【熱點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)過程中出現(xiàn)同位素分餾現(xiàn)象。碳循環(huán)過程中，同位素交換反應(yīng)使無機鹽(如碳酸鹽)富集重同位素(如¹³C)；而碳的有機循環(huán)，如光合作用的動力分餾效應(yīng)導(dǎo)致生物成因碳(有機物)中富集輕同位素(如¹²C)，從而導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機體和大氣CO₂之間的碳循環(huán)過程中，出現(xiàn)明顯的碳同位素分餾現(xiàn)象。植株光合作用過程差異或土壤有機碳不同條件下微生物礦化過程差異，都會導(dǎo)致不同碳庫的碳同位素比值（δ¹³C）呈現(xiàn)差異。所以， 通過測定各個碳庫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，極大促進了碳同位素分析測試技術(shù)的發(fā)展。近年來，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)的進行耦合，如原位檢測技術(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。已有研究通過測定不同碳組分(可溶性碳水化合物和結(jié)構(gòu)性碳庫)的δ¹³C值，從而估計植物水分利用效率和光合作用在不同時間尺度上的變化。也有學(xué)者通過土壤碳自然豐度δ¹³C的變化，來研究土壤碳庫中活性組分碳(微生物生物量碳(MBC))的周轉(zhuǎn)速率和穩(wěn)定性。隨著分析方法測試精度的提高，采用碳同位素配對標(biāo)記實驗, 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土壤呼吸的貢獻，這對于研究復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中碳通量和凈碳平衡具有重要的應(yīng)用價值。

碳穩(wěn)定同位素人工標(biāo)記技術(shù)也在實際研究中扮演重要角色，如：¹³C貧化示蹤技術(shù)結(jié)合的FACE實驗是研究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涉及森林，農(nóng)田和草地等多個生態(tài)系統(tǒng)和多種植被類型的¹³C-FACE平臺，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)等過程機制。

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)用是在實驗土壤中加入¹³C標(biāo)記的底物，以未標(biāo)記的底物為對照，結(jié)合PLFA、氨基糖等生物標(biāo)志物技術(shù)，測定¹³C在土壤各組分有機碳的量及其來源，有助于闡明外源碳對土壤碳儲量的貢獻。

目前應(yīng)用碳同位素示蹤技術(shù)對C_3/C₄植被演替、土壤有機質(zhì)源匯和各組分的周轉(zhuǎn)及其微生物響應(yīng)機制等方面進行了大量研究并日趨成熟，而對于植物-土壤碳循環(huán)中植物、微生物以及土壤動物(如原生動物、線蟲和節(jié)肢動物等)所扮演的角色及其循環(huán)機理研究較少。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)和生物過程還不十分清楚；放牧、施肥、耕作等人類活動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)合探測技術(shù)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的綜合開發(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)有機碳的來源與周轉(zhuǎn)通量的多碳源解析技術(shù)等方面付出更多的努力。