祁连山东段高寒草甸常见植物稳定性同位素特征

2019-03-22王志鹏楚彬周睿花立民

甘肃农业大学学报 2019年1期

王志鹏，楚彬，周睿，花立民

(甘肃农业大学草业学院，甘肃农业大学-新西兰梅西大学草地生物多样性研究中心，甘肃兰州 730070)

动植物关系及其对生态系统响应环境的变化是生态学关注的热点之一[1].寻找可靠且能量化的动植物生理指标解析生态学过程是生态系统生态学研究的关键所在[2-3].稳定性同位素是指质子数相同而中子数不同的一类非放射性元素.由于稳定同位素组成具有源——汇示踪和信息传递功能，因此，稳定性同位素技术在生态学研究中所起到的重要作用受到科学家的广泛关注[4].自然界中，植物因为光合途径不同[5-7]，不同植物的碳稳定性同位素(δ13C)差异很大.研究发现，植物叶片的δ13C值与水分之间呈现显著负相关关系[8]，因而碳稳定性同位素可以表征植物长期的水分利用效率[9].氮稳定性同位素(δ15N)与植物固氮途径关系密切[10]，固氮植物和非固氮植物由于利用氮源不同，固氮植物的δ15N更接近于土壤，非固氮植物δ15N则更高一些[11].因此，利用稳定性同位素技术可以测定植物固氮途径和固氮量[12].此外，稳定性同位素技术在研究生态系统营养级和动物食性方面提供了很好的技术手段[13-14]，对明晰复杂的食物网结构有着重要作用[15].

青藏高原被称为地球的“第三极”，对中国乃至亚洲的水文、气候等有着重要影响[16].高寒草甸作为青藏高原主要的生态系统，对全球气候变化和人为干扰响应敏感[17].高寒草甸生态系统初级生产力的变化机制、系统内消费者间的营养级位置、食性信息以及食物链结构等成为当前研究的重点.面对北半球气候暖干化的加剧[18]，从植物降水利用率的角度探讨高寒草甸在不同生境的水分和矿物质适应策略就显得尤为重要.如前所述，鉴于稳定性同位素技术在研究植物水分利用效率、固氮等方面的可靠性，本研究选择祁连山东段的高寒草甸生长的主要植物，通过测定其碳、氮稳定性同位素(δ13C和δ15N)，分析植物种、科以及生活型地上和地下部分的稳定性同位素特征.研究结果不仅可以完善高寒草甸植物稳定性同位素特征数据库，而且为研究高寒草甸植物水分利用效率、固氮能力以及动植物营养级关系奠定基础.

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本试验在甘肃省天祝县抓喜秀龙乡的高寒草甸区进行，该地区海拔2 700～3 100 m，地理坐标为N 37°11′， E 102°29′，昼夜温差大，空气稀薄，太阳辐射强，气候寒冷潮湿，年均降水量416 mm，主要集中在7～9月，年均蒸发量1 592 mm，无绝对无霜期.仅分冷、热两季.年均气温0.1 ℃， 7月和1月平均气温分别为12.7、-18.3 ℃，≥0 ℃的年积温1 380 ℃，无霜期20～140 d.研究区主要植物有线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)和草地早熟禾(Poapratensis)等[19].

1.2 植物种、科及生活型划分依据

根据《中国植物志》[20]和劳恩凯尔[21]植物生活型分类系统，划分研究区植物种、科及生活型.

1.3 植物样本采集与预处理

于2015年9月初，选择天祝县抓喜秀龙乡高寒草甸的冬季草场.地形平坦，无海拔变化，有鼢鼠分布.随机抛样圆30个，采集样圆内的各种植物，每种植物全株采集后装于信封中.将植物样本带回后，分离植物的茎叶和根系，装于不同信封中.在65 ℃下烘干48 h之后，用玛瑙研钵研磨成粉，过80目筛后置于室温干燥处备用.

1.4 植物同位素测定

植物样本C、N稳定同位素的测试分析在中国林业科学研究院稳定同位素比率质谱实验室进行.测试仪器为DELTA V Advantage同位素比率质谱仪(Isotope Ratio Mass Spectrometer)，外部设备为Flash 2000 EA-HT元素分析仪(Elemental Analyzer).

样品在元素分析仪中高温燃烧后生成CO2和N2，质谱仪通过检测CO2的13C与12C比率，与国际标准物(Pee Dee Belnite或PDB)比对后计算出样品的δ13C值，通过检测N2的15N与14N比率，并与国际标准物(大气N2)比对后计算出样品的δ15N值.C、N同位素的分析精度分别为0.1‰和0.2‰.δ13C和δ15N的测算公式如下：

δX=(Rsa-Rst)/Rst× 1 000[22]

式中，δX指待测样品的稳定性同位素比率，Rsa是待测样品的同位素比值，Rst是某一标准物质的同位素比值.

1.5 数据处理及分析

应用Excel对数据进行划分、整理与作图，应用SPSS 19.0对不同科以及不同生活型植物稳定性同位素进行非参数检验和单因素方差分析，对植物不同部分进行独立样本T检验.

2 结果与分析

2.1 研究区植物种类及生活型

研究区内植物共有13科、21属、24种(表1)，其中禾本科植物3种，莎草科植物2种，毛茛科植物2种，蔷薇科植物3种，伞形科植物2种，玄参科植物2种，杨柳科、龙胆科、木贼科、百合科、牻牛儿苗科和蓼科各1种.根据劳恩凯尔植物生活型分类系统，将植物划分为5个生活型,其中地面芽植物共有12种、地上芽植物2种、地下芽植物6种、高位芽植物1种以及一年生植物3种.

2.2 不同种植物的稳定性同位素特征

基于稳定性同位素技术的植物光合型划分依据，研究区植物全部属于C3植物，无C4植物.这些植物中，δ13C在-35‰～-20‰，其中地上部分δ13C在-29.63‰～-25.45‰，地下部分δ13C在-29.03‰～-25.96‰.地上部分δ15N在-1.27‰～5.74‰，地下部分在-2.67‰～6.51‰.植物地上部分δ13C的变幅比地下部分δ13C变幅更大，而地下部分δ15N的变幅高于地上部分(表2).

表1 研究区内植物分类

植物地上部分的δ13C，迷果芹(Sphallerocarpusgracilis)((-29.12±0.39)‰)和鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)((-26.27±0.43)‰)分别是24种植物中最低和最高的.植物地下部分δ13C，湿生扁蕾(Gentianopsispaludosa)((-28.99±0.03)‰)和毛茛(Ranunculusjaponicus)((-26.17±0.28)‰)分别是最低和最高的.依据植物δ13C与其水分利用效率显著正相关[9]，鹅绒委陵菜植株地上部分和毛茛植株地下部分水分利用效率最高，迷果芹植株地上部分和湿生扁蕾地下部分水分利用效率最低.

植物地上部分的δ15N，肉果草(L.tibetica)((4.37±1.81)‰)和高山唐松草(Thalictrumalpinum)((0.55±0.23)‰)分别是最高和最低的.对地下部分植物而言，婆婆纳(Veronicadidyma)((5.25±1.42)‰)和杯腺柳(Salix cupularis)((-2.46±0.28)‰)分别是最高和最低的.根据固氮植物和非固氮植物稳定性同位素δ15N划分标准[37]，将δ15N在-2‰～2‰的植物划分为固氮植物，其他的划分为非固氮植物.本研究区中，蒲公英(Taraxacummongolicum)、毛茛(Ranunculusjaponicus)和鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)等9种植物具有固氮能力.

表2 试验区内植物稳定性同位素δ13C和δ15N

2.3 不同科植物稳定性同位素分布特征

由表3可以看出，植物地上部分δ13C含量，杨柳科最低，百合科最高，二者之间差异显著(P<0.05).植物地下部分δ13C含量，蓼科最高，龙胆科最低，二者之间差异显著(P<0.05).植物地上部分的δ15N含量，百合科最低，木贼科最高，二者之间差异显著(P<0.05)，植物地下部分的δ15N含量，杨柳科最低，木贼科最高，二者之间差异显著(P<0.05)，百合科、蓼科、禾本科、龙胆科、玄参科差异不显著(P>0.05).

本试验研究区中，不同科植物水分利用效率存在差异.杨柳科植物地上部分水分利用效率最低，其地下部分水分利用效率却较高.百合科和蓼科植物无论地上部分或地下部分水分利用效率都较高.龙胆科植物地下部分水分利用效率最高，地上部分水分利用效率却较低.从植物生物固氮能力来看，仅毛茛科、菊科和牻牛儿苗科植物地下部分δ15N在-2‰～2‰，具有固氮能力(图1、2).

表3 不同科植物稳定性同位素δ13C和δ15N变化范围及均值

同列数据肩标不同小写字母表示不同科之间稳定性同位素差异显著(P<0.05)；*表示植物不同部分稳定性同位素值存在差异(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01).

The different lower-case letters indicate that there are significant differences in stable isotope values between different families (P<0.05)； * indicates that there are differences in stable isotope values of different parts of plants (P<0.05),and ** indicates that the differences are extremely significant (P<0.01).

图1 不同科植物地上部分稳定性同位素分布Figure 1 Stable isotope distribution of aboveground parts of different families

图2 不同科植物地下部分稳定性同位素分布Figure 2 Stable isotope distribution of underground parts of different families

2.4 不同生活型植物稳定性同位素特征

就地上部分而言，地上芽植物δ13C最低，高位芽植物δ13C最高，二者差异显著(P<0.05)；地面芽植物δ15N最高，高位芽植物δ15N最低,但差异不显著(P>0.05)，就植物地下部分而言，地上芽植物的δ13C最高，一年生植物的δ13C最低(P>0.05)；高位芽植物δ15N最低，一年生植物δ15N最高(P<0.05)(表4).

从植物水分利用效率来看，高位芽植物地上部分水分利用效率最高，但地下部分水分利用效率较低.地上芽植物地上部分水分利用效率最低，但其地下部分水分利用效率最高.一年生植物地下部分水分利用效率最低，且地上部分水分利用效率也较低.从生物固氮能力来看，高位芽植物和地上芽植物都具有固氮能力，部分地面芽植物、一年生植物和地下芽植物具有固氮能力(图3、4).

表4 不同生活型植物稳定性同位素δ13C和δ15N均值

同列数据肩标不同小写字母表示不同生活型之间稳定性同位素值差异显著(P<0.05)；*表示植物不同部分稳定性同位素值存在差异 (P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01).

The same lower-case letters indicate that there are significant differences in stable isotope values between different life forms(P<0.05)；* indicates that there are differences in stable isotope values of different parts of plants (P<0.05),and ** indicates that the differences are extremely significant (P<0.01).

3 讨论

3.1 高寒植物光合类型

根据植物光合碳同化途径的不同，可将植物分为C3、C4和CAM 3种类型.植物光合类型与植物生物量差异、抗逆性等有着密切关系[23].近年来，研究全球气候变化条件下，草原群落中C3和C4植物组成比例变化已成为生态学家关注的热点之一[24].王启基等[25]根据植物细胞解剖结构曾报道过高寒草甸植物群落中有7种禾本科植物属于C4植物.但是，环境条件中温度而不是光照水平决定着不同光合类型植物的地理分布范围和区域[26]，随着海拔增高和纬度增加，C4植物逐渐减少，C3植物逐步增加.目前，利用稳定性同位素技术研究植物的光合类型已被绝大多数科学家所认可[27].本研究发现，研究区所采集的13个科24种植物均为C3植物，无C4植物或者CAM植物.这个结果与易现锋等[28]关于祁连山南麓的海北高寒草甸生态系统的研究结果一致.

图3 不同生活型植物地上部分稳定性同位素分布Figure 3 Stable isotope distribution of aboveground parts of different life forms

图4 不同生活型植物地下部分稳定性同位素分布Figure 4 Stable isotope distribution of underground parts of different life forms

3.2 植物稳定性同位素与生长器官的关系

本研究发现，植物不同器官的稳定性同位素不同，如蒲公英的δ13C在地上部分((-28.23±0.42)‰)和地下部分((-26.48±0.16)‰)间存在极显著差异(P=0.004)，金露梅地上部分((-26.89±0.25)‰)和地下部分((-27.49±0.09)‰)的δ13C也差异显著(P=0.035)；翻白委陵菜的δ15N地上部分((2.47±0.56)‰)和地下部分((5.21±0.62)‰)差异显著(P=0.01)，婆婆纳的δ15N地上部分((0.80±0.32)‰)和地下部分((5.25±1.42)‰)也差异显著(P=0.013).其原因在于不同组织光合过程与氮代谢过程中对稳定性同位素的代谢有差异.代谢快的器官可以近似的看做动物的活性组织，反之则可以看作惰性组织.源是为植物提供营养的组织或器官，其生命活动相对活跃；库是植物贮藏营养的组织，代谢较慢.因此植物的源更类似于动物肌肉等活性组织，而库则类似于动物的惰性组织.惰性组织的生命化学反应较弱，一般会比活性组织富集更多的稳定性同位素[29].但植物的源是生产器官，对营养的利用效率不高，所以其13C富集.但问荆(Equisetumarvense)则与上述规律不同，其δ13C会随着δ15N增加而增加.可能是因为问荆作为蕨类植物，蛋白质优先向孢囊部分运输[30].

3.3 高寒植物水分利用率

植物水分利用效率(WUE)指植物消耗单位水分所生产的同化物质的量.它实质上反映了植物耗水与其干物质生产之间的关系，是评价植物生长适宜程度的综合生理生态指标[31].传统测定植物水分利用效率多采用直接测定法和光合气体交换法.这两种方法多限于实验室内，单植株某个生长时期 WUE的测定，难以在野外实地操作[32].近年来，随着稳定性同位素技术的发展和检验成本的降低，为测定植物水分利用效率提供了一种便捷的方法.目前，利用稳定性同位素技术多测定植物地上部分，特别是叶片，来反映该植物的水分利用效率[33].但是，本研究发现，高寒草甸植物地上部分茎叶和地下部分根组织的δ13C稳定性同位素差异变化幅度较大，变幅为-1.16‰～2.21‰.究竟采用植物的哪个组织的稳定性同位素来反映植物的水分利用率，对研究者带来了挑战.陈世苹等[34]研究发现，植物群落中黄囊苔草(Carexkorshinskyi)叶片δ13C值随着土壤水分的降低而显著增大.王云霓等[35]研究发现叶片的δ13C从树冠的上部到下部逐渐减小，并指出光合能力变化是引起δ13C垂直变化的决定因素.尽管本研究高寒草甸区没有大型乔木，但是，这种δ13C的变化与环境条件如温度、光照等相关.本研究发现针对不同的生活型植物,随着生长点位置的升高植物地下部分δ13C逐渐降低，这可能是因为水分利用效率高的植物组织地上部分大于地下部分.因此，本研究建议在测定高寒草甸区灌木或较大阔叶类杂类草的水分利用效率，要注意到环境条件以及采样部位的影响.

3.4 高寒植物的固氮能力

氮素作为植物所需的最重要的矿质元素之一，其利用效率问题一直备受关注[36].氮稳定性同位素一方面反映植物是否具备固氮能力[37]，另一方面反映植物生境中的水分条件[38].植物不同部位对氮素的吸收征调能力也不尽相同.本研究发现植物地上部分δ15N与地下部分δ15N相比高(0.06±1.84)‰，表明植物吸收的氮素在茎和叶中的分配比例较高，而在根中的分配比例较小.周克瑜等[39]研究发现植株茎叶δ15N相比根部更能准确反应该植物的固氮量.本研究中发现尽管乳白香青(Anaphalislactea)、肉果草(Lanceatibetica)和黄鹌菜(Youngiasimulatrix)等8种植物的地下部分δ15N值更高，但要代表植物的固氮能力，还是应该以植株地上部分的氮稳定性同位素值为准.此外，本研究也发现，所有植物整体的稳定性同位素表现出随着δ13C增加δ15N降低的趋势，这表明植物对氮素的利用会受植物获取水分能力的影响.本研究中不同生活型的植物稳定性氮同位素差异也说明这一点.地上芽植物和高位芽植物地上部分的氮稳定性同位素高于地下部分，其原因在于这些植物占据较高空间生态位，接受光照充足，蒸腾作用强，植物茎叶部分水分散失速度较快，生长点位于地表易受水分胁迫导致.

高寒草甸植物种类繁多，本研究只采集常见的24种植物进行植物稳定性同位素研究，其结果难免存在局限性.但本研究关注的稳定性同位素技术的尝试，并以此技术作为储备，为后期研究高寒草甸植物与环境的相互关系，以及植物与动物的营养级关系奠定了基础.