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陆地C_3、C_4草本植物稳定碳同位素组成及其对温度变化的响应研究

作　者: 李嘉竹
导　师: 刘贤赵；王国安
学　校: 鲁东大学
专　业: 自然地理学
关键词: 植物稳定碳同位素温度控温实验中国北方农牧交错带响应机制
分类号: Q945
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

植物稳定碳同位素(δ¹³C)的研究能够为提取可靠的古环境与古生态信息提供理论依据和研究基础,具有“将古论今”的重要意义。然而在“温室效应”日益加剧的大背景下,植物δ¹³C与温度的关系研究还很不足,仅有的报道所得的结果不尽相同,且对于这些结论,众学者都未能给出合理、充分的解释。因而,植物碳同位素温度系数的大小目前仍没有达成共识,温度的作用机理尚未清晰,温度效应仍是当前环境因子与植物稳定碳同位素关系研究中颇具争议的热点问题。基于此,本研究采取人工控制实验与野外样品采集相结合的方法,设置了五个温度处理对四种C₃草本植物和三种C₄草本植物进行人工控温栽培,同时,在中国北方农牧交错带由东向西沿400 mm等降水量线进行植物样品的采集,以借助天然温度梯度,较为系统地探讨C₃、C₄草本植物碳同位素的组成及其对温度变化的响应趋势,并尝试从植物生理、营养元素含量等角度对温度对植物δ¹³C的作用机理进行阐释,目的是确定植物δ¹³C的温度系数和揭示植物δ¹³C对温度的响应机制,以期进一步揭示现代植物δ¹³C对气候参数的响应,并为碳同位素在古气候和古生态研究中的定量应用提供理论依据和研究基础。得到的主要结论如下:1、室内实验中,四种C₃植物和三种C₄植物的δ¹³C值分布范围分别为-28.31‰^-32.32‰和-14.39‰^-18.27‰。野外所采集的C₃、C₄植物样品的δ¹³C值分布在-24.32‰^-32.76‰范围和-10.50‰^-15.58‰范围,均在前人所得取值范围之内。C₃、C₄植物δ¹³C取值范围无重合,从而验证了光合途径是影响植物碳同位素组成的最根本因素。但将室内试验所得取值范围与野外样品分析结果相比,C₃植物δ¹³C的取值范围较窄,C₄植物的δ¹³C取值则相对偏负,这可能与试验中植物种的选择和所研究植物种的数量有关。2、室内试验结果显示, C₃、C₄植物总体δ¹³C均随温度的升高而有微弱变轻趋势,变化系数分别为-0.017‰/℃和-0.036‰/℃,但单个植物种δ¹³C随温度的变化趋势不尽一致;野外样品分析结果中,C₃植物δ¹³C与温度间存在显著正相关关系,δ¹³C随温度变化明显,温度系数达0.11‰/℃,但C₄植物δ¹³C与温度无相关性。3、室内试验中,对于胞间二氧化碳浓度与大气二氧化碳浓度的比值（ci/ca）的变化,C₃植物的碳同位素组成有较敏感的响应,而C₄植物δ¹³C的变化则相对较弱,表明ci/ca是影响C₃植物碳同位素分馏的最关键因素,而对于C₄植物,除ci/ca外,其同位素分馏还受到φ值（C₄光合过程中,在鞘细胞内C₄二羧酸释放的部分CO2因未被Rubisco羧化而又泄露返回至叶肉细胞中,这部分CO₂所占整个C₄二羧酸释放的CO₂的比例）的影响; C₃、C₄植物δ¹³C均具有与SLA（Specific Leaf Area,比叶面积）成反比的总体趋势。4、根据野外样品的分析结果,植物叶片SLA与温度之间无相关性,表明SLA不是影响植物δ¹³C随温度变化的原因;虽然各样点间土壤N含量具有随温度升高而减小的趋势,但C₃、C₄植物总体叶片N含量与温度无相关性,这可能是由于低温降低了土壤N的可利用性;对三种C₃植物种和两种C₄植物种的基于叶片面积的N含量（Narea）和基于叶片干重的N含量（Nmass）进行分析,结果表明,随温度升高,Narea和Nmass具有增大和无明显变化等不同模式,这与植物叶片厚度未随温度显著变化有关,也可能与研究区的年均温度范围及植物种的差异有关;植物种δ¹³C与叶片N含量的关系也表现出随之增大或无明显变化等不同模式,这表明在应用植物叶片N含量与δ¹³C值之间的关系时,需同时考虑植物叶片N含量及其光合N利用效率。5、分析野外研究区植物样品碳同位素组成与海拔、经度、纬度等地理空间要素之间的关系,发现C₃植物δ¹³C值与海拔高度显著正相关,变化速率为1.3‰/km,与经度、纬度显著负相关,经、纬度每增高1度,C₃植物δ¹³C值分别偏负0.11‰和0.097‰,温度是研究区影响植物δ¹³C随地理变量变化的关键因素。C₄植物δ¹³C值与三个地理变量之间则均未表现线性关系。

陆地C_3、C_4草本植物稳定碳同位素组成及其对温度变化的响应研究

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