全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 062630203
采用14 C 同位素标记植物的装置与方法
肖和艾　吴金水　李　玲　唐国勇　刘　畅
(中国科学院亚热带农业生态研究所 亚热带农业生态重点实验室 ,湖南 长沙　410125)
摘 　要 :碳同位素 (14 C)示踪是研究植物残体有机碳在土壤中分解与转化较灵敏的方法 ,已被广泛用于土
壤有机碳周转动力学研究。本文详细介绍了一种在密闭箱中采用14 C 同位素标记植物的装置和操作方
法。该装置设备简单 ,操作方便可靠 ;该方法亦适合于采用13 C、15N 等同位素对植物进行标记和示踪。
关键词 :水稻 ;玉米 ;14 C标记
METHOD FOR PRODUCTION OF PLANT LABELING WITH 14 C ISOTOPE
XIAO He2ai 　WU Jin2shui 　LI Ling 　TANG Guo2yong 　LIU Chang
( Key Laboratory of Subtropical Agriculture Ecology , Institute of Subtropical Agriculture , Chinese Academy of Sciences , Changsha , Hunan 　410125)
Abstract :Carbon (14 C) isotope tracer is a sensitive and reliable technique to study the decomposition and transformation of
plant residues in soil , and it is used widely as a chief means of understanding the turnover dynamics of soil organic C. This
paper introduces a simple method for production of plant labeling with 14 C isotope in a closed chamber supplying 14 C2CO2 1 This
apparatus was simple and cheap , and the method was convenient and reliable. The method is also suitable to label plant with
13 C and 15N isotope.
Key words :rice ; maize ; 14 C labeling
收稿日期 :2007202209
基金项目 :中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX22YW2408 ,KZCX22YW2423) ;国家自然科学基金项目 (40571086 ,40771116) 和重点基础研究发展规
划项目 (2002CB412503)资助
作者简介 :肖和艾 (19622) ,男 ,湖南洞口人 ,副研究员 ,主要从事土壤微生物与有机质和养分循环研究。E2mail : haxiao @isa. ac. cn
　　土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础 ,对保持
土壤结构和保水性能等具有关键作用 ,其分解、矿化和
积累与大气“温室气体”增减有关。近 20 年来土壤碳
循环研究已成为土壤学研究热点之一[1 ] ,碳同位素示
踪技术已被广泛应用于土壤碳转化与循环方面的研
究[2～6 ] ,植物碳同位素标记方法是研究植物残体在土
壤中分解和转化以及植物向土壤输入有机碳的基础 ,
也被用于研究植物的光合作用特性[7 ] 以及植物吸收
CO2 合成的有机碳在其体内的运转和分配[8～10 ] 。但由
于碳同位素标记原材料价格较贵 ,CO2 又易扩散 ,特别
是14 C2CO2 属放射性气体 ,因此在进行植物碳同位素标
记时存在一定的技术难度。
Jenkinson[11 ]于 1960 年最先设计了14 C 同位素标记
植物的装置 ,在密闭标记箱内用水培方法成功生产了
14 C同位素标记的黑麦草 ,并发现植物体内原有的非标
记有机碳影响碳同位素标记材料的均匀性 ,如植物种
子和苗子中的非标记碳。当将发芽 4d 刚出现第一片
真叶的黑麦草苗子放入标记箱内进行标记时 ,生产的
黑麦草地上部和根中14 C 活性基本相同 ;而采用发芽
18d 的黑麦草苗子进行标记时 ,得到的黑麦草地上部
14 C活性高于根 ,水溶性碳的14 C 活性高于纤维素碳。
但该方法装置较为复杂 ,对一些植物使用该方法可能
与土培下得到的结果存在差异 ,且操作时14 C2Na2 CO3
与 HCl 溶液反应在瞬间完成 ,反应剧烈不便于控制。
FAOΠIAEA[12 ]于 2001 年介绍了在密闭条件下以 13 C、
14 C、15N 同位素标记土培的水稻、苜蓿和千斤拔 (豆科)
的方法 ,该方法的优点是标记时可准确地监测箱内
CO2 浓度 ,但该装置费用较高。国内研究者[7 ,8 ,10 ] 多采
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用14 C2CO2 间歇标记法对玉米和水稻等作物进行标记 ,
该方法的优点是植物在自然状态下生长 ,操作也简单 ,
但在植物材料标记活性均质性上可能存在问题。
本文详细介绍了一种在密闭条件下采用14 C 同位
素标记植物的装置和操作方法 ,此装置设置简单 ,操作
方便 ,亦可用于13 C、15N 等同位素对植物进行标记和示
踪。
1 　试剂
14 C2碳酸钠溶液 [ c (Na2 CO3 ) = 1molΠL ] :1060g 分析
纯碳酸钠溶于去离子水 ,加入 5ml、放射性活度为 1815
×107Bq 的14 C2Na2 CO3 溶液 (英国 Amersham 公司) ,定
容至 10L ,得到 Na2 CO3 浓度约为 1molΠL、14 C 放射性强
度为 1815 ×103BqΠml 的14 C 标记碳酸钠溶液 ,密封保
存。
氢氧化钠溶液[ c (NaOH) = 2molΠL ] :8010g 分析纯
氢氧化钠溶于去离子水 ,定容至 1L。
盐酸溶液[ c ( HCl) = 2molΠL ] :167ml 分析纯浓盐酸
(HCl ,ρ= 1119gΠml)用去离子水释稀定容至 1L。
硫酸 铵、磷 酸 二 氢 钠 和 氯 化 钾 营 养 液 [ρ
( (NH4 ) 2 SO4 ) = 2000mgNΠL ,ρ(NaH2 PO4 ) = 500mgPΠL ,ρ
(KCl) = 2000mgKΠL ] : 18187g 硫酸铵、3187g 磷酸二氢
钠、7163g 氯化钾溶于去离子水 ,定容至 2L ,置于 4 ℃下
保存备用。
2 　器材与设备
箱体、栽培盘、箱架、日光灯 ( 28W) 、电风扇
(50W) 、铜质冷却管、反应槽、吸附瓶 (500ml) 、培养皿
(直径 9cm) 、高温真空绝缘酯 (MIST23) 、真空橡胶管、
温度计、弯管式压力计、输液瓶、输液管、无油真空泵
(DOA2P1812BN) 。
3 　标记箱制备
采用厚 12mm 聚乙烯板制成长 ×宽 ×高为 215m ×
017m ×115m 严格密封的箱体 ,将其置于箱架上。箱体
两端各设 1 个直径为 50cm 的圆型聚乙烯板箱门 ,箱门
由穿过箱壁和箱门的 16 个螺丝固定在箱壁上。箱顶
内壁安装 16 支 28W 高效节能日光灯 ,箱体两端内壁
各安装 1 个 50W 电风扇 ,其电源线均穿过箱壁至箱外
通过开关与电源连接 ;箱体两端内壁还各安装 1 个总长
度为 215m的铜质蛇型冷却管 ,冷却管两端穿过箱壁再
通过阀门分别与冷却水进水管和排水管连接 (图 1) 。
图 1 　植物碳同位素标记栽培的装置示意图
Fig. 1 　Scale drawing of growth chamber for
production of plant labeling with carbon isotopes
1 :箱体 ;2 :箱门 ;3 :日光灯 ;4 :电风扇 ;5 :冷却管 ;6 :栽培盘 ;7 :反应
槽 ;8 :反应残液排出管 ;9 :冷凝水排出管 ;10 :箱架 ;11 :吸附瓶 ;12 :无
油真空泵 ;13 :HCl 溶液输液瓶 ;14 : 14 C2Na2CO3 溶液输液瓶 ;15 :水或
营养液输液瓶 ;16 :输液管 ;17 :温度计 ;18 :压力计
1 :Chamber ;2 :Door of chamber ; 3 : Fluorescent ; 4 : Fanner ; 5 :Water2cooled
copper coil ; 6 : Ploystrene trays ; 7 : Plastic trough for carbon dioxide
generation; 8 : Drainpipe of reation solution ; 9 : drainpipe of condensation
water ; 10 :Supporting cradle ;11 :Adsorption flask ; 12 :Vacuum pump (DOA2
P1812BN , Pall Gelman Company) ;13 : Transfusion bottle for HCl solution ;
14 : Transfusion bottle for 14 C2Na2CO3 solution ; 15 : Transfusion bottle for
water or nutrient solution ; 16 : Transfusion pipe ; 17 : Thermometer ; 18 :
Liquid2paraffin manometer
箱内底板上放置若干个采用 12mm 聚乙烯板制成
的长 ×宽 ×高为 45cm ×45cm ×15cm 栽培盘 ,底板左边
放置 1 个长 ×宽 ×高约为 25cm ×15cm ×45cm 的聚乙
烯桶作为反应槽 ,用于14 C2NaCO3 溶液与 HCl 溶液反
应 ,产生供植物生长的14 C2CO2 ,反应槽底部安装 1 根
玻璃反应残液排出管 ,并穿过反应槽壁和箱壁至箱外
与阀门连接。箱体右边底部安装 1 根玻璃冷凝水排出
管 ,穿过箱壁至箱外与阀门连接。
箱体左边安装 3～ 4 个 500ml 吸附瓶 ,瓶内装
250ml 2molΠL NaOH 溶液 ;吸附瓶之间用橡胶管连接 ,
两端均通过橡胶管连接阀门 ,一端再通过橡胶管穿过
箱壁与箱内连通 ,另一端与大气连通。箱体右边也安
装 3～4 个与内容相同的吸附瓶 ,吸附瓶两端均通过橡
胶管连接阀门 ,一端与箱内连通 ,另一端则与无油真空
泵连接。吸附瓶的作用主要是栽培结束时吸收箱内残
留14 C2CO2 。
箱体正面外壁挂 5～6 个 500ml 输液瓶 ,其中 1 个
用于加入 2molΠL HCl 溶液 ,1 个用于加入 1molΠL 14 C2
Na2 CO3 溶液 ,其余用于加入水或硫酸铵、磷酸二氢钠
136　6 期 采用14C同位素标记植物的装置与方法
和氯化钾营养液。输液瓶下端均连接 1 根带可调开关
的输液管 ,输液管下端穿过箱壁进入箱内 ,前 2 根置于
反应槽中 ,其余的置于栽培盘中。箱体壁上分别安装
1 根温度计和高度为 50～80cm 的玻璃弯管式压力计 ,
温度计探头穿过箱壁置于箱内空气中 ,压力计一端穿
过箱壁与箱内连通 ,另一端置于箱外与大气连通 ,压力
计弯管内装液体石蜡 ,用于观察箱内压力变化。箱壁
所有穿过管道处均用玻璃胶密封。
4 　标记操作方法
取相当于烘干重 50kg 有机质含量较低 ( < 10gΠkg)
的新鲜表层 (0～20cm) 土壤 ,除去可见的植物残体 ,风
干 ,过筛 (孔径 2mm) ,混匀。另取约 18kg 河沙过筛 (孔
径 2mm) 。将土壤与河沙按 3∶1 (vΠv)比例混合后 ,均匀
地喷施 (NH4 ) 2 SO4 、NaH2 PO4 和 KCl 营养液 ,施入的 N、
P和 K量分别为 80、20 和 80mgΠkg。将土壤混匀分装
于栽培盘中 ,每盘装入相当于烘干重 14kg 的土壤。
将植物种子用去离子水洗净 ,置于垫有滤纸的培
养皿中 ,加入 10ml 去离子水 ,置于 25 ℃和黑暗条件下
培养 3～5d。当种子发芽至 1cm 左右时种于栽培盘土
壤中 ,根据植物种类加入适量水调节土壤含水量。然
后在 25 ℃和自然光照条件下培养 2～3d ,使小苗出土 ,
再将栽培盘移至标记箱内。在箱门和箱壁接合处涂一
层高温真空绝缘酯 ,拧紧穿过箱壁和箱门的螺丝 ,密封
箱门。在玻璃弯管式压力计中加入液体石蜡。在位于
标记箱两边的吸附瓶中分别加入 250ml 2molΠL NaOH
溶液 ,关闭标记箱左边吸附瓶两端的阀门 ,打开标记箱
左边吸附瓶两端的阀门 ,开启真空泵抽气使箱内形成
负压 ,当压力计弯管两边石蜡液面差为 2～4cm ,关闭
箱右边吸附瓶两端阀门和真空泵。24h 后 ,若压力计
弯管两边液体石蜡液面差基本保持不变 ,表明标记箱
密封良好可进行标记操作。若压力计没有液面差 ,说
明标记箱漏气 ,应检查漏气原因并重复检漏操作 ,直至
标记箱严格密封。
通过输液瓶加入已预先添加入 3～4 滴酚酞指示
剂的 250～450ml 1molΠL 14 C2NaCO3 溶液于反应槽中 ,
再通过另一个输液瓶加入 2molΠL HCl 溶液 ,加入量略
大于14 C2NaCO3 溶液体积 ,以保证14 C2NaCO3 完全反应 ,
通过调节输液管上阀门大小使 HCl 溶液在 12～24h 内
慢慢滴完 ,防止加入过快使反应过于剧烈 ,造成14 C2
CO2 外逸。当反应混合液变为红色时 ,表明14 C2NaCO3
已完全反应 ,打开反应残液排出管阀门将完全反应的
残液排出箱外。14 C2NaCO3 和 HCl 溶液的加入量和加
入次数 ,根据植物生长情况确定 ,通常在标记前期每周
加入 1 次 ,但加入量逐步增加。
在进行标记栽培过程中 ,开启箱内电风扇 ,以保证
箱内气体中14 C2CO2 浓度均匀 ,使植物标记强度一致。
每天开启日光灯 12h ,以保证植物正常光合作用和生
长。开启冷却水通过蛇管冷凝器降低箱内温度和空气
湿度 ,每天记录 2 次箱内温度 ,箱内温度宜在 25 ℃左
右。根据植物生长情况和栽培盘中土壤干湿状况 ,通
过输液瓶加入 (NH4 ) 2 SO4 、NaH2 PO4 和 KCl 营养液或水
于栽培盘中。箱内水蒸气冷凝后聚集的冷凝水通过冷
凝水排出管排出箱外。
通常标记栽培 70～100d ,即到达植物生长后期所
需的生物量 ,此时停止加入14 C2NaCO3 和 HCl 溶液 ,使
植物继续生长 5～7d ,充分利用完箱内的14 C2CO2 。标
记栽培结束后 ,打开吸附瓶两端阀门 ,开启真空泵使残
留在箱内的14 C2CO2 被吸附瓶中 NaOH 溶液吸附。再
打开标记箱两边的箱门 ,加水于栽培盘中浸泡土壤 4
～6h 后 ,轻轻从栽培盘土壤中取出完整植株 ,小心用
水清洗地上部分和根系残留的土壤。沥干后 ,将植株
置于烘箱中 ,先在 105 ℃下杀青 30min ,再在 50 ℃下烘
干。粉碎过筛后 ,即得到14 C标记植物材料。
5 　结 　论
本文提出的植物14 C同位素标记的装置和方法 ,其
特点是在密闭条件下以土壤为栽培基质进行植物14 C
同位素标记栽培 ;装置结构简单 ,成本较低 ;根据植物
生长需要缓慢加入14 C2CO2 ,操作方便可靠 ;得到的标
记植物材料14 C 活性相对较为均匀。同时该方法亦适
合于采用13 C、15N 等同位素在植物中进行标记和示踪。
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验研究表明 ,锌铬复合污染不仅降低水稻生物量 ,增大
根系比重 ,而且影响不同生育期土壤酶活性。锌铬复
合污染对水稻不同生育期土壤过氧化氢酶活性均有抑
制作用 ,且随土壤中锌铬浓度的增加呈降低的趋势 ,这
与杨志新等[18 ] 人的研究结果一致 ;土壤脲酶活性、转
化酶活性在水稻分蘖期受到抑制 ,且随土壤中锌铬浓
度的增加呈降低的趋势 ,而在孕穗期及灌浆结实期 ,则
随土壤中锌铬浓度的增加呈升高的趋势 ,这与前人的
研究结果[3～5 , 17 , 18 ] 有所不同。这表明在重金属胁迫
下 ,土壤酶活性并不是简单的受到抑制或促进 ,可能与
水稻植株一起 ,通过调节自身的变化而向着适应逆境
的方向发展。
线性回归分析与偏相关分析表明 ,在水稻不同生
育期 ,土壤中锌、铬浓度对土壤过氧化氢酶活性均产生
了锌铬复合效应 ,这说明锌铬复合污染对土壤过氧化
氢酶活性可能产生协同或加和的抑制效应 ,这与李博
文等[19 ]的研究相似。而锌铬复合污染对土壤转化酶
活性和土壤脲酶活性均未产生复合效应 ,可能与这两
种土壤酶对锌、铬两种元素的敏感性及水稻在不同生
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