全 文 ： 。 [，
第l9卷第3期
l999年5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．19．No．3
M ay，1999
N 自然丰度法在生态系统氮素
循环研究中的应用
葱—监 黄建辉
(中国科学院植物研究所 北京 100093)
，，争乒．』
， ，；
摘要 稳定性同位素技术是现代生态学研究中的-f3新兴技术 ，在生态学研究的诸多领域都展示丁广阔的
应用前景。其中，稳定性同位紊nN 自然丰度法近年来在生态系统氮素循环研究中发挥丁和正在发挥着般为
重要的作用。首先简述丁自然生态系统氮素循环诸过程中的 N同位紊分馏 机制 然后 ．在此基础上 ．综述 丁
一sN 自然丰度法的基率原理与方法 ，列举丁近年来此法在生物固氮及氯素转 化过程研究中的一些应用实例，
井预涮了该方法在国 内氨紊循环研究中的应用前嚣。
关键词 稳定性同位素技术， N自然丰度 翌幽 ，墅墨篓
APPLICATIoN oF ”N NATURAL ABUNDANCE M ETHoD
T0 THE RESEARCH 0N NITRoGEN CYCLING IN
NATURAL ECoSYSTEM S
SU t3o HAN Xing—Guo HUANG Jian—Hui
(1nslitule of Botany，the Chinese Academy of Sciences，Belting，100093tChina)
Abstract In recent years there has been a prosperous application of stable isotope tecb—
nique，a new method applied in modern ecology research，in many ecological research
fields．Of all kinds of stable isotopes，“N stable isotope technique plays a very important
role in the research on nitrogen cycling in natural ecosystem s and is still functioning effi—
ciently now． In this article，the nitrogen cycling processes in natural ecosystems and the
related”N isotopic fractionation during every processes were introduced．The theory and
method about“N natural abundance method were reviewed in detail，respectively．Some
case studies on nitrogen cycling applying N natural abundance method were listed．
Key words stable isotope technique， N natural abundance method，nitrogen cycling，e—
cosystem s．
近些年来，稳定性同位索技术以其安全 、准确及不干扰 自然等优越性在植物生态学中的应用也逐渐引
起了植物生态学家的重视 。作 为一种新方法和新技术 ，稳定性 同位索技术几乎在植物生态学 的各个领
域都展现 了极为美好的应用前景： 氮索作 为几大生命元素之一，其稳定性 同位素分析技术 ，特别是 N
* 国家 自然科学基金资助项 目(39570126)
收稿日期 ：1997 07 03，修改稿收到 日期 ：1998 02 27
一
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3期 苏 波等 ： N 自然丰度法在生态系统氮素循环研究中的应用 409
自然丰度法 (a N法 )在生态系统物质循环研究中的应用尤其受到关注 。
在很长一段时间 内．国内稳定性同位素 N的应用主要 局限于农业生态系统中氮素 的吸收、转化和分
配状况研究 叫 ，且多用富集的 N，到 目前为止尚未有人将 N 自然丰度法应用于没有人工干扰的 自然生
态系统氮素循环的研究 。与国外相 比，应该说国内的相关研究尚属空 白 鉴于稳定性 同位素技术的基本概
念和原理 已经有人作过详细介绍 ，本文将着重对 自然生态系统氮素循环 中的氮同位素效应 ， N 自然丰
度法及其在氮素循环中的应用实例加以综述 。
I 氮素循环诸过程 中的氮同位素分馏
氮 素在生态系统 中的循环大致可人为划分为3个过程 ：氮素的输入(主要是生物固氮)；氮素在生态 系
统 中的转化(主要包括分解作用、矿化和硝化作用以及在食物网中的转化)；氮素的输出(主要是反硝化和
气体挥发)。由于化学转化、物理运输等原 因，氮素循环诸过程都可能使氮素发生同位素分馏 。
I I 生物 固氮过程中的氨同位素分馏
生物 固氮是氮素 由气态 N 向生态系统输入的主要途径之一 l 。通常．生物固氮过程中 的氮同位素分
熘很小．同位素分馏因子值与大气 N 的同位素效应(0‰)极为相近 ，这也是生物固定氮的 a N值与大气 a
”N值相近的原因__ 。
I．2 氮素转化过程中的氮同位素分馏
在矿化和硝化过程中氮同位素分熘较为显著。一般来说 ．矿化和硝化后产物的”N 丰度相对于矿化 ，硝
化前的反应底物均有不同程度 的贫化作 用。植物对 NOg、NH+等无机盐的吸收和 同化过程也有较大的同
位素效应，被吸收、同化后的氮素”N丰度比吸收同化前产生富集作用“ 。在食物阿中，食物被捕食后，在同
化过程中也会发生同位素分馏。一般地 ，捕食动物相对于食物均发生”N富集现象。研究发现 ，在捕食动物
发生 N富集 的同时．其代谢产物通常以 N贫化的氮分泌物和排泄物排出体外 ．动物体不同组织的8”N值
相对于食物有从肾脏 毛发 肝脏逐渐增大的趋势 。
1 3 氮素输出过程中的氮同位素分馏
氮挥 发和反硝化 作用是氮 素的主要 损失途 径 。。氮挥 发过程 中的 同位素分馏通 常产 生”N 贫化的
NH 和”N富集的 NH4+库 。反硝化作 用也能够产生”N贫化 的气体 ．同时使剩余 NOg库 富集“N 然而 ，氨发
挥过程和反硝化作用在大多数森林中的 N同位素效应都不大 。
I 4 定性摸型
对 于氮素循环诸过程中的氮 同位素分熘 ，Nadel—
holer和 Fry_1 建立了一个定性摸型，用于解释森林生
态系统”N 自然丰度格局的发 展与维持。模型见图l_1 。
2 N 自然丰度法在氮素循环研究中的应用
2．1 生物 固氮研究
测定生物 固氮 的方法很 多。关于非共生 固氮的测
定方法 ，Gibson等 作了详细介绍 ]，在此不作讨论，
本文主要讨论共生固氯研究。一般说来 ，共生固氯的测
定方法主要 有氮累积法 ，乙炔还原分析法 ，”N整合法，
同位素稀释法和”N 自然丰度法5种“ 。前4种方法 因各
方面限制 ．都不能在无干扰的自然生态系统中应用 ．而
”N 自然丰度法则克服了这一缺陷．一经产生就引起众
多生态学家的重视 ．并得以广泛应用
2．1 1 a N法测定生物 固氯的基本原理 大 气 N。自
然 丰度值是0 3663原子 l1 ”]，相当于 a”N值为0，而
土壤 N 的 a N值在一6‰～l6‰之间[19,2o3 土壤 N中
N丰度通常大于 大气 N 的 N 丰度 -，因此 ，主要
E
3
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NH F,N 。d’
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图1 森林生态系统申氮素转化过程的同位索效应假
设模型[ 5]
F 1 A hypothetical mode[of motopo Iract~ona
tions during nitrogen tratts~ormations in forest e
cosystetrts E】 ]
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410 生 态 学 报 19卷
依靠从 土壤中吸收氨索的植物 丰度应 比通过同氮
从大气获得氮素 的植物大。利用固氮植物和 非固氨植
物 N 自然丰度的差异即 可估计固氮植物 的生物 固氨
量 图2图解说明了 a N法的典型情况。
”N 自然丰度法可用于定量计算生物 固氮对固氮
植物氮素营养的贡献，计算公式如下 ：
N d一 ( ”N_rI— d N n )／( Nh )
其中”N 代表参照植物，即与 固氮植物生长在相
同环境下的非固氮植物组织的 8”N值，a N n 代表野
外 固氨植物组织 的 a N 值，a”Nh 代表在无氮溶液
中水培 生长的固氮植物组织的 a N值 ，对固氮植物进
行无氨水培 的目的是在氮 索200 源于固 N z的条件 下
测定其同位素丰度 。有关固氮植物水培方法及 a N 。
值的确定 ，读者可参考 。结合生物量等数据 ， N 自然
丰度 法还可以 计算 固氮植物 一个生长季 内的总 固氨
量‘ ： ．
臻罂L 槲
图2 固氟植物 N丰度期望值的假设模型
植物 A中大部分 N(约9o )来 自大气 N ，植物 B中太
部分 N来自其它来源(仅约l5 来 自大气 )
Fig．2 Hypothetical expectation of the Nabundance
of plants that fix N
M ost of the N of plant A (about 90 )is derived
from atmosphere N2 Most of the N of ptant B is de
ved from other soug~es(only about 15 is derived
fro m atmospheric N2)．A N 2一fixing plan A ；B N2一firing
plan B}(a)Biolo ca1]y fixed N；(c) N abundance}(b)
N fro m other SOU rCeS
固氨量 一 N ×所有植物生物量 ×豆科植物所占百分 比×豆科植物全氮含量
需要指出的是，由于草原生态系统内植物生物量和豆科植物百分 比的估计比在森林生态系统内相对
容易 ，因此 ，此公式更适用于估计草原生态 系统的总固氮量
2．1-2 氮同位素比率的测定方法 在常规稳定同位索分析中，所有的样品必须先转化为纯气体产物(如
CO。，H⋯N ，SO 等 )后才能在同位素比率质谱议上进行分析 氮同位索分析也不例外。
稳定同位 索的测定大致分3个步骤 ：
收集和制 备样 品，将材料转化 成具 有所
测元素的纯气 体：用质谱 仪 测定同位素
比率。总的操作过 程可用 图3归纳之
下面详 细 介绍氨 同位 索 比率 的测定 步
骤
(1)样品采集 包括植物样 品，土壤
样品，枯落物样 品等。土壤和枯落物样品
按常规方法取样。由于 N 自然丰度法基
于固氨植物和 非固氮 植物之间 a”N值
的微小差异 ，所以 ，植物样 品取样方法具
有其特 殊性 ，取 样的每 一个 细节都必颓
确 保 最 终 测 定 结果 的误 差 最 小。有关
a N法植物样品的取样 策略，Shearer和
Kohl口 作 了 系 统 论 述，Schulze等 ，
Hdgberg和 Alexanderm 也作过 报道 。综
合诸样方法 ，植 物取 样 时颓 注意 以下 问
题 ：
(a)重视非固氨参照植物的选择。入
选非固氰参 照植物与 固氨植物吸收的非
大气 N 的 N 丰度必 须相同 。为此 t选 择
与固氨植物根生 长模式，吸收氨 索土 体
材料收集 l
{! ! ! l
图3 测定有机物质中同位素的工作程序 2
Fig 3 The procedure of measuring isotope~atios in organic matter[ ]
蓍
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3期 苏 艘等：“N 自然丰度法在生志系统氮素循环研究中的应用 411
部位与吸收氨素时期相近的参照植物，尤为重要。
(b)取样时 ，为使所取样品更有代表性 ，每个样地每个种 (包括固氮植物和参照植物)先要从5～10个单
株上分别取样 ，然后台而 为一．形成该种的一个洋品。为避免参照植物和固氮植物 园吸收土壤 N 的 N丰
度不同弓f入的误差 ，要对尽可能多个参照植物种进行取样。
(c)对固氮植物和参照植物要尽可能就近配对取佯，这样有利于它们从土壤中吸氮的N库趋于一致．
而确保最后测量结果的准确性 。
(d)在生态 系统研究中．植物叶片和茎通常是最可行的取样组织 t一般叶片要收集相当于200g于物质
的量。由于茎和叶的”N丰崖不同(茎<叶)，取样时 ．参照植物和固氮植物都要取可比组织(都取茎或 叶)。
)由于幼小植物和未成熟组织内 N同化过程的同位素分馏尚未完成 ，”N 自然丰度还没有最后稳定 ，
围此 ，取样时要注意选取 已充分展开及成熟的叶片和成熟枝茎。
(2)样品的制备
①烘干、粉碎与称量 待测样品放入通风干燥器内t在70C以下烘干48h．然后将叶片(不包括叶柄t叶
轴)用粉碎机粉碎过0．5ram 的筛 ，装入密闭容器 (小塑料瓶或密封塑 料袋1备用 。测氮同位素可直接从烘 干
粉碎后的材料中称取样品，称取量取决蛋白质含量高低 。静出的样品用作a”N值和养分含量的分析。
②将样品转化为气态 N： 有两种方法可将有机氮转化成 N z
(a)直接燃烧法 将所测样品装入材料管，加入 CuO(短细线状)和铜 (细颗粒状 )吾1g，以及一小片银
作催化剂，密封材料管，放入炉内燃烧，一般在5ZOc下燃烧34h，燃烧后管内的材料被分解成 N D 。
(b)凯氏消化法 (Kjeldahl d estion) 先将样品消化转化为 NH +再将消化渡加浓 NaOH或 KOH蒸
馏到硼酸中+然后用标准酸}葭滴定确定 N 量 ，再浓缩 ，抽至真空移走大气 中 N ，最后用次溴酸钠或次溴酸
锂将 NH 氧化成 N：口 。
Mizlagawa等 曾对以上两种方法作过 比较研兜+结果发现 ，尽管燃烧法看似优于凯氏稍化法 ，但由于
燃烧法中N 受到 CO的朽染，可能导致 N：量和 N丰度表观值的增加．幸好．他们在用两法准备的样品 N
丰度值之间仅发现了极散小的差异，所以，他们认为+只要小心操作，两种方法均可使用
(3)质谱仪测定 -
产生的纯气体 N 最终收集在测试管中．便可在质谱仪上进行同位素测定。通常 ，质谱仪在计算机辅助
F直接蛤 出同位素比值 ，更先进 的仪器已可 以进行 自动化分析 ]。有关质谱仪 的原理 和使用方法 ，读者请
参考有关文献L29 。
2 1．3 ”N 自然 丰度法在 生物固氮研 究中的应用实例 8”N法在生态学中的应用始于对植物，动物 ，沉
积物等生物材 料 N 自然 丰度 差异 程度的描述-”““ 研究发现，太 多数土壤 a“N高于大气 N ，大致在
- 5％～ 15‰之 间。土壤 和大气”N 自然丰度 间的描述偏差弓I起了许多学者的兴趣 ，他们尝试通过对植物
组织和 土壤进行同位素分析来研究共生固氨 ”。 一 一。90年代 来 ，a”N法在生态学研究中 的应用得到
了进一步发展 下面主要对近些年的研究加以介绍。
Shearer等 用 N 自然 丰度法 估计 了南加 利福 尼亚索诺 兰 (Sonoran)抄 缕 生态 系统 中牧豆树 属
(Prosopis)植物的固氮作用。在分别测定了两个生长季中牧豆树属5个村种样品组织、土壤及非固氨(对照)
植物组织中的 N丰度后 ，发现 固氨植物组织中”N丰度明显低于土壤 和对照植物相应组织，土壤 N 中
”N含量也显著高于大气 N 。因此，在这种生态系统中，”N自然丰度差异可以用作固氨指数。作者还测定了
其它6个地方，生在相同生境的固氮植物和对照植物叶组织的”N丰度，根据这些数据，作者估计生物固氮
对抄漠豆科植物 N素收支 的贡献在43 ～61 之间。
Schulze等一娴在纳米比亚滑一个干旱梯度用 a N法对沿途树种的固氮作用作了研究。分别测定了11
个含羞草科(Mimosaceae)木本物种和11个非含羞草科木本物种的 8”N值 。对 所有物种和 生境求平均 后，
算得在此梯度上固氮作用对含羞草叶片N浓度的贡献(N r)平均约为3o ，但种内和种间存在很大差异。含
羞草科祁非含羞草科物种 N丰度之间的差异被认为主要源于固氮作用
Yoneyama等 ’分别对巴西和泰国的热带植物特别是豆科树种的 8 N值及其 固氨量作 了测定。结果
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412 生 态 学 报 19卷
显示，在 巴西 ，非固氮树 种的 ＆”N值 为4 8 ：士1．9‰，比土壤氮的 ＆ N值 (8．O‰士2 2 c)低 ，含羞草属
(Mimosa)植物和野葛(Puerarialobata)的 8”N值更低(一1．4‰士D，5‰)，大黍(Panicum maximum)和豆
科树种(除银合欢属 “ca nn的 L．1eucocephala种之外)的 N值与非固氮树种相近，表明这些植物固
氨作用的贡献可以忽略不计 。而在泰国 ，非固氮树种 占 N值为4．9‰士2．0‰，而 L Let~cocephala，术 田菁
(Sesbanla grandi ora)，木麻黄属植物(Casuarina spp．)和苏铁属植物 (Cycus spp．)的 8 N值则较低 ，接近
大气 N 的 N值 (0‰)，说 明，这些植物本身 N 的大部分来源于固氟作用的贡献 另外，决 明属植物(Cas
si日spp．)和酸豆属植物(Tamarind“ indica))8 N值较高，证实这些树种是非结瘤豆科植物，而金合欢属
树种(Acacia spp)．和 口 九c a sepium及其它潜在结瘤豆科树种的 8”N值平均比非固氟树种的8 N值稍
低，表明这些豆科植物固氮作用贡献不大。
Kohis等 借助 ＆ N法估计了加拿大阿萨巴斯卡(Athabasca)新冰川(ne0一glacia1)撤退后135a中，3
个仙女术属(D 甜)分类群的固氮能力。结果表明，维营非固氮树种在此时间序列中 N丰度平均值均为
负，从一6．4‰±0．4‰到一3．3‰士0．4‰，而现存仙女木属的 Dryas drummondii种在整个时间序列中
815N值从一6．0go±0．5‰变为0．32‰±0．4‰，显然 ，它直到此时 间序列的 中晚期 才开始 固氮 。n drum一
垅。 dii源于大气 N百分率的平均估值在81 ～89％之闻_f山女木属 D．octopetala种和 D．integrifolia种
的-；N丰度平均观察值分别为一3．5‰±0 5go和一I．9嗽士0．3‰ ，该 值与非固氮物种的 8 N值 相近t因
此 ，此处这些物种显然不固氟 ；
H6gber 和Alexander[ 为深入探讨热带林地和森林生态系统中生有外生菌根(ECM，即 ectomyeor—
rhizas)，内生菌根(VAM，即VA—myeorrhizas)或同时生有内生菌根(VAM)和固氮豆科根宿共生体(NOD)
的树种的养分状况，分别对赞比亚林地中22个树种，喀麦隆低地雨林中2o个种韵叶片养分浓度和 N自然
丰度怍了测定 结果表明，固氮树种进行的固氮作用在造林地中远比在雨林中重要。
由于土壤 N 自然丰度存在地域差异性 ，土壤 8 N与大气 ＆ N 之间存在极微小差别 ，可能影响 a N
法的准确性 ，一些研究人员对 占”N法估计固氨提出 了疑问。~remner和 Van Kesselm 通过 比较 8”N法和
N同位素稀释法在野生豌豆和兵豆固氮上的差异，对 a N法怍了评价 。研究发现 ，两种方法对兵 豆的固
氮估计值都 同样可靠。Hamihon等0町对火烧后27个月内混交林下层黑木金 台袭 (Acucia melanoxylon)和
Acacia m“cronata的生物固氮分别用a N法和 N富集同位素稀释法作了估计。结果证明，8 N法准确估
计了固氮量，但与同位素稀释法相比较，作者认为用同位素稀释法估计的固氮量与 a N法不一致。
2．1．4 “N自然丰度法测定生物固氮的优缺点
①优点 a不需收集根瘤Ib不干扰土壤生态系统或野外植物；c仅需收集叶片材料}d能够估计叶片
整个生长季 内的固氨总量。
②缺点 8”N法的主要缺点是固氮植物和非固氮参考植物间 N丰度的差异很小，通常低于lo％o，这
佯，测量误差和非大气 N 氮源 占 N的真实差异变得很重要。显然，占 N法不能用于由于测量误差和真实
差异造成的a N值的总差异超过非固氮参照植物和固氮植物中固定态氮之间差异的情况 N素在代谢过
程中的同位素分馏是8”N自然丰度法的主要误差来源，因此，实验设计、野外取样和实验程序都必颤有利
于使同位素分馏对固氮估计值的影响最小 。
除此之外 ，8 N法还有与其他同位素稀释法共有的问题 。由于这两种方法都假 定非固氮 N源的 N丰
度对固氮植物和参照植物都相同，而这一假定在有时(如两种植物吸收氮素土体位置和时间都不相同)却
不成立 因此 ，选择台适的参照植物至关重要 。
2，2 a N法在氮索转化过程研究中的应用
2．2．1 氮素的土壤内循环研究 土壤 内部 N循环涉及有机 N 矿化为无机 N，无机 N 通过土壤微 生物 生
长和死亡过程再转变成有机N这一过程中的矿化率、固持率和转化率_| 。由于固氮树种和非固氮裢下植
被的a N值存在显著差异，因此，使用 8“N法可进行固氮树种和非固氮林下植被间N素的内循环研究。
Van KesseI等 用6a时间对银合欢属Leucae~a “f瞰砷 口^ 树种地上部各部位及其下层植被 ”N值的
变化进行了监涮 囊 果表明，固氮树种银合欢属 L．Leucocephala种生长早期固定的一部分 N z通过分解及
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3期 苏 披等 ”N 自然丰度法在生态系统氦 素循环研究中的应用 413
后来整合入 L Leucocephata的枯落物及有救土壤氨库中，可使下层物种加以利用。
2．2—2 水分和 N 索动态研究 有 入通过测 定赤花华(Chihuahuan)沙漠林地 内潜在矿他，土壤全 N浓度
和 N值 ，井分析三者的关系，对该林地中的水分和 N素动态进行了研究 。研究结果发现 ，依赖表面水
分和 N 素的植物可能比那些干旱期同转 向更稳定深层水分和 N源的植物更易受害
2．2．3 氮素来源研究 Abbadie等 在拉 目图(Lamto)稀树草原上测得草本植物的 N 自然 丰度值 (有很
小的绝对值)远低于土壤有机质a N值。为探求其缘故，他们分别测定了(a)总降水，(b)腐殖化土壤有机
质矿化怍用，(c)气态 N：的固定和 (d)植物枯 落物分解4种氨素来源的8”N值，结果表明，第 1种氮源(负的 ＆
N值)仅满足了草本植物7 的 N素需求，第2种N源由于腐殖质矿化率很低，也只满足了7 。第3种 N源
(8“N 为o)+由于在稀树草原上几乎没有豆科植物 ，微生物和草发生非共生固氨 ，满足了 N需求的l7 所
有这些过程都不能解释草中 a N值很低的原因，分析发现大部分被 同化 N来源于根系材料的腐烂
Miehelsen等 州测定了瑞典北部地 区23种维管植物 叶片和2种地衣、土壤、雨水和雪 中的 N 自然车度 。
结果发现，在营养极端贫瘠条件下，共存物种获得氮素来源在种间存在差异，这些来源主要包括 NH：一N，
NOg—N，土壤有机 N，大气 N和降水 中的氮 ，同时，具有不同菌根苗共生类型的植物(兰花型、内生或外生)
可能是导致土壤氮素来源差异的重要因素。
除了确定氮素来源外，”N 自然丰度技术还可以测定溪流中碎屑的来源 ，该技术与稳定性碳同位素”C
和硫 同位 素 S结合时更加有教“ 。
2．2．4 固氨植物侵入对被入侵生态系统养分循环的影响 使用 N 自然丰度法能够探 明固氮 植物对被入
侵生态系统养分循环的影响。Stock等 在南非开普敦(Cape town)2~澳洲合欢(Acada Satia 日和 A．cy—
clops)．K侵相邻两个生态系统后，对这两个系统的养分循环的影响怍了研究。结果表明，合欢的入侵不仅明
显增加了两个生态系统表土有机质和矿 质养分的富集，而且还提高 了氮 索的矿化率 。被入侵样地土壤 的
8 N值指示，合欢对土壤氮素的组成有强烈影响 。
2．2．5 同时测定 a C和 a N在水生生态系统食物网研 究中的应用 由于食物 网营养结掏研究以前 主
要依靠 胃容物分析法 ，所以，营养模型通常是瞬时 的且特别易受时空尺度的限制。‘ 近 年来 ，已有研 究证
明，测定碳，特别是氮同位素自然丰度能为海洋食物网营养结构研究提供有用信息 ““ 。此法以以下事实
为基础 ，即在特定条件下 ，这两种同位 素在食物链 中各级猎物和消费者组织之间通常发生可预测的逐步富
集 ，且每次富集量大致相等 ，通常 ，营养级每升1教 ，碳同位素平均 富集1‰，氮 同位紊平均富 集3．2‰m]。因
此 ，通过测定一系列消费者 的同位素丰度便 可以确定海洋群落 内的相对或绝对营养级。
Rau等唧 通过测定 Weddell海域12种鸟，4种海豹，5种鱼的247个肌 肉组织中的 8”N、a”C和 C／N 比，
辨别了该海域中脊椎动物食物 的相似性和差异性以及食物网营 养级。结果显示，Weddell海大多数脊椎 动
物 间 8”N值范围有重 叠，且所有脊椎动物的一系列研究值范围 比它们潜在的猎物都要窄，证 明许多高级
消费者共有少量相同的食物来源和营养级。
Hamilton等 ”在 Venezuela Orinoco泛滥平原上测定 了自养生物、水生无脊椎动物和鱼类 中稳定性
c、N同位素比率，揭示了微型藻类，包括浮游植物和附生结构，即便水生维管植物有更太丰度，它们对许多
水生动物来说仍是最主要的能量来源 同位素证据哀胡，即便水生维管植物有很大丰度，其中也聚藏着高
密度的水生动物，但这些水生动物却极少依赖这些植袖的有机碳。
Hobson和 Welch_5 测定了 Barrow Strait Lancaster Sound海洋食物网中从初级生产者到北极熊(Ur一
5粥 maritimua)之间43个动物物种322个动物组织样品的 C／ C和 N／“N比率。结果显示 ，8”N值从5．4‰
士O．8‰(颗粒有机质)增加到21．1‰ 士o．6‰(北极熊)，且每上升1个营 养级 ，8 N值增加十3．8‰。作者用
该值构建了一个简单的同位素食物网模型，确立了该海洋生态系统的营养关系。该模型证实，一个食物网
主要由5个营养缎构成
Calbana和 Rusmussenl5 认为 ，动物氮库相对于其食物富集 N，最高级捕食者具有最高的稳定同位 素
丰度 a N法证 明，营养级取决于它所反映的基本食物网结构中 8 N值的差异程度，而 不取决 于甜食物
链 不断变化的同位素分馏 。作者通过 比较多个翻区成年鳟鱼(一种高级捕食者)的情 况，发现，所涮鳟鱼的
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414 生 态 学 报 l9卷
a N值在7．5‰～17．5‰之间，这一范围对一个种来说相当宽。由于 a N可描述食物网的情况，所以，这种
差异可通过食物链 的长度来解释 。通过测定食物链长度 ，作者证明，a”N值可 作为营养缀的一种持续、完
整的测定参数。
3 N 自然丰度法在国内的应用前景
”N 自然丰度法是近年来发展起来的估计自然生态系统中固氮贡献的一种新方法，也是迄今在估计无
干扰 自然生态系统中固氮研究 中使用最多．公认最好的方法。a N法可 估计 固氮植物 N 素源于固氮作
用百分率 ．结合氮生产力数据 ，此法能够估算通过共生固氮输入 生态系统中的氮量 。在野外 固氮研究 中，
N自然丰度法使用较多．但它在氮素转化研究中应用却相对较步，在更复杂 的系统中 ，用 N 自然丰度法
研究 N素转化受到氮在库与库间转移过程 中同位索分蹭的限制．固此 ，此法在该领域 尚有很多工作要做
近年来 由于术材的过度采伐和草场的过度放牧 ．我国绝大多数森林和草原都 出现了不同程度的退化
现象 ，而退化的标志之一是土地贫瘠 ，氮、磷匿乏．特别是氮素缺乏。大量氮素通过伐木和牲 畜啃食从 生态
系统 中流失．而叉粮步或不可能人工施肥 ，导致生态系统氮 索收支严重失衡。生物 固氮成为森林和草原生
态系统获取氮素的主要途径 。
我国具有丰富的固氮植物和敢生物资源，这些固氮生物的固氮作用对遏北森林和草原生态系统的恢
复重建发挥了和正在发挥着非常重要 的作用，研究野外生物 固氮作用对 自然生态系统 的贡献无疑具有较
高的应用价值和重要的现实意义。然而．由于种种原固，我国的野外生物固氮量研究尚比较落后，研究方法
大都还局限于乙炔还原分析法等实验室方法 ，少数人用 N 同位素稀释法测过固氮量，但也均局限在豆科
农作物固氮量研究，这两种方法均无法测定自然生态系统 内固氮 生物的固氮量 ，而 N 自然 丰度法 则能很
好地完成这一任务 除此之外， N自然丰度法对氮素来源，氮素的土壤内循环及食物网营养结构等领域的
研究也能得出机理性结果，无疑，此法在我国的推广应用肯定能够填补国内氮素循环研究领域的空白。
参 考 文 献
Zieg Ler H Stable isotopes Ln p Lant physio Logy and ecology．Progress in Botany，1995，56}1～ 24
林光辉，柯 援·稳定同位紊技术与全球变化研究．见 ，李博主编 现代生态学讲座 北京：科学 出版社，1995．16l～188
Runde[P W ，Ehleringer J R and Nagy K A．Stable Isotopes Ecolog~al Research．Sprin~r—Ver Lag．New York．
1989
Laj~h K andMichenerRH Seable^otopes Ecology口 EnvlronraentalScience．Bhekwe[!~ ient c Publications．
Boston．1994
程威威，等．盆栽和 田间条件下土壤 N标记肥料氮的转化．土壤学报．1989，26：124~130
何电源．邢廷铣 ·等． N标记稻草 中N、C在羊体内的转化和利用．应用生态学报，1993，4(2)：161～iG6
黄志武 稻杆与标记 N硫铵配合施用对硫镑氟紊有效性和水稻生产的影晦．土壤学报 ，1993，30(2)；284~230
王维金．关于不同籼稻品种和施肥时期稻株对 N的吸收及其抒配的研究．作物学报，1994，20(4)：476~480
何电源t廖先苓、周卫军． N标记绿肥喂猪后还田的转化和效益的研究．土壤学报 ，1994，31(3)：277~885
杜丽蚺 ．等．水体系中硝酸态氮的富集和 8 N值的测定，土壤 ，1994．26(6)：332~334
廖先苓，周卫军 ，何电源．”N标记革粪和稻草主五田氨紊舯转化和效应的研究．土 壤学报，1995，32(5)：2船～399
韩兴国t程维信．养分的生物地球化学循环t见：刘建国主编 ，当代生吝学博论．北 京：中国科学技术出版社 ，1992．73
～ l00
13 ShearerG andKohlD H Estimates 0 N2fixationin ecosystems：the needfor and b oftheI N rtstrual ab㈣ d nce
method．In}Runde[P W 、Ehleringer J R and Nagy K A，eds，StabD Isotopes in Ecological Research．New York：
Spring—Ver[ag·19,88．342～ 374
14 Michener R H and Sche[I D M．Stable isotope ratios as trReers in marine aquatic fond webs．In：Laithe K and M Lc h_
ener R H ，eds． S~abte Imcopes in Ec~ogy and 凸 妞，Sci~*ce Boston：B Lark we L Scienti{ic Pub Lications．
1994 133～ 157
15 Nade Lhofer K J and Fry B．Nhrogen isotope studies in{orest ecosystems，In{Lajtha K and MicheⅡer R H，eds．
1 2 3 4 5 6 7 8 9 n 地
维普资讯 http://www.cqvip.com
3期 苏 波等 N 自然丰度法在生态系统氨素循珂：研究中的应用 415
Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science．no~ton：Blackwell Scientific Publications．1994 22～ 44
16 Gibson A H，Roper M M and I-hlsall D W ．Nitrogen fixation not associated with legumes．In：Advances in gr
( i g t Agricullurnl Ecosy3tems． (W ilson j R．ed )，c．A．B Interrtationai，W al[ingford，U K，1988，fi6~ 88
17 ]uack G and Svec H V The absolute abundance of the nitrogen isotopes in the atmosphere and compressed gas from
various souices．Geochiraica Cosra~himica Aeta．1958，I4：234～ 848
18 MaIiotti A． Atmospheric nitrogen is a reliable stand ard for natural N abundance~eRsulements Nature，1 983．
303：888～ 887
19 Cheng H H ，Bremner j M and Edwards A P．Variations of nitrogen 15 abundance in soils．Science．1965．146：1547
～ 1575
80 Shearer G 8L Kohl D H N 一fixation in field settings：estimates based on natural”N abundance．Aust． ．Plant
PhysioI．．1988，I3：699～ 757
Lajthe K and Marshal J D Sources of variation in the stable isotopic composition of plants．In{Lanha K and Mich—
e耻 r R H．eds Stabte isotopes in Ecology and E ㈣ ， n，Scien~e．~oston：Blackwell Scientific Publications，
1994．1～21
22 ShearerG，KoblD H andChietl SH．The nitrogen一15 abund ancein a de variety of soils．SoilSci Soc Am d．，
1978．42：899～ 902
83 Unkovieh M J，Pate J S，Sanford P， 口，．Potential of the 8 N natural abunda ethod in field estimates of nitroI
gen fixation by crop and pasture legumes in South—we：st Australia AⅡ d Agric．Res．，1994，48_I19～ 138
84 Bolger T P，Pate J S，Unkovlch M J and Turner N C．Estimates of seasonal fixation of~nnual subterranean clover—
based pastures using the N natural abundance technique．Plant Soil，1995，175：57~ 66
25 罗耀华 ，林光辉 稳定同位索分折厦 在生态学研究中的应用 见：刘建国主编．当代生态学博论．北京 ：中国科学技术
出版杜，1992．弛2～34i
26 Sc hul~ E—D，Gebauer G，Ziegler H， al Estimates of nitrogen fi~ tion by trees on an aridity gradient in Namibia
．
Oecologia，1991，88(3)：481～ 455
27 H~gherg P andAlexand erI J_Roles root symbiosesinAfricanwoodland and foresl：evidancefrom tsN abundance
and foliar analysis．dou~al D，／gcegog~v，1998，83：217～ 824
88 MinagawaM·WinterD A andKaplanIR．Compa~son ofKjeldahl and combustionmethodsfor ⋯ rnem of ni
trogen~otope ratios in organic matte~．Ana1．Chem．，1984．56=1859～ 61
29 Bergersoa F J Measurement of nitrogen fiction by direct means．In：Bergerson F J．ed．Methods for Eval~ tlng
Biological Nitrog~ Fixation．John W iley and Sons Ltd ．1980．65～ 109
30 B~mnet"J M and Tabatahe i M A．”N enrichment of soils and soil derived nitrate．J．E~viron．Qua1．．1973，2 363
～ 365
31 Delwlehe C C and Sty~en P L Nitrog en isotope fractiortation ill soils and mierobial reactions．E~ ronmental Sme～
and Technology·1970，4：929～ 935
32 Delwiche CC ，Zinke P J·JohnC M ·et口f．Nitrog enisotope distribution asa presumptiveind ication of nitrogenflxa_
tion,Bot．G口 ．，1979，140：65～ 69
33 Virginia R A and Del~ che C C Natur~ N abundance of presumed H2一fixing and N 2-fixing plants fro m select—
ed ecosystems．n c g (Berlin)，1982，54：317～ 385
34 H(~gherg P．Nitrogen fixation and nutrient relations in Savanna woodland [cee5(Tan~aia)．d App1．／~co／
． ， 1986，
23：675～ 888
35 Shearer G ，Kohl D H ，Virginia R A．et ．Estima tes of N2-fixation from variation in the natural abund ance of N
in Sonoran Desert ecosystems．Oecologia，1983．86：365～ 373
38 Yoneyama T，M uraoka T—Murakami T，el a1．Natural abundance of N Ln tropical plants with emphasis on tcee
legumes Plant Soil，1998，183(8)：296～ 304
37 Kohls S J，Kessel C Van，Baker D D，et at．Assessment of N2 fixation and N cycling by Dryas along a cb~onose
quence within the forelands of the Athabasca Glacier，Canada Soil Boil．and 占 ⋯ 1994，26(5)}623～ 632
维普资讯 http://www.cqvip.com
4l6 生 态 学 报 I9卷
38 Bremner E and Van Kessei C Apprnisal of nit rogen 15 natural-abundance method for quantifying dinitrng en fixa
tion 5 Sci S Am． ，1990．54(2)：404～ 4I1
39 Ham~hon S D，H。口丌1ans P-Chalk P M -et at Field esli~ tion o N2 fixation by Acacia spp using H ~sotope dih —
tion and labellingwith S．ForestEcology andM anagentent，1993．S6(1～ 4)-2g7～ 313
．10 Ja~s$on S L．Tracer studies on nit rng en ransf0rmations in soil with special attention to minerali~tion immobi]iza
tlon relationships．Annual of the Royal Agriculture College·Sweden，1958-24：1O1～ 36l
41 Drury C F，Voroney R P and Beauchamp E G Avai[abi[ity of NH~-N to mIcfoo ganI⋯ and the soft interrta[N cy
ele．S j Bf0l and 13⋯ he ，1991．23(2 ：185～ 169
42 Van Kessel C，Farre[R E，Roskoski J P，et a1．R~yc[ing of the naturally occurring N in an established stand of
Le letos"ephala．Soil Boil and 13i~hem．，1994，26(6)：757～ 762
43 EvansR D and Ehleringer J R．W ater and nitrng en dynamicsin an aridwoodlaad，Oecologia，1994·99(3～ 4j：23 3～
242
44 Abbadie L．M ariotti A and M enaut】C．Independence 0{SavaDnR grasses from soil orgarfic I】atter for their nitrogen
supply．Ecology-1992—73(2)：608 613 ’
45 Miche[sen A ，Schmidt l K ，Jonass口n S，el a1．Lea／ N abundance of subartic p]ants provides field evidence that eri—
cold．ectomycorrhlzo[and non and arbuscular mycorrhizal species 2cc~ss different SO~FCeS 0{soil nitrogen Oecot~
gin，1996．10f 153～ B3
46 MeArthur】V and Moorhend K K Characterization of riparian pecles and stream detritus using multiple stable iso—
topes．Oec6dogia，1996，107：232～ 238
47 Stock W D，W ien K T and Baker A C．Impacts of invading N 2一fixing Acacia species on patterns of nutrient cyclinR
in two cape ecosystems!evidence from soil incubation studies and ”N natural abundance values．Oecologia，1995，
101：375～ 382
48 Paine R T．Food webs：road maps of interactions o grist for theoretica]development?Ecology，1988，69：1848～
1654
49 W a山 E and Hattorl A．Nitrogett isotope effects in the assimilation of inorganic nitrogenous compounds by marine di—
it~oms Geomzerobia1．J．，1978t 1 85～ l们
50 R日u G H，Ain]ey D G，Bengtson 】L， nf N／I~N and C／ C in W eddel Sea birds，seals，and fish：implications
for diet and trophic 3tructm Mari~ EcologyProgre~ SeHes，1992，84 1～ 8
51 Hamilton S K，LewisW M，el a1．EnerlD"so~cesfor aquatic animalsintheOrinocoRiverf[oodp]ain；e~dencefrom
stable isotopes 0 咖 ，1992，s9：324～330
52 Hobson K A and W elch H E．Determination 0f trophic re[ationshlps within a high aquatic marine f。od b using
8 3c a ”N artalysis ?rlarineEcMagy ProgressSeries，1992，S4j 9～ 18
53 Cabana G and Rasmussen J B．M odeling fo d chain stricture and contamioant bloaccumulation using stable nitrogen
isotopes．Nature，1994，372：255～ 257
维普资讯 http://www.cqvip.com