王云霓，熊 偉，王彥輝，程積民，于澎濤，徐麗宏，何 聰，郝 佳，李振華，張曉蓓

（1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京100091；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.廣西大學 林學院，南寧530005；4.河北農業(yè)大學 林學院，河北 保定071000）

植物體中穩(wěn)定性碳同位素組成（δ13C）是反映植物胞間與大氣CO2之間分壓比（Ci／Ca）的一個整合指標［1］。由于植物在葉片的光合過程中，會產生碳同位素分餾現(xiàn)象，從而葉片更趨向于同化12CO2而排斥13CO2，這使得葉片中的碳同位素豐度遠低于大氣CO2。因而，δ13C值常被用來表征植物葉片的光合能力及水分利用效率（water use efficiency，簡稱WUE）。

在自然界中，植物的δ13C值與其生物學特性和環(huán)境因子密切相關［2－4］。植物首先會通過遺傳特性或代謝特征來影響其δ13C值的大?。?，5］。如δ13C值的種間［6］和生活型差異［7－8］就反映了其生物學特性之間的區(qū)別。同時，植物還會受環(huán)境因子所影響的葉片凈光合速率和氣孔導度導致其δ13C的變化［1］。例如，同一種植物在不同水分生境的個體［9－11］和同一個體在不同冠層部位或方位［12－16］之間的δ13C值差異則說明了環(huán)境因子的影響。另外，受季節(jié)變化所導致的輻射、降水和溫度等環(huán)境因子的變化和植物物候節(jié)律的雙重影響，也會導致植物葉片δ13C值的變化。嚴昌榮等［3］研究表明北京山區(qū)六種木本植物的δ13C和WUE在早春時高于生長旺期；而王玉濤等［8］發(fā)現(xiàn)落葉闊葉喬木葉片的δ13C值表現(xiàn)出春季＞秋季＞夏季的規(guī)律，但常綠針葉喬木葉片的δ13C值變化不大。綜上所述，盡管目前盡管對葉片δ13C值的種內、種間及季節(jié)變化進行了廣泛的研究，但因各研究的對象、地點、采樣時間不一致，其結論還存在著一定的分歧。鑒于以上認識，可以認為六盤山區(qū)內主要樹種葉片δ13C值是存在種間、種內差異，但這種差異會隨著其季節(jié)變化特征及水分環(huán)境條件的改變而變化的。

寧夏六盤山林區(qū)位于黃土高原中西部，地處半濕潤半干旱地區(qū)的過渡帶，顯著的水源涵養(yǎng)效益使之被譽為該區(qū)的“濕島”，對寧南山區(qū)氣候調解和生態(tài)平衡保護起著十分重要的作用［17］。過去，由于對該區(qū)森林植被的嚴重破壞，導致了生態(tài)環(huán)境的逐步惡化，所以急需選擇節(jié)水樹種、合理配置結構來恢復當?shù)氐纳种脖患捌渖鷳B(tài)功能［18－20］，而在干旱半干旱地區(qū)水源涵養(yǎng)林的營建中要盡可能的選擇低耗水、高WUE的樹種。目前，在六盤山林區(qū)針對典型植被和主要樹種的水分生理參數(shù)［21］、樹干液流［22］和蒸散［23］等方面做了一些工作，但還沒有該區(qū)主要樹種葉片的δ13C值及WUE方面的研究。

本文以六盤山疊疊溝小流域（代表半干旱區(qū)）和香水河小流域（代表半濕潤區(qū)）為研究區(qū)域，以該區(qū)的主要樹種為對象，在生長季的前期、中期和后期分別測定主要樹種葉片的δ13C，主要目的在于探討：（1）同一樹種葉片δ13C的冠層部位和方位差異；（2）不同樹種葉片δ13C的差異及季節(jié)變化；（3）同一樹種不同水分生境下葉片δ13C的差異。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地設在六盤山南側的香水河小流域和北側的疊疊溝小流域。香水河小流域 （106°09′—106°30′E，35°15′—35°41′N）位于六盤山南側，海拔2 040～2 931m；屬半濕潤氣候，熱量較低，水分充足，近10a的年均氣溫為6.8℃，年均降水量636.8mm，多集中于7—9月（圖1）。主要樹種有華山松（Pinus armandii）、遼東櫟 （Quercus liaotungensis）、白樺（Betula platyphylla）、少脈椴（Tilia paucicostata）、油松（Pinus tablaeformis）、紅樺（Betula albo－sinensis）、華 北 落 葉 松 （Larix principris－rupprechtii）、山 桃（Prunus davidiana）和沙棘（Hippophae rhamnoides）等。疊疊溝小流域（106°04′—106°09′E，35°54′—35°58′N）位于六盤山北側，海拔1 975～2 615m；屬半干旱氣候，近10a的年均氣溫為7.8℃，年均降水量413.5 mm，主要集中在7—9月（見圖1），主要樹種有華北落葉松、沙棘和山桃等。2個小流域的土壤類型均以山地灰褐土為主，土層厚度為30—100cm。

圖1 六盤山近10a（2001－2010年）的月平均降水量和溫度分布（P1、T1：半干旱區(qū)降水量和氣溫；P2、T2：半濕潤區(qū)降水量和氣溫）

1.2 試驗設計與樣品采集

為分析不同樹種葉片的δ13C差異及季節(jié)變化，于2010年6月17—18日（生長季前期）、7月30—8月5日（生長季中期）和9月9—13日（生長季后期），在香水河小流域選擇遼東櫟、白樺、少脈椴、華山松、油松、華北落葉松、沙棘、山桃等8個主要樹種（見表1），每個樹種各選取4株長勢良好的樹木為樣木，每株樣木選取樹冠南向中上部枝條的葉片取樣，樣品為4株樣木葉片的混合樣。

為分析同一樹種葉片δ13C的冠層部位差異，在生長季中期，采集遼東櫟、白樺、華山松、油松、華北落葉松5個樹種冠層的上部、中部和下部南向的葉片樣品；同時，在這5個樹種冠層中部的東、西、南、北等4個方位分別取樣，用以比較同一樹種冠層不同方位葉片δ13C的差異。為分析不同水分生境下樹木葉片δ13C的種內個體差異及季節(jié)變化，于生長季的初、中、末期在疊疊溝小流域和香水河小流域分別選取華北落葉松和沙棘2個樹種的樹冠南向中上部枝條的葉片分別采樣。

表1 六盤山香水河小流域和疊疊溝小流域主要樹種所在樣地的植被基本情況

1.3 樣品處理與分析

將采回葉片樣品置于恒溫干燥箱中，105℃殺青，60℃烘干（連續(xù)48h），粉碎后過80目篩制成樣品，然后進行樣品的穩(wěn)定碳同位素比值分析（中國林業(yè)科學研究院穩(wěn)定同位素比率質譜實驗室，精度為0.1‰）。通過DELTA V Advantage同位素比率質譜儀和Flash EA1112HT元素分析儀（Thermo Fisher Scientific，Inc.，USA）測定CO2的13C與12C比率，并與國際標準物PDB（Pee Dee Belemnite）比對后計算樣品的δ13C值，根據(jù)Farquhar等［1］的研究，植物的δ13C值可由下式來計算：

式中，（13C／12C）sample和（13C／12C）PDB分別為測試樣品和標樣PDB的δ13C值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 16和Excel 2003對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 主要樹種冠層不同部位葉片δ13C的差異分析

圖2表明，各樹種不同冠層部位的葉片δ13C值均存在差異，且不同樹種間也存在差異。其中，華北落葉松、白樺和油松等3個樹種葉片δ13C值垂直分布表現(xiàn)為冠層上部＞中部＞下部，上部葉片的δ13C值分別是－27.19‰，－27.44‰和－27.01‰，比下部高出了0.72‰，0.93‰和0.49‰；但華山松和遼東櫟葉片的δ13C垂直分布表現(xiàn)為冠層下部＞上部＞中部，其中上部葉片的δ13C值分別是－26.23‰，－27.23‰，比下部高出了0.18‰，0.07‰，說明葉片δ13C值的冠層垂直變化存在著種間差異，可能與樹種的生物學特性及其小生境有關。

圖2 六盤山香水河小流域主要樹種葉片δ13C的冠層高度變化

圖3表明，各個樹種葉片δ13C值在不同冠層方位也存在著差異，但差異較小相對，一般在2.8%以下。具體來說，華北落葉松和白樺為南向＞東向＞北向＞西向，油松和遼東櫟為西向＞南向＞北向＞東向，華山松為北向＞東向＞南向＞西向，這可能與樹木不同方位光照條件差異所導致的樹木生理活動差異有關。

圖3 六盤山香水河小流域主要樹種同一冠層高度葉片δ13C的方位變化

2.2 主要樹種葉片δ13C的季節(jié)變化對比分析

圖4和圖5顯示了六盤山遼東櫟、白樺、少脈椴、華山松、油松、華北落葉松、沙棘、山桃等8個主要樹種葉片δ13C的季節(jié)變化。結果表明，各樹種葉片的δ13C值在生長季初期較高，而在生長季中、后期較低，但其隨水分生境條件變化而異。在香水河小流域，各樹種葉片的δ13C值在生長季初最高，而后持續(xù)降低，到生長季后期到達最低值，但各樹種葉片的δ13C值下降幅度不同（圖4）；在疊疊溝小流域，華北落葉松、沙棘和山桃等3種樹種葉片δ13C值也是生長季初期最高，但在生長季中期樹種葉片的δ13C值最低，后期略有回升，表現(xiàn)為“高—低—高”的變化特征（圖5）。

圖4 六盤山香水河小流域主要樹種葉片δ13C季節(jié)變化

圖5 六盤山疊疊溝小流域主要樹種葉片δ13C季節(jié)變化

2.3 不同水分生境條件下同一樹種葉片δ13 C的對比分析

以華北落葉松和沙棘為例，分析了同一樹種不同個體的葉片δ13C對不同水分生境條件的響應。在不同水分生境下，兩個樹種葉片的δ13C存在著明顯種內個體差異，即對于同一樹種，生長在疊疊溝小流域樹木葉片δ13C值均大于生長在香水河小流域的，說明同種樹木生長在半干旱地區(qū)的葉片WUE大于生長在半濕潤地區(qū)的（圖6和圖7）。然而，在不同水分生境下同一樹種葉片δ13C值的差異大小隨著季節(jié)而變化，即在生長季初、末期，δ13C差異較大，而生長季中期差異則十分微小。

圖6 華北落葉松在兩種水分生境條件下的葉片δ13C值對比

圖7 沙棘在兩種水分生境條件下的葉片δ13C值對比

3 討論

3.1 主要樹種葉片δ13C的冠層差異分析

大量研究表明，樹木不同冠層部位葉片所接受的光照時間、強度及溫濕度存在著差異［16，24］，而這些微氣象因子差異又可能導致葉片的氣孔導度（Gs）和光合能力等發(fā)生變化，從而引起葉片δ13C值之間的差異［13－14］。一般地，樹木冠層上部的光照條件較好，其光合速率相對較高，光合同化的CO2增多，而Gs相對較低，使葉片內部的CO2濃度相對較低，從而造成葉片δ13C值相對較高。如Duursma＆Marshall［13］測定了美國北部落基山脈混合林中9種針葉樹種的200多株樣樹的葉片δ13C，發(fā)現(xiàn)其從樹冠的上部到下部逐漸減小，并指出光合能力變化是引起δ13C垂直變化的決定因素。Koch等［12］發(fā)現(xiàn)北美紅杉（Sequoia sempervirens）的葉片δ13C從樹冠40m上升到110m時增大了5‰。本研究中，華北落葉松、白樺和油松等3個樹種葉片δ13C值的冠層變化表現(xiàn)為上部＞中部＞下部，這與前人研究的結果一致［13－14，24］，說明上述3個樹種的光照條件在冠層部位的垂直變化導致了其葉片δ13C的差異。另外，同一樹種葉片δ13C的冠層差異可能還與樹木的水力結構分布［25］、葉片形態(tài)結構［26］和土壤呼吸［27］的變化有關，但這還有待于進一步研究。

本研究中，華山松和遼東櫟冠層下部的δ13C值卻大于冠層中、上部，這可能是因為華山松和遼東櫟的光飽和點較低，7月份下旬研究區(qū)域的光強和溫度較高，細胞內外蒸氣壓虧缺增大的影響，使其冠層上、中部葉片內光合羧化酶的活性受到抑制，從而消弱了樹木的光合作用；而冠層中下部的光強相對較弱，光合羧化酶的活性受到抑制程度較低，光合速率相對較大，同時由于在高光強條件下，中、下層葉片的蒸騰速率明顯小于上層葉片［28］，故其表現(xiàn)為較高的δ13C值和WUE。

3.2 不同水分生境條件下同一樹種葉片δ13C的對比

植物對不同水分環(huán)境具有一定的彈性適應能力［29］。一般地，在水分條件較差的生境中，植物經過一定的抗旱鍛煉，會通過形成與環(huán)境相適應的形態(tài)結構和生理生化機制，來提高其WUE，從而增強對干旱的適應能力［30－33］。文隴英等［11］測定了不同水分生境下祁連圓柏（Sabina przewalskii）葉片的δ13C值，發(fā)現(xiàn)在相對干旱的環(huán)境下δ13C值高于相對濕潤環(huán)境，并指出半干旱生境中的植物會通過改變脯氨酸、葉綠素等含量來提高植物的WUE，增強其抗旱能力。陳世萍等［9］測定了內蒙古錫林河流域6個不同水分條件下的典型植物群落中黃囊苔草（Carex korshinskyi）葉片δ13C值、含水量及其種群特征變化，結果表明，隨著土壤水分的降低，葉片δ13C值顯著增大，且不同生境下的黃囊苔草能夠通過改變其WUE來適應不同的土壤水分狀況，使其植物群落中表現(xiàn)出更強的競爭能力和生態(tài)適應性。Peuke等［10］比較了來自不同氣候條件下山毛櫸（Fagus sylvatica）幼苗的δ13C值，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫顯著增加了葉片的δ13C值。本研究與以上研究的結論基本一致，即生長在半干旱生境下的華北落葉松和沙棘葉片δ13C值均顯著大于半濕潤生境（P＜0.05），說明這兩樹種在半干旱區(qū)表現(xiàn)出更高的WUE，這種生存策略可能是植物對不同水分生境差異長期適應的結果。然而，本研究還發(fā)現(xiàn)在不同水分生境下，同一樹種葉片δ13C值的種內個體差異會隨著季節(jié)而變化，即在生長季初、末期，同一樹種的這種δ13C差異較大，而生長季中期這種差異十分微弱。這是由于研究區(qū)降雨多集中在生長季中期，使兩個小流域內的植物都能獲得較多的可利用水分，從而使葉片δ13C值較低且差異不明顯。Sun等［34］對生長在南京、北京和蘭州這三個地區(qū)銀杏（Ginkgo biloba L.）的δ13C值進行了研究，結果表明，隨降水量減少葉片δ13C呈逐漸增加趨勢；而Stewart等［35］對澳大利亞東部、陳拓［36］對阜康和金塔荒漠、Zheng等［37］對黃土高原的C3植物δ13C隨降水量變化的研究也都表明，降雨量的增加會使葉片δ13C值和WUE減小。以上事實說明，不同生境區(qū)域內降雨量的季節(jié)分配會對同一種植物葉片的δ13C值和WUE產生較大的影響。

4 結論

（1）喬木樹種葉片的δ13C值存在冠層差異，但各樹種的冠層垂直變化特征不盡相同。本研究中，華北落葉松、白樺和油松等3個樹種葉片δ13C值表現(xiàn)為上部＞中部＞下部；而華山松和遼東櫟為冠層下部＞上部＞中部，但各樹種葉片的δ13C方位差異不顯著。這說明在今后的對于樹木葉片δ13C的研究中，應該更加注重其隨樹高的垂直變化所帶來的差異。

（2）六盤山各主要樹種葉片δ13C值都存在季節(jié)變化，在生長初期各樹種葉片δ13C值較高，而在生長季中、后期較低，其變化也隨水分生境條件不同而異，在半濕潤區(qū)葉片δ13C在整個生長季持續(xù)降低，在半干旱區(qū)卻表現(xiàn)為“高—低—高”的變化趨勢。

（3）在不同水分生境條件下，華北落葉松和沙棘葉片的δ13C值存在著明顯種內個體差異，但這種差異受降雨量的季節(jié)分配影響較大。旱季（生長季初、末期），同一樹種在半干旱區(qū)表現(xiàn)出更高的δ13C，而在雨季（生長季中期）δ13C相接近。因此，在造林實踐中，可對樹木幼苗采取適度的抗旱鍛煉來提高其對干旱環(huán)境的適應能力。

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