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稳定同位素技术在古生态与古环境恢复、古气候重建、全球变化研究中发挥着重要作用。利用土壤有机质δ13C可以反映地质历史时期C3/C4植被变化。而要从沉积物δ13C中提取可靠的植被信息,需要系统研究表土有机质δ13C(δ13Corg)和地表植被δ13C之间的关系。现代植物δ13C与气候参数关系的研究是正确解释沉积物中δ13C结果、提取可靠古环境信息的基础。
水分是干旱半干旱区植被生长和生态恢复的主要限制因子。本文通过对干旱半干旱区温度变化不大而降水梯度明显的水平地带(从山西太原到内蒙古额济纳旗地区)植物和表土的碳同位素分析,建立植物个体碳同位素组成和降水因子之间的关系,并对植物生理指标和土壤因子进行了分析,以解释植物同位素组成对降水响应的适应机制。最后,对植物和土壤的δ13C进行了比较分析,为古生态、古气候研究提供理论基础。
C3和C4植物碳同位素组成和年均降雨量之间均呈现负相关性,而与干燥度之间均呈现正相关性。但C3植物δ13C与降雨量的相关性要高于C4植物,随降雨量增多而减小的幅度要大于C4植物,这说明C4植物δ13C对环境的敏感性要低于C3植物。种间水平上,不同植物δ13C对降水和干燥度的响应也存在差异。白刺δ13C与降水和干燥度的相关性最好,而杨柴δ13C与降水和干燥度无明显相关性。在某种程度上,植物δ13C可以来指示区域环境的降雨以及干燥状况。
土壤有机质、全K含量与C3植物δ13C之间均呈现正相关性,而土壤全N、全P与植物δ13C之间无明显相关性。植物叶片δ13C随叶绿素、脯氨酸含量的增加有偏正趋势。C3植物δ13C与叶片可溶糖含量之间呈现正相关性,而C4植物δ13C与叶片可溶糖含量之间呈现负相关性。C3和C4植物δ13C与叶片淀粉含量都呈现负相关性。在种间水平上,对白刺和红砂的分析结果显示它们之间有一定的差异性:二者的δ13C与叶片可溶糖含量之间均呈显著正相关性,白刺δ13C与叶片淀粉呈现显著负相关性,但红砂δ13C与叶片淀粉含量之间无明显相关性。C4植物珍珠猪毛菜δ13C随叶片可溶性糖、淀粉含量的增加而有偏负趋势,具体来说,与叶片可溶性糖含量显著相关,而与淀粉含量相关性较差。
土壤有机质比地表C3植物的δ13C组成要明显偏正,平均幅度为4.25‰,而比其相对应的C4植物δ13C组成要明显偏负,平均幅度达-6.48‰。