【热点Focus】碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

发表时间：2023-07-25

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文章来源

葛体达, 王东东, 祝贞科, 魏亮, 魏晓梦, 吴金水. 碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望. 植物生态学报, 2020, 44(4): 360-372. DOI: 10.17521/cjpe.2019.0208

原文链接

https://www.plant-ecology.com/CN/10.17521/cjpe.2019.0208

¹³C稳定同位素作为示踪物, 与放射性碳同位素相比具有安全、无污染和容易控制等优点，被广泛应用于陆地生态系统碳循环的生物地球化学过程研究。随着碳同位素示踪技术的广泛应用和迅速发展，多种碳同位素示踪技术及其与其他光谱和微生物探针技术联用，对于揭示从微观到宏观尺度的碳循环过程起着重要作用。

图1 碳同位素示踪技术及其与其他技术的耦合应用

碳同位素示踪技术的原理与分析方法

碳同位素原子质量的微小差异，使得含有不同同位素的物质具有不同的理化性质，导致不同的动力学和热力学效应，在物理、化学和生物等反应过程中出现同位素分馏现象。碳循环过程中，同位素交换反应使无机盐(如碳酸盐)富集重同位素(如¹³C)；而碳的有机循环，如光合作用的动力分馏效应导致生物成因碳(有机物)中富集轻同位素(如¹²C)，从而导致陆地生态系统中有机体和大气CO₂之间的碳循环过程中，出现明显的碳同位素分馏现象。植株光合作用过程差异或土壤有机碳不同条件下微生物矿化过程差异，都会导致不同碳库的碳同位素比值（δ¹³C）呈现差异。所以，通过测定各个碳库中碳同位素比值的变化，可以量化“大气-植物-土壤”生态系统中碳的来源、分配及其周转规律。

质谱法、核磁共振法和光谱法是测定稳定碳同位素常用的方法。随着元素生物地球化学循环研究的进一步发展，以及元素分析仪-同位素质谱(EA-IRMS)和热分析-傅里叶变换红外光谱-气相色谱-质谱（STA-FTIR-GC-MS)等联用技术的兴起，极大促进了碳同位素分析测试技术的发展。近年来，在生态系统相关的科学研究中，稳定碳同位素示踪技术还与其他技术的进行耦合，如原位检测技术（¹³C稳定同位素探针-拉曼显微光谱技术(SIRM)、稳定碳同位素探针-纳米二次离子质谱技术(NanoSIP)、分子生物学技术（¹³C同位素探针-磷脂脂肪酸(PLFA-SIP)）等。

稳定碳同位素示踪技术在

“大气-植物-土壤”系统碳循环过程中的应用

基于C₃/C₄植物δ¹³C的不同, 碳同位素组成可以用于区分植物的C₃和C₄光合途径以及不同植物功能群结构变化。已有研究通过测定不同碳组分(可溶性碳水化合物和结构性碳库)的δ¹³C值，从而估计植物水分利用效率和光合作用在不同时间尺度上的变化。也有学者通过土壤碳自然丰度δ¹³C的变化，来研究土壤碳库中活性组分碳(微生物生物量碳(MBC))的周转速率和稳定性。随着分析方法测试精度的提高，采用碳同位素配对标记实验, 只要SOC和其他一种或是两种碳源的碳同位素比值间有较为明显的差别，也可以解析多碳源相互作用及其对土壤呼吸的贡献，这对于研究复杂生态系统中碳通量和净碳平衡具有重要的应用价值。

碳稳定同位素人工标记技术也在实际研究中扮演重要角色，如：¹³C贫化示踪技术结合的FACE实验是研究CO₂浓度增加的微域环境中SOC周转的常用方法。目前全球已建立十余个涉及森林，农田和草地等多个生态系统和多种植被类型的¹³C-FACE平台，阐释了大气CO₂浓度升高条件下，不同生态系统植物生理与光合效率、养分和水分利用、土壤呼吸、土壤碳的输入量及周转率和微生物响应等过程机制。

另外脉冲标记法、¹³C富集底物标记技术，也是重要手段。已有研究利用¹³CO₂脉冲标记结合生物标志物(磷脂脂肪酸)的稳定碳同位素探针技术(13C-PLFA-SIP)，发现了碳从水稻向土壤微生物快速转移的现象，且随着水稻生长期的变化根际碳的微生物同化量显著增加，真菌及革兰氏阴性菌是主要的同化微生物。¹³C富集底物标记技术的典型应用是在实验土壤中加入¹³C标记的底物，以未标记的底物为对照，结合PLFA、氨基糖等生物标志物技术，测定¹³C在土壤各组分有机碳的量及其来源，有助于阐明外源碳对土壤碳储量的贡献。

问题与展望

目前应用碳同位素示踪技术对C_3/C₄植被演替、土壤有机质源汇和各组分的周转及其微生物响应机制等方面进行了大量研究并日趋成熟，而对于植物-土壤碳循环中植物、微生物以及土壤动物(如原生动物、线虫和节肢动物等)所扮演的角色及其循环机理研究较少。尽管碳同位素示踪在植物生理生态研究中已发挥重要作用，但许多物理、化学和生物过程还不十分清楚；放牧、施肥、耕作等人类活动等多种因素可直接影响或与气候协同作用影响植被变化以及导致土壤有机质变化的综合研究尚需深入；还缺乏碳与其他养分元素的化学计量学方面的研究，以及碳、氮、磷、硫、氧等多种同位素联合探测技术在生态学领域的综合开发及应用。但仍需要在(1)稳定碳同位素耦合光谱成像技术的高精度原位检测方法、(2)碳同位素耦合超高分辨率成像技术、(3)稳定碳同位素探针技术耦合微生物生态学多组学分析技术、(4)有机碳的来源与周转通量的多碳源解析技术等方面付出更多的努力。

特别鸣谢

感谢葛体达研究员对本文的修正与支持！

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