稳定性碳同位素对植物水分利用效率的指示作用_钟兰芳VIP专享VIP免费

稳定性碳同位素对植物水分利用效率的指示作用钟兰芳(高要市林业科学技术推广站高要526100)摘要碳同位素技术已在地质学、生态学和植物学等领域得到广泛应用。文章概述了稳定碳同位素的基本理论,从不同植物类型、空间尺度和抗旱节水植物材料选育等方面对稳定碳同位素对植物水分利用效率的指示作用进行了简要总结,对碳同位素技术进行评价,并就未来发展方向进行展望。碳同位素分辨率与植物水分利用效率高度相关,因而利用碳同位素分辨率来衡量植物水分利用效率必将有广阔的应用前景。关键词稳定碳同位素碳同位素组成(δ13C)碳同位素分辨率(Δ13C)水分利用效率(WUE)中图分类号:S718.43文献标识码:A文章编号:1006-4427(2008)02-0092-06StableIsotopeCarbonanditsIndicativeFunctiononPlantWaterUseEfficiencyZhongLanfang(GaoyaoForestryTechniquesPopularizationStation,Gaoyao,526100)AbstractCarbonisotopetechniquehasbeenwidelyappliedingeology,ecologyandbotany.Inthispa-per,wepresentthetheoryofcarbonisotopeanditsindicativefunctiononwateruseefficiencyindifferentplanttypes,dimensionalscaleandbreedingindroughtresistanceandwatersaving.Weevaluatethecarbonisotopetech-niqueandshowthepotentialresearchdirectionsinthefuture.Theoreticalandempiricalstudieshavedemonstratedthatcarbonisotopediscriminationishighlycorrelatedwithplantwateruseefficiency,anditwillhaveamplitudeap-plicationprospectsinmeasuringwateruseefficiency.Keywordsstableisotopecarbon,carbonisotopecomposition,carbonisotopediscrimination,wateruseefficiency稳定性同位素技术的研究和发展最初始于20世纪30年代中期的物理科学。自50年代开始测定碳同位素的丰度比以来,随着质谱测定技术的改进,在生物地球化学和生态学等领域中取得很大的进展,特别是Farqhuar等[1]系统阐述了碳同位素比(δ13C)和碳同位素分辨率(Δ13C)的计算方法,并确立了碳同位素分辨率与植物叶胞间CO2浓度的关系之后,稳定性碳同位素在植物生物学研究中得到了更为广泛地应用。当前世界范围内水分严重短缺,如何根据生境选择合适的造林树种是植被建设和恢复工作中一个十分迫切和重要的问题。而解决这个问题的一个首要任务是必须对各种植物的水分利用特点有一个比较清楚的认识,因此,植物水分利用效率(WUE)的研究已成为科学家们所关注的焦点之一,而测定植物中碳同位素组成,可以揭示植物生理生态过程相联系的一系列气候环境信息,成为研究植物水分利用效率的探针。本文旨在概述碳同位素与水分利用效率的相互关系,以及稳定碳同位素技术在研究植物水分利用效率方面的研究进展,并就研究中存在的问题及研究前景进行简要的探讨,使碳同位素有更广阔的发展空间提供依据。1碳同位素组成及分辨率的基本理论在自然界中,碳元素有12C和13C两种稳定性同位素,其中,12C占98.89%,而13C只占1.11%。不同物质中,由于“同位素效应(isotopeeffect)”———参加反应的物质因重和轻的同位素不同而产生差异,使得两种碳92广东林业科技2008年第24卷第2期同位素的丰度比(R=13C/12C)有所不同。而正是这种比值的变化包含了在碳转移固定过程中的物理、化学和生物代谢等方面大量的信息[1]。这是因为植物组织中的13C与12C比值都普遍小于大气CO2中的13C与12C比值[1-2],CO2在通过光合作用形成植物组织的过程中,会产生碳同位素分馏。基于这一特性,生物体组织中的稳定性碳同位素已被成功地引入到生物学的多个研究领域,如光合作用途径的研究、光能利用率、环境污染、植物水分利用率、矿质代谢、生态系统中种间关系、气候效应和生物量变化等[1,3-8]。水分利用效率(WUE)反映了环境水分资源对植物生理状况的影响。经过多年的研究,Farquhar等[2]确立了植物叶胞间CO2浓度(Ci)与水分利用效率(WUE)的数量关系为:WUE=(Ca-Ci)/1.6ΔW(1)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯其中,Ca为大气CO2浓度,ΔW是叶片与空气的水蒸气浓度梯度;1.6为由气孔对水蒸气的传导性转为对CO2传导性的转换因子。可以看出,Ci越大,WUE越小,相反,Ci越小,WUE越大,Ci与WUE呈负...