劉賢趙, 宿 慶, 李嘉竹, 全 斌, 李朝奎, 張 勇, 王志強, 王國安

1 魯東大學地理與規(guī)劃學院, 煙臺 264025 2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 楊陵 712100 3 湖南科技大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院, 湘潭 411201 4 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 北京 100193

控溫條件下C3、C4草本植物碳同位素組成對溫度的響應

劉賢趙1,2,3,*, 宿 慶3, 李嘉竹1, 全 斌3, 李朝奎3, 張 勇3, 王志強3, 王國安4

1 魯東大學地理與規(guī)劃學院, 煙臺 264025 2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 楊陵 712100 3 湖南科技大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院, 湘潭 411201 4 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 北京 100193

采取人工控制實驗，探討了6種C3、C4草本植物在晝/夜溫度指標為20/12℃——36/28℃的范圍內(nèi)植物碳同位素組成(δ13C)及其對溫度變化的響應，并結合植物比葉面積(SLA)、胞間CO2濃度(ci)與環(huán)境CO2濃度(ca)的比值、碳同化率(凈光合速率Pn/胞間CO2濃度ci)等光合生長指標對植物δ13C的影響進行了分析。結果表明：所有C3、C4植物樣品的δ13C值分別變化在-28.3‰—-32.1‰和-14.4‰—-17.6‰之間；在C3植物中，油菜δ13C值分布范圍最集中，位于-31.1‰—-32.1‰之間；C4植物中，谷子δ13C值分布范圍最窄。在控制的溫度范圍內(nèi)，3種C3植物的平均δ13C值隨溫度升高而顯著變低，而C4植物δ13C平均值與溫度呈先增大后減小的拋物型關系，但線性回歸結果未達到顯著水平(P> 0.05)。單個植物種的δ13C值對溫度的響應不同，茄子、高粱的δ13C值與溫度呈線性負相關，其它4種植物與溫度均呈二次拋物線關系，這可能與不同植物種具有不同的光合最適溫度以及植物δ13C分餾對溫度變化的敏感程度不同有關。

草本植物; 碳同位素; 溫度; 控制實驗

植物的穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)能夠準確記錄植物生長環(huán)境的氣候信息(如溫度、濕度、降水等)，因而被廣泛應用于自然生態(tài)過程研究以及古氣候、古環(huán)境的定量重建[1- 6]。溫度是影響植物δ13C組成最重要的氣候因子之一。一方面，它通過改變植物光合作用過程中的系列酶促反應以及葉片的氣孔導度等對植物δ13C分餾產(chǎn)生影響；另一方面，還通過改變植物葉片形態(tài)、厚度和葉片元素組成間接影響植物δ13C分餾。目前，關于溫度與植物δ13C組成的關系研究，除極少數(shù)人工控制實驗外，多數(shù)學者仍是基于樹木年輪或一定的海拔梯度探討植物δ13C對溫度變化的響應，但所得結果差異較大。一些研究表明，植物δ13C與溫度之間表現(xiàn)出顯著的負相關關系[7- 11]，即隨溫度的增加而降低，而更多的研究則是顯示兩者呈顯著的正相關[12- 16]，也有研究沒有觀察到植物δ13C與溫度的關系[2, 4,17]。造成植物δ13C與溫度之間關系不確定性的原因除了植物種間的生理生態(tài)過程與遺傳特性存在差異外，一個很重要的原因就是在分析植物δ13C與溫度因子的關系時，很難將其它氣候環(huán)境因子(如降水因子)對植物δ13C的影響分開。這是因為自然氣候的變化總是包含溫度、降雨等氣候參數(shù)的同時變化，植物δ13C組成不僅包含了溫度因子的影響，同時也涉及了其它氣候環(huán)境因子的相互疊加作用。為了消除降雨因子對植物碳同位素分餾的影響，王國安等[6]基于中國北方400mm等雨量線建立了植物δ13C與溫度因子的關系，并用于古氣候重建。但中國北方400mm等雨量線東西延伸約1500km，南北跨度達1900 km，在如此寬廣的地域范圍內(nèi)，各個樣點之間的土壤濕度、大氣壓、光照、云的蓋度、大氣CO2濃度等難免存在較大差異，而這些因素也是影響植物δ13C分餾的重要環(huán)境因子。這說明以目前建立的植物δ13C與溫度的關系作為依據(jù)進行古氣候定量重建與古環(huán)境信息提取還需要進一步完善。

人工控制實驗能夠按照研究者的要求將其它氣候環(huán)境因子對植物δ13C的影響有效地分離，避免諸如降水、濕度、大氣分壓和CO2濃度等氣候環(huán)境因子對植物δ13C的干擾，可以方便地模擬溫度變化對植物δ13C組成的影響，在一定程度上能夠彌補自然條件下研究植物δ13C與環(huán)境因子之間關系的不足。但由于控制實驗涉及的植物種不可能太多，而且需要昂貴的大型控溫設備以及試驗結果不能完全反映植物在自然狀態(tài)下碳同位素分餾的真實過程等，從而使一些學者利用控溫實驗研究溫度與植物δ13C的關系受到限制。迄今為止，除Smith等[18]、Troughton和Card[19]以及林清[13]等利用控制實驗探討過植物δ13C與環(huán)境因子的關系外，其它借助控制條件系統(tǒng)研究植物δ13C對溫度響應的報道很少。Smith等的研究發(fā)現(xiàn)，生長在晝/夜溫度比為13/4—35/27℃范圍內(nèi)的3種C3植物(大麥、油菜、豌豆)，其碳同位素在低溫下的均比高溫下的要高，但二者之間不存在線性關系[18]；林清[13]通過設置6個溫度處理，發(fā)現(xiàn)沉水植物—龍須眼子菜的碳同位素隨溫度上升明顯增加，R2系數(shù)大于0.9；而Troughton和Card[19]的研究卻發(fā)現(xiàn)，溫度變化對6種C3植物的δ13C組成幾乎沒有影響，溫度系數(shù)僅為-0.0125‰/℃。上述表明控溫實驗得到的結果仍存在明顯差異。本文選取C3、C4各3種草本植物，利用人工氣候箱設定晝/夜溫度比(20/12—36/28℃)研究溫度變化對植物δ13C的影響，并建立它們的定量關系，旨在探討人工控制實驗在研究植物δ13C與單一環(huán)境因子關系的有效性和可靠性，同時也為自然條件下獲得的植物δ13C與溫度之間的關系提供補充和驗證，以拓寬在本領域的應用。

1 材料與方法

1.1 植物種植

選取大豆(Glycinemax)、油菜(Brassicacampestris)、茄子(Solanummelongena) 3種C3植物和玉米(Zeamaysvar.)、高粱(Sorghumbicolor)、谷子(Setariaitalica) 3種C4植物作為試材。種子經(jīng)溫室育苗，待長至2—3片真葉時，將長勢一致的植株移入內(nèi)徑20 cm、深15 cm的塑料盆內(nèi)，每盆3株。盆內(nèi)供試土壤為校園外長期耕作的棕壤土(表1)，土樣按每1 kg土添加100 g腐熟的廄肥，自然風干后過2 mm篩，將肥料硝酸銨(NH4NO3)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)和硫酸鉀(K2SO4)按N、P、K分別為10、5、15 g/kg的配合比例混勻施入土中，然后按體積質(zhì)量1.34 g/cm3裝土，測定其初始土壤濕度，并在移栽前將其澆灌至田間持水量。為調(diào)節(jié)土壤通氣和排水，在盆底開一直徑為2 cm的小孔，并鋪一層由干沙、石礫組成的厚度約2 cm的濾水層。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of selected soil

OM: Organic matter; AP: Available phosphorus; AHN: Alkali-hydrolyzable nitrogen; TN: Total nitrogen; BD: Bulk density; WH: wilting humidity; FC: Field capacity; CC: clay content

1.2 實驗設計

幼苗移栽后，在自然條件下緩苗1周。然后利用人工氣候箱(SPX- 400IC，中國)進行控溫處理?？紤]到供試植物生長的溫度范圍，5個控溫處理設置的晝/夜溫度分別為20/12 ℃、24/16 ℃、28/20 ℃、32/24 ℃和36/28 ℃，溫度變化幅度為±0.5 ℃，每個處理設置3個重復，處理時間為4周。實驗過程中，除溫度不同外，其它環(huán)境條件一致：即各氣候箱內(nèi)濕度均保持在40%，用加濕器(加去離子水)進行調(diào)節(jié)；箱內(nèi)光照強度為10000lx，由冷白光熒光燈調(diào)控；光合周期為14 h(7:30—21:30)，晝/夜溫度轉換與光合周期相同。為減少氣候箱內(nèi)因CO2損耗對植物碳同化造成的影響，每天早晚在變換晝/夜溫度時開氣候箱門通氣5 min。植物生長所需的土壤水分用土壤水分測定儀(TZS-I，中國)進行監(jiān)測，各處理土壤含水量均維持在田間持水量的75%左右。

1.3 觀測項目

1.3.1 光合指標測定

在溫度處理開始后的第3周，選取各處理植株主莖相同葉位、葉齡的葉片于10:00用便攜式光合作用測定系統(tǒng)(CIRAS- 1，英國)對葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(ci)等指標進行測定，每2d測定1次。測定時，參比CO2濃度直接采用大氣CO2濃度(ca)。

1.3.2 比葉面積(SLA)測定

溫度處理結束后立即對植物葉片進行采集。采樣時，取每個處理的每一個重復的全部植株葉片作為該重復的一個樣品，并快速進行葉面積量算。然后，將每一個重復的所有葉片用清水洗凈、晾干，放入105 ℃的烘箱中10 min，殺青后在65℃下烘干至恒重，記錄葉片的干重，用葉面積與葉干重之比計算每個重復的比葉面積。

1.3.3 碳同位素測定

在SLA測定的基礎上，將上述烘干后的同一溫度處理下的3個平行植物樣品進行混合用于碳同位素組成分析。分析時將植物樣品研磨粉碎，過80目篩，然后將處理好的樣品3—5mg封入真空燃燒管，并加入催化劑和氧化劑，在1020℃下燃燒產(chǎn)生CO2，經(jīng)結晶純化后用德國生產(chǎn)的DeltaPlusXP質(zhì)譜儀測定植物碳同位素比值。每個樣品重復3—5次，測定誤差小于0.15‰。碳同位素組成的表達式為：

δ13C=(Rsample/Rstandard-1)×1000‰

式中，Rsample和Rstandard分別為樣品和標準的碳同位素比值，碳同位素結果采用國際V-PDB標準表示。碳同位素分析在中國農(nóng)業(yè)大學同位素地球化學實驗室完成。

1.4 統(tǒng)計分析

上述所有測定結果均以各處理重復的平均值表示，并用SAS8.20 (SAS Institute，NC，USA)軟件對數(shù)據(jù)進行相關分析、回歸分析和顯著性檢驗。

2 結果

2.1 草本植物δ13C組成特征

圖1 控溫條件下C3、C4草本植物δ13C分布

控溫條件下3種C3草本植物和3種C4草本植物δ13C值的分布范圍及其相應的平均值由圖1給出，3種C3植物的δ13C值變化范圍在-28.3‰ — -32.1‰之間，3種C4植物的δ13C值變化范圍在-14.4‰ — -17.6‰之間。就測試的3種C3植物而言，茄子葉片δ13C的平均值為-30.1‰，較油菜葉片δ13C的平均值(-31.6‰)偏正1.4‰，但油菜葉片δ13C值分布最集中，僅變化范圍在-31.1‰ — -32.1‰之間。在C4植物中，谷子葉片δ13C的平均值(-15.4‰)較玉米(-16.2‰)和高粱(-16.2‰)的平均值均要偏正，但葉片δ13C值變化范圍最窄的是谷子(-14.4‰— -16.1‰)，最寬的為高粱(-15.1‰— -17.2‰)。

2.2 草本植物δ13C對溫度的響應

圖2 C3、C4草本植物δ13C與溫度的關系

圖2顯示，在所設計的溫度范圍內(nèi)，總體C3、C4植物樣品的碳同位素平均值均隨溫度升高表現(xiàn)出變輕的趨勢，但變化程度不同。C3植物隨著溫度的升高，所有植物樣品δ13C的平均值呈顯著下降趨勢，δ13C值從最低溫度處理(20/12℃)下的-30.3‰下降至32/24℃時的-30.7‰，相關系數(shù)達-0.891，二者表現(xiàn)出顯著的負相關關系，但在32/24℃—36/28℃范圍內(nèi)，植物δ13C有增大趨勢。對于C4植物，其總體樣品δ13C平均值隨溫度變化較C3植物要復雜得多，在20/12℃—32/24℃溫度范圍內(nèi)，總體樣本δ13C平均值表現(xiàn)為先增加后減小，最大值(-15.3‰)出現(xiàn)在24/16℃溫度處，最小值(-16.6‰)出現(xiàn)在32/24℃溫度處，自溫度32/24℃處植物13C又有輕微富集，但總體δ13C平均值與處理溫度并未達顯著負相關(圖2)。

就單個植物種而言，不同植物葉片δ13C值隨溫度變化表現(xiàn)出不同的變化特征(圖3)。回歸分析表明，茄子、高粱的δ13C值隨溫度增加呈下降趨勢，其中茄子接近顯著負相關(P= 0.065)。除茄子、高粱2種植物外，其它所有植物種的δ13C組成與溫度均呈非線性關系，δ13C值隨溫度升高表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。用二次曲線分別對油菜、大豆、玉米、谷子4種植物的δ13C值與溫度進行非線性擬合，發(fā)現(xiàn)油菜δ13C值與溫度達顯著水平，而大豆、玉米、谷子的δ13C值與溫度的二次曲線擬合均未通過95%置信水平下的顯著性檢驗(圖3)。這可能與不同植物種具有不同的光合最適溫度以及植物δ13C分餾對溫度變化的敏感程度不同有關(圖3)。

圖3 單個C3、C4植物葉片δ13C隨溫度的變化

3 討論

3.1 溫度與植物δ13C

溫度是影響植物δ13C分餾的重要因素。一些研究認為，溫度與植物δ13C之間存在負相關關系，而較多的研究則顯示二者之間存在正相關關系。本研究結果顯示，整體C3植物的δ13C均值與溫度呈顯著線性負相關關系(圖2)，δ13C值隨溫度升高明顯變低，δ13C與溫度的線性擬合系數(shù)為-0.023‰/℃。由于整體C3植物的碳同位素組成對溫度響應較為強烈，因而它們的δ13C值可以考慮作為溫度的替代性指標。Smith等[18]曾對大麥、油菜、豌豆3種C3草本植物進行了人工控制實驗，設定的晝/夜溫度指標分別為13/4℃、18/10℃、24/16℃、29/21℃和35/27℃，其他環(huán)境條件都恒定。結果發(fā)現(xiàn)，這3種植物在低溫下的碳同位素組成基本上都比高溫下的要高，但總體上同位素組成與溫度不存在線性關系。Troughton和Card[19]的控溫實驗(設定的溫度范圍為14—40℃，溫度無晝/夜轉換處理)也發(fā)現(xiàn)，6種C3植物δ13C組成的平均值與溫度沒有明顯的關系，即溫度的變化對植物碳同位素組成幾乎沒有影響。本研究結果與Leavitt和Long[20]、Sheu和Chiu[21]的結論一致，即C3植物δ13C組成與溫度呈線性顯著負相關，隨溫度升高而降低。導致上述不同結果的原因可能與控制實驗設定的溫度范圍、參與實驗的植物種以及實驗恒定的其它環(huán)境條件有關。至于本研究中的C4植物，其平均δ13C值與溫度呈二次拋物線關系，這與Troughton和Card[19]對5種C4植物進行的控溫實驗結果一致。C4植物δ13C值與溫度的這種拋物線性關系除了其碳同位素分餾模式較C3植物復雜外，還可能與最低溫度處理(20/12℃)下的植物碳同位素值對回歸結果產(chǎn)生了較大影響有關。如果去掉圖中最低溫度點(20/12℃)對應的碳同位素值，再重新對測定數(shù)據(jù)進行線性擬合，則在24/16℃—36/28℃溫度范圍內(nèi)，植物δ13C與溫度亦表現(xiàn)出顯著的線性負相關關系，R2系數(shù)達0.840 (P< 0.05)。

對于單個植物種而言，相同光合型的不同植物種的δ13C隨溫度變化也存在差異。在本研究的3種C3植物中(圖3)，茄子的δ13C與溫度呈近似的顯著負相關，與Morecroft和Woodward[22]、Guillemette和Stephen[23]對C3植物進行的控溫實驗結果一致，而其它2種C3植物卻表現(xiàn)為拋物線型的非線性關系，3種C4植物也具有與上述3種C3植物類似的變化特性。盡管有的植物種的δ13C組成隨溫度變化表現(xiàn)出一致的趨勢，但變化幅度有差別(圖3)，表明不同植物種的δ13C組成對溫度變化響應的程度不同。這是因為植物的δ13C除了受氣候環(huán)境因素的影響外，在很大程度上還受植物本身各種生理因素以及遺傳特性的控制[24]。本研究中，油菜、大豆、玉米和谷子4種植物的δ13C組成隨溫度變化呈拋物線關系，這可能與植物具有不同的光合最適溫度有關，植物在最佳生長溫度點會有最大的CO2同化速率和最大的碳同位素分餾[25]。Francey和Farquhar[26]認為，溫度對植物δ13C的影響依賴于它是否高于或低于植物本身的最佳生長溫度。由于不同植物種的最佳生長溫度不同，因此溫度對植物δ13C的影響取決于植物的種類和適宜生長溫度的范圍。Schleser等[1]也提出了類似的觀點，認為植物δ13C與溫度是一種非線性的拋物型關系，拋物線的拐點對應著植物的最佳生長溫度點，如果溫度低于最佳生長溫度，δ13C-T則為正相關，反之則為負相關。盡管我們并不能確定本研究中供試植物的最佳生長溫度點，但上述學者的觀點能夠解釋油菜、大豆2種植物δ13C對溫度變化的響應，因為它們的δ13C值隨溫度升高表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。但從C3植物δ13C的平均值以及植物種茄子碳同位素對溫度的響應來看(圖2、圖3)，這一解釋似乎并不完全令人信服。因為C3植物的適宜生長溫度通常在20—30℃，根據(jù)Schleser等的觀點，茄子的δ13C值應該在20/12℃—32/24℃范圍內(nèi)達到最大，而我們的結果卻與之相反。同樣，對于C4植物，盡管δ13C平均值和單個植物種玉米、谷子的δ13C值隨溫度升高均表現(xiàn)出先增大、后減小的拋物線模式，但與Schleser等提出的植物δ13C與溫度呈拋物線關系的觀點并不完全吻合。C4植物通常是喜高溫植物，其適宜生長的溫度大約在30—35℃，在本實驗設定的溫度范圍內(nèi)，C4植物的δ13C值應該隨溫度的升高變大，而我們的結果并未證實這一假說。這可能和控制實驗與自然環(huán)境條件差別太大，以及溫度對植物δ13C的影響還和其前期的溫度脅迫有關。Battaglia等認為[27]，當環(huán)境溫度較長時間偏離植物生長的最適溫度時，植物光合作用和呼吸作用都會對溫度的變化產(chǎn)生適應，高溫環(huán)境可使光合最適溫度提高，低溫環(huán)境使光合最適溫度降低。

3.2 比葉面積(SLA)與植物δ13C

圖4 植物SLA隨溫度的變化

關于植物葉片δ13C對溫度變化的響應也可以從植物SLA隨溫度的變化得到說明。圖4顯示，C3、C4草本植物SLA隨溫度升高而降低，與植物δ13C對溫度變化的響應趨勢一致，從而導致C3、C4植物的平均δ13C值與SLA呈正相關(圖5)。這只是一種表象，控溫條件下植物葉片δ13C與SLA呈正相關的結果可能與兩個方面的原因有關：1) 據(jù)報道，SLA較小的植物通常會提高葉片的羧化效率和光合作用能力[28- 29]，有可能導致葉片氣孔導度增大，進入葉片中的CO2增多，從而使葉片胞間CO2濃度(ci)上升，ci/ca值增大，導致植物δ13C降低[30- 31]；2) 植物碳同位素分餾還受植物生長狀況的影響[32]。在本研究中，發(fā)現(xiàn)生長較快的植株，其葉片通常較薄，而生長緩慢但正常的植物，其葉片則相對肥厚(即SLA較小)。根據(jù)Smith等[18]的研究，植物對重同位素(13C)的識別隨生長速率的降低有增大的趨勢，即具有肥厚葉片生長緩慢的植株，其碳同位素值更為偏負。單個植物種的分析也顯示，大豆、茄子和玉米等3種植物δ13C隨SLA的增大而偏正，但變化幅度不同，其余3種植物δ13C與SLA相關性不明顯(圖6)，表明不同植物種對SLA變化的響應程度不同。

圖5 植物碳同位素組成與SLA的關系

圖6 單個植物種碳同位素組成與SLA的關系

3.3 光合參數(shù)與植物δ13C

由于植物體內(nèi)碳同位素的分餾主要發(fā)生在光合作用過程中，因而對光合過程的分析和光合參數(shù)的解讀可以有效地理解植物δ13C隨溫度的變化。從光合參數(shù)ci/ca的比值來看，C3植物δ13C均值與ci/ca比值呈負的線性關系(圖7)。這可能是在實驗溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，參與光合作用的酶的活性增強，較高的光合作用能力引起氣孔導度增大，導致ci/ca比值隨溫度增加而上升(圖8)，碳同位素分餾增大，從而使植物δ13C值隨溫度升高而變負(圖2)，與Farquhar等[24]提出的C3植物碳同位素分餾模式相吻合。至于C3植物δ13C與ci/ca比值關系不顯著可能與實驗周期短、ci/ca值測量次數(shù)少等因素有關。

圖7 植物碳同位素組成與ci/ca比值的關系

碳同化速率是植物光合作用過程中的又一重要參數(shù)，它可以用植物凈光合速率(Pn)與細胞間隙CO2濃度(ci)間的關系曲線的初始斜率來表征，并通過溫度影響參與光合作用酶的活性來控制植物葉片內(nèi)部的ci，從而影響植物的碳同位素分餾。本研究中，Pn/ci與溫度呈線性負相關關系(圖8)，而與植物的δ13C平均值呈顯著正相關關系(圖9)。Farquhar等[34]認為，植物光合作用的限制主要來自光限制和CO2限制(CO2擴散限制和CO2同化限制)。在本實驗中，氣候箱內(nèi)光照強度為10000lx，屬于強光照，因而不存在光限制的問題。因此，當溫度由低溫向適溫增加時，CO2的限制將逐漸縮小。原因是適溫下溫度的增加一方面使氣孔開度迅速增大，CO2擴散速率加快，ci值增加，δ13C降低；另一方面，溫度的增加使碳同化過程中酶促反應(包括羧化反應及RuBP再生)的速率提高，CO2同化加速，但由于在適溫范圍，空氣飽和差對氣孔的限制作用較小，Pn對氣孔開放的促進作用仍占主導地位，ci值迅速增加，從而導致本研究中Pn/ci與溫度呈負相關，而與植物δ13C呈正相關。表明在一定的溫度條件下，植物的碳同化能力也是影響植物δ13C分餾的重要原因。

圖9 植物葉片碳同位素組成與Pn/ci值的關系

4 結論

本研究基于控溫實驗，分析了6種草本植物δ13C對溫度變化的響應。(1)在控溫范圍內(nèi)(20/12℃—36/28℃)，3種C3植物和3種C4植物的δ13C值分別變化在-28.3‰—-32.1‰和-14.4‰— -17.6‰；C3植物的δ13C平均值隨溫度增加而顯著變低，C4植物的平均δ13C值隨溫度增加表現(xiàn)為先增大后減小的拋物型關系。上述結果與Smith等[20]報道的相吻合，而與Troughton和Card[21]、林清[13]報道的結果明顯不同。(2)單個植物種的δ13C組成對溫度變化的響應不同。茄子、高粱的δ13C值與溫度呈線性負相關，其它4種植物均與溫度呈拋物線關系。此外，還探討了控溫條件下C3、C4植物δ13C與SLA、ci/ca和Pn/ci等光合生長指標的關系。

盡管控制實驗可以區(qū)分單個因子對植物δ13C的影響，但也存在一些不足。一是控制實驗涉及的植物種不可能太多，其結果可能存在是否具有代表性的問題；二是需要昂貴的大型控溫實驗室。但另一方面，在復雜自然環(huán)境下研究植物δ13C與環(huán)境因子的關系又往往存在多個因子的交互作用，要想真正量化不同環(huán)境因子對植物δ13C的影響還存在一定難度。因此，加強野外調(diào)查與控制實驗相結合的方法，以便相互補充和驗證。

[1] Schleser G H, Helle G, Lücke A, Vos H. Isotope signals as climate proxies: the role of transfer functions in the study of terrestrial archives. Quaternary Science Reviews, 1999, 18(7): 927- 943.

[2] Diefendorf A F, Mueller K E, Wing S L, Koch P L, Freeman K H. Global patterns in leaf13C discrimination and implications for studies of past and future climate. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(13): 5738- 5743.

[3] Hemming D L, Switsur V R, Waterhouse J S, Heaton T H E, Carter A H C. Climate variation and the stable carbon isotope composition of tree ring cellulose: an intercomparison ofQuercusrobur,FagussylvaticaandPinussilvestris. Tellus B, 1998, 50(1): 25- 33.

[4] Kohn M J. Carbon isotope compositions of terrestrial C3 plants as indicators of (paleo)ecology and (paleo)climate. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(46): 19691- 19695.

[5] Terwilliger V J, Eshetu Z, Colman A, Bekele T, Gezahgne A, Fogel M L. Reconstructing palaeoenvironment from δ13C and δ15N values of soil organic matter: A calibration from arid and wetter elevation transects in Ethiopia. Geoderma, 2008, 147(3/5): 197- 210.

[6] Wang G A, Li J Z, Liu X Z, Li X Y. Variations in carbon isotope ratios of plants across a temperature gradient along the 400 mm isoline of mean annual precipitation in north China and their relevance to paleovegetation reconstruction. Quaternary Science Reviews, 2013, 63: 83- 90.

[7] K?rner C H, Farquhar G D, Wong S C. Carbon isotope discrimination by plants follows latitudinal and altitudinal trends. Oecologia, 1991, 88(1): 30- 40.

[8] Li J Z, Wang G A, Liu X Z, Han J M, Liu M, Liu X J. Variations in carbon isotope ratios of C3plants and distribution of C4plants along an altitudinal transect on the eastern slope of Mount Gongga. Science in China Series D: Earth Sciences, 2009, 52(11): 1714- 1723.

[9] K?rner C H, Farquhar G D, Roksandic Z. A global survey of carbon isotope discrimination in plants from high altitude. Oecologia, 1988, 74(4): 623- 632.

[10] 李善家, 張有福, 陳拓. 西北油松葉片δ13C特征與環(huán)境因子和葉片礦質(zhì)元素的關系. 植物生態(tài)學報, 2011, 35(6): 596- 604.

[11] 寧有豐, 劉衛(wèi)國, 曹蘊寧. 植物生長過程中碳同位素分餾對氣候的響應. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì), 2002, 22(3): 105- 108.

[12] 王國安, 韓家懋, 周力平. 中國北方C3植物碳同位素組成與年均溫度關系. 中國地質(zhì), 2002, 29(1): 55- 57.

[13] 林清. 溫度和無機碳濃度對龍須眼子菜(Potamogetonpectinatus)碳同位素分餾的影響. 生態(tài)學報, 2008, 28(2): 570- 576.

[14] Ramesh R, Bhattacharya S K, Gopalan K. Climatic correlations in the stable isotope records of silver fir (Abiespindrow) trees from Kashmir, India. Earth and Planetary Science Letters, 1986, 79(1/2): 66- 74.

[15] 李相博, 陳踐發(fā), 張平中, 劉光琇. 青藏高原(東北部)現(xiàn)代植物碳同位素組成特征及其氣候信息. 沉積學報, 1999, 17(2): 325- 329.

[16] 劉賢趙, 王國安, 李嘉竹, 王文文, 趙麗麗, 李寶江. 中國北方農(nóng)牧交錯帶C3草本植物δ13C與溫度的關系及其對水分利用效率的指示. 生態(tài)學報, 2011, 31(1): 123- 136.

[17] Gebrekirstos A, Worbes M, Teketay D, Fetene M, Mitl?hner R. Stable carbon isotope ratios in tree rings of co-occurring species from semi-arid tropics in Africa: Patterns and climatic signals. Global and Planetary Change, 2009, 66(3/4): 253- 260.

[18] Smith B N, Herath H M W, Chase J B. Effect of growth temperature on carbon isotopic ratios in barley, pea and rape. Plant and Cell Physiology, 1973, 14(1): 177- 181.

[19] Troughton J H, Card K A. Temperature effects on the carbon-isotope ratio of C3, C4and Crassulacean-acid-metabolism (CAM) Plants. Planta, 1975, 123(2): 185- 190.

[20] Leavitt S W, Long A. Possible climatic response of δ13C in leaf cellulose of Pinyon pine in Arizona, USA. Isotope Geoscience, 1983, 1: 169- 198.

[21] Sheu D D, Chiu C H. Evaluation of cellulose extraction procedures for stable carbon isotope measurement in tree ring research. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1995, 59(1): 59- 67.

[22] Morecroft M D, Woodward F I. Experimental investigations on the environmental determination of δ13C at different altitudes. Journal of Experimental Botany, 1990, 41(10): 1303- 1308.

[23] Ménot G, Burns S J. Carbon isotopes inOmbrogenicpeat bog plants as climatic indicators: calibration from an altitudinal transect in Switzerland. Organic Geochemistry, 2001, 32(2): 233- 245.

[24] Farquhar G D, Ehleringer J R, Hubick K T. Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 1989, 40: 503- 537.

[25] Beerling D J. Carbon isotope discrimination and stomatal responses of maturePinussylvestrisL. trees exposed in situ for three years to elevated CO2and temperature. Acta Oecologica, 1997, 18(6): 697- 712.

[26] Francey R J, Farquhar G D. An explanation of13C/12C variations in tree rings. Nature, 1982, 297(5861): 28- 31.

[27] Battaglia M, Beadle C, Loughhead S. Photosynthetic temperature responses ofEucalyptusglobulusandEucalyptusnitens. Tree Physiology, 1996, 16(1/2): 81- 89.

[28] Taub D R, Lerdau M T. Relationship between leaf nitrogen and photosynthetic rate for three NAD-ME and three NADP-ME C4 grasses. American Journal of Botany, 2000, 87(3): 412- 417.

[29] Vitousek P M, Field C B, Matson P A. Variation in foliarδ13C in HawaiianMetrosiderospolymorpha: a case of internal resistance? Oecologia, 1990, 84(3): 362- 370.

[30] Qiang W Y, Wang X L, Chen T, Feng H Y, An L Z, He Y Q, Wang G. Variations of stomatal density and carbon isotope values ofPiceacrassifoliaat different altitudes in the Qilian Mountains. Trees, 2003, 17(3): 258- 262.

[31] Takashima T, Hikosaka K, Hirose T. Photosynthesis or persistence: nitrogen allocation in leaves of evergreen and deciduous Quercus species. Plant, Cell & Environment, 2004, 27(8): 1047- 1054.

[32] Morecroft M D, Woodward F I, Marrs R H. Altitudinal trends in leaf nutrient contents, leaf size and δ13C ofAlchemillaalpina. Functional Ecology, 1992, 6(6): 730- 740.

[33] Evan J R, Sharkey E T, Berry J A, Farquhar G D. Carbon isotope discrimination measured concurrently with gas exchange to investigate CO2diffusion in leaves of higher plants. Australian Journal of Plant Physiology, 1986, 13(2): 281- 292.

[34] Farquhar G D, O’Leary M H, Berry J A. On the relationship between carbon isotope discrimination and the intercellular carbon dioxide concentration in leaves. Australian Journal of Plant Physiology, 1982, 9(2): 121- 137.

Responses of carbon isotopic composition of C3 and C4 herbaceous plants to temperature under controlled temperature conditions

LIU Xianzhao1,2,3,*, SU Qing3, LI Jiazhu1, QUAN Bin3, LI Chaokui3, ZHANG Yong3, WANG Zhiqiang3, WANG Guoan4

1CollegeofGeographyandPlanning,LudongUniversity,Yantai264025,China2StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau，InstituteofWaterandSoilConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,China3CollegeofArchitectureandUrbanPlanning,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China4CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China

The stable carbon isotope ratios (δ13C) of the six herbaceous plants (including 3 C3 species and 3 C4 species) and their responses to temperature change were explored in artificial controlled environments at day/night temperatures ranging from 20/12 to 36/28℃. The correlations between plantsδ13C values and the growth and photosynthetic indexes, such as specific leaf area (SLA), the ratio of intercellular CO2concentration (ci) to environmental CO2concentration (ca), and carbon assimilation rate (net photosynthetic ratePn/ci) were also analyzed in order to investigate the temperature effects on carbon-isotope ratio of C3 and C4 herbs. The results showed that, theδ13C values of C3 and C4 plants ranged between -28.3 ‰ to -32.1 ‰, and between -14.4 ‰ to -17.6 ‰, respectively. In the three C3 species, rape (Brassicacampestris) had the most concentrated distribution ofδ13C values, with an range of -31.1 ‰ to -32.1 ‰; and theδ13C value distribution for millet (Setariaitalica) was the narrowest in the three C4 plants. In the experimental temperature range, the meanδ13C values of three C3 plants significantly decreased with increasing temperature, while a parabolic relationship showing an increase first and then decrease existed between the averageδ13C values of three C4 plants and temperature, however, the linear regression result was not significant (P>0.05). Theδ13C values of individual species responded differently to temperature. Theδ13C values in eggplant (Solanummelongena) and sorghum (Sorghumbicolor) negatively correlated with temperature, and theδ13C values of other four species all showed a quadratic parabola relationship with temperature, which may be associated with different plant species that have different optimum photosynthesis temperature and carbon isotope fractionation capacities to temperature.

herbaceous plant; carbon isotope; temperature; control experiments

國家自然科學基金資助項目(41171158); 山東省自然科學基金項目(ZR2011DM007); 國家重點實驗室基金項目(10501- 1202)

2013- 07- 05;

2014- 05- 30

10.5846/stxb201307051840

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xianzhaoliu@sina.com

劉賢趙, 宿慶, 李嘉竹, 全斌, 李朝奎, 張勇, 王志強, 王國安.控溫條件下C3、C4草本植物碳同位素組成對溫度的響應.生態(tài)學報,2015,35(10):3278- 3287.

Liu X Z, Su Q, Li J Z, Quan B, Li C K, Zhang Y, Wang Z Q, Wang G A.Responses of carbon isotopic composition of C3 and C4 herbaceous plants to temperature under controlled temperature conditions.Acta Ecologica Sinica,2015,35(10):3278- 3287.