李嘉嘉,左昕昕

（1.華南師范大學(xué)，廣州510631；2.福建師范大學(xué)，福州350108）

1 引言

植硅體（phytolith），即植物硅酸體，也稱蛋白石、植硅石，是植物生長(zhǎng)過程中根系吸收土壤中的單硅酸［Si（OH）4］，沉淀在植物細(xì)胞壁、細(xì)胞腔內(nèi)或細(xì)胞間的非晶質(zhì)二氧化硅礦物［1-2］。植硅體中包含SiO2（66%—91%），H2O（1%—12%）和C、N、P、Al、Fe、Ca、K、Na、Mn、Ti、Mg、Cu 等成分［3］。植硅體在植物體內(nèi)形成的過程中，包裹0.2%—5.8%的有機(jī)碳，這部分碳稱為植硅體圈閉碳，即植硅體碳［4］。植硅體閉留的碳將持續(xù)千年以久，被認(rèn)為是一種穩(wěn)定的碳匯機(jī)制，對(duì)調(diào)節(jié)全球固碳、氣候變化及重建具有深遠(yuǎn)的科研價(jià)值。目前國內(nèi)外對(duì)植硅體碳的研究主要集中于植硅體碳含量［5-7］、封存潛力［8-10］、14C［11-12］測(cè)年等，而對(duì)植硅體碳氮同位素與氣候因子的關(guān)系研究較少，其中未發(fā)現(xiàn)有關(guān)植硅體氮同位素的相關(guān)論述。

2 研究背景和問題

2.1 植物穩(wěn)定碳氮同位素研究進(jìn)展

碳素和氮素是植物生長(zhǎng)的重要元素。國內(nèi)外對(duì)植物碳氮同位素的研究較多，并取得了一系列的進(jìn)展。

植物光合途徑的不同（C3，C4和CAM 途徑）是產(chǎn)生碳同位素組成不同的主要原因。C3植物δ13C值約為-20‰— -35‰（平均為-26‰），C4植物約為-7‰— -15‰ （平均為-12‰），CAM 植物約為-10‰—-22‰（平均為-16‰）［13］。研究表明植物體內(nèi)的碳主要來自于大氣中的CO2，植物進(jìn)行光合作用合成植物體有機(jī)物質(zhì)的過程中導(dǎo)致碳同位素的兩次分餾：一是大氣CO2通過葉片氣孔向葉內(nèi)擴(kuò)散過程的動(dòng)力分餾；二是CO2進(jìn)入光合循環(huán)，合成有機(jī)物過程中的動(dòng)力分餾，從而造成13C 值的降低［14-15］。通過對(duì)植物碳同位素組成研究，可區(qū)別植物的光合途徑，為重建大氣CO2濃度及δ13C 提供理論依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者還對(duì)影響植物碳同位素組成的因素做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)植物δ13C與溫度之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，與降水量之間也存在相關(guān)關(guān)系，并可以算出降水系數(shù)。這些研究都說明了溫度、降水等氣候因子影響植物穩(wěn)定碳同位素的分餾過程乃至植物穩(wěn)定碳同位素組成［16］。

除少數(shù)固氮植物外，植物氮素主要來源于根系吸收土壤中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，再經(jīng)過同化還原作用固定在有機(jī)質(zhì)中，這兩個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生氮同位素分餾［17］。植物吸收的氮同位素的種類和數(shù)量既與其生長(zhǎng)的土壤條件有關(guān)，而且與氣候環(huán)境變化所引起的植物生理代謝過程的改變密切相關(guān)［18］。因此，植物氮穩(wěn)定同位素的組成一定程度上反映了土壤氮素的積累以及氣候變化。為了探明氣候?qū)χ参锏凰氐挠绊?，國?nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了重多研究，但研究結(jié)果并非一致。劉曉宏［19］等研究發(fā)現(xiàn)，東非大裂谷埃塞俄比亞段內(nèi)C3植物的δ15N 與年均溫度呈極顯著正相關(guān)，溫度每增加1℃，植物δ15N 偏正0.5‰。而劉衛(wèi)國［20］等對(duì)黃土高原的研究結(jié)果卻表明黃土高原植物根系、植物殘?bào)w的δ15N值隨年均溫度和生長(zhǎng)季溫度（6～8月）增加呈現(xiàn)偏負(fù)的趨勢(shì)。Craine［21］等提出，在全球尺度上植物δ15N 與年均溫度并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。Handley［22］等通過調(diào)查全球陸地植物δ15N與降水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植物的δ15N隨降雨量增加而變輕，即植物δ15N 與年均降水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。大多數(shù)研究都得出類似的結(jié)論，但個(gè)別研究的結(jié)論相反，Heaton［23］研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在納米比亞海岸帶高降水量的植物δ15N比附近干旱地區(qū)的植物δ15N偏正5‰。

因此，通過植物碳氮同位素組成的研究，了解其生長(zhǎng)環(huán)境中碳氮輸入、轉(zhuǎn)化和輸出，獲得氣候環(huán)境變化的信息，成為重塑古氣候環(huán)境和認(rèn)識(shí)現(xiàn)代氣候環(huán)境變化的有效手段。

2.2 植硅體穩(wěn)定碳氮同位素的研究進(jìn)展

植硅體穩(wěn)定同位素分析表明，植硅體是植物通過吸收單硅酸，以蒸騰作用為主要?jiǎng)恿?，在植物的不同部位發(fā)生同位素分餾淀積形成，其穩(wěn)定同位素組成具有豐富的植物生理和環(huán)境信息［24］。

幾乎所有的植物生物量碳（＞97%）均來自光合作用固定的大氣CO2，植硅體中包裹的碳也不例外［25］。Kelly［26］等發(fā)現(xiàn)植硅體碳同位素組成與其各自植物碳同位素組成之間存在緊密的聯(lián)系（R2=0.93，P＜0.01），植硅體碳則顯著的偏負(fù)于植物碳。但因植物種類的不同，植硅體的偏負(fù)存在一定差異。研究表明木本植硅體碳同位素與植物總有機(jī)碳的差值大小接近，略有偏正；草本植硅體碳同位素偏負(fù)于植物總有機(jī)碳，且C4植物比C3植物偏負(fù)程度大［27-28］。王永吉［29］等對(duì)我國現(xiàn)代植物和土壤植硅體碳同位素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)C3、C4植硅體的碳同位素值與其植物的碳同位素值具很好的對(duì)位關(guān)系，植硅體的碳同位素可以明確地區(qū)分出植物的光合作用途徑，反映C3、C4植物沿緯度分布的規(guī)律性。Carter［30］等還利用植硅體碳封存進(jìn)行了研究古大氣二氧化碳碳同位素組成。因此，基于植硅體碳來源于大氣CO2，利用植硅體穩(wěn)定碳同位素來重建古大氣中CO2的變化，將古氣候、古植被重建等推向更深入的研究層次，還反映地層沉積物中的古環(huán)境信息，對(duì)于生態(tài)學(xué)和地質(zhì)學(xué)具有重要意義。

正如植物穩(wěn)定碳同位素組成能夠反映溫度、濕度和降水量等環(huán)境因素，植硅體δ13C值理論上也應(yīng)該具有記錄環(huán)境因素的變化的潛力。但對(duì)于植硅體碳氮同位素組成與氣候因子關(guān)系的研究不多。Webb和Longstaffe［31］對(duì)北美大草原中典型的C4植物長(zhǎng)葉紫珠進(jìn)行植硅體δ13C值與環(huán)境因素的關(guān)系，結(jié)果表明植物莖鞘中植硅體的δ13C 值與濕度（r2=0.3）、緯度（r2=0.4）和降水量（r2=0.5）具有顯著的相關(guān)性。而各組織中的植硅體δ13C值與溫度的相關(guān)性都不明顯（r2＜0.5），且同一地區(qū)樣品中組織器官間的植硅體δ13C值存在差異。關(guān)于植硅體氮同位素，還未發(fā)現(xiàn)有關(guān)的研究，因此植硅體氮同位素的組成及其與氣候因素的關(guān)系也是本文研究的一個(gè)方向。

綜上所述，現(xiàn)今國內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物碳氮同位素和氣候因素對(duì)其組成的影響作出了許多的研究，但以狗尾草作為實(shí)驗(yàn)材料的研究很少。而對(duì)植硅體碳的研究主要集中于解釋其來源、含量方面，前人更是未曾對(duì)植硅體氮同位素作出相關(guān)的研究。植物硅酸體碳氮同位素變化與氣候兩大因素-氣溫和降水的變化是否存在明確的關(guān)系，目前還了解甚少。由于C4禾本科植物狗尾草（Setaria viridis）在全國分布面積廣泛，采集簡(jiǎn)單，而且其植硅體含量較豐富，故本文以狗尾草作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行研究。本文采樣點(diǎn)的選取為廣東吳川、福建福州、湖北武漢、湖北襄陽、河南許昌、河南開封。由于六處采樣點(diǎn)狗尾草分布廣泛，易于采集，而且從南到北年平均氣溫逐漸降低，年平均降水量逐漸減少，有利于研究分析。通過采集該六個(gè)不同地區(qū)的狗尾巴草植株，利用濕式灰化法分別提取植硅體，進(jìn)行植物和植硅體碳氮同位素的檢測(cè)分析，從而探究不同地區(qū)狗尾草植物和植硅體碳氮同位素之間的差異和關(guān)系，以及它們對(duì)氣候因素變化的響應(yīng)，為重建氣候提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

3 研究區(qū)域和方法

3.1 研究區(qū)域的概況

本次研究分別從廣東吳川、福建福州、湖北武漢、湖北襄陽、河南許昌、河南開封六個(gè)不同地區(qū)進(jìn)行狗尾草樣品的采集。

吳川市地處廣東省西南部，位于鑒江平原上。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為23.6℃，年平均降雨量為1 598.8 毫米，日照充足、熱量豐富、高溫多雨。該地狗尾草的樣品采集于北緯21°45′7″，東經(jīng)110°4′22″。

福州市地處福建省東部，位于閩江下游及沿海地區(qū)。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為20.7℃，年平均降水量為1 374.7 毫米，陽光充足，雨量充沛。該地狗尾草的樣品采集于福建師范大學(xué)倉山校區(qū)校內(nèi)。

武漢市地處湖北省東南部，位于江漢平原東部、長(zhǎng)江中游。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為16.5℃，年平均降水量為1 260.7 毫米，日照充足、四季分明。該地狗尾草的樣品采集于武漢大學(xué)校區(qū)內(nèi)，采集了青狗尾草和金色狗尾草兩種樣本。

襄陽市地處湖北省西北部，位于漢江中游平原腹地。氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為15.5℃，年平均降水量為834.9 毫米，日照充足，四季分明。該地狗尾草的樣品采集于北緯31°43′22″，東經(jīng)112°15′13″，海拔60米。

許昌市地處河南省中部，位于伏牛山余脈向豫東平原的過渡帶。氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為14.5℃，年平均降水量為726.3 毫米，光照充足，熱量資源豐富。該地狗尾草的樣品采集于北緯34°4′10″，東經(jīng)113°58′47″，海拔60米。

開封市地處河南省東部，位于黃河下游南岸之濱。氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為14.5℃，年平均降水量為627.5毫米，四季分明。

3.2 研究方法

3.2.1 樣品采集 研究樣品采集時(shí)間為2018年7—9月。采樣點(diǎn)為廣東吳川、福建福州、湖北武漢、湖北襄陽、河南許昌、河南開封。采樣點(diǎn)從南向北年平均氣溫從23.6℃逐漸降低至14.5℃，年平均降水量從1 598.8毫米逐漸減少至627.5毫米。

在六個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行狗尾草樣品的采集，采樣點(diǎn)的選擇為平坦、開闊的非耕地上，采集樣品均為生長(zhǎng)狀況良好且?guī)氲模ㄒ子阼b定）健康植株10株，采集時(shí)將狗尾草植株連同根系拔起，獲得完整植株，并做好包括采樣時(shí)間、地點(diǎn)、品種等的詳細(xì)記錄。將采集的植株進(jìn)行清洗，通風(fēng)處晾干3—5天，之后將樣品裝袋、貼上標(biāo)簽。

3.2.2 樣品預(yù)處理 選取采集后晾干的不同地區(qū)的樣品5—7株，去除根部，剪成10 cm左右置于燒杯中，用超純水輔以玻璃棒攪拌清洗6—7 遍，直至濾液澄清。清洗后的樣品置于烘箱中，以70℃烘干（8 h）。將烘干后的樣品剪成段約1 cm。

將剪碎的樣品均勻混合，用勺子勺取1—2 g樣品置于瑪瑙研磨體中，研磨至粉末狀，轉(zhuǎn)移于小試管中，用于植物碳氮同位素的檢測(cè)。

3.2.3 狗尾草植硅體的提取 本文采用傳統(tǒng)成熟的濕式灰化法提取狗尾巴草植硅體，但略有修改，旨在完全氧化樣品中的有機(jī)質(zhì)。

具體步驟如下：

①將剪碎的樣品，用高精度天平（精確度0.001 g），定量稱取3—5 g 樣品置于燒杯中，待氧化；

②向燒杯中滴加濃硝酸，于電熱板上220℃加熱（2.5 h），使之充分反應(yīng)；

③靜置溶液直至上清液澄清，倒掉上清液，剩余樣品轉(zhuǎn)移至離心管中，利用離心機(jī)離心4—5次（每次離心時(shí)間均為8 min，2 500 轉(zhuǎn)/min），直到上清液澄清透明；

④將70ml 的濃鹽酸稀釋至250 ml，分別等量滴加于樣品中；

⑤將樣品放于電熱板上220℃水浴加熱（30 min）；

⑥將樣品用蒸餾水清洗離心4—5 次（每次離心時(shí)間均為8 min，2 500 轉(zhuǎn)/min），直至上清液呈中性；

⑦向樣品中滴加30 ml雙氧水，靜置一夜；

⑧將樣品用蒸餾水清洗離心4—5 次（每次離心時(shí)間均為8 min，2 500 轉(zhuǎn)/min），直至上清液呈中性；

⑨烘箱以70℃烘干樣品（6 h）；

⑩用夾子取1—2 g 樣品置于瑪瑙研磨體中，研磨至粉末狀，轉(zhuǎn)移于小試管中，用于植硅體碳氮同位素的測(cè)試。

3.2.4 狗尾草及其植硅體穩(wěn)定碳氮同位素測(cè)定

用高精度天平（精確度0.001 mg），定量稱取約3 mg 樣品進(jìn)行包樣，用于穩(wěn)定碳同位素的檢測(cè)。用高精度天平（精確度0.001 mg），定量稱取約0.1 mg 樣品進(jìn)行包樣，用于穩(wěn)定氮同位素的檢測(cè)。采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（Thermo Scientific MAT-253，USA）測(cè)定植硅體穩(wěn)定碳氮同位素，測(cè)定工作在福建省濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地）穩(wěn)定同位素比率質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室完成。

3.2.5 數(shù)據(jù)處理 將本文的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差分析，并繪制統(tǒng)計(jì)圖進(jìn)行多重比較。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析均在Microsoft、Excel 等軟件上進(jìn)行。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同地區(qū)狗尾草植硅體百分含量和穩(wěn)定碳氮同位素

表1給出了不同研究地區(qū)的年平均氣溫和年平均降水量、狗尾草植硅體百分含量以及穩(wěn)定碳氮同位素?cái)?shù)值。不同地區(qū)的狗尾草植硅體百分含量變化較小，變化范圍為3.012—5.747%，平均值為4.796%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.818%。

表1 不同地區(qū)氣候、狗尾草樣品基本參數(shù)和穩(wěn)定碳氮同位素值Tab.1 Climate in different regions，basic parameters of samples，stable carbon and Nitrogen Isotope value of setaria viridis

穩(wěn)定碳同位素在不同研究地區(qū)的狗尾草及其植硅體中變化不顯著，植物碳同位素值變化范圍為-12.1‰— -14.1‰，均值為-13.1‰，標(biāo)準(zhǔn)差為0.6‰，其中福建福州狗尾草最高-12.1‰，湖北武漢狗尾草最低-14.1‰；植硅體碳同位素值變化范圍為-12.4‰ — -14.6‰，其中湖北襄陽狗尾草最高-12.4‰，湖北武漢狗尾草最低-14.6‰，均值為-13.0‰，標(biāo)準(zhǔn)差為0.7‰。穩(wěn)定氮同位素值在不同研究地區(qū)的狗尾草及其植硅體中變化較大，植物氮同位素值變化范圍為-0.1‰ — 4.2‰，均值為0.9‰，標(biāo)準(zhǔn)差為2.6‰；植硅體氮同位素值變化范圍為-1.5‰ — -6.6‰，均值為-4.4‰，標(biāo)準(zhǔn)差為1.7‰。

4.2 不同地區(qū)狗尾草植物和植硅體碳氮同位素的相關(guān)性

植硅體碳同位素與植物碳同位素組成有很好的相關(guān)性，并且因植物種類的不同而存在一定差異［24］。

從不同研究地區(qū)狗尾草樣品中提取的植物及其植硅體碳氮同位素值（δ13C‰）顯示出不同程度的分餾（表1，圖2和圖3）?？偟膩碚f，不同地區(qū)狗尾草植物和其植硅體碳同位素值有很好的正相關(guān)性，線性回歸方程為為y=0.771 4x-2.912 9（R2=0.429 5，P＞0.05）；植物和植硅體氮同位素相關(guān)性不明顯。植物碳同位素平均值為-13.097‰，標(biāo)準(zhǔn)差為0.586‰；植硅體碳同位素平均值為-13.015‰，標(biāo)準(zhǔn)差為0.689‰；植物氮同位素平均值為0.937‰，標(biāo)準(zhǔn)差為2.602‰；植硅體氮同位素平均值為-4.387‰，標(biāo)準(zhǔn)差為1.712‰。

圖1 狗尾草采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sketch of sampling points of setaria viridis

狗尾草植物與植硅體碳的平均碳同位素分餾效應(yīng)平均值為3.661‰。狗尾草植物與植硅體氮的平均碳同位素分餾效應(yīng)平均值為5.324‰。結(jié)果表明，狗尾草植物和植硅體碳同位素相關(guān)性較好，而植硅體碳同位素值相比于植物碳同位素值偏負(fù)。

5 討論

5.1 不同地區(qū)狗尾草植物和植硅體碳氮同位素值的關(guān)系

碳素是植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中重要的營養(yǎng)元素。植物通過葉片從大氣中吸收CO2進(jìn)行光合作用合成植物體的有機(jī)物質(zhì)，在此過程中導(dǎo)致碳同位素的兩次分餾［33］。由于植硅體是植物體內(nèi)無定形、微觀可見的硅質(zhì)細(xì)胞，在其形成過程中會(huì)包裹一定的碳，具有植物母體碳同位素組成的特征。Kelly［26］等研究表明，植硅體碳同位素與各自植物碳同位素相比，植硅體則明顯偏負(fù)。而本文研究發(fā)現(xiàn)，狗尾草植物和植硅體碳同位素相關(guān)性較好，產(chǎn)生這種差異的原因可能與提取植硅體的植物材料以及植硅體的提取方法有關(guān)。消化性能力強(qiáng)的提取植硅體的方法，如干灰化法和堿溶分光光度法等，破壞了植硅體中的碳，從而影響其碳同位素的值。而本文植硅體的提取，采取的是稍作改良后的濕式灰化法，對(duì)植硅體中的碳破壞性較弱，因此反映出植硅體碳同位素很好地繼承了植物碳同位素。

研究表明，狗尾草植物和植硅體氮同位素正相關(guān)性不明顯，植硅體作為植物的一部分，其與植物總體氮同位素值關(guān)系微弱。猜測(cè)可能在植硅體的提取實(shí)驗(yàn)中，濃硝酸對(duì)其δ15N 產(chǎn)生一定影響。其實(shí)植物從土壤中吸收氮素的過程，本身對(duì)穩(wěn)定氮同位素的分餾較小，然而植物獲取氮素的來源不同造成了不同植物具有不同穩(wěn)定氮同位素組成［33］。因此，不能直接用植硅體氮同位素值替代植物氮同位素值的水平。研究結(jié)果顯示，氮同位素在進(jìn)入植硅體的過程中發(fā)生了分餾，而且植硅體碳同位素值相比于植物碳同位素值偏負(fù)，雖然不能直接用植硅體氮同位素值代替植物碳同位素值，但可以通過大量的工作建立植物植硅體氮同位素之間的相關(guān)系數(shù)和方程。

圖2 狗尾草碳同位素分析記錄Fig.2 Carbon isotope analysis records from setaria viridis species

圖3 狗尾草氮同位素分析記錄Fig.3 Nitrogen isotope analysis records from setaria viridis species

5.2 氣候因子對(duì)狗尾草及其植硅體碳氮同位素值的影響

氣候是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，降水量與氣溫是氣候的兩大基本要素。降水量和氣溫是對(duì)不同地區(qū)狗尾草植物碳氮同位素值的影響因素。Amundson 等［32］的研究表明，全球尺度上植物氮同位素組成與溫度和降雨量均相關(guān)。

溫度影響植物的光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等代謝過程進(jìn)而影響植物碳氮同位素的分餾。研究發(fā)現(xiàn)，年均氣溫與狗尾草植物碳同位素值相關(guān)性不明顯，為R2=0.290 7（P＜0.01），證實(shí)了C4植物的碳同位素組成對(duì)溫度的敏感度較?。?4］。溫度也是影響植物氮同位素變化的重要因素，但是關(guān)于植物氮同位素與溫度的關(guān)系，研究結(jié)果并不一致。多數(shù)研究表明，隨著溫度升高，植物δ15N值有變重的趨勢(shì)［35］。而本文研究發(fā)現(xiàn)，氣溫與狗尾草植物氮同位素值有弱的負(fù)相關(guān)性（圖4），為R2=0.360 5（P＜0.01），表明隨著年均氣溫的升高，植物氮同位素值逐漸偏負(fù)，這個(gè)結(jié)果和劉衛(wèi)國［20］等對(duì)黃土高原的研究結(jié)果相似。對(duì)此結(jié)合周詠春［22］等人的研究認(rèn)為，本研究區(qū)域?yàn)榧撅L(fēng)區(qū)，與黃土高原的氣候一樣存在“雨熱同期”的效應(yīng)，增加降水影響導(dǎo)致植物氮同位素組成偏負(fù)效應(yīng)大于受溫度增加導(dǎo)致的植物氮同位素組成偏正的效應(yīng)。因此，要真正了解植物δ15N與溫度的關(guān)系，分離降水對(duì)δ15N的影響尤為必要。

圖4 氣溫與狗尾草氮同位素值的相關(guān)性Fig.4 Correlation between temperature and nitrogen isotopes of setaria viridis

研究表明，年均氣溫與狗尾草植硅體碳同位素值不具相關(guān)性，R2=0.023 3（P＜0.01）。表明了狗尾草植硅體碳同位素值對(duì)溫度的敏感度也很小，與Webb 和Longstaffe［31］對(duì)長(zhǎng)葉紫珠各組織中的植硅體δ13C值與溫度的相關(guān)性的研究結(jié)果一致。因此猜測(cè)，隨著氣溫的升高，植物葉片氣孔關(guān)閉，以防止水分流失，可能是由于水分利用效率低、養(yǎng)分消耗或非理想生長(zhǎng)溫度等原因?qū)е轮参飳?duì)δ13C的分餾相應(yīng)的減小，從而使葉片合成的有機(jī)物具有偏正的δ13C值，但這種影響很微弱。然而，氣溫與狗尾草植硅體氮同位素值有顯著的負(fù)相關(guān)性（圖5），為R2=0.570（P＜0.01）。表明，植硅體氮同位素值隨氣溫的升高而偏負(fù)，猜測(cè)是因?yàn)橛捎跉鉁氐纳?，?xì)胞活性增加，促進(jìn)了植物對(duì)δ15N 的分餾。

圖5 氣溫與狗尾草植硅體氮同位素值的相關(guān)性Fig.5 Correlation between temperature and nitrogen isotopes in phytolith of setaria viridis

水是植物體重要的組成部分，是植物生命活動(dòng)不可缺少的重要環(huán)境因素之一。降水量影響植物水分的吸收、新陳代謝等。本次研究表明，降水量與狗尾草植物氮同位素值成弱的負(fù)相關(guān)性（圖6），為R2=0.367 3（P＜0.01），說明隨著降水量的增加，植物氮同位素值呈偏負(fù)的趨勢(shì)。C4植物因其獨(dú)特的CO2固定方式，受水分的脅迫相對(duì)較小，故而與降水關(guān)系并不十分明確，可能其他環(huán)境因子對(duì)C4植物的碳同位素組成的影響更大，這還需要進(jìn)一步的研究［33］。在很多區(qū)域都發(fā)現(xiàn)植物δ15N值隨年均降水量的增加而減小，即濕潤(rùn)地區(qū)的δ15N值小于干旱地區(qū)［35］，本文研究結(jié)果與上一致。但是降水增加引起植物δ15N降低的機(jī)理尚未探明。周詠春［35］等認(rèn)為降水可能影響土壤有機(jī)N 庫向無機(jī)N 庫轉(zhuǎn)化以及無機(jī)N 損失，從而影響植物δ15N。研究發(fā)現(xiàn)，年均降水量與狗尾草植物碳同位素值不具有相關(guān)性，R2=0.015（P＜0.01），而前人的研究表明降水量與植物δ13C存在相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)生此差異的原因可能是實(shí)驗(yàn)材料的不同。前人主要探究樹輪的δ13C，而本文以草本植物狗尾草為實(shí)驗(yàn)材料。

圖6 降水量與狗尾草植物氮同位素值的相關(guān)性Fig.6 Correlation between precipitation and nitrogen isotopes of setaria viridis

研究表明，年均降水量與狗尾草植硅體碳同位素值之間沒有明顯的相關(guān)性，R2=0.221 7（P＜0.01），與Webb 和Longstaffe［31］對(duì)長(zhǎng)葉紫珠的研究中的結(jié)果有差距。產(chǎn)生差異的原因可能是樣品材料以及樣品數(shù)量所導(dǎo)致的。本文研究提取的是整株植物的植硅體，而Webb 和Longstaffe［31］是以植物莖鞘中的植硅體作為實(shí)驗(yàn)材料，加上本文研究的樣品數(shù)量較少，因此研究結(jié)果與前人研究結(jié)論產(chǎn)生偏差。研究發(fā)現(xiàn)，年均降水量與狗尾草植硅體氮同位素值也沒有顯著的負(fù)相關(guān)性，R2=0.289 8（P＜0.01）。這可能是因?yàn)榻邓渴枪肺膊葜补梵w碳氮同位素的組成的間接影響因素，其會(huì)影響空氣中的CO2含量以及土壤氮的條件，進(jìn)而影響植物的光合作用以及對(duì)氮的吸收。

綜合考慮，氣溫與狗尾草δ13C 可能不具相關(guān)性，與δ15N 有弱的相關(guān)性；與植硅體δ13C值相關(guān)性不明顯，與δ15N有較好的相關(guān)性。降水量與狗尾草δ13C 可能不具相關(guān)性，與δ15N 值有弱的相關(guān)性；與植硅體碳氮同位素值相關(guān)性不明顯。故氣候因素與狗尾草植物和植硅體碳氮同位素的關(guān)系還需深入探究。

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)不同地區(qū)狗尾草碳氮同位素的研究，發(fā)現(xiàn)植物與植硅體碳同位素值有很好的相關(guān)性，說明植硅體對(duì)植物碳具有一定的繼承性；而植物與植硅體氮同位素值相關(guān)性不明顯，則不能用植硅體氮代替植物氮同位素值。

（2）氣候兩大重要因素氣溫和降水量對(duì)植物和植硅體碳氮同位素關(guān)系復(fù)雜，其中植硅體氮同位素值可作為氣溫變化的衡量指標(biāo)，而植物碳氮、植硅體碳同位素值不能很好地體現(xiàn)對(duì)氣候的響應(yīng)，不能代表一地的氣候特征。

7 不足與展望

本研究通過在六個(gè)不同地區(qū)采集狗尾草樣品，探究狗尾草植物和植硅體碳氮同位素的關(guān)系以及其對(duì)氣候的響應(yīng)，但由于受到實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)時(shí)間的限制，本研究尚存在一些不足之處，有待作進(jìn)一步的研究。

（1）本研究得出狗尾草植硅體氮同位素與氣溫具明顯相關(guān)性，可建立植硅體氮素與氣溫的參數(shù)關(guān)系，但由于本次研究樣品采集涉及的地區(qū)較少，樣品數(shù)量較少，未有能力建立起此參數(shù)關(guān)系。在今后的研究中，樣品采集應(yīng)該選取氣溫變化梯度更大的地區(qū)，以減小誤差使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加具有代表性、準(zhǔn)確性。

（2）本研究揭示了狗尾草植物和植硅體碳氮同位素的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)狗尾草碳同位素對(duì)氣候的響應(yīng)不是很明顯，但該結(jié)論的產(chǎn)生原因尚未探明。在今后的研究中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注植物和植硅體碳氮同位素積累的發(fā)生機(jī)理，并且運(yùn)用控制單一變量法對(duì)狗尾草碳氮同位素與氣候關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究。