【熱點(diǎn)Focus】碳同位素示蹤技術(shù)及其在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的應(yīng)用與展望

碳同位素原子質(zhì)量的微小差異，使得含有不同同位素的物質(zhì)具有不同的理化性質(zhì)，導(dǎo)致不同的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)，在物理、化學(xué)和生物等反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)同位素分餾現(xiàn)象。碳循環(huán)過(guò)程中，同位素交換反應(yīng)使無(wú)機(jī)鹽(如碳酸鹽)富集重同位素(如¹³C)；而碳的有機(jī)循環(huán)，如光合作用的動(dòng)力分餾效應(yīng)導(dǎo)致生物成因碳(有機(jī)物)中富集輕同位素(如¹²C)，從而導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)體和大氣CO₂之間的碳循環(huán)過(guò)程中，出現(xiàn)明顯的碳同位素分餾現(xiàn)象。植株光合作用過(guò)程差異或土壤有機(jī)碳不同條件下微生物礦化過(guò)程差異，都會(huì)導(dǎo)致不同碳庫(kù)的碳同位素比值（δ¹³C）呈現(xiàn)差異。所以， 通過(guò)測(cè)定各個(gè)碳庫(kù)中碳同位素比值的變化，可以量化“大氣-植物-土壤”生態(tài)系統(tǒng)中碳的來(lái)源、分配及其周轉(zhuǎn)規(guī)律。

質(zhì)譜法、核磁共振法和光譜法是測(cè)定穩(wěn)定碳同位素常用的方法。隨著元素生物地球化學(xué)循環(huán)研究的進(jìn)一步發(fā)展，以及元素分析儀-同位素質(zhì)譜(EA-IRMS)和熱分析-傅里葉變換紅外光譜-氣相色譜-質(zhì)譜（STA-FTIR-GC-MS)等聯(lián)用技術(shù)的興起，極大促進(jìn)了碳同位素分析測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)，在生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的科學(xué)研究中，穩(wěn)定碳同位素示蹤技術(shù)還與其他技術(shù)的進(jìn)行耦合，如原位檢測(cè)技術(shù)（¹³C穩(wěn)定同位素探針-拉曼顯微光譜技術(shù)(SIRM)、穩(wěn)定碳同位素探針-納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)(NanoSIP)、分子生物學(xué)技術(shù)（¹³C同位素探針-磷脂脂肪酸(PLFA-SIP)）等。

基于C₃/C₄植物δ¹³C的不同, 碳同位素組成可以用于區(qū)分植物的C₃和C₄光合途徑以及不同植物功能群結(jié)構(gòu)變化。已有研究通過(guò)測(cè)定不同碳組分(可溶性碳水化合物和結(jié)構(gòu)性碳庫(kù))的δ¹³C值，從而估計(jì)植物水分利用效率和光合作用在不同時(shí)間尺度上的變化。也有學(xué)者通過(guò)土壤碳自然豐度δ¹³C的變化，來(lái)研究土壤碳庫(kù)中活性組分碳(微生物生物量碳(MBC))的周轉(zhuǎn)速率和穩(wěn)定性。隨著分析方法測(cè)試精度的提高，采用碳同位素配對(duì)標(biāo)記實(shí)驗(yàn), 只要SOC和其他一種或是兩種碳源的碳同位素比值間有較為明顯的差別，也可以解析多碳源相互作用及其對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)，這對(duì)于研究復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中碳通量和凈碳平衡具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

碳穩(wěn)定同位素人工標(biāo)記技術(shù)也在實(shí)際研究中扮演重要角色，如：¹³C貧化示蹤技術(shù)結(jié)合的FACE實(shí)驗(yàn)是研究CO₂濃度增加的微域環(huán)境中SOC周轉(zhuǎn)的常用方法。目前全球已建立十余個(gè)涉及森林，農(nóng)田和草地等多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)和多種植被類型的¹³C-FACE平臺(tái)，闡釋了大氣CO₂濃度升高條件下，不同生態(tài)系統(tǒng)植物生理與光合效率、養(yǎng)分和水分利用、土壤呼吸、土壤碳的輸入量及周轉(zhuǎn)率和微生物響應(yīng)等過(guò)程機(jī)制。

另外脈沖標(biāo)記法、¹³C富集底物標(biāo)記技術(shù)，也是重要手段。已有研究利用¹³CO₂脈沖標(biāo)記結(jié)合生物標(biāo)志物(磷脂脂肪酸)的穩(wěn)定碳同位素探針技術(shù)(13C-PLFA-SIP)，發(fā)現(xiàn)了碳從水稻向土壤微生物快速轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，且隨著水稻生長(zhǎng)期的變化根際碳的微生物同化量顯著增加，真菌及革蘭氏陰性菌是主要的同化微生物。¹³C富集底物標(biāo)記技術(shù)的典型應(yīng)用是在實(shí)驗(yàn)土壤中加入¹³C標(biāo)記的底物，以未標(biāo)記的底物為對(duì)照，結(jié)合PLFA、氨基糖等生物標(biāo)志物技術(shù)，測(cè)定¹³C在土壤各組分有機(jī)碳的量及其來(lái)源，有助于闡明外源碳對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)。

目前應(yīng)用碳同位素示蹤技術(shù)對(duì)C_3/C₄植被演替、土壤有機(jī)質(zhì)源匯和各組分的周轉(zhuǎn)及其微生物響應(yīng)機(jī)制等方面進(jìn)行了大量研究并日趨成熟，而對(duì)于植物-土壤碳循環(huán)中植物、微生物以及土壤動(dòng)物(如原生動(dòng)物、線蟲和節(jié)肢動(dòng)物等)所扮演的角色及其循環(huán)機(jī)理研究較少。盡管碳同位素示蹤在植物生理生態(tài)研究中已發(fā)揮重要作用，但許多物理、化學(xué)和生物過(guò)程還不十分清楚；放牧、施肥、耕作等人類活動(dòng)等多種因素可直接影響或與氣候協(xié)同作用影響植被變化以及導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)變化的綜合研究尚需深入；還缺乏碳與其他養(yǎng)分元素的化學(xué)計(jì)量學(xué)方面的研究，以及碳、氮、磷、硫、氧等多種同位素聯(lián)合探測(cè)技術(shù)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的綜合開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。但仍需要在(1)穩(wěn)定碳同位素耦合光譜成像技術(shù)的高精度原位檢測(cè)方法、(2)碳同位素耦合超高分辨率成像技術(shù)、(3)穩(wěn)定碳同位素探針技術(shù)耦合微生物生態(tài)學(xué)多組學(xué)分析技術(shù)、(4)有機(jī)碳的來(lái)源與周轉(zhuǎn)通量的多碳源解析技術(shù)等方面付出更多的努力。