喀斯特地区土壤中的硝态氮占主导地位,但土壤中的硝态氮含量存在时间和空间上的异质性.因此,种植在喀斯特地区的桑树幼苗可能会遭受低氮胁迫.为了给种植在喀斯特地区的桑树幼苗提供科学的无机氮管理,该研究以桑树幼苗为材料,采用水培试验,以改进的霍格兰(Hoagland)营养液为培养基质,以815N值为22.35‰的硝酸钠提供唯一氮源,设置3个硝态氮浓度梯度(0.5、2.0、8.0 mmol·L-1),测定桑树幼苗的光合特征以及叶、茎和根的干重、碳含量、氮含量和815N值,分析不同供氮水平下桑树幼苗的生理响应,通过整个植株尺度的稳定氮同位素分馏值评估桑树幼苗的氮需求与氮供应的关系,通过植株的氮积累量与碳积累量研究碳氮耦合关系.结果表明:(1)当硝态氮浓度在0.5、2.0 mmol·L-1时,增加硝态氮的浓度能显著提高桑树幼苗的叶绿素含量和净光合速率,进而显著促进生物量的积累.然而,当硝态氮浓度超过2.0 mmol·L-1时,更多的硝态氮供应(8.0 mmol·L-1)并没有带来叶绿素含量、净光合速率和生物量的显著增加.(2)增加硝态氮的供应量能促进桑树幼苗的氮同化,桑树幼苗的氮积累量随着硝态氮供应量的增加而逐渐增加,然而,桑树幼苗的碳积累量在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1和8.0 mmol·L-1时无明显变化.(3)桑树幼苗的硝态氮同化产物的稳定氮同位素分馏值在硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时达到最小.综上所述,硝态氮浓度为2.0 mmol·L-1时的无机氮供应量接近桑树幼苗的无机氮需求量,外部氮供应量与植株氮需求量接近平衡意味着植物体内的碳氮代谢能够有效协调,进而实现了碳氮同化产物的同步增长.

稳定同位素技术的发展为深入揭示地下黑箱-土壤食物网的结构和功能提供了重要的方法和手段.本文回顾了稳定同位素技术在土壤食物网研究中的应用,主要包括利用同位素确定土壤动物的食源和食性偏好;通过土壤动物取食与固持养分过程中的同位素分馏效应,分析土壤食物网的营养级结构;此外,稳定同位素技术还揭示了土壤食物网各营养级土壤生物在土壤生态系统物质能量流动中的作用,有助于准确高效地开展土壤食物网在土壤碳氮循环过程中的贡献及作用机理研究.本文同时指出了 目前稳定同位素技术的局限性,展望了未来重点发展的方向.

稳定碳同位素组成能精确指示生态系统碳循环过程,可以为深入研究森林演替进程对碳循环过程和固碳潜力的影响提供关键信息.利用稳定碳同位素技术对长白山阔叶红松林演替序列3种林分——中龄杨桦次生林、成熟杨桦次生林、阔叶红松林的叶片、树干、根系、凋落物和土壤δ13C值及碳、氮元素含量进行测定.结果表明:各演替序列优势树种叶片δBC从冠上到冠下均呈降低趋势;树干δ13C表现为树皮小于木质部;根系δ13C表现为细根小于粗根.阔叶红松林未分解凋落物δ13C小于半分解及全分解凋落物,次生林相反;土壤δ13C沿深度逐渐增加.总体上,δ13C值叶片＜凋落物＜根系＜树干＜土壤,说明植物各器官之间有明显的碳同位素分馏效应,且相同器官不同部位之间也存在差异;植物δ13C沿演替方向先减小后增加,土壤δ13C沿演替方向不断增加,且变化规律可以通过氮元素含量与碳同位素分馏效应的关系解释,说明长白山阔叶红松林演替过程优势树种和碳周转速率的变化影响了碳同位素分馏.

探索稳定同位素对三疣梭子蟹产地溯源的可行性,可为保护地理标志产品、追溯原产地来源提供理论依据.本研究以黄海、渤海和东海3个主产区海域的三疣梭子蟹为对象,分析了其碳、氮稳定同位素值差异性和不同组织中稳定同位素比值的相关性.结果 表明:不同产地的碳、氮稳定同位素比值有显著性差异,不同组织之间有明显的同位素分馏效应.利用建立的判别分析模型,通过三疣梭子蟹不同组织稳定同位素比值进行产地判别分析,采用肌肉和腮中碳、氮稳定同位素的产地判别正确率(＞95％)明显高于肝胰性腺,说明肌肉和腮稳定同位素比值可以对不同海域的三疣梭子蟹进行有效区分.本研究填补了目前三疣梭子蟹稳定同位素溯源技术的研究空白.

土壤碳、氮稳定同位素自然丰度(δ13C和δ15N)随土壤深度变化的研究,对揭示碳、氮元素生物地球化学循环机制具有重要意义.本文在概述土壤剖面δ13C和δ15N垂直分布特征的基础上,重点介绍了土壤δ13C和δ15N垂直分布模式的影响机制.土壤剖面δ13C垂直分布模式的影响机制主要有3种:1)植被δ13C值的历史变化;2)植物群落C3-C4植物优势度变化;3)分解过程中13C富集的微生物源碳的积累.此外,讨论了13C休斯效应对土壤剖面δ13C垂直分布模式的影响.土壤剖面δ15N垂直分布模式的影响机制主要有4种:1)反硝化过程产生的15N贫化气体的损失;2)分解过程中15N富集的微生物源氮的积累;3)菌根将15N贫化的含氮化合物转移到植物而在深层土壤积累15N富集的菌根真菌残留物;4)土壤有机质-矿物相互作用.最后提出了未来土壤剖面碳、氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式研究应该关注的重点.

剖析天然次生林生态化学计量与C、N同位素丰度的关系,能够阐明元素平衡对同位素分馏的影响规律,深刻揭示生态系统资源分配机制与利用策略.以贵州白云岩地区马尾松林(Pirus massoniana forest)、山胡椒林(Lindera glauca forest)、烟管荚蒾林(Viburnum utile forest)、化香林(Platycarya strobilacea forest)和白栎林(Quercus fabri forest)为对象,厘清叶片-凋落物-土壤连续体的生态化学计量特征与C、N同位素丰度及其内在关联.结果表明:(1)不同群落叶片、凋落物、土壤C、N、P含量存在差异,总体为叶片＞凋落物＞土壤,N在连续体间的继承性较强,C则较弱.(2)不同植物群落连续体间C∶N、C ∶P、N ∶P差异显著,5种群落均受到N元素限制,化香林和白栎林还受P限制;烟管荚蒾林C ∶N、C ∶P与化香林N ∶P显著性较高,植物通过协调化学计量平衡以满足自身生长发育和适应环境的需求.(3)叶片、凋落物、土壤δ13C分别为-32.45‰—-29.22‰、-30.11‰—-28.85‰、-26.06‰—-6.83‰,δ15N 依次为-8.36％—-1.17‰、-6.79‰—-2.22‰、3.22‰-7.12‰,总体上元素迁移转化存在一致性.(4)叶片-凋落物-土壤连续体中,化学计量与815N的相关性高于δ13C,土壤化学计量与813C、815N具有更强的耦合效应.结果可为贵州白云岩地区生态系统养分科学管理提供理论依据.