碳稳定性同位素与全球变化

1、汇报内容汇报内容：1. 前言2. 稳定性碳同位素的基本认识3. 稳定性碳同位素技术的应用 4. 结语稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 言言前前 稳定同位素记录的环境信息十分丰富，包括植物生长环境的CO2浓度、温度、湿度、降水量等。所以，近几十年来，稳定同位素技术在生态学领域受到重视并取得了一些可喜的成果，并与遥感技术、数学模型一起被认 为 是 三 大 现 代 技 术。 全球变 暖 和 大 气 CO2浓 度 升 高 对 植 物 生 理 生态 过 程 产 生 了 深 刻 影 响，植 物 与 环 境 因 子 间这种复杂的关系可以通过树木年轮的物理指标或稳定同位素

2、组成反映 出 来，因 为 树 木 年 轮 中 含 有 大 量反映过去气 候 变 化 的 信 息。 稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 2.1 同位素相关概念2.稳定性碳同位素的基本认识稳定性碳同位素的基本认识稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 1）稳定性同位素丰度：是指某一元素的某种稳定性同位素占所有稳定性同位素的比例。例如，自然界中碳的稳定性同位素只有12C和13C两种，那么，13C的丰度是13C/（12C+13C），12C的丰度是12C/（ 12C+13C ）。2）同位素分馏：由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物

3、化学作用过程中，一种元素的不同同位素以不同的比例分配于不同物质之间的现象。 3）同位素比率：在自然界中，任一元素的重同位素含量与轻同位素相比低得多，用绝 对 量 表 示 同 位 素 的 差 异 比 较 困 难，所以通常使用相对量来表示物质的同位素组成，也就是同位素比率。对碳来讲，可定义为: 13C= ( Rp /Rs) - 1 1000，式中: Rp是样品中碳元素的重轻同位素丰度之比（13Cp/12Cp）；Rs是国际通用标准物的重轻同位素丰度之比（13Cs/12Cs）。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 研究表明，C从大气进入叶片并参与光合作用的过程中发生了

4、两次重要的分馏作用: 1） 大气 CO2通过叶片气孔向叶内扩散过程的分馏。在这个过程里，含有轻同位素（12C）的 CO2分子要比含有重同位素（13C）的 CO2分子的扩散速度更快，结果造成 13C 值降低 4.4左右；2）CO2进入光合作用循环，合成有机物过程中的动力分馏。由于 13CO2健能较 12CO2大，参与同化作用较多，导致 13C 值降低 2729。如果光 合 作 用 消 耗 的 CO2量 远 远 超 过了所能补充的 CO2量，12CO2的相对量减少，分馏作用对13C的阻碍将显著降低。2.2 碳同位素分馏原理稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 3.

5、 稳定性碳同位素的应用稳定性碳同位素的应用3.1 树轮稳定性碳同位素与大气CO2浓度变化 关于大气 CO2 浓度变化的研究是全球变化研究中的热点问题 ， Ca（历史时期大气CO2浓度）的改变必然对树木的生长产生影响 ，而树轮的 13C 很好地记录了Ca 的变化趋势。因此测定树轮 13C组成已成为研究Ca 变化的重要手段。目前通过树木年轮 13C的研究来重建Ca 变化 ，主要是依据 Farquhar 等的计算公式: 13C = 13Ca - a - ( b - a) Ci / Ca （1）式中， 13C为树轮的稳定碳同位素组成； 13Ca是大气CO2 中的 13C值；a 是气孔扩散CO2 时对

6、13C分馏作用，约为- 4.4 ； b 是光合作用对 13C分馏值，约为- 29 ；Ci是细胞间CO2的浓度 。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 由（1）式可以得出： Ci / Ca = （ 13C - 13Ca + a）/ （a - b ） （2） 利用上式定量重建Ca的前提是假设Ci恒定，这样，通过比较两个时期Ci/Ca值，就可以知道大气中二氧化碳浓度的变化趋势。 但是，Ci值并不能保持稳定，它与环境、气候条件和物种特性都有一定关系。因此若不剔除这些因子的影响，通过年轮 13C 来重建区域Ca 变化难以取得准确的结果。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位

7、 素素 与与 全全 球球 变变 化化 在树轮碳同位素研究中 ，几乎遍及全球各地的树轮 13C记录都呈现出自工业革命以来明显的下降趋势，见下表： 上表可以清楚地表明 ，由于大量化石燃料的应用 ，导致自工业革命以来 Ca 急剧增加 ，进而对全球的气候及生态环境变化产生巨大的影响。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 3.2植物水分利用率的研究 传统方法：大气CO2 浓度升高和大气温度升高都会影响植物的水分利用效率( WUE) 。确定单叶WUE 常用气体交换的方法测定光合与蒸腾速率，这种方法测得的是瞬间值，容易受当时瞬间环境条件的影响而波动。 碳同位素技术：是一种间

8、接测定作物单叶WUE的有效方法。通过对长期积累于叶片或其他器官中的碳代谢产物的稳定碳同位素来评估叶片或植株生长过程中总的WUE特性。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 根据水分利用效率的定义，植物水分利用效率与Ci和Ca有密切的联系，这可从下列方程式中看出:A = g （ Ca- Ci ）/ 1. 6 （3）E= g W （4）WUE= A/ E= ( Ca - Ci ) / 1. 6 W （5） 式中， A 和E 分别为光合速率和蒸腾速率， g 为气孔传导率，而W 为叶内外水气压之差。这样，13C 值可间接地揭示出植物长时期的水分利用效率: WUE= Ca

9、 1- （13Ca - 13C）/ a（b- a ） / 1. 6 W （6） 由于植物组织的碳是在一段时间( 如整个生长期) 内累积起来的，其 13C 值可以指示出这段时间内平均的WUE 值。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 3.3 植被动态的研究 由于光合过程中羧化酶对同位素的分馏效应以及气孔的扩散分馏效应不同，C3植物、C4植物和CAM 植物的13C 有明显区别。而土壤有机质绝大部分来自其地表生长的植物，因此不同来源的土壤有机质也具有明显的13C值差异。利用土壤有机质13C值的差异可以作为研究地上植被动态的途径。13C分析可以用于研究时间尺度长于历史

10、记载的森林草原动态，森林草原交界地带，高山树线附近时空尺度较大的研究。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 McPherson 等（1993）对美国亚利桑那州东南部土壤各层13C含量的分析表明，现今生长于那里的森林（主要是C3植物）是由以C4植物为主的草原演替而来的。Dorale 等于1992、1998 年先后用研究洞穴碳酸盐沉积物中的13C方法来探讨美国中纬度地区的植被动态。Street-Perrott 等对东非热带地区的肯尼亚山和艾尔根山上2个高海拔的湖泊沉积物的研究揭示了CO2 浓度的升高，使在低浓度CO2条件下处于劣势的C3 植物扩大了分布区。稳稳 定

11、定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 3.4 13C 标记应用于碳循环的研究 为了研究全球气候变化对生态系统碳流通的影响，需要经过标记将稳定碳同位素附加于植物体内或环境中以示踪系统中碳在植物、大气和土壤之间的储存和流通。利用13C标记法对碳循环的研究可以在不同时空尺度上进行。既可以应用于植物个体水平碳分配和碳流通的研究，也可以应用于植物群落和更大空间尺度上碳的储藏、分配和流通的研究。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 Arndt & Wanek（2002）利用水分胁迫下叶片碳同位素分馏的降低，研究整个植物体的碳分配。Hobb

12、ie 等（2002）将13CO2标记到生长在高温和高CO2 环境中的花旗松幼苗中，发现不同年龄的针叶在高温和高CO2条件下对CO2 的吸收能力不同，同时苗木结构性碳和非结构性碳的分配规律也不同。Staddon 等（2003）利用13C 标记法研究了高原生态系统植物根、冠以及土壤中碳的流通。稳稳 定定 性性 碳碳 同同 位位 素素 与与 全全 球球 变变 化化 4.结语结语 全球气候变化已是各个领域科学家共同关注的焦点。在全球碳循环的研究中，同位素示踪技术解决了常规方法所面临的许多难题。比如，使用碳同位素技术只需采集少量植物样品就能够得到截至采样时植物生活过程的平均水分利用效率，减少了大量繁琐的工作和数据的不确定性。利用树木年轮稳定碳同位素含量能够获得较大尺度的气候和环境信息。在植被动态研究中能够进行较大时空尺度