全 文 ：植物生态学报 2010, 34 (2): 119–122 doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.02.001
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2009-10-28 接受日期Accepted: 2009-12-07
* E-mail: lingh@xmu.edu.cn
稳定同位素生态学: 先进技术推动的生态学新分支
林光辉1,2*
1滨海湿地生态系统教育部重点实验室(厦门大学), 福建厦门 361005; 2中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093
Stable isotope ecology: a new branch of ecology resulted from technology advances
LIN Guang-Hui1,2*
1Key Laboratory of the Ministry of Education for Coastal and Wetland Ecosystems (Xiamen University), Xiamen, Fujian 361005, China; and 2State Key Labo-
ratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China

稳定同位素技术因具有示踪 (tracers)、整合
(integration)和指示(indicators)等多项功能, 以及检
测快速、结果准确等特点, 在生态学研究中日益显
示出广阔的应用前景。近年来, 由于生态学研究问
题更趋复杂化和全球化, 多学科的交叉综合研究已
成为本学科发展的新的生长点。以稳定同位素作为
示踪剂研究生态系统中生物要素的循环及其与环
境的关系、利用稳定同位素技术的时空整合能力研
究不同时间和空间尺度生态过程与机制, 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, 已成为了解生态系统功能动态变化的重
要研究手段之一。稳定同位素技术逐渐成为进一步
了解生物与其生存环境相互关系的强有力的工具,
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(Rundel et al., 1989; Ehleringer et al.,
1993; Yakir & Sternberg, 2000; Dawson et al., 2002;
Maguas & Griffiths, 2003; Fry, 2007)。例如, 在植物
生理生态学方面, 稳定同位素技术使我们能从新的
角度探讨植物光合途径、植物对生源元素吸收、水
分来源、水分平衡和利用效率等问题。生态系统生
态学家则利用稳定同位素技术研究生态系统的气
体交换机制、生态系统功能动态变化及其对全球变
化的响应模式等。在动物生态学方面, 稳定同位素
也已广泛地应用于区分动物的食物来源、食物链、
食物网和群落结构, 以及动物的迁移活动等方面的
研究。总之, 稳定同位素技术在生态学中的应用已
引起了生态学家广泛的注意, 逐渐成为现代生态和
环境科学研究中最有效的研究方法之一。
与分子生物学技术对现代基因、生化和进化生
物学领域的发展所产生的重大影响一样, 稳定性同
位素技术已对现代生态学的发展产生积极的影响。
稳定同位素信息使我们能够洞悉不同空间尺度上
(从细胞到植物群落、生态系统或某一区域)和时间
尺度上(从数秒到几个世纪)的生态学过程及其对全
球变化的响应(Ciais et al., 1995; Zanden et al., 1999;
Lin et al., 1999; Battle et al., 2000; Bowling et al.,
2001; Yepez et al., 2003; Bukata & Kyser, 2007;
Kosiba et al., 2007)。由于众多同位素化学家和地球
化学家前期的开拓性研究工作, 我们已经对稳定性
同位素在生态系统和生物地球化学循环中的特性
有了深入的了解(Farquhar et al., 1989)。随着同位素
研究技术与方法的日趋完善, 稳定同位素技术在那
些需要深入研究的现代生态学领域中的应用前景
将更加广阔。例如, 通过稳定同位素的分析, 不仅
可以追踪重要元素如碳、氮和水等的地球化学循环
过程, 还可诊断病人的代谢变化及其原因, 估测农
作物施肥的最佳配方和时间, 研究动植物对环境胁
迫的反应及相互关系, 追踪污染物的来源与去向,
推断古气候和古生态过程, 甚至还可用来了解农、
林产品的组成成分、原产地及搀假可能性等等
(Yakir & Sternberg, 2000; Dawson et al., 2002; Ma-
guas & Griffiths, 2003)。总之, 稳定同位素技术的应
用所提供的信息, 大大加深了我们对自然环境下生
物及其生态系统对全球变化的响应与反馈作用等
方面的认识, 拓展了生态学研究和应用的发展空
间。美国Brian Fry专著《Stable Isotope Ecology》在
2007年的正式出版, 标志着稳定同位素生态学作为
生态学的一门新分支学科正式诞生(Fry, 2007), 是
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继遥感技术导致景观生态学迅速发展后又一门技
术进步与生态学交叉产生的新兴学科, 显示出良好
的发展前景。
虽然, 由于资金和设备的限制, 稳定同位素技
术在我国生态学研究中的应用起步较晚, 但近十几
年通过国际交流与合作以及我国科学家的不懈努
力, 该技术已取得了重要的突破和进展, 逐渐成为
我国生态学研究常用的一种技术。尽管我国生态研
究人员发表了一系列总结国外研究的综述文章(林
植芳, 1990; 陈世苹等, 2002; 王建柱等, 2004; 林光
辉等, 2005; 孙双峰等, 2005; 孙伟等, 2005; 白志鹏
等, 2007; 李由明等, 2007; 刘慧杰等, 2007; 任明忠
和吴福源, 2007; 董子为等, 2009), 但原创的研究工
作为数不多。值得一提的是, 2005年中国农业大学
陆雅海教授课题组采用现代分子生态技术和稳定
同位素示踪技术相结合的手段, 研究了水稻(Oryza
sativa)根际碳循环的关键微生物种群和功能, 用稳
定同位素技术在水稻根系发现了一组新古菌的产
甲烷功能, 在《Science》发表了题为“In situ stable
isotope probing of Methanogenic archaea in the rice
rhizosphere”的研究论文(Lu & Conrad, 2005)。我们
近几年也利用稳定同位素技术研究了三峡水位升
高对库区动植物可能产生的生态效应(Sun et al.,
2008; Wang et al., 2009), 以及外来种红树植物无瓣
海桑(Sonneratia apetala)的生理生态特性(Chen et
al., 2008)。从近几年我国众多生态研究单位投入巨
资购买同位素比率质谱仪和其他相关仪器设备, 以
及不断增加的各类基金项目资助使用稳定同位素
技术研究生态学问题可以看出, 稳定同位素技术将
在很大程度上提高我国生态学研究的深度和广度,
为稳定同位素生态学的发展做出更大的贡献。
为了反映稳定同位素技术在我国生态学研究
应用的最新进展, 我们组织了7篇文章, 意在认识
和理解近些年来稳定同位素技术在我国植物生态
学研究中发挥出的优势及其存在的普遍问题。例如,
张鹏等(2010)以分布于祁连山北麓中段的两种优势
乔木祁连圆柏(Sabina przewalskii)和青海云杉(Picea
crassifolia)为研究对象, 分析了高山乔木叶片δ13C
值对海拔、土壤含水量和叶片含水量、叶片碳氮含
量的响应及其机理, 发现海拔变化引起的水热条件
的改变,尤其是温度变化对高山乔木叶片碳同位素
的分馏起主要作用。何春霞等(2010)结合碳同位素
分析和其他一些生理指标的测定,研究了解树木生
长的局部小环境条件差异对5种常见绿化树木生长
的影响。王玉涛等(2010)则研究了北京地区75种不
同生活型绿化植物叶片碳同位素组成的季节变化
特征, 揭示了植物物种、生活型, 以及生长环境对
植物水分利用效率的影响机理。何茜等(2010)比较
了不同无性系间δ13C值的差异, 并与气体交换参数
建立相关关系, 阐明了稳定同位素技术在筛选高光
合及高水分利用效率毛白杨(Populus tomentosa)无
性系中的应用价值及其应注意的问题。这些研究具
有一定的原创性, 并能结合我国农林业生产中普遍
存在的一些植物生态学现象, 利用稳定同位素技术
解决一些常规方法不容易解决的难题, 并且积累了
一些重要的基础数据。
在另外3篇文章中, 作者阐述了其他稳定同位
素技术在研究氮循环、水分关系, 以及污染物来源
等方面的应用情景。吴田乡和黄建辉(2010)通过测
定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, 发现放牧显著降低
了表层土壤δ15N值, 推测这种变化可能与长期放牧
导致的氮循环速率降低有关。袁国富等(2010)比较
了以水分同位素激光痕量气体分析仪(TDLAS)为基
础构建的大气水汽同位素比值原位连续观测技术,
和以传统气体稳定同位素比率质谱仪为基础的
Keeling曲线法(Keeling Plot)在区分麦田蒸散组分
(即蒸腾和蒸发)方面的优缺点, 为研究生态系统水
平的水分关系解决了一些技术问题。王艳红等
(2010)则系统综述了天然硫稳定同位素和人为添加
的硫稳定同位素在污染生态学研究中的应用现状,
并从其研究的范围、分析手段及源解析模型方面介
绍了潜在的发展方向。我国由于近30多年经济的飞
速增长, 已成为仅次于欧洲和北美的世界第三大酸
雨区, 而酸雨主要是煤和石油燃烧后产生大量的硫
氧化物SOX所造成的。因此, 利用稳定硫同位素技
术研究生态系统中硫酸盐与大气硫的来源和动态,
可为硫元素的源-库和循环过程提供重要的信息。虽
然稳定硫同位素分析在国外已经进行了大量的研
究, 但是目前在国内能够进行稳定硫同位素含量分
析的研究单位还很少, 而且分析费用较高, 限制了
稳定硫同位素技术的应用, 需要在今后的研究资助
计划中给予特别的重视。
从以上的研究报告和综述论文可以看出, 各位
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作者都十分认同稳定同位素技术在植物生态学研
究中的应用前景, 但也指出了应用这种先进技术存
在的一些问题。近几年稳定同位素技术在我国生态
学研究中的普及应用, 在生态学和相关领域如环境
科学、林学、农学等掀起一股稳定同位素的热潮。
加上过去十几年来稳定同位素分析仪器品种的增
多、自动化程度的提高、方法的不断完善和分析费
用的降低, 会有更多的生态学科研人员投入到稳定
同位素生态学的学科建设和完善中, 促进这一新学
科的进一步发展。然而, 应该强调的是, 我们不应
一味地模仿国外过去20年里开展过的研究, 而是应
该在稳定同位素生态学的学科理论框架、相关分析
技术研发和仪器改进, 以及如何利用稳定同位素技
术解决我国特殊生态学问题等方面下足功夫, 为本
学科的进一步发展做出贡献。由于我国现行的科研
政策鼓励科研人员到国外发表SCI论文, 以上介绍
的7篇论文并不代表我国稳定同位素生态学研究的
最高水平, 仅仅是稳定同位素技术在我国植物生态
学研究应用情景的冰山一角, 但我们还是要向读者
推荐这些研究成果, 相信它们能为我国稳定同位素
生态学更深入的研究提供一些借鉴。
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责任编辑: 王 葳