稳定碳同位素示踪技术在土壤有机碳循环中的应用研究刘㊀哲1,2,3,4(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,西安710075;2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,西安710075;3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;4.陕西省土地整治工程技术研究中心,西安710075)摘要:土壤有机碳库作为生态系统中最重要的碳库,其变化过程对全球生态系统的碳平衡有着直接作用,同时也影响土壤的质量变化㊂稳定碳同位素是一种可以精确示踪有机碳在土壤不同粒级团聚体中动态变化和积累过程的天然物质,能有效探究外源有机碳在土壤㊁植物及微生物中的运转状况及变化规律,稳定碳同位素示踪技术是当前土壤碳循环研究领域的一项新技术,在土壤科学研究中也得到了重要的应用㊂在碳同位素示踪的研究基础上,总结分析了近年来稳定碳同位素示踪法在陆地生态系统土壤碳循环领域和土壤碳固持方面的一些研究进展,并针对目前研究中存在的问题进行了概况总结㊂关键词:稳定碳同位素技术;有机碳循环;土壤有机碳;土壤团聚体APPLICATION OF STABLE CARBON ISOTOPE TECHNIQUE IN THE RESEARCH OFORGANIC CARBON CYCLINGLiu Zhe 1,2,3,4(1.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd,Xiᶄan 710075,China;2.Institute of Land Engineeringand Technology,Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd,Xiᶄan 710075,China;3.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering,the Ministry of Natural Resources,Xiᶄan 710075,China;4.Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center,Xiᶄan 710075,China)Abstract :Soil organic carbon (SOC )pool is the important carbon pool in the terrestrial ecosystem.Changes of theaccumulation and decomposition of SOC are directly related to the carbon storage in terrestrial ecosystems and to the global carbon balance,and influences soil quality.With the development and improvement of isotope analysis techniques,the stablecarbon isotope as a natural tracer has been widely used in the soil carbon cycling research of agricultural ecosystems.Investigation of the carbon isotopic variation in the atmosphere-crop-soil system by using tracer technique of stable carbon isotope contributes to revealing soil organic carbon decomposition.Stable13C isotope technique is helpful to study the changelaw of soil carbon cycle and the roles of soil microorganism in the process of organic carbon turnover.The theory and methodsabout the stable carbon isotope analysis and its applications in the research advances of soil carbon cycling of agricultural ecosystems were reviewed.This paper also described the research advances of organic carbon cycle the mechanism of carbonsequestration in soil aggregate revealed by the stable carbon isotope analysis.Finally,comprehensive summations of the problem existing incurrent research in conjunction with the stable13C isotope technique on SOC were proposed.Keywords :stable carbon isotope technique;organic carbon cycling;soil organic carbon;soil aggregate㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2019-07-19基金项目:长安大学中央高校基本科研业务专项资金项目(300102278501)㊂作㊀㊀者:刘哲,男,硕士,工程师,主要研究方向为土壤结构和土壤碳循环㊂liuzhe168@0㊀引㊀言土壤有机碳库作为生态系统中的重要碳库,是全球生态系统碳平衡的关键因子,其微弱变化就可能对全球碳循环及温室效应产生重大影响,因此土壤碳库的动态变化在调控全球生态系统碳平衡和预防温室效应方面具备明显作用[1-3]㊂团聚体的团聚稳定作用被认为是土壤碳平衡的最重要影响因素,因此研究有机碳在不同粒级土壤团聚体中的分布规律和稳定性,对于增加土壤的碳汇作用具有重要意义,一直是碳循环和农业健康可持续发展领域的重要方向[4,5]㊂目前同位素示踪技术已在物质的来源与迁移规律方面得到越来越多的应用,是研究环境变化和土壤碳平衡的有效技术,同时也是一种探明陆地生态系统碳循环过程的重要手段㊂土壤有机碳循环转换和稳定机制已成为土壤学的研究热点,是评估土壤固碳能力的关键,但是土壤有机碳循环过程是动态变化的,由于传统的差减法等方法不能很好的区分土壤中固定的外源新碳和原有机碳,而稳定碳同位素示踪技术比传统方法能够更加准确地揭示土壤碳循环的运转过程,实现 新 旧 有机碳的区分,为探讨土壤有机碳的循环周转过程及机理提供了技术保证[6,7]㊂自然界中碳同位素主要有稳定性同位素(13C和12C)和放射性同位素(14C),14C具有放射性,对于长时间跨度下的碳循环分析不是很准确,不能有效阐释有机碳的差异程度,而稳定碳同位素13C具有无放射性㊁易控制等长处,并且可以精准的指示追踪进入到土壤中外源碳的运转,对于探索外源碳在不同大小团聚体中的转化规律具有重要意义[8-9]㊂由于人类的长期农业生产活动的干预和影响,农田生态系统碳平衡发生了很大的变化,所以利用稳定同位素示踪技术,探究不同来源有机碳组分的形成㊁周转和稳定机制,可以准确地为采取适宜的有机碳归还方式和陆地生态系统有机碳循环提供科学理论依据㊂1㊀稳定碳同位素技术原理及分析方法1.1㊀稳定碳同位素技术原理稳定碳同位素(13C和12C)是天然存在的无放射性的一种同位素,可以使相关试验在田间原位等自然状态下进行,其物理性质相对稳定,无辐射衰变,质量保持不变㊂采用这些稳定性同位素在研究对象上进行对应标记,微量追踪指示同位素运行和变化规律的分析方法称为同位素示踪技术[10]㊂利用具有原位标记特征的13C/12C比值变化,绿色植物的13C标记地上部分用于分析测量土壤或者植物中碳同位素δ13C天然丰度值,利用其有机碳13C丰度的差异,可以分析植物光合碳的转化和运移规律,能够准确定量外源新碳对土壤原有机碳的激发方向和强度[11]㊂通过稳定碳同位素技术,可有效地追踪光合作用碳在土壤碳库中的运转与分配规律,明确植物光合碳对土壤碳库的贡献率[12,13]㊂1.2㊀稳定碳同位素分析方法当前通用的分析稳定同位素的方法有很多,但质谱法是测定碳同位素方法中最常用的精确方法㊂它是在电场和磁场的作用下,将测试样品中原子或者分子电离成各同位素的相似离子,按它们的质荷比进行分离后进行检测的方法㊂稳定同位素质谱仪能用于液体㊁气体以及固体中几乎所有元素的稳定同位素分析[14-15]㊂近年来,随着13C同位素技术在土壤碳循环中的广泛研究,以及气相色谱-燃烧-同位素比例质谱技术(GC-C-IRMS)和液相色谱-燃烧-同位素比例质谱技术(LC-C-IRMS)技术的不断兴起,碳稳定同位素的研究有了更快的发展㊂稳定碳同位素主要通过以下步骤进行测定:首先是进行相应样品的采集㊁制备和前处理;然后将测试样品转化分离成具有相应元素的纯气体;最后采用质谱仪按质荷比分离后测定同位素的比率㊂一般土壤与植物等固态样品,首先要采用烘干㊁粉碎等前处理方式后才能运用同位素质谱仪进行测定分析,最后使用同位素质谱联用装置完成气体转化和测定[16-18]㊂2㊀稳定碳同位素技术在土壤有机碳动态研究进展土壤有机碳库作为生态系统中比较活跃的有机碳库,对于维持碳库收支平衡㊁保证碳库稳定具有重要的作用㊂随着煤炭㊁石油等化石燃料的大量使用,全球碳平衡和生态环境有不断恶化的趋势,因此研究土壤有机碳的组分㊁转化和动态循环规律,从而探究土壤有机碳分解的微生物驱动机理和稳定机制显得尤为必要,是评价土壤生态系统固碳潜力的核心和关键,成为当今生态学㊁生物地球化学和土壤学研究的共同课题[19,20]㊂土壤有机碳的动态转换过程以及土壤碳库储量的微弱转运变化规律能采用稳定碳同位素(13C)示踪技术进行有效的表征与说明,进一步定量阐述外源新碳和原有机碳分别对碳库储量的贡献率㊂目前在土壤碳循环方面,基于碳稳定同位素技术的主要研究方向包括:1)稳定13C同位素在土壤固碳机理方面及CO2排放方面的研究;2)土壤有机碳δ13C组成与植被类型的关系以及古气候状况的研究;3)土壤有机碳的来源㊁动态变化和循环特征的定量化研究;4)土壤有机碳分解对碳同位素分馏的影响;5)气候变化和土地利用方式对土壤有机碳δ13C组成和来源的影响等[21,22]㊂尹云锋等利用13C标记秸秆通过室内研究作物秸秆㊁及其制备的生物炭在土壤中的分解动态以及不同粒级土壤团聚体有机碳的来源,表明水稻秸秆和生物炭都提高了土壤碳库,增加的外源新碳主要分配到50~250μm粒级团聚体中,质量分数达到70%以上,这可为土壤有机碳的运转与土壤肥力的提升提供新的理论依据[23]㊂刘哲等研究了水稻秸秆添加对砂姜黑土团聚体有机碳分布和稳定性的影响,表明外源新碳的加入提高了土壤团聚体的稳定性,不同粒级团聚体的δ13C值明显增加,变化幅度较大,外源新碳的分解速率明显快于原有机碳,新碳在培养过程中主要进入了250~53μm,<53μm粒级水稳性微团聚体中,分配比例分别为38%㊁28%㊂Chaney等以及Tisdall等[24,25]指出,由于微团聚体固持的碳受到物理保护并具有生物化学抵抗性而不易分解,微团聚有机碳分解需要消耗更多的能量,所以微团聚体有机碳在土壤中更持久稳定㊂所以对于砂姜黑土,水稻秸秆的添加,不仅可以提高土壤有机碳,而且也有助于提高土壤有机碳的固持能力㊂许多学者已经将稳定同位素13C示踪技术应用于土壤碳的微生物调控机制和分子等微观结构方面的研究,取得了一定的研究进展,但也遇到一定的麻烦,尚不能很明确的揭示有机物腐解过程中微生物对团聚体生物稳定性的调控机制[26,27]㊂3㊀稳定碳同位素示踪技术在土壤固碳方面的应用研究3.1㊀土壤团聚体结构与有机碳固定关系土壤有机碳(SOC)是影响土壤结构稳定性的最重要因素之一,已有研究表明,土壤有机碳与团聚体形成及稳定性有着密切的关系,外源有机物料的加入,增加了土壤有机碳,促进了团聚体的团聚与团聚体结构的稳定,在土壤有机碳增加的过程中就相应减少CO2的排放量,同时促进土壤团聚体的固碳效应㊂已有研究表明,不同粒级团聚体中的土壤有机碳分配比例不同,分析发生缘由可能是试验过程中的土壤类型,培养方式及有机物料类型等因素的不同,最终导致外源新碳在团聚体中的分配受到影响[28,29]㊂不同大小粒级的团聚体在固持㊁转移与供应土壤有机碳方面有着不同作用,其中团聚体有机碳含量可以微观表征土壤有机碳的平衡与矿化速率㊂土壤团聚体在物理保护SOC的同时,SOC也能很好的促进团聚体的形成和稳定㊂土壤不同粒级团聚体的物理结构差异性影响着外源新碳进入的难易程度,最终也影响着SOC组分的运移及稳定性[30,31]㊂3.1㊀基于稳定碳同位素示踪技术的土壤固碳研究目前对于影响土壤团聚体固碳方面的人为活动主要有耕作方式㊁施肥制度以及种植方式㊂这些农业管理措施的差异主要通过改变土壤团聚体的更新和转化过程,从而影响土壤有机碳的固定保护机制㊂Six等提出了团聚体与有机碳之间的概念模型,解释了不同耕作方式对土壤团聚体中碳的影响机制[32]㊂吕元春等采用稳定碳同位素示踪技术,对外源新碳(13C标记稻秆)在红壤等3种类型土壤团聚体中的分配规律进行了试验,试验结果表明外源新碳在3种类型土壤中都主要分配在2000~250μm粒级大团聚体中,外源新碳在不同类型土壤中的分配,呈现出了土壤初始有机碳含量越低,分配越多的趋势[33]㊂Brien等利用不同光合作用植物天然13C丰度的差异性,研究得出有机碳在土壤微团聚体中的形成时间要早于大团聚体,因此推断微团聚体是固碳潜力的一个重要指标[34]㊂但也有学者认为大气CO2浓度升高并不能增加新来源有机碳的稳定性,新来源有机碳主要分布进入到易分解的粗颗粒有机质中,同时又降低了原有机碳的稳定性,增加了原有机碳的分解速率,从而提高了土壤碳的周转率㊂Dorodnik等学者利用13C-depleted-FAC试验发现CO2浓度升高条件下外源新碳在不同密度梯度的土壤有机质中的积累程度不同,大部分的外源新碳进入到游离态有机质中㊂通常认为,随着有机物颗粒的密度增加,保护有机物质的能力增加㊂Hagedorn等采用13C-depleted-FACE试验研究表明,尽管增加了植物向土壤有机碳的输入量,但土壤对新输入有机碳较低的螯合速率限制了土壤有机碳的增加[35-36]㊂4㊀问题与展望近年来稳定碳同位素技术已在土壤有机碳的来源㊁循环变化特征的㊁影响因素等方面取得了非常大的应用㊂但总体来说,稳定碳同位素示踪方法在陆地农田土壤碳平衡㊁微生物在农田土壤碳固持中作用研究仍存在许多不足与难点㊂而且稳定碳同位素自身价格㊁标记有机物㊁测定等过程中运行成本高,并且有时难以达到精度要求,在一定程度上影响了该技术的推广应用㊂但是随着稳定同位素分析仪器类型的增多㊁自动化及先进性的增强以及测定分析方法的不断改进,该技术在土壤有机碳领域的应用会进入快速发展的新阶段㊂同时运用稳定同位素示踪技术进一步深入研究不同农田管理方式和干旱胁迫条件下土壤有机碳的周转速度,确定土壤有机碳的来源和对农田土壤碳素累积和转化的影响㊂参考文献[1]㊀邱晓蕾,宗良纲,刘一凡,等.不同种植模式对土壤团聚体及有机碳组分的影响[J].环境科学,2015,36(3):1045-1052.[2]㊀张晓伟,许明祥.关中地区农田土壤有机碳固存速率及影响因素:以陕西武功县为例[J].环境科学,2013,34(7):2793-2799.[3]㊀VANHALA 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