植物菘蓝稳定碳同位素组成与生态因子的关系

闫 峻， 金贵善， 刘汉彬， 刘永刚， 崔建勇， 郭冬发

(1.核工业北京地质研究院， 北京 100029； 2.北京中医药大学， 北京 100029)

菘蓝(Isatisindigoticafort.)是十字花科草本植物，主要分布于中国的河北、江苏、安徽、河南、山西、浙江、山东和广西等地，为工业上常用有机染料的原料，同时也是临床常用中药材，具有清热解毒、凉血消斑、利咽等功效，主要用于治疗发热咽痛、瘟疫时毒、痄腮、丹毒等[1-3]。稳定碳同位素技术具有示踪、整合和指示等多项功能，以及检测快速、结果准确等特点，在地球化学、生态学等诸多领域有着较为广泛的应用[4]。稳定碳同位素是目前研究植物与环境之间关系较为有效的方法之一[5]。植物和土壤中的稳定碳同位素组成会受到经纬度、海拔、温湿度、降水和日照时间等地理因素和气象因素的影响[6-7]。因此，对植物中稳定碳同位素组成与地理和生态因子的相关性研究具有十分重要的意义。

本研究采用气体同位素质谱法对植物菘蓝的根和叶以及种植地土壤中稳定碳同位素组成进行了测定。在此基础上，通过相关回归分析考察了植物菘蓝的根和叶以及种植地土壤中稳定同位素与种植地的地理位置因子(经度、纬度、海拔)和气象因子(温度、大气压力、相对湿度、地表温度、件数量)的相关性，为植物中碳同位素分馏作用的研究和稳定碳同位素作为植物菘蓝产地溯源的指标提供了理论依据。

1 实验仪器和试剂

1.1 实验仪器

DeltavPlus型气体同位素质谱仪和Flash 2000元素分析仪，美国Thermo Fisher公司产品。

1.2 实验材料、试剂和数据

不同来源的植物菘蓝的干燥根和叶，产地分别为北京、河北、河南、山西、山东、陕西、江苏、四川、广东和吉林等地，由北京中医药大学提供；GBW 04407、GBW 04408和IAEA-600标准物质均为国家一级标准物质或国际标准物质；不同产地的地理和气象信息，购自四川智慧云图环境科技有限公司。

2 实验方法

2.1 植物菘蓝和种植地土壤样品的制备

本研究根据植物菘蓝的主产区信息，分别收集了北京、河北、山西、山东、河南、陕西、江苏、四川、广东和吉林等省份共15个产地的中药材和种植地土壤，在采样现场抖动下根区土壤，混匀后取500 g，自然风干后过100目筛，备用；菘蓝植株样品干燥后用1%柠檬酸水清洗区附着的泥土、去离子水多次淋洗根和叶，将根和叶分开，60 ℃烘干，粉碎并过100目筛，备用。将干燥后植物和土壤样品，用锡杯包裹，通过AS200自动进样器进入元素分析仪生成CO2。

2.2 仪器条件

元素分析仪的He载气流量为100 mL·min-1，氧气流量为150 mL·min-1，通氧时间3 s，反应炉温度为960 ℃，色谱柱温度为45 ℃。CO2参考气离子流强度(质量数为44)约为2.0 V，Conflo IV中的He载气压力为1.01×105Pa。

2.3 标准物质和数据计算

标准物质选用中国国家标准物质GBW 04407和GBW 04408以及国际原子能机构标准物质IAEA-600。数据采用相对国际碳同位素标准VPDB值表示，分析精度优于±0.2‰。先用参考气对样品、中国及国际参考物质进行初步定值，GBW 04407、GBW 04408和IAEA-600的测定值与真值计算出线性回归校正曲线，再对样品值进行线性回归校正。

3 实验结果

3.1 植物菘蓝的根和叶及其种植地土壤中稳定碳同位素分析结果

采用第2.1节的样品制备方法和第2.2节的分析方法，对不同产地植物菘蓝的根和叶及其种植地土壤中的稳定碳同位素的组成进行测定，结果见表1。

表1 菘蓝根、叶及其种植地土壤中稳定同位素组成测量结果Table 1 The results of stable isotope composition in roots, leaves and soil of isatis indigotica fort.

由表1可见，植物菘蓝根和叶中的稳定碳同位素平均值分别为-27.9‰和-29.5‰，属C3植物[8]。

3.2 植物菘蓝的根和叶及其种植地土壤中稳定碳同位素与地理位置信息和气象信息相关性分析结果

植物菘蓝不用产地的气象因子和地理因子信息见表2和表3。

表2 植物菘蓝不同产地的地理因子信息Table 2 Information of geographical factors in different producing areas of isatis indigotica fort.

在本研究中，植物菘蓝及其种植地土壤中稳定碳同位素组成与地理/气象因子的相关系数r均为正值，说明菘蓝根、叶及其种植地土壤中稳定碳同位素组成与地理/气象因子均为正相关。根据经验判断，相关系数r<0.3时，认为无相关性或不相关(在表4中用*表示)，0.30.8时认为具有高度相关性(在本研究中未出现高度相关性)。

由表4可见，菘蓝根中稳定碳同位素组成与纬度、经度、平均气压、最高气压、最低气压、相对湿度、降水量、日平均地温、日最高地温、日最低地温和日照时数不具有相关性，与海拔、平均气温、最高气温、最低气温有低度相关性；菘蓝叶中稳定碳同位素组成与经度、平均气压、最高气压、最低气压、相对湿度、降水量、日最高地温不具有相关性，与海拔和日照时数具有低度相关性，与纬度、平均气温、最高气温、最低气温、日平均地温、日最低地温具有中度相关性；种植地土壤与海拔、平均气温、最高气温、平均气压、最高气压、最低气压、相对湿度、降水量、日平均地温、日最高地温不具有相关性，与纬度、经度、最低气温、日最低地温和日照时数具有低度相关性。

表4 菘蓝根、叶及其种植地土壤稳定碳同位素组成与地理因子的相关性Table 4 Correlation between stable carbon isotope composition and geographical factors in roots, leaves and soil of isatis indigotica fort.

4 结 论

从整体上来看，菘蓝根和种植地土壤中稳定碳同位素组成与地理因子和气象因子相关度较低，无中度以上相关度的因子；而菘蓝叶中稳定碳同位素组成与部分地理因子和气象因子具有中度的相关性。因此可以认为植物的地上部分在生长过程中受地理和自然气候的影响较地下部分更大一些。本研究成果为植物中碳同位素分馏作用的研究和稳定碳同位素作为植物菘蓝产地溯源的指标提供了理论依据。