荒漠植物白刺新固定碳在植物-土壤系統中的分配

,*,,，，

(1.中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心,內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古 磴口 015200)

植物光合碳是“大氣-植物-土壤”系統碳循環的起點，光合碳由地上部向地下部轉運，用作根系呼吸和根系發育，轉移至根系中的光合碳以根系分泌物或植物殘體形式將同化的碳水化合物輸入土壤[1]，以根系沉積物形式向土壤根際環境中輸入碳轉化為微生物量碳中的一部分，或以有機質形式貯存于土壤碳庫中。因此，碳是植物體主要組成元素，也是土壤有機質重要組成部分。中國科學院有關研究人員在PNAS(美國科學院院報，Proceedings of the National Academy of Sciences)發布的中國陸地生態系統碳收支最新研究成果顯示，中國陸地生態系統在過去幾十年一直扮演著重要的碳匯角色，其中灌叢生態系統碳儲量為(6.69±0.32) Pg C，貢獻了中國陸地生態系統固碳總量的8%[2]。全球干旱區面積約52億 hm2，占陸地生態系統面積的35%[3]。我國荒漠化土地面積為261.16萬 km2，占國土面積的27.2%[4]。因此，面積廣闊的荒漠地區在全球碳循環過程中起著重要作用。

定量新固定碳在植物組織、土壤和呼吸損失中的分配，是準確評估陸地生態系統碳收支的重要基礎[5]。目前，植物新固定碳的分配尚缺乏完善的理論或數學模式，是全球碳循環研究的難點和熱點[6]，主要原因在于植物地下碳分配，如根系生長、死亡、脫落、分解、根際分泌、土壤微生物分解等環節，幾乎都無法通過原位直接觀測得到[7]。弄清植物新固定碳向地下的分配及轉化已經成為準確模擬生態系統碳循環、預測其對環境變化響應的關鍵[7-8]。13C同位素標記技術是追蹤和定量研究植物新固定碳在“大氣-植物-土壤”連續體中運輸和分配的有效方法，其最大的優勢在于能夠追蹤不同組分碳的去向，定量植物新固定碳向不同碳庫的分配，有助于預測新固定碳對生態系統碳循環和碳固定的貢獻，已經被廣泛用來研究植物新固定碳的分配[9-10]。

近年來，大量研究表明，植物新固定碳的分配因植物種類和生態系統類型的不同而有差異，也會因植物物候、土壤養分、環境條件的不同而變化。如青藏高原高寒矮蒿草(Kobresiahumilis)草甸植物將59%的新固定碳分配至地下系統，而作物運輸到土壤碳庫的新固定碳低于33%[11]，牧草將30%～50%的光合產物轉移到地下[12]，谷類作物[小麥(Triticumaestivum)和大麥(Hordeumvulgare)]約有20%～30%的光合碳分配到地下部[13]，水稻(Oryzasativa)光合碳約有2%～10%以根際沉積碳的形式輸入土壤[14]。然而，先前的研究多集中在森林樹種幼苗、作物或草地植物等方面[15-17]，對干旱區荒漠植物新固定碳在植物組織、土壤和呼吸損失之間分配的研究極其缺乏。盡管有個別研究報道了CO2濃度倍增和土壤干旱對兩種盆栽幼齡沙生灌木碳分配的影響[18]，但實驗結果來源于室內盆栽實驗，不能真實的反應野外自然狀態下荒漠植物新固定碳分配情況。

唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是我國西北荒漠地區主要的優勢種和建群種，它的根系非常發達，對干旱的適應性極強，在維持荒漠生態系統平衡方面具有重要作用[19]。本研究以荒漠植物白刺為研究對象，采用13C穩定同位素標記技術，在野外原位追蹤荒漠植物白刺新固定碳在莖、葉、根、土壤和呼吸損失中的分配動態，量化白刺新固定碳在植株各組織及土壤中的分配，以此為基礎估算荒漠生態系統固定碳量及其向不同碳庫的分配。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區巴彥淖爾市磴口縣，中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心二場內，地理位置為E 106°43′，N 40°24′，海拔約1050 m。該區是河套平原與烏蘭布和沙漠的結合部，屬于中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.6 ℃，多年平均降水量約145 mm，降水主要集中在6-9月，約占全年降水的60%～70%，年蒸發量約2381 mm， 無霜期136 d。 植被類型屬于溫帶灌木荒漠，唐古特白刺是研究地點的優勢植物，能夠阻擋風沙并形成白刺灌叢沙包，沙包高約1～3 m，直徑約6～10 m，植被蓋度約為45%～75%，伴生種有沙鞭(Psammochloavillosa)、油蒿(Artemisiaordosica)等。群落蓋度為20%～30%。土壤類型沙包上為風沙土，沙包之間沒有流沙覆蓋處為灰棕漠土[20]。實驗期間的降水和氣溫變化如圖1所示。

圖1 研究區降水和溫度變化(2017年)Fig.1 Rainfall and temperature changes in the study area (2017)

1.2 13CO2氣體標記室設計和安裝

13CO2標記氣室為50 cm×50 cm×50 cm的正方體，四周為金屬框，標記氣室側壁用透明PVC薄板制作，透明薄膜封頂。為使標記氣體在標記室內迅速混合均勻，在標記室內正中央安裝一個小電風扇。13CO2通過Na213CO3與H2SO4在標記室內發生化學反應產生。標記氣室共制作12個，分別安裝于對照和實驗樣地內。由于白刺的年齡難以確定，因此在選擇樣地時選擇生長狀況相似、大小相近的白刺沙包，各樣地土壤條件、環境條件相同。

1.3 荒漠植物白刺新固定13C分配動態監測

1.3.1樣品采集 本研究在2017年的7月中旬進行，在野外進行原位13C同位素脈沖標記實驗。實驗選擇晴朗天氣，提前1 d安裝好13CO2氣體標記室，以減少對土壤的擾動。標記后分不同時間段(0, 1 h, 3 h, 7 h, 18 h, 24 h, 2 d, 4 d, 8 d, 17 d, 25 d 和 32 d)分別采集白刺葉、莖、根、土壤和氣體樣品。植物樣品烘干后粉碎待測定其全C 和δ13C值；土壤樣品過2 mm 的土壤篩，過篩的土壤樣品風干后貯存在4 ℃條件下，供測定其全C 和δ13C值；氣體樣品密封保存并盡快完成分析測試。樣品采集重復3 次。

1.3.213C測定 上述氣體樣品、植物固體樣品和土壤樣品利用中國林業科學研究院穩定同位素實驗室EA-IRMS測定儀器(元素分析儀-同位素比率質譜分析聯用儀，Flash EA 1112 HT-DELTA V Advantage, Scientific, Inc., USA)測定其13C豐度值(δ13C，‰)，同時可得到固體樣品中的含C量(%)。其原理為: 樣品在元素分析儀中高溫燃燒后生成CO2，質譜儀通過檢測CO2的13C與12C比率，并與國際標準物(Pee Dee Belemnite或PDB=0.011237)比對后計算出樣品的δ13C比率值。δ13C 測定精度: ±0.1‰。具體計算公式如下。

(1)

(2)

白刺新固定13C進入莖、葉、根、土體和呼吸損失中，各組分固定13C量[13C excess (at%)]：

13C excess (at%)=13C of samples (at%)-13C of natural abundance (at%)

(3)

式中：13C of samples (at%)為標記組分13C豐度(%);13C of natural abundance (at%)為不標記組分13C豐度(%)。

進入各器官及土壤的固定碳量：

13C amount (mg·m-2)=13C excess (at%)×C pool size (g·m-2)×10

(4)

式中：C pool size分別代表各器官和土壤的總碳量。

各組分13C分配比例P13Ci(%)：

P13Ci=(13Ci/13C)×100

(5)

式中：13C為根、莖、葉、土壤固定和呼吸損失13C量之和。

1.4 地上凈初級生產力測定

地上凈初級生產力采用收獲法測定，考慮到白刺沙包迎風坡、背風坡，陰面和陽面的區別，分別在其東南、東北、西南和西北4個方向約1/2沙包半徑處設置1 m×1 m樣方，共4個，在10月20日將每個樣方內當年生長的新生葉片和新枝條全部收獲，視為該樣方當年地上凈初級生產力。

1.5 數據處理和分析

數據的統計分析與制圖采用Microsoft Excel 2017 和SigmaPlot 10.0，其中采用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較同一時間白刺不同器官和土壤中的13C含量差異，以及同一器官在不同時間上13C含量差異。

2 結果與分析

2.1 白刺新固定碳在植物葉、莖、根和土壤中的分配動態

不同標記時間段內13C-新固定碳在白刺葉、莖、根、土壤中的分配差異明顯。由圖2可知，白刺植株在沒有進行標記之前，葉片和莖中的13C豐度均在-23.5‰～-17.9‰之間，并且沒有顯著差異(P>0.05)。在標記后1 h內，葉片和莖中13C豐度值迅速上升到最高值，13C豐度值分別達到520.1‰ 和 592.5‰，比對照分別增加14和20倍，此后13C豐度值隨時間推移逐漸下降，直至32 d 后趨于穩定；而標記后1 h內根系和土壤中還未發現標記的13C，直到標記后18 h，在根系和土壤中發現了被標記的13C，13C初始豐度值分別達到9.5‰和-23.8‰，并且從18 h到標記結束13C豐度值呈現波動狀態，最大豐度值分別為49.2‰(標記后8 d)和-22.5‰(標記后17 d)。

圖2 白刺各器官和土壤中13C豐度的變化趨勢Fig.2 Temporal variation of 13C abundance of shoots, roots and soil C sampled during the 32 d label period

2.2 白刺新固定碳在呼吸損失中的分配動態

從圖3白刺新固定碳經地上部呼吸和土壤呼吸損失后的13C豐度變化來看，標記1 h后，經過地上呼吸損失的13C豐度迅速達到最大，13C豐度值為1082.2‰，比對照高63倍，隨后13C豐度值迅速下降，到標記后4 d與對照沒有顯著差異(P>0.05)。而標記后18 h，土壤呼吸損失的13C豐度迅速上升到最大值，此時13C豐度值為445.8‰，比對照高13倍，隨后13C豐度值迅速下降，與地上呼吸類似，在標記后4 d與對照沒有顯著差異(P>0.05)。

圖3 呼吸損失中13C豐度的變化趨勢Fig.3 Temporal variation of 13C abundance in CO2 efflux by shoot respiration and soil respiration during the 32 d label periodRaa: Respiration of aboveground；Rs: Respiration of soil.

2.3 白刺新固定碳在植物-土壤系統中的分配比例

圖4 13C在植物-土壤系統中的分配比例Fig.4 Temporal changes of 13C amount in the plant-soil system and 13C distribution (in %) among different pools

從圖4中可知，在標記后0～1 h，白刺葉片吸收的13C量大部分都集中在地上部分，其所占比例達60.69%，之后隨著時間的遞增，由于葉片吸收的光合碳逐漸被呼吸消耗和轉運到根系，分配到地上部的13C量逐漸降低，其中在標記后1～18 h期間，地上部13C量顯著下降，標記后24 h，13C分配比例變化趨于穩定；而地下部13C分配比例隨時間遞增呈現先迅速升高后保持穩定的趨勢，最終，在進行13C標記后的第32天，分配到地下部的13C量達到穩定。白刺新固定碳在標記后0～18 h內經過呼吸損失較多，并且在標記后1 h呼吸損失量最大，達到52.42%，標記18 h至標記結束，呼吸損失量保持穩定。最終，在標記32 d后，白刺新固定碳在地上部和地下部13C分配比例分別占35.59%和32.49%，呼吸損失占31.92%。

2.4 白刺固碳量及其向不同碳庫的分配量

通過測定白刺植株地上部凈初級生產力為380 g·m-2，白刺地上部、根系的含碳量分別為(60.1±0.01)%和(57.1±0.08)%，根據13C在白刺生長盛期各個組分的分配比例可以計算出植物地上部和地下根系的生長季固碳量。由表1 可知，白刺地上部同化累積的碳量最多，達1030.6 kg C·hm-2·yr-1，其中葉片和莖分別積累了521.2和509.4 kg C·hm-2·yr-1；大約有940.8 kg C·hm-2·yr-1分配到地下部，其中根系中積累了482.6 kg C·hm-2·yr-1，土壤中積累了458.2 kg C·hm-2·yr-1。白刺生長季固碳量為2895.6 kg C·hm-2·yr-1，由此可知白刺具有較強的固碳能力。

表1 植物-土壤系統中新固定碳通量Table 1 Destination of newly fixed C in the plant-soil system at the end of the label period and estimated annual C flux to different C pools

3 討論

目前，陸地生態系統碳收支的估算方法主要包括生物量和土壤碳儲量清查法、碳通量觀測法，衛星遙感、大氣CO2濃度反演以及生態系統模型法等，但這些方法均只能測定植被碳庫或土壤碳庫的大小，不能反映植物新固定碳向植物組織、土壤和呼吸損失的分配動態[21]。人工添加13C同位素被稱為同位素標記試驗，通常有3種方法：脈沖標記、重復脈沖標記和持續標記[22]。其中，脈沖標記是一次性注入標記物，容易在野外實施。當植物新固定碳在不同碳庫穩定分配時，基于質量平衡關系，可計算出各碳庫的分配量[23]。目前已經有大量研究采用13/14C同位素標記技術在室內研究植物新固定碳的分配[15, 24-25]，野外原位開展的植物新固定碳分配的研究鮮有報道，本研究在野外原位條件下，采用13C同位素標記技術測定荒漠植物白刺新固定碳在葉、莖、根、土壤和呼吸損失等各部分的分配，據此估算荒漠生態系統碳收支的變化，這將為更準確的評估干旱區荒漠生態系統碳收支提供科學依據。

植物新固定碳在莖、葉、根系和土壤中的穩定分配及轉化時間往往因植物種類、物候期、環境條件的不同而存在差異[26-28]，通常需要2～4周，因此，“新”一般是指數星期的時間尺度[1]。本研究表明白刺將16.7%累積在根系，31.9%被土壤呼吸消耗，15.8%存留在土壤碳庫中。對青藏高原高寒矮蒿草草甸植物的碳分配研究表明，大部分新固定的碳在一天之內完成向各個碳庫的分配，約有59%的新固定碳向地下系統分配，且在示蹤期內，分配到活根系的新固定碳比例始終最高，其中有30.9%存在于活根，17.2%隨土壤呼吸作用返回大氣，7.3%經過轉化成為新的土壤碳[11]。蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)將38.4%的新固定碳分配至地下部分，其中46%存在于根中，22%進入土壤，32%通過根際呼吸返回到大氣中[29]。玉米(Zeamays)通過根際分泌和根系呼吸消耗的新固定碳分別為0.5%和16.0%[30]。小麥生長期內15%～39%的新固定碳轉移至地下部，其中35%～48%被根系和根際微生物消耗[31]；黑麥草(Loliumperenne)將56%～69%的新固定碳轉移至地下部，其中52%～62%集中在根系，24%～31%被根系呼吸消耗，13%～21%存留在土壤碳庫中[32]。Kuzyakov 等[33]用脈沖標記實驗共同研究了地上-地下碳的分配，發現牧草植物同化的碳大約30%～50%進入到地下，Hafner等[9]研究發現，標記27 d 后20%～40%的光合碳進入到地下。本研究與以上研究得出的結果基本一致。植物新固定的碳將分配到地下部用于根系生長，不斷以根際沉積物的形式損失13C[34]，同時莖葉和根呼吸也釋放13C；再加上植株不斷生長，生物量繼續增加，未標記部分同化13C，稀釋了白刺新固定的13C，因此導致了32 d 后植株13C豐度值的下降。本研究還表明，白刺莖、葉在標記后1 h內13C豐度值迅速上升到最高值，而根系在標記后18 h發現被標記的13C，這與Ostle等[35]研究結果類似，他認為光合碳向根系及土壤中的傳輸與分配與莖葉相比存在一定滯后性，根系中光合碳含量在標記后的24～48 h達到峰值。

白刺生長季年固碳量估算值為2895.6 kg C·hm-2·yr-1，任昱[36]對白刺固碳能力的研究表明，白刺生長季固碳量為5116 kg C·hm-2·yr-1，本研究白刺的固碳量明顯低于該值，這可能是其將枯落物也作為固碳量的一部分估算造成的。黨曉宏等[37]以西鄂爾多斯地區5種天然荒漠灌叢為材料，依據年光合固碳量將荒漠灌叢分為3類：年光合固碳高灌叢-沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)：6216～8892 kg C·hm-2·yr-1；年光合固碳中等灌叢-四合木(Tetraenamongolica)、紅砂(Reaumuriasongarica)：1742～3962 kg C·hm-2·yr-1；年光合固碳低等灌叢-半日花(Helianthemumsongaricum)：386 kg C·hm-2·yr-1。與上述研究結果相比，本研究白刺固碳量在荒漠灌木中屬于中等水平。

4 結論

使用13C同位素標記技術能夠準確估計荒漠植物新固定碳在葉、莖、根、土壤和呼吸損失中的分配比例。白刺將35.59%的新固定碳用于地上部分的生長和發育，16.67%集中在根系，31.92%被呼吸消耗，15.82%存留在土壤碳庫中。通過估算荒漠植物白刺生長季年固碳量可知，白刺具有較強的固碳能力，對增強荒漠生態系統碳儲量、發揮荒漠碳匯功能具有重要意義。