作业范例---同位素水分研究的应用.doc

博士 兽医硕士专业学位 硕士 农业推广硕士专业学位 同等学力在职申请学位 中职教师攻读硕士学位 工程硕士专业学位 高校教师攻读硕士学位 风景园林硕士专业学位西 北 农 林 科 技 大 学研 究 生 课 程 考 试 试 卷 封 面（课程名称： 同 位 素 应 用 ）学位课 选修课 补修课研 究 生 年 级、姓 名 08 级 杨 怡 所 在 学 院 及 专 业 生命科学学院 植物学 任 课 教 师 姓 名 吕 金 印 考 试 日 期 2009 年 1月 4日 考 试 成 绩 评 卷 教 师 签 字 处 稳定同位素技术在植物水分研究的应用生命科学学院 植物学 杨怡S081522随着农业生产的发展，我国水资源形势也 日益严峻。农业是用水大户，尤其是作为我国重要农区的华北平原1，其光照充足、土壤肥沃，但是水资源却严重缺乏2。水资源己成为制约我国农业生产和发展的关键因素，但是在我国许多地区3，尤其是占我国面积三分之一的北方干旱、半干旱地区，多数情况下的有限降雨以及灌溉用水4并未得到充分利用；而且作物各种生理过程（如散热、维持膨压、负载养分等)与水分之间的定量关系尚不清楚5，造成了农业用水许多不必要的浪费。稳定同位素技术在作物水分研究中的应用在国外开展地较早，其应用也日益广泛，但在国内相关的工作还没有全面展开，因此有必要对作物水分研究中的稳定同位素技术进行介绍，以促进我国在该领域的研究，推动我国节水农业的发展1-5。 1 引言1.1 稳定同位素同位素是一类具有相同原子和质子数，但不同中子数的元素，稳定同位素则是不具放射性的同位素。稳定同位素应用于试验具有很多优点：首先，它们不会随时间而发生核衰变，使用时不会受试验时间的限制；其次，它们没有放射性，利用稳定同位素进行试验时，对生物体没有辐射效应，不会污染环境，没有试验残留物的处理等问题。在自然界中，除了 P以外，几乎所有具有生物学意义的元素 ( 如 C、H、0、N和 S等) 均存在稳定同位素形式。在作物水分的研究中，可以利用的稳定同位素一般为碳，氢和氧。稳定同位素效应常用两种方法进行表示：同位素分馏和同位素判别值（）。由于同位素的绝对丰度难于测定，实际上一般采用相对量来表示同位素的组成，以 C为例： R = 13C/12C ( 1 ) 13C( )= (Rsa/ Rst-1) 1000 ( 2 ) ( )= ( 13Cs- 13Cp)/(1+ 13Cp) ( 3 ) 1.2 作物稳定同位素分析方法实验室多是利用气体同位素比值质谱计测定无机和有机物的稳定同位素比值。对于稳定同位素分析的前处理分别如下： H：对于作物组织样品，先在中等温度下快速干燥 ( 为避免有机物损失) ，然后研磨过筛。还需要经过硝化处理，去除可能与环境交换的 H原子；制备水样需在采集时将水立即密封，避免分析前因蒸发导致同位素分馏。分析样品时，将测量材料装入材料管，加入催化剂和氧化剂，抽真空燃烧，燃烧后气体纯化，待测。 C：将作物样品烘干研磨过筛，加入催化剂和氧化剂，采用封管氧化法 ( 或燃烧氧化法)将有机物转变为 C O2 ，对 C O2纯化后待测。2 稳定同位素在作物水分利用率研究中的应用2.1 稳定同位素技术应用背景稳定同位素技术最初于2 O世3 O年代发展于物理学，在2 O世纪4 O年代成为地质学研究的主要部分，应用于植物学研究较晚。Nier和Gulbransen6最早发现植物中13C的比率小于无机碳物质。Park和 Epstein7 提出模型以解释叶片13C与大气 CO2中的13C不同。Faquhar等8发现了C同位素比率与植物叶片胞间CO2浓度相关，并且与植物的蒸腾联系起来。稳定同位素D和18O最初也是应用于物理，大气科学，地质学和地球化学等领域。由于蒸发过程导致表层水的同位素富集，Gonfiantin等9最初研究分析了叶片中水分稳定氧同位素在蒸腾过程中的富集现象，并发现植物通过根系吸收水分时没有发生氧同位素分馏，Wershaw等10 也表明水中氢同位素在植物根系吸收时也没有发生分馏。这些研究都为稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用奠定了基础 。2.2 稳定同位素在作物水分利用率研究中的应用稳定同位素技术在作物水分关系研究中的应用，主要集中于 C稳定同位素上，尤其是在作物水分利用率的研究中，C稳定同位素技术显示了极大的优势。因此， 本部分主要总结回顾 C稳定同位素技术在作物水分利用率中的应用。节水农业的发展和作物生理过程与水分之间定量关系等问题的解决都和作物水分利用率 ( WUE )紧密相关。但作物的水分利用率测量的常规传统方法有许多缺陷和困难，如广泛使用的便携式光合系统测定的水分利用率只能表示某一时刻的瞬时值11，而且测定的作物部位也受限制；进行大田作物水分利用率的测定常用田间水分平衡方程来估计作物耗水量，但土面蒸发和作物蒸腾在田间很难区分，土壤水的各种去向( 径流、下渗、再分配等)也很难准确界定。因此，寻求灵敏、简单、快速、准确的作物水分利用率的评价方法，其重要意义是不言而喻的，而 C稳定同位素技术在一定程度上能够很好地解决这个问题。 以灌溉为主的农业提出了作物 WUE的概念，其最初研究 目的在于确定作物的需水量和灌溉定额。而目前面对水资源日益紧张的严峻形势，如何使有限的水分取得最好的生产效益成为当前农业用水研究的焦点问题 。高水平的 WUE是缺水条件下农业得以持续稳定发展的关键所在。根据当前国内外的研究进展， 可以从 2个方面来理解作物 WU E的内涵12 13 根据作物叶片瞬时的气体交换效率，即单位重量叶片蒸腾一定的水分所同化CO2的质量，表示为瞬时 WUE根据作物在某段时期生长过程中消耗每单位水分所生产的生物量，表示为长期 WUE。作物 WUE 的研究尺度一般可分为 3个层次来考虑14 15：叶片水平上的作物 WU E指水的生理利用效率或蒸腾效率，定义为单位水量通过叶片蒸腾散失时光合作用所形成的有机物量，它取决于光合速率与蒸腾速率的比值；群体水平上的作物 WU E 即作物群体的 WUE，为作物群体CO2净同化量与蒸腾量之比，也即群体CO2通量和作物蒸腾的水汽通量之比。群体 WUE 与单叶水平相比，更接近实际情况，可表示田间或区域的水分利用效率；产量水平上的作物WUE可定义为单位耗水量的籽粒产量。 大量的对照试验，包括控制环境试验 ( C E)，开顶式同化箱试验( OT C )和自由C O2气体施肥试验 ( F ACE)证明, 高浓度CO2可提高作物的光合能力，从而导致作物生长加快， 生物量增加，并降低作物叶片气孔导度，降低蒸腾，所以水分损失减小，水分利用率 ( WUE )提高。由于作物CO2的同化过程和作物水分利用之间是相互耦联的，为了将 C稳定同位素技术应用到作物水分利用率的研究中，需要研究作物 C同化过程 C 分馏的生理机制。 传统作物 WUE 测定方法工作繁琐、复杂，工作量大，而且极易受外界环境因素的影响，而 C稳定同位素技术与之相比，具有以下优势：实验室 C同位素测定快捷、准确，而且由于不需要测定作物水分消耗和生物量增量，简化了 WUE的测定过程，其结果更为准确；采样后 C同位素实验室分析时间没有限制，大批量的田间试验取样能够集中分析，能减少分批试验分析时间的损耗和数据的相对误差；由于作物组织的 13C 值可以表示出其在整个生活史中的WUE, 通过测定作物不同类型组织的 13C值就能够测定出不同时间尺度的WUE，克服了其他方法只能测定某一时间尺度的缺陷。 因此通过测定作物 13C 的高低能用来作为干旱条件下作物WUE高低的指标，为选育高WUE作物提供快速、简便的方法。但是也有部分研究者发现不同的情况16 17，因此，C稳定同位素在作物 WUE中的研究还需要进一步深入 。 3 稳定同位素技术在不同作物水分关系研究中的应用。 目前稳定同位素技术在作物水分研究中的应用涉及到多种作物。赵炳梓等18在日本对不同灌溉量不同生育期的早稻 WUE与 C同位素判别值之间的关系进行了探讨；Hubick19 利用 C同位素判别值来对棉花进行高 WUE的选择：林植芳等20对大豆和小麦不同基因型的 C同位素分馏作用和作物 WUE进行了研究,发现13C受作物基因型控制和环境条件互相作用的影响；Hubick等21在盆栽条件下研究了 1 6个花生基因型在干旱和灌溉条件下13C的变化。 通过在不同作物中的研究发现，作物稳定同位素的组成和作物基因型、环境条件( 干湿条件、水分来源等)、作物器官( 根、叶、籽等)等有关。因此，采用稳定同位素技术进行作物水分关系的研究，还要根据作物种类、作物生长环境来进行探讨。 4 小结 目前，在作物水分研究中应用稳定同位素技术还存在一些问题。 ( 1 )采用稳定同位素技术进行作物水分的研究，由于其样品前处理繁复、分析仪器要求精密、样品处理分析成本昂贵，在我国该方面的研究还没有全面开展，见于报道的主要是一些综述性的文献。 ( 2 )作物的基因型、生长环境、取样部位和时问等对稳定同位素组成也有影响，对具体作物需要具体研究。稳定同位素技术虽然还有待于进一步完善，但其 在作物水分研究中的应用显示出了其巨大的潜力和极大的优势。 ( 3 ) 作物水分研究 ( 尤其是干旱条件下) 涉及到植物学、生理学、农学、生态学等多种学科，传统的研究方法 (如测量光合速率、蒸腾、蒸发、气孔导度、 作物耗水量等) 费时费力，而且由于环境和作物生理过程的复杂性，其结果往往不能反映实际情况；由于C、H、O直接参与作物的生理过程，其稳定同位素的 分析在揭示作物生理过程的研究中显示了诱人的前景。( 4 ) 稳定同位素技术可 以作为水分胁迫下抗性种的筛选工具，为作物育种工程和提高作物抗旱性开辟了新途径和新方法。 ( 5 ) 综合多种稳定同位素技术在作物水分中的应用，最终可能允许不同尺度的信息相互联系并综合起来，叶片水平或整株植物获得的信息能够用来作出作 物生理生态系统水平的有意义的预测。 ( 6 ) 在我国水资源紧迫的北方，利用稳定同位素技术进行该地区的作物水分研究，了解作物水分利用的生理机制，确定作物利用水分的来源，能够为该地区农业灌溉提供理论上的指导，进而推动我国节水农业的发展 。 参考文献： 1 张玉铭，张佳宝，胡春胜，李晓欣，朱安宁. 华北太行山前平原农田土壤水分动态与氮素的淋溶损失. 土壤学报，2006, 43(1): 17-25 2 刘 吕明土壤一植物一大气系统水分运行的界面过程研究. 地理科学进展, 1997, 52(5): 366-373 3 Xia J, Feng H L, Zhan CS, Niu C W. 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