模拟增温对高寒草甸植物叶片碳氮及其同位素δ13C和δ15N含量的影响

赵艳艳，徐隆华，姚步青，马　真，张春辉，王芳萍，周华坤*

(1.中国科学院西北高原生物研究所，西宁 810008；2.青海省寒区恢复生态学重点实验室，西宁 810008；3.中国科学院大学，北京 100049)

模拟增温对高寒草甸植物叶片碳氮及其同位素δ13C和δ15N含量的影响

赵艳艳1,3，徐隆华1,3，姚步青1,2，马真1,2，张春辉1,2，王芳萍1,3，周华坤1,2*

(1.中国科学院西北高原生物研究所，西宁 810008；2.青海省寒区恢复生态学重点实验室，西宁 810008；3.中国科学院大学，北京 100049)

摘要:基于国际冻原计划(ITEX)模拟增温效应对植物影响的研究方法，以高寒矮嵩草草甸4种植物(矮嵩草、垂穗披碱草、棘豆、麻花艽)为实验材料，设置大(OTC1)和小(OTC2)两类增温小室，测定了其叶片碳氮及其稳定性碳同位素(δ13C、δ15N)等指标在增温3年后的变化。结果表明：除矮嵩草在较小增温小室(OTC2)中 C/N比值比对照降低了14.1%，其它物种C/N在两个增温处理下都有所增加，但差异均不显著(P>0.05)。4种植物叶片δ13C值在-24.12‰～-28.34‰之间，矮嵩草叶片δ13C值随增温而升高，棘豆、麻花艽随增温而降低，且矮嵩草在OTC2的δ13C值变化达到显著水平(P<0.05)。矮嵩草和麻花艽的叶片δ15N值在OTC1和OTC2中均比对照增加，且麻花艽增加较显著(P<0.05)。垂穗披碱草在OTC1和OTC2的叶片δ15N值比对照分别减少18.7%和26.9%，差异都不显著(P>0.05)；棘豆叶片δ15N值在OTC2内比对照低11.0%(P>0.05)，在OTC1的内比对照高2.8%(P>0.05)。可见，高寒矮嵩草草甸不同功能群植物物种碳氮含量及稳定性碳氮同位素含量对短期增温有不同的响应模式和规律。

关键词:模拟增温； 矮嵩草草甸； 代表性植物； C/N比； δ13C； δ15N

碳是重要的生命元素，自然界中碳以12C、13C、14C等多种同位素的形式存在，其中12C、13C相对丰度分别为98.89%和1.11%，天然物质的碳同位素组成由13C/12C比值确定的δ(13C)表示。植物光合作用是自然界碳同位素分馏的重要过程，在光合过程中，植物叶片趋向于同化更多的12CO2而排斥13CO2，这使得植物组织中13C的自然丰度远低于大气CO2，在气孔充分张开时这一现象表现得更加明显[1]。植物13C的分馏研究已成为植物生态学和全球碳循环研究的核心问题之一。同样，δ15N 值的差异是在一定的时间和空间上综合反映N 循环特征的一个重要指标，为理解生态系统中的N 循环提供有用的信息。叶片是植物营养反应最敏感的器官，其营养动态变化可实时反馈植物养分的丰缺状况。因此，测定叶片稳定碳、氮同位素，用于指示和评估植物体内营养元素与水分利用效率非常重要。

植物叶片碳同位素(δ13C)能反映植物生长期内的生理生态适应特性，已经被公认为是一种估测植物长期水分利用效率的可靠途径[2]，已有大量研究证实叶片δ13C可以表征叶片光合能力和长期水分利用效率[3]。一般认为植物叶片δ13C值主要受植物本身遗传因素、温度、降水、相对湿度、光照与海拔等因素影响[4-5]，存在明显的时空变异特征[6]，因此植物叶片δ13C可以一定程度反映小生境的环境因子，指示生态适应策略。而植物δ15N作为N循环的综合者[7]，可反映N的吸收、转运和损失过程中外源N及δ15N、δ14N值的变化，故而δ13C 和δ15N 广泛应用于研究生态系统的碳氮循环。近年来，国内外进行了大量的增温、养分添加等对植物碳氮及其稳定性同位素变化的研究[8-9]，增温改变了植物群落的物种组成，增加了碳的输入，同时也增加土壤碳氮的分解作用。竞争力较强的物种可以获得较多资源，从而抑制了竞争力较弱物种的生长。目前，关于不同功能类群植物叶片碳氮及其同位素δ13C、δ15N含量特征对不同增温幅度的响应规律报道较少。

有“中华水塔”之称的青藏高原属于气候变化的敏感区和生态脆弱带，是研究陆地生态系统对气候变化响应机制的理想场所。所以，我们选择不同增温梯度的OTC温室，研究高寒草甸的4种代表性植物叶片碳氮及其稳定性δ13C、δ15N含量对实验增温的响应变化，以期为高寒草甸物种生态特性、群落稳定性维持对不同幅度增温的响应机理研究提供理论依据。

1材料和方法

1.1研究区自然概况

研究地点在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站，地处青藏高原东北隅的青海海北藏族自治州境内，属祁连山北支冷龙岭东段南麓坡地的大通河谷西段，地理位置为N37°29′～37°45′、E101°12′～101°33′，海拔3 200～3 250 m。居亚洲大陆腹地，具明显的高原大陆性气候，夏季风影响微弱。受高海拔条件的制约，仅有冷暖2季之别，干湿季分明；年平均气温-1.7℃，月平均气温-14.8℃，7月平均气温9.8℃。年平均降水量600 mm，主要降水量集中在上半年，约占年降水量的80%，蒸发量1 160.3 mm。10月到翌年4月长达7个月时间的降水仅占年降水量的20%。日照充足，在植物生长期日平均达6.5 h，基本满足植物生长发育所要求的光照时间。无绝对无霜期，相对无霜期20 d左右，冷季寒冷、干燥而漫长，暖季凉爽、湿润而短暂。

1.2样地设置和目标植物选择

图1　圆台形开顶式生长室示意图Fig.1　The sketch of the open top chamber

以矮嵩草草甸为研究对象，基于国际冻原计划(ITEX)模拟增温效应对植物影响的研究方法[10]，2011年在海北典型矮嵩草草甸内建立增温试验样地，用围栏封闭。样地内设置圆台形开顶式生长室(OTC，图1)，增温材料为美国产玻璃纤维。按直径从大到小依次设置OTC1、OTC2 两类开顶式生长室，模拟2个增温幅度，其底部直径依次为1.45、1.15 m，顶部直径依次为1.00、0.70 m，圆台高度均为0.40 m。每处理5次重复，以OTC附近的露天草甸作对照(CK)。

本研究选择矮嵩草草甸中的矮嵩草(Kobresiahumilis)、棘豆(Oxytropisochrocephala)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、麻花艽(Gentianastraminea)作为目标植物，其中矮嵩草属于莎草科植物，棘豆属于豆科杂草，垂穗披碱草属于禾草，麻花艽属于非豆科杂类草，为矮嵩草草甸中4种植物典型的植物功能类群，是高寒草甸的典型植物物种。

1.3测定内容和方法

1.3.1样品采集实验持续3年后，于2014年8月，在每个增温小室以及对照样方采集目标植物叶片，每个样方内，尽量选择生长一致和无人为干扰的植株进行样品采集，考虑到植株个体间的差异，每份样品均由来自同一样方的不同植株的叶片组成。将所采集的叶片装在信封袋内带回实验室进行处理。

1.3.2样品处理及指标测定在实验室内，将样品在65 ℃下烘干48 h，使样品完全干燥，并用球磨仪进行粉碎。植物叶片δ13C、δ15N及碳(C)、氮(N)含量用Flash EA1112 HT元素分析仪(Elemental Analyzer)以及DELTA V Advantage同位素质谱联用仪(Isotope Ratio Mass Spectrometer)进行测定，δ13C的测试误差小于0.1‰，δ15N的测定误差小于0.2‰。植物叶片δ13C、δ15N值由以下公式计算：

δ13C(‰，V-PDB)=[(R样品/R标准)-1]×1 000‰

δ15N(‰，at-air)=[(R样品/R标准)-1]×1 000‰

表1　开顶式增温小室的增温幅度

注：不同小写字母表示处理间在0.05水平存在显著性差异。

Note:The different normal letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level.

式中，R为13C/12C 或15N/14N自然丰度比。

2结果与分析

2.1OTC的增温效应

增温小室增温是由于温室的阻挡作用，增温棚室内风速降低，空气湍流减弱，使热量不易散失，加之玻璃纤维被太阳辐射中红外线穿透的能力较好[8]，所以室内温度升高。由表1可以看出，在地下5 cm、地上5 cm和地上20 cm，CK、OTC1、OTC2的温度和相对湿度依次升高，开顶式生长室起到了增温的作用，且增温小室越小，增温的效果越明显(P<0.05)；OTC内温度升高，导致地面上蒸发的水分增加，所以空气湿度略有增加(P>0.05)。因此，增温使温室内小气候趋于暖干化发展。

2.2实验增温对植物叶片C/N值的影响

碳氮代谢是植物最基本的代谢过程。由图2可看出，矮嵩草叶片的C/N比值在OTC1中比对照降低了14.1%，而在OTC2中却比对照增加了8.3%；垂穗披碱草、棘豆和麻花艽叶片的C/N比值在OTC1和OTC2的C/N比值分别比对照增加了4.2%、19.4%和1.1%，而在OTC2中则分别比对照增加了8.1%、11.1%和13.5%，但差异均不显著(P>0.05)。可见，实验增温对高寒草甸的典型植物物种叶片的C/N比值有显著影响。

同一物种内不同小写字母表示处理间在0.05水平存在显著性差异；下同。Ⅰ. 矮嵩草；Ⅱ. 垂穗披碱草；Ⅲ. 棘豆；Ⅳ. 麻花艽图2　不同植物叶片C/N比值沿增温梯度的变化The different normal letters within the same species indicate significant difference among treatments at 0.05 level;The same as below.Ⅰ. K. humilis；Ⅱ. E. nutans；Ⅲ. O. ochrocephala；Ⅳ. G. stramineaFig.2　The changes of C/N ratio in different plant leaves with the temperature gradients

图3　不同植物叶片δ13C值沿增温梯度的变化Fig.3　The changes of δ13C in different plant leaves with the temperature gradients

2.3实验增温对植物叶片稳定性碳同位素δ13C值的影响

如图3所示，在实验增温条件下，4种高寒草甸植物叶片稳定性碳同位素δ13C值在-24.12‰～-28.34‰之间变化，平均值为-26.78‰，并以矮嵩草δ13C含量最低，麻花艽δ13C含量最高；矮嵩草叶片δ13C值随增温幅度升高而依次增加，棘豆、麻花艽叶片δ13C值随增温幅度升高而依次降低，而垂穗披碱草叶片δ13C值则表现为OTC1最低，其次为OTC2，但仅其中矮嵩草在OTC2的叶片δ13C值与其对照间的差异达到显著水平(P<0.05)。其余与对照差异均不显著(P>0.05)。因此，实验增温对高寒草甸的典型植物物种叶片的δ13C含量也大多无显著影响。

2.4实验增温对植物叶片稳定性氮同位素δ15N值的影响

图4　不同植物叶片δ15N值沿增温梯度的变化Fig.4　The changes of δ15N in different plant leaves with the temperature gradients

图4显示，在实验增温条件下，4种高寒草甸植物叶片稳定性氮同位素δ15N值在-4.67‰～0.32‰之间变化，平均值为-1.95‰，并以矮嵩草δ15N含量最低，而麻花艽δ15N含量最高。其中，矮嵩草叶片δ15N值在OTC1和OTC2中的叶片δ15N值分别比对照提高40.2%和8.0%，且在 OTC1中达到了显著水平(P<0.05)；垂穗披碱草在OTC1和OTC2中的叶片δ15N值比对照依次降低，分别下降了18.7%和26.9%(P>0.05)；麻花艽在OTC1和OTC2中的叶片δ15N值比对照依次升高，分别增加了31.1%和240.9%，且在OTC2中变化显著(P<0.05)；棘豆在OTC1的叶片δ15N值比对照降低11.0%，而在OTC2的叶片δ15N值比对照提高2.8%(P>0.05)。可见，4种高寒草甸植物叶片稳定性氮同位素δ15N值对增温的响应表现出不同的规律，并以矮嵩草和麻花艽的反映较敏感。

3讨论与结论

在本研究中，开顶式生长室(OTCs)起到了增温的作用。开顶式增温小室的设计，允许棚内外的空气自由交换流通，并尽可能减少不利的生态影响，如：低光照条件、温度极值、非自然降水、CO2浓度聚集等的影响[11]。本研究，发现增温小室内的空气相对湿度略高于对照，这与当前大多数实验结果相一致[12-13]。增温小室内空气湿度的升高，主要由于增温小室的温度升高，地面上蒸发的水分也增加，带走的热量增加，温度和湿度的差值增大，使得地面更加暖干化。这与王谋等[14]的研究结论相一致，即随着全球变暖，青藏高原气候将呈现出暖干化的趋势，气候因素的变异将成为诱发生态变异的动力。

氮代谢需要依赖碳代谢提供碳源和能量，而碳代谢需要氮代谢提供酶和光合色素，二者又需要共同的还原力、三磷酸腺苷(ATP)和碳骨架[15]，存在着内在竞争。植物对氮素的吸收利用也会影响其对碳素养分的利用。碳氮营养平衡对植物碳氮营养的分配有着至关重要的影响[16-17]。C∶N值大小表示植物吸收单位养分元素含量所同化C的能力，对调节植物生长有着极其重要的作用[18]，在一定程度上可以反映植物体养分元素的利用率。本研究结果发现，除矮嵩草在OTC1中的C∶N值比对照低外，其它植物在OTC1 和OTC2增温处理下均比对照高，这可能是因为增温总体上促进了植物碳氮代谢的增强，通过提高养分利用效率以减缓N素的限制。同时这也与增温对植物群落特征以及土壤特性的影响有关[19]。由于各物种在利用有限资源的同时，不同植物呈现多元的营养利用策略[20]。同一种植物在不同程度增温下响应不同，不同植物在同一增温幅度下响应也存在差异，所以在OTC1和OTC2两个增温处理下各个植物的反应有所不同，而其中矮嵩草的碳氮比平均值最高，说明矮嵩草在高寒环境下碳氮代谢相对较强，这可能也是其成为高寒草甸优势物种之一的原因。

温度是影响植物稳定性碳同位素δ13C 组成的重要气候因子之一。一方面温度可直接影响参与光合作用的酶活性，从而会对植物的碳同位素分馏发生影响；另一方面，温度可影响叶片的气孔导度系数g，CO2的吸收率及Ci/Ca(细胞间CO2浓度与大气CO2浓度的比值)，从而影响植物的碳同位素分馏。本研究结果显示，矮嵩草叶片δ13C值随增温幅度增加而依次增加，棘豆、麻花艽则随增温幅度增加依次降低，而垂穗披碱草却没有表现出梯度变化规律，表明高寒草甸不同植物种的稳定性碳同位素δ13C组成对温度变化响应有多元化模式。这与前人的研究结果相似，比如有研究发现温度与植物稳定性碳同位素δ13C之间存在负相关关系[21-22]，也有研究显示二者之间存在正相关关系[23-24]，而有的研究没有观察到植物稳定性碳同位素δ13C与温度的关系[25-26]。造成植物δ13C值与温度之间关系不确定性的一个重要原因是在分析植物稳定性碳同位素δ13C与温度因子的关系时，很难将其它气候环境因子(如降水因子)对植物δ13C的影响分开，植物δ13C值受多种气候因素的叠加作用，此外还与植物种的遗传因素有关[27]。植物的稳定碳同位素(δ13C)能够准确记录植物生长环境的气候信息(如温度、湿度、降水等)[28]，因此研究植物叶片的δ13C值可以估测高寒草甸典型物种对全球环境变化较敏感的青藏高原高寒草地特殊环境的适应性。

在本研究中，4种植物叶片稳定性氮同位素δ15N值随增温幅度变化不一致，其中麻花艽叶片δ15N值最高。造成这种差异的其中一个原因是不同植物种之间在氮素吸收上存在多样化特点，群落中主要植物种在土壤氮素资源吸收过程中产生了生态位分化[29]，导致其δ15N含量不同。另外一个可能原因则是菌根类型导致植物δ15N含量存在差异。在某种程度上，叶片δ15N值的变化反映了植物所利用的资源分化状况，这与生态位互补假说是一致的。植物的δ15N值除受其本身对氮的生理代谢过程控制外，很大程度上还受各种环境气候因素的影响。Amundson等[30]整合了已经发表和新得到的来自全球的植物δ15N数据，发现植物δ15N 值随年均温降低而下降。刘晓宏等[31]研究得到东非大裂谷埃塞俄比亚段内C3植物的δ15N与年均温度极显著正相关，年均温度每增加1 ℃，植物叶片δ15N值偏正0.5‰。植物δ15N与温度存在正相关关系，主要是因为温度影响土壤微生物的活性，温度升高，土壤硝化细菌和氨化细菌活动加强，土壤矿化/硝化速率增加，土壤无机N有效性增强，并产生富集δ15N的土壤无机N库，因此植物δ15N增大。而Liu和Wang[32]认为植物δ15N与年均温存在负相关关系，是因为该研究区气候存在“雨热同期”效应，而增加降水导致植物氮同位素偏负效应大于温度增加导致的植物氮同位素偏正的效应。

增温对植物叶片碳氮及其同位素δ13C、δ15N含量的影响并不是单一的，因为植物在适应各种各样环境的胁迫作用时，C∶N值、δ13C以及δ15N等之间也会相互影响，以达到一个新的平衡点来适应新的环境。例如植物中的氮含量会影响其叶片的特性：比如气孔密度，它与给叶绿体输送CO2有关；又如叶片厚度，它将增加CO2的扩散通道的长度，同时每单位叶片面积上氮含量也会增加[33-34]。这些都将对植物叶片的δ13C值产生影响。由此可见，温度对植物δ13C值的影响是通过影响植物的氮含量来体现的。而氮源、植物吸收土壤不同层位的氮、氮被植物吸收后同化过程中的分馏以及这些因素的相互作用均会导致植物体氮同位素值发生变化[35]。因此，植物对增温的响应是各个指标重新平衡的结果。

由于不同物种对增温的响应差异可能与多种因素有关，如实验处理时间、植物的生长环境特征、植物本身的遗传差异等等。本研究中的增温处理仅持续了3年，长期增温效应如何还需继续监测研究，以便全面真实地揭示高寒草甸植物对增温响应的生态机理。

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(编辑:裴阿卫)

Influence of Simulated Warming to the Carbon, Nitrogen and Their Stability Isotope-(δ13C,δ15N) Contents in Alpine Meadow Plant Leaves

ZHAO Yanyan1,3, XU Longhua1,3, YAO Buqing1,2, MA Zhen1,2, ZHANG Chunhui1,2,WANG Fangping1,3, ZHOU Huakun1,2*

(1. Northwest Plateau Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China; 2. Key Laboratory of Restoration Ecology for Cold Regions in Qinghai, Xining 810008, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 China).

Abstract:Based on the research methods that simulated warming effect on plants of tundra plan (ITEX), we used four kinds of plants at alpine Kobresia humilis meadow: K. humilis, Elymus nutans, Oxytropis ochrocephala, Gentiana straminea, set a big(OTC1) and a small(OTC2) warming room, to determine the carbon, nitrogen and their stability isotopes(δ13C,δ15N) content changes after three years of warming. The result showed that: in addition to the C/N ratio of K. humilis was reduced by 14.1% in small warming room (OTC2), the C/N ratios of the other three species were all increased in the two warming rooms than that in the control, while the differences were all not significant(P>0.05). The δ13C of the four kinds of plant leaves was between -24.12 ‰ ～ -28.34 ‰, the δ13C of K. humilis leaf was increased with raising temperature, while the δ13C of O. ochrocephala and G. straminea was reduced with the raising temperature. The δ13C change of K. humilis leaf reached significant level(P<0.05).The δ15N of K. humilis and G. straminea were all increased in the two warming rooms than that in the control, the δ15N change of G. straminea reached significant level (P<0.05); the δ15N change of E. nutans reduced 18.7% and 26.9% in OTC1 and OTC2 respectively, while the differences were all not significant (P>0.05); the δ15N change of O. ochrocephala was reduced by 11.0% in small warming room (OTC2) than that in control, while increased by 2.8% in big warming room (OTC1) than that in control. It is observed that the carbon, nitrogen and their stability isotopes (δ13C,δ15N) of different functional group of plant species have different response patterns and rules to short-term warming.

Key words:simulated warming; Kobresia humilis meadow; representative plants; C/N ratio; δ13C; δ15N

文章编号:1000-4025(2016)04-0777-07

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.04.0777

收稿日期:2015-12-30;修改稿收到日期:2016-04-07

基金项目:国家自然科学基金项目(31172247，31472135，31201836，31260127)；青海省自然科学基金项目(2013-Z-916)；国家科技支撑课题专题(2014BAC05B03)；青海省重点实验室发展专项资金计划( 2014-Z-Y01)资助

作者简介:赵艳艳(1989-)，女，在读硕士研究生，主要从事高寒草地气候变化生态学研究。E-mail：zhaoyanyan2013@126.com ； *通信作者:周华坤，男，研究员，主要从事高寒草地生态学研究。E-mail: hkzhou@nwipb.cas.cn

中图分类号:Q948.112+.2

文献标志码:A