C、H、O 稳定同位素在树木植株不同部位的分馏规律研究

高景然 YoonSoo Kim 梁永超 郑 平 邱 坚

（1.福建农林大学材料工程学院植物纤维功能材料国家林业和草原局重点实验室，福建 福州 350108；2.西南林业大学材料科学与工程学院云南省木材胶黏剂及胶合制品重点实验室，云南 昆明 650233；3.韩国光州全南国立大学，韩国 光州，61991）

目前利用稳定同位素技术已成功实现稻米、牛肉等食品的产地溯源[1−4]。木材产地溯源对于保护森林资源具有非常重要的作用，可以协助执法部门打击木材非法采伐及贸易[5]；还可为国际木材合法贸易的“可追溯性”提供技术支持[6−7]，以及为具有地理优势特性的木材提供产地来源证明。

不同产地的树木内由于分馏导致同位素的不同核素组成比例（如：碳元素的13C 和12C 的比例）不同，进而引起δ 值（例：δ13C）的不同。利用该原理有望实现木材产地溯源[8]。目前，只有少数学者通过不同产地木材的某种稳定同位素δ 值的差异，探索木材产地溯源的可行性[9−10]，但并未系统阐释稳定同位素δ 值在木材不同部位（基部/中部/顶部、北向/南向、心材/边材）、不同化学组分（全木、α−纤维素）及不同树种间的变化规律，但上述因素都会影响木材产地溯源准确率。故采用同位素比率质谱仪分别测定树木不同部位的δ13C、δ18O 和δ2H 值，研究C、H、O 稳定同位素在树木不同部分（纵向、心材和边材、南向和北向）的分馏规律。

产地溯源常用稳定同位素包括C、H、O、N、S、Sr、B、Pb 等，各同位素分馏机理不同，适用于不同种类产品的产地溯源[11−12]。木材主要是由纤维素、半纤维素、木质素组成，简称“三大素”，C、H、O 是“三大素”的主要构成元素。三大素的物理及化学性质相对稳定，特别是纤维素，在木材中一旦形成便不容易与外界发生物质交换[13]。因此，本研究以 C、H、O 为研究对象。

1 材料和方法

1.1 实验材料

实验材料采样地点设在西双版纳州景洪市，所有用于测试的样品在同一林地采集。位于北纬22°1′9″～22°1′52″，东经100°49′6″～100°51′45″；海拔610～650 m。

实验设备：1）δ13C 采用DELTA V Advantage同位素比率质谱仪（Thermo Fisher Scientific，Inc.,USA）联合EA-HT 元素分析仪（Thermo Fisher Scientific,Inc.,USA）进行测定。具体测试条件：样品在960 ℃度的燃烧管中燃烧生成CO2，氦气流速为110 mL/min，色谱柱柱温50℃，通氧时间为1 s。2）δ2H 和δ18O 采用Finnigan Delta V Advantage 同位素比率质谱仪（Thermo Fisher Scientific,Inc.,USA）联合Flash 2000 HT 元素分析仪（Thermo Fisher Scientific,Inc.,USA）进行测定，具体测试条件：样品在1 360℃裂解管中高温裂解分别生成H2和CO，载气流速为110 mL/min，色谱柱柱温为65 ℃。测定精度分别为δ13C（±0.1 ‰）、δ2H（±2 ‰）、δ18O（±0.3 ‰）

1.2 实验方法

1.2.1 δ 值沿树木纵向变化规律

伐倒橡胶木（Hevea Brasiliensis）2 株，分别编号橡胶木1、橡胶木2，见表1。用生长锥取样从植株接地基部到稍部连续、平均取样，共取4 个点，同一植株内任意2 点之间的距离相等，为了排除其他因素干扰，取样部位均在南向，心、边材混合取样。75 ℃低温烘干后，高速离心球磨仪粉碎，过筛至60 目，制得全木粉；再用苯−乙醇混合液（体积比2∶1）萃取全木粉6 h，清洗后制得抽提木粉。木材中的抽提物相75℃低温烘干后，比细胞壁三大素不稳定，容易与外界环境发生物质交换。因此，分别测定4 个点抽提木粉的δ2H 值、δ18O 值和δ13C 值。

表1 伐倒橡胶木样本地理信息Table 1 Geographic information of felled rubber wood samples

1.2.2 δ 值沿树木心材及边材变化规律

选取心、边材区别明显的铁刀木（Cassia siamea）2 株，用生长锥从活立木树高1.3 m 处的南、北向取样。将心材南、北向试样混合，将边材南、北向试样混合；按1.2.1 制备抽提木粉，分别测定心材和边材的δ2H 值、δ18O 值和δ13C 值。

1.2.3 δ 值沿树木南向及北向变化规律

选取橡胶木、铁刀木、羊蹄甲（Bauhinia blakeana）3 个树种，每种2 株，见表2。用生长锥从活立木树高1.3 m 处的南向和北向分别取样，将心材和边材混合。按1.2.1 制备抽提木粉，分别测定南向和北向的δ2H 值、δ18O 值和δ13C 值。

表2 活立木样本的地理信息Table 2 Geographic information of living wood samples

2 结果与分析

2.1 C、H、O 稳定同位素沿树木纵向的变化规律

由图1 可知，δ13C 与δ18O 数值线几乎与横坐标轴平行，且橡胶木1 和橡胶木2 的δ13C 数值线几乎重叠，橡胶木1 和橡胶木2 的δ18O 数值线几乎重叠。说明无论是C 元素还是O 元素，橡胶木植株间的δ值差异都很小，但δ2H 的数值线则呈现不规律变化。

图1 δ13C、δ18O、δ2H 沿树干纵向变化Fig.1 Changes of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk

为了排除植株间差异带来的影响，在计算标准差时只采用同一植株内的数据。由表3 可知，树干纵向δ13C 标准偏差橡胶木1 为0.97，橡胶木2 为0.65；树干纵向δ18O 标准偏差橡胶木1 为0.27，橡胶木2 为0.22；树干纵向δ2H 标准偏差橡胶木1 为5.38，橡胶木2 为0.22。上述分析说明，在C、H、O 元素中，δ13C 与δ18O 沿树干纵向变化相对较小，δ2H 沿树干纵向变化相对偏大，且没有显示出明显的变化规律。

表3 δ13C、δ18O、δ2H 沿树干纵向变化的标准偏差Table 3 Standard deviations of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk

尚没有资料显示前人探索不同树木不同部位同位素的分馏规律，但对于稻穗（Oryza sativa）、三七（Panax notoginseng）等植物植株不同部位同位素的分馏规律，可见相关报道。Chen 等[14]通过测定稻米强势粒（着生在稻穗中上部）和弱势粒（着生在稻穗下部）δ13C、δ18O和δ2H 发现：δ13C 极差为1.2‰（−27.5‰～−26.3‰），δ18O 极差为2.6‰（19.6‰～22.2‰），δ2H 极差为3.4‰（−99.5‰～−96.1‰），并且上述强势粒和弱势粒δ 值差异在稻米产地溯源中仍在允许范围内。李昕悦等[15]，李冬雪等[16]分别测定了云南文山15 个文山三七样本的芦头、块根和须根等部位的δ18O 和δ2H 值，结果表明，块根的δ2H 值最大（−71.32 ±11.20），须根的δ2H 值最小（−83.25 ± 6.10），芦头的δ2H 值为（−74.84 ± 7.12）；块根的δ18O 值最大（21.20 ± 1.17），须根的δ18O 值最小（16.32 ± 1.20）；芦头的δ18O 值为（19.57 ± 0.69）。

由表4 可知，树干纵向δ13C 极差橡胶木1 为2.57‰（−27.55‰～−24.98‰），橡胶木2 为1.66‰（−27.25‰～25.80‰）；树干纵向δ18O 极差橡胶木1 为0.66‰（21.76‰～21.10‰），橡胶木2 为0.59‰（21.51‰～20.92‰）；树干纵向δ2H 极差橡胶木1 为14.66‰（−66.32‰～−80.98‰），橡胶木2 为12.88‰（−65.67‰～−78.55‰）。将本实验结果与前人对比分析可知，对于同位素δ 值沿树干纵向变化规律，δ13C 是相对较好的选择，δ18O 是相对最好的选择，而δ2H 则偏大。

表4 δ13C、δ18O、δ2H 沿树干纵向变化的极差Table 4 The range of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk ‰

2.2 C、H、O 稳定同位素沿树木心材及边材的变化规律

由图2 可知，铁刀木心、边材δ13C 差异在3 个元素中相对最小，且铁刀木1 和铁刀木2δ13C非常接近；铁刀木心、边材δ18O 差异相对较小，铁刀木心、边材δ2H 差异在3 个元素中相对较大，且无一定变化规律。

图2 树木心材和边材δ2H、δ18O、δ13C 的变化规律Fig.2 Variation of δ2H,δ18O and δ13C in heartwood and sapwood

为了排除植株间差异带来的影响，在计算标准差时只采用同一植株内的数据。由表5 可知，树干心、边材δ13C 标准偏差铁刀木1 为0.24，铁刀木2 为0.01；树干心、边材δ18O 标准偏差铁刀木1 为1.13，铁刀木2 为0.41；树干心、边材δ2H标准偏差铁刀木1 为1.35，铁刀木2 为7.44。上述数据说明在C、H、O 元素中，δ13C 在树干心、边之间变化最小，δ18O 次之，δ2H 在树干心、边之间变化最大。

表5 δ13C、δ18O、δ2H 沿树干心、边材变化的标准差Table 5 Standard deviation of δ13C,δ18O,δ2H changes along trunk heartwood and sapwood

由表6 可知，树干心、边材δ13C 的极差铁刀木1 为0.47‰（−28.08‰～−27.61‰），铁刀木2 为0.01‰（−2.78‰～−28.76‰）；树干心、边材δ18O 的极差铁刀木1 为2.26‰（18.92‰～21.18‰），铁刀木2 为0.82‰（21.46‰～22.27‰）；树干心、边材δ2H 的极差铁刀木1 为2.70‰（−98.93‰～−101.63‰），铁刀木2 为14.89‰（−112.35‰～−97.46‰）。将本实验结果与陈天金实验对比分析可知，对于同位素δ 值沿心、边材变化规律，δ18O 是相对较好的选择，δ13C 是相对最好的选择，而δ2H 则偏大。

表6 δ13C、δ18O、δ2H 沿树干心、边材变化的极差Table 6 Extreme variation of δ13C,δ18O,δ2H along the trunk heartwood and sapwood ‰

2.3 C、H、O 稳定同位素沿树木南向及北向的变化规律

由图3 可知，南、北向δ 值差异δ13C 在3 个元素中相对最小，且同一树种的两个不同植株δ13C 非常接近；南、北向δ 值差异δ18O 差异相对较小；δ2H 差异在3 个元素中相对最大，且南向δ2H 大于北向。

图3 树木南、北向δ2H、δ18O、δ13C 的变化规律Fig.3 Variation of δ2H,δ18O and δ13C of trunk of south and north

为了排除植株间差异带来的影响，在计算标准差时只采用同一植株内的数据。由表7 可知，树干南、北向δ13C 标准偏差橡胶木1 最大为0.63，羊蹄甲1 最小为0.03；树干南、北向δ18O标准偏差铁刀木2 最大为2.75，橡胶木2 最小为0.53；树干南、北向δ2H 标准偏差铁刀木2 最大为12.88，橡胶木2 最小为7.44。上述数据说明在C、H、O 元素中，δ13C 在树干南、北向之间变化最小，δ18O 次之，δ2H 在树干心、边之间变化最大。

表7 δ13C、δ18O、δ2H 沿树干南、北向变化的标准差Table 7 Standard deviation of δ2H,δ18O and δ13C of trunk of south and north

由表8 可知，树干南、北向δ13C 的极差橡胶木1 最大为1.26‰（−26.66‰～−25.39‰）；羊蹄甲1 最小为0.06‰（−26.60‰～−25.54‰）；δ18O 的极差铁刀木2 最大为5.49‰（19.12‰～24.61‰），橡胶木2 最小为1.06‰（20.28‰～21.34‰）；δ2H的极差铁刀木2 最大为25.76‰（−117.79‰～−92.03‰），橡胶木2 最小为1.07‰（−70.10‰～−69.62‰）。将本实验结果与陈天金实验对比分析可知，对于同位素δ 值沿树干南、北向变化规律，δ13C 是相对最好的选择，δ18O 是相对较好的选择，而δ2H 则偏大。

表8 δ13C、δ18O、δ2H 沿树干南、北向变化的极差Table 8 The range of δ2H,δ18O and δ13C of trunk of south and north ‰

3 结论与讨论

通过上述研究可以得出结论，对于橡胶木，δ18O 沿树木纵向分馏最小（均小于0.27%）；其次是δ13C（均小于0.97%）；δ2H 沿树木纵向分馏最大（最大可达5.38%）。对于铁刀木，δ13C 在心材和边材（均小于0.24%）的分馏最小；其次是δ18O（心、边材分馏均小于1.13%）；δ2H 分馏最大（心、边材分馏最大达到7.44%）。通过对橡胶木、铁刀木和红花羊蹄甲3 个树种进行测试，δ13C 南、北向分馏最小（均小于0.63%）；其次是δ18O（南、北向分馏均小于2.75%）；δ2H 分馏最大（南、北向分馏最大达到12.88%）。

通过以上数据，对于文中3 个树种的木材产地稳定同位素溯源，C 和O 在树木不同部位分馏较小，是相对理想的元素。还需进一步对其他树种稳定同位素δ 值分馏规律进行研究，已确定树木内部同位素的分馏规律。同时，本研究所有试样均在一地采集，还需测定其他产地木材C、H、O 的δ 值，进一步探明不同产地、不同植株部位对各δ13C、δ18O、δ2H 变化的方差贡献率的大小。