǎng)環(huán)境的CO2濃度、溫度、濕度、降水量等。所以，近幾十年來(lái)，穩(wěn)定同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域受到重視并取得了一些可喜的成果，并與遙感技術(shù)、數(shù)學(xué)模型一起被認(rèn)為是三大現(xiàn)代技術(shù)。

全球變暖和大氣CO2濃度升高對(duì)植物生理生

態(tài)過(guò)程產(chǎn)生了深刻影響，植物與環(huán)境因子間這種復(fù)雜的關(guān)系可以通過(guò)樹(shù)木年輪的物理指標(biāo)或穩(wěn)定同位素組成反映出來(lái)，因?yàn)闃?shù)木年輪中含有大量反映過(guò)去氣候變化的信息。

穩(wěn)定性碳同位素與全球變化

2.1同位素相關(guān)概念2.穩(wěn)定性碳同位素的基本認(rèn)識(shí)穩(wěn)定性碳同位素與全球變化1）穩(wěn)定性同位素豐度：是指某一元素的某種穩(wěn)定性同位素占所有穩(wěn)定性同位素的比例。例如，自然界中碳的穩(wěn)定性同位素只有12C和13C兩種，那么，13C的豐度是13C/（12C+13C），12C的豐度是12C/（12C+13C）。2）同位素分餾：由于同位素質(zhì)量不同，因此在物理、化學(xué)及生物化學(xué)作用過(guò)程中，一種元素的不同同位素以不同的比例分配于不同物質(zhì)之間的現(xiàn)象。

3）同位素比率：在自然界中，任一元素的重同位素含量與輕同位素相比低得多，用絕對(duì)量表示同位素的差異比較困難，所以通常使用相對(duì)量來(lái)表示物質(zhì)的同位素組成，也就是同位素比率。對(duì)碳來(lái)講，可定義為:δ

13C=[(Rp/Rs)-1]х1000，式中:Rp是樣品中碳元素的重輕同位素豐度之比（13Cp/12Cp）；Rs是國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)物的重輕同位素豐度之比（13Cs/12Cs）。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化

研究表明，C從大氣進(jìn)入葉片并參與光合作用的過(guò)程中發(fā)生了兩次重要的分餾作用:1）

大氣CO2通過(guò)葉片氣孔向葉內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程的分餾。在這個(gè)過(guò)程里，含有輕同位素（12C）的CO2分子要比含有重同位素（13C）的CO2分子的擴(kuò)散速度更快，結(jié)果造成

δ

13C值降低4.4‰左右；2）CO2進(jìn)入光合作用循環(huán)，合成有機(jī)物過(guò)程中的動(dòng)力分餾。由于13CO2健能較12CO2大，參與同化作用較多，導(dǎo)致δ

13C值降低27‰～29‰。如果光合作用消耗的CO2量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了所能補(bǔ)充的CO2量，12CO2的相對(duì)量減少，分餾作用對(duì)13C的阻礙將顯著降低。2.2碳同位素分餾原理穩(wěn)定性碳同位素與全球變化3.穩(wěn)定性碳同位素的應(yīng)用3.1樹(shù)輪穩(wěn)定性碳同位素與大氣CO2濃度變化關(guān)于大氣CO2

濃度變化的研究是全球變化研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題，Ca（歷史時(shí)期大氣CO2濃度）的改變必然對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，而樹(shù)輪的δ

13C很好地記錄了Ca的變化趨勢(shì)。因此測(cè)定樹(shù)輪δ13C組成已成為研究Ca變化的重要手段。目前通過(guò)樹(shù)木年輪δ

13C的研究來(lái)重建Ca變化，主要是依據(jù)Farquhar等的計(jì)算公式:δ13C=δ13Ca-a-(b-a)×Ci/Ca（1）式中，

δ

13C為樹(shù)輪的穩(wěn)定碳同位素組成；

δ

13Ca是大氣CO2

中的δ

13C值；a是氣孔擴(kuò)散CO2

時(shí)對(duì)δ13C分餾作用，約為-4.4‰；b是光合作用對(duì)δ13C分餾值，約為-29‰；Ci是細(xì)胞間CO2的濃度

。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化

由（1）式可以得出：Ci/Ca=（δ

13C-δ

13Ca+a）/（a-b）（2）利用上式定量重建Ca的前提是假設(shè)Ci恒定，這樣，通過(guò)比較兩個(gè)時(shí)期Ci/Ca值，就可以知道大氣中二氧化碳濃度的變化趨勢(shì)。但是，Ci值并不能保持穩(wěn)定，它與環(huán)境、氣候條件和物種特性都有一定關(guān)系。因此若不剔除這些因子的影響，通過(guò)年輪δ13C來(lái)重建區(qū)域Ca變化難以取得準(zhǔn)確的結(jié)果。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化

在樹(shù)輪碳同位素研究中，幾乎遍及全球各地的樹(shù)輪δ

13C記錄都呈現(xiàn)出自工業(yè)革命以來(lái)明顯的下降趨勢(shì)，見(jiàn)下表：上表可以清楚地表明，由于大量化石燃料的應(yīng)用，導(dǎo)致自工業(yè)革命以來(lái)Ca急劇增加，進(jìn)而對(duì)全球的氣候及生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生巨大的影響。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化3.2植物水分利用率的研究傳統(tǒng)方法：大氣CO2

濃度升高和大氣溫度升高都會(huì)影響植物的水分利用效率(WUE)。確定單葉WUE常用氣體交換的方法測(cè)定光合與蒸騰速率，這種方法測(cè)得的是瞬間值，容易受當(dāng)時(shí)瞬間環(huán)境條件的影響而波動(dòng)。

碳同位素技術(shù)：是一種間接測(cè)定作物單葉WUE的有效方法。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期積累于葉片或其他器官中的碳代謝產(chǎn)物的穩(wěn)定碳同位素來(lái)評(píng)估葉片或植株生長(zhǎng)過(guò)程中總的WUE特性。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化根據(jù)水分利用效率的定義，植物水分利用效率與Ci和Ca有密切的聯(lián)系，這可從下列方程式中看出:A=gх（Ca-Ci）/1.6（3）E=gх?W（4）WUE=A/E=(Ca-Ci)/1.6?W（5）式中，A和E分別為光合速率和蒸騰速率，g為氣孔傳導(dǎo)率，而?W為葉內(nèi)外水氣壓之差。這樣，δ13C值可間接地揭示出植物長(zhǎng)時(shí)期的水分利用效率:WUE=Ca[1-（δ13Ca-δ13C）/a（b-a）]/1.6?W（6）由于植物組織的碳是在一段時(shí)間(如整個(gè)生長(zhǎng)期)內(nèi)累積起來(lái)的，其δ

13C值可以指示出這段時(shí)間內(nèi)平均的WUE值。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化3.3植被動(dòng)態(tài)的研究

由于光合過(guò)程中羧化酶對(duì)同位素的分餾效應(yīng)以及氣孔的擴(kuò)散分餾效應(yīng)不同，C3植物、C4植物和CAM植物的δ13C有明顯區(qū)別。而土壤有機(jī)質(zhì)絕大部分來(lái)自其地表生長(zhǎng)的植物，因此不同來(lái)源的土壤有機(jī)質(zhì)也具有明顯的δ13C值差異。利用土壤有機(jī)質(zhì)δ13C值的差異可以作為研究地上植被動(dòng)態(tài)的途徑。δ13C分析可以用于研究時(shí)間尺度長(zhǎng)于歷史記載的森林—草原動(dòng)態(tài)，森林草原交界地帶，高山樹(shù)線附近時(shí)空尺度較大的研究。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化McPherson等（1993）對(duì)美國(guó)亞利桑那州東南部土壤各層δ13C含量的分析表明，現(xiàn)今生長(zhǎng)于那里的森林（主要是C3植物）是由以C4植物為主的草原演替而來(lái)的。Dorale等于1992、1998年先后用研究洞穴碳酸鹽沉積物中的δ13C方法來(lái)探討美國(guó)中緯度地區(qū)的植被動(dòng)態(tài)。Street-Perrott等對(duì)東非熱帶地區(qū)的肯尼亞山和艾爾根山上2個(gè)高海拔的湖泊沉積物的研究揭示了CO2

濃度的升高，使在低濃度CO2條件下處于劣勢(shì)的C3

植物擴(kuò)大了分布區(qū)。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化3.413C標(biāo)記應(yīng)用于碳循環(huán)的研究為了研究全球氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳流通的影響，需要經(jīng)過(guò)標(biāo)記將穩(wěn)定碳同位素附加于植物體內(nèi)或環(huán)境中以示蹤系統(tǒng)中碳在植物、大氣和土壤之間的儲(chǔ)存和流通。利用13C標(biāo)記法對(duì)碳循環(huán)的研究可以在不同時(shí)空尺度上進(jìn)行。既可以應(yīng)用于植物個(gè)體水平碳分配和碳流通的研究，也可以應(yīng)用于植物群落和更大空間尺度上碳的儲(chǔ)藏、分配和流通的研究。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化Arndt&Wanek（2002）利用水分脅迫下葉片碳同位素分餾的降低，研究整個(gè)植物體的碳分配。Hobbie等（2002）將13CO2標(biāo)記到生長(zhǎng)在高溫和高CO2

環(huán)境中的花旗松幼苗中，發(fā)現(xiàn)不同年齡的針葉在高溫和高CO2條件下對(duì)CO2

的吸收能力不同，同時(shí)苗木結(jié)構(gòu)性碳和非結(jié)構(gòu)性碳的分配規(guī)律也不同。Staddon等（2003）利用13C標(biāo)記法研究了高原生態(tài)系統(tǒng)植物根、冠以及土壤中碳的流通。穩(wěn)定性碳同位素與全球變化4.結(jié)語(yǔ)

全球氣候變化已是各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家共同關(guān)注的焦點(diǎn)。在全球碳循環(huán)的研究中，同位素示蹤技術(shù)解決了常規(guī)方法所面臨的許多難題。比如，使用碳同位素技術(shù)只需采集少量植物樣品就能夠得到截至采樣時(shí)植物生活過(guò)程的平均水分利用效率，減少了大量繁瑣的工作和數(shù)據(jù)的不確定性。利用樹(shù)木年輪穩(wěn)定碳同位素含量能夠獲得較大尺度的氣候和環(huán)境信息。在植被動(dòng)態(tài)研究中能夠進(jìn)行較大時(shí)空尺度的研究。

穩(wěn)定性碳同位