稳定同位素15N技术在高寒草甸生态系统应用展望

闫国苍，王文颖，康 清

（1.青海畜牧兽医职业技术学院，青海 湟源 812100；2.青海师范大学，青海 西宁 810008）

稳定同位素15N技术在高寒草甸生态系统应用展望

闫国苍1，王文颖2，康 清1

（1.青海畜牧兽医职业技术学院，青海 湟源 812100；2.青海师范大学，青海 西宁 810008）

稳定同位素技术是了解生物与其生存环境相互关系的强有力手段，在生态学的研究中应用广泛，稳定同位素15N技术作为一种新方法和新技术，在生态系统氮素研究方面具有极为美好的应用前景，并显示出其强大的生命力。综述了国内外稳定同位素15N技术研究进展，并对其在高寒草甸生态系统中的应用进行了展望，以期进一步发挥其在高寒草甸生态系统中的重要作用，从而在高寒草甸生态系统研究中取得重大进展。

稳定同位素；15N技术；高寒草甸生态系统；展望

由于稳定同位素技术［1］具有示踪（tracers）、整合（integration）和指示（indicators）等多种功能，并能快速检测且结果准确、不干扰自然，所以在植物生态学中的应用引起了植物生态学家的重视，使稳定同位素技术成为了深入了解生物与其生存环境之间相互关系的重要工具，在生态学研究中日益显示出广阔的应用前景。用稳定同位素作示踪剂以研究生态系统中生物要素的循环及其与环境之间的关系、利用稳定同位素技术的时空整合能力研究在不同时间和空间尺度上生态过程与其机制以及利用稳定同位素技术的指示功能揭示生态系统功能的变化规律等方法，已成为了解生态系统功能动态变化的重要研究手段之一，使现代生态学家能够解决用其他方法难以解决的生态学问题。目前，生态学家已将稳定同位素技术运用到不同生态系统的研究中，但在高寒草甸生态系统研究中较为少见，笔者综述了国内外稳定同位素15N技术研究进展，并展望了其在高寒草甸生态系统中的应用。

1 稳定同位素技术发展现状

20世纪20年代，自从Hevesy利用天然放射性同位素对豆科植物吸收铅的情况进行了研究和分析，从此，在土壤化学、土壤肥力和植物营养的研究中同位素示踪技术开始被大量地应用。Urey［2］对同位素物质热力学性质的研究和Nier［3］研制的比值质谱计为稳定同位素地球化学的发展奠定了基础，McKinney 等［4］对 Nier型质谱计进行了改良，从而使稳定同位素技术成为了一种行之有效的分析方法。自20世纪50年代以来，稳定同位素（13N、15N）技术［4］在生物固氮的研究中也得到了广泛应用。目前，在生物固氮方面15N示踪技术的应用主要集中在固氮机理、自养固氮对氮素输入的贡献以及共生固氮过程中寄主与宿主间的营养分配等问题的探讨与研究上；20世纪70年代以来，由于全球性氮污染加重，加之人类对全球环境变化的日益关注，利用稳定同位素技术研究全球氮素生物地球化学的过程全面展开。2007年美国Fry的专著［5］《Stable Isotope Ecology》正式出版，这也意味着稳定同位素生态学以生态学的新分支学科的形象正式诞生。

2 稳定同位素技术在我国的发展

稳定同位素技术在我国生态学研究中的应用起步较晚，其原因是当时的资金和设备受到一定限制而阻碍了稳定同位素技术的发展；但近十几年来，通过与国际上的交流与合作以及我国科学家的坚持不懈，该技术已在我国有了重大的突破和进展，尤其是在近几年，众多生态研究单位和机构投入了巨资，购买同位素比率质谱仪及其他相关仪器设备，更有不断增加的各类基金资助项目也在使用稳定同位素技术去研究生态学问题，由此可以看出，这将在很大程度上提高我国利用稳定同位素技术研究生态学问题的深度和广度［6-7］。 潘庆民等［8］对内蒙古典型草原羊草群落氮素去向的示踪研究表明，氮素循环过程的调控可以通过对草原生态系统的管理而实现，植物对氮素的吸收分配与其生物量的分配并不成比例，而是被近似平均地分配到了地下和地上器官中，暗示氮素添加对地上生物量的影响可能要大于对地下的影响。2005年，陆雅海等［9］通过现代分子生态技术和稳定同位素技术相结合的方法，对水稻（Oryza sativa）根际碳循环的关键微生物种群和功能进行研究和探讨，其结果表明，通过稳定同位素技术他们在水稻根系发现了一组新古菌的产甲烷功能。吴田乡等 测定了内蒙古锡林河流域围封和放牧条件下草原群落主要优势植物和土壤的δ15N值，其结果表明，放牧能显著降低表层土壤δ15N值，由此可推测：长期放牧可能会导致氮循环速率降低。也有专家学者利用稳定同位素技术对湿地生态系统［11］、温性荒漠化草原生态系统等［12］做了一些研究，随着稳定同位素技术在我国各生态领域的全面运用，稳定同位素在生态学及其相关领域如环境科学、林学、农学等的研究中掀起了一股热潮［6］，相关研究人员在高寒草甸生态系统中利用氮稳定同位素（15N）进行了初步研究。稳定同位素技术已成为我国生态学研究常用的一种技术。

3 植物固氮能力的主要测定方法

植物固氮能力测定的主要方法［11，13-15］有15N 还原法、乙炔还原法、15N同位素稀释法和15N自然丰度法等，由于后2种方法更适应于野外研究，因此应用较多。

3.115N同位素稀释法15N同位素稀释法的基本原理将某一形态的N库用15N标记后，当其他未标记N形态转化成为标记N形态时，使该N库中的15N丰度下降；相反，当标记N向其他形态转化时，使转化生成的N库中15N丰度提高。利用15N的稀释和富集，结合各形态N库的含量变化可以计算生物固氮对固氮植物氮素营养的贡献百分比（%Ndfa）。

其中：AS为固氮植物的15N原子百分超，AF为参照植物的15N原子百分超。

式中：A为植物的15N原子百分超，F为植物的15N原子百分数。

该方法要求必须加入高氮量，并尽量缩短试验时间以防止微生物同化的N又再次矿化。

3.215N自然丰度法 由δ15N自然丰度法测定生物固氮的基本原理［13］：大气中N的天然丰度值是0.3663%原子，相当于δ15N值为0，而土壤N的δ15N值在-6‰～16‰，土壤N中15N丰度通常大于大气N的15N丰度，因此，主要依靠从土壤中吸收氮素的植物其丰度应比通过固氮从大气获得氮素的植物大。15N自然丰度法不需要投放标记物，而是通过生长在同一地点的固氮植物和非固氮植物δ15N值的差异 （非固氮植物的δ15N值要比固氮植物的大）来估算固氮植物的生物固氮量。

植物的 δ15N 和%Ndfa可据下式［12,15-16］计算，即：

其中：N（plant）为植物样品中的氮，N（s）为标准品种的氮，N（atom）为大气中氮标准。

式中，δ15Nref为参照植物的 δ15N，δ15Nfixed为固氮植物的δ15N，δ15Nhydro为无氮基质中水培生长的固氮植物的δ15N。

结合生物量数据还可估算出总固氮量（TNfixed），即：

TNfixed=Ndfa×植物生物量×豆科植物所占百分比×豆科植物TN含量

4 稳定同位素15N技术在高寒草甸生态系统中的应用展望

稳定同位素15N技术作为一种新方法和新技术，在生态学研究中应用广泛，并显示出其强大的生命力，在高寒草甸生态系统中也必将发挥其重要的作用，从而使高寒草甸生态系统研究取得重大进展。

4.1 在高寒草甸生态系统物种及其固氮量研究中的应用 利用稳定同位素15N技术对高寒草甸生态系统中物种及其固氮量进行了研究，从而可以确定物种的固氮能力，区分固氮物种和非固氮物种，明确植物自身氮的来源以及物种对固氮所做出的贡献。

4.2 在氮素对高寒草甸生态系统植物生物量以及植物和土壤全氮量影响研究中的应用 氮素作为几大生命元素之一，根据施氮量变化，可研究高寒草甸生态系统植物地上生物量和地下生物量及土壤全氮含量的变化，明确氮素对植物地上、地下生物量及土壤全氮含量的影响。

4.3 在高寒草甸生态系统中不同施氮量对氮素平衡影响研究中的应用 衡量植物回收转移氮素能力的2种参数分别为氮素回收率和氮素回收水平。从这两个角度出发去了解植物氮素的吸收利用效率可以得出更全面、更直观的结果。植物体是氮素的主要氮库之一。给草地添加的氮素有一部分被植物吸收利用，因此，植物对标记氮素的回收率就是肥料的利用效率。利用氮素添加量的变化，了解植物氮素的回收率变化，确定施氮水平。用标记肥料氮素损失量与植物氮素回收量的比值大小来表示草地的经济施肥量。为了实现相应的经济效益，有利于肥料中氮素挥发，因此在现实应用中要合理施氮。

4.4 标记氮素在土壤中存留量和存留率研究中的应用 研究高寒草甸生态系统肥料氮素在土壤中的存留，对于改善目前我国高寒草甸生态系统中氮素的亏缺，以及提高当季和下一个生长季的草地生产力具有重要意义。因此，在恢复高寒草甸生态系统退化中，提高添加氮素肥料的利用率和保持或增加氮素肥料在土壤中的存留率已成为亟待解决的问题。

4.5 在植物对不同来源氮素的吸收研究中的应用植物所吸收的氮素来源分为土壤中的氮以及所添加的肥料氮。对不同来源氮素和不同肥料的氮素（如 NH4+、NO3-）进行分析，对了解植物体及其各部位添加氮素肥料的利用效率有促进作用。此外，可加强稳定同位素15N技术与现有氮素模型的结合研究［11］，以支持深入研究氮素的生物地球化学过程。加深稳定同位素15N技术在高寒草甸生态系统研究中的应用广度和深度，以阐明氮素对高寒草甸生态系统的影响，给宏观综合性研究提供科学依据。可开展高寒草甸生态系统与相邻生态系统之间由于氮素物质交换而产生的生态环境效应特别是污染物在生态系统中的环境行为的研究，以及高寒草甸生态系统各营养级之间营养流动途径研究。

［1］林光辉.稳定同位素生态学：先进技术推动的生态学新分支［J］.植物生态学报，2010，34（2）：119-122.

［2］UREY H C.The thermodynamic properties of isotopic substances［J］.J Chem Soc，1947，1：562-581.

［3］NIER A O.A mass spectrometer for isotope and gas analysis［J］.Rev Sci Instr，1947，18（6）：398-411.

［4］McKINNEY C R，McCREA J M，EPSTEIN S，et al.Improvements in mass spectrometers for the measurement of small differences in isotope abundance ratios ［J］.J Rev Sci Instr，1950，21：724-730.

［5］FRY B.Stable Isotope Ecology ［M］.New York：Springer，2007.

［6］周瑞庆，陈开铁，李合松，等.应用15N示踪技术研究水稻对氮素的吸收利用［J］.湖南农学院学报，1991，17（4）：665-669.

［7］蔡德陵，张淑芳，张经.稳定碳、氮同位素在生态系统研究中的应用［J］.青岛海洋大学学报，2002，32（2）：287-295.

［8］潘庆民，白永飞，韩兴国，等.内蒙古典型草原羊草群落氮素去向的示踪研究［J］.植物生态学报，2004，28（5）：665-671.

［9］LU Y H，CONRAD R.In situ stable isotope probing of methanogenic archaea in the rice rhizosphere ［J］.Science，2005，309（5737）：1088-1090.

［10］吴田乡，黄建辉.放牧对内蒙古典型草原生态系统植物及土壤 δ15N的影响 ［J］.植物生态学报，2010，34（2）：160-169.

［11］孙志高，刘景双，于君宝，等.15N示踪技术在湿地氮素生物地球化学过程研究中的应用进展［J］.地理科学，2005，25（6）：762-768.

［12］李育中，祝廷成，李建东，等.同位素15N在草地氮循环中的应用［J］.中国草地，1996（3）：61-65.

［13］苏波，韩兴国，黄建辉.15N自然丰度法在生态系统氮素循环研究中的应用 ［J］. 生态学报，1999，19（3）：408-416.

［14］程谊，蔡祖聪，张金波.15N同位素稀释法测定土壤氮素总转化速率研究进展［J］.土壤，2009，41（2）：165-171.

［15］黄东风，翁伯琦，罗涛.豆科植物固氮能力的主要测定方法比较［J］.江西农业大学学报，2003，25（S1）：17-20.

［16］易现峰，张晓爱.稳定性同位素技术在生态学上的应用［J］.生态学杂志，2005，24（3）：306-314.

S124.2；S812

A文章顺序编号1672-5190（2016）11-0040-03

2016－10－19

项目来源：国家自然科学基金项目（31260127）；教育部春晖计划（Z2009-1-81010）。

闫国苍（1974—），男，副教授，硕士，主要研究方向为植物生态学。

（责任编辑：慕宗杰）