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摘 要

植物碳同位素组成是一个综合生理生态指标，反映了植物气孔导度与光合效率之间的平衡，能够指示植物的水分利用效率和植物的生态策略，氮（N）是植物的“生命元素”，是许多光合辅酶、辅基及叶绿素分子结构的重要构成成分，对植物光合作用有重要影响，因此，植物N与植物碳同位素之间可能存在一定的关系。但是目前植物氮与碳同位素组成之间的关系还存在许多不确定性，探明这种关系可以便于我们更好地 理解植物如何采取生态策略以适应环境变化。

本研究通过对生长在北京百望山同一环境下的几种植物的叶片进行采集，并对叶片形态、质量、氮含量及碳同位素进行了测定，在完全排除环境影响、种间差异和个体差异影响后，真正揭示了叶片氮含量对植物碳同位素的影响。获得了以下4点主要的实验结果：

1.基于叶片面积的氮含量与植物碳同位素值除枫树表现出无关外，其余皆呈正相关，表明植物基于叶片面积的氮含量与植物碳同位素之间的正相关可能为普遍现象；

2.基于叶片质量氮含量与植物碳同位素值之间不存在普遍的关系，不同种植物所表现出来的相关性不同。

3.叶片氮含量能够解释大于一半的植物碳同位素变化，表明植物氮含量是影响植物碳同位素的主要影响因素。

4.植物叶片厚度与植物叶片碳同位素之间没有相关性，表明叶片厚度对植物碳同位素组成没有影响。

关键词：植物碳同位素 植物氮 气孔导度 光合效率

Effects of leaves nitrogen content on plants carbon isotope

Abstract

Carbon isotope composition of plants is a comprehensive physiological and ecological index, which reflects the balance between stomatal conductance and photosynthetic efficiency, and can indicate the water use efficiency and ecological strategy of plants. Nitrogen, life element of plants, is an important component of many photosynthetic coenzymes, prosthetic and chlorophyll molecular structures. It has an important influence on plant photosynthesis. Therefore, it may have some relationship between plant N and plant carbon isotope. However, there are still many uncertainties in the relationship. Ascertaining this relationship can help us have a better understanding of how plants adopt ecological strategies to adapt the environmental changes.

In this study, we collected the leaves of several plants growing in the same environment of Baiwang mountain in Beijing and measured the leaf morphology, mass, nitrogen content and carbon isotope. After completely excluding the influence of environmental factors, inter-species difference and individual difference, we revealed the real influence of the leaf nitrogen content on plant carbon isotope and obtained four main conclusions:

1. Nitrogen content based on leaf area is positively correlated with plant carbon isotope value except maple, indicating that the positive correlation between nitrogen content based on leaf area and plant carbon isotope may be a common phenomenon;

2. There is no universal relationship between nitrogen content based on leaf mass and plant carbon isotope value, the correlations show different across plant species.

3. Leaf nitrogen content can explain more than 50% of the variation of plant carbon

isotopes, indicating that leaf nitrogen is the main factor that affects plant carbon isotopes.

4. There is no correlation between leaf thickness and carbon isotope value, suggesting that leaf thickness does not exert influence on plant carbon isotopes.

Key Words: Plants carbon isotope; Plants nitrogen; Stomatal conductance; Photosynthetic efficiency

目录

摘要.............................................................................................................Ⅰ

Abstract................................................................................................Ⅱ、Ⅲ

第一章 前 言 1

1.1 引言 1

1.2 植物碳同位素分馏机制及碳同位素组成 1

1.2.1同位素简介 1

1.2.2 植物碳同位素分馏机制 1

1.2.3环境因子对植物碳同位素组成的影响 2

1.2.4生物遗传因子对植物碳同位素组成的影响 3

1.2.5 植物氮元素与植物碳同位素的关系 4

1.3科学问题、研究目标和技术路线 6

1.3.1 科学问题 6

1.3.2 研究目标 6

1.3.3 研究路线 7

第二章 材料与方法 8

2.1 研究区域概述 8

2.2样品采集及处理 8

2.2.1 样品采集 8

2.2.2 样品处理 9

2.3数据统计与分析法..................................................................................................................10

第三章 结果与讨论 11

3.1 酸枣、荆条、黄栌、侧柏四种植物基于叶片质量的氮含量与碳同位素组成 11

3.1.1 四种植物基于叶片质量的氮含量和碳同位素组成 11

3.1.2 四种植物基于质量的氮含量与碳同位素关系 12

3.2 枫树、构树、银杏三种植物叶片形态特征、氮含量与碳同位素组成 13

3.2.1 三种植物叶片形态特征 13

3.2.2 三种植物N_mass与N_area 14

3.2.3 三种植物碳同位素值 16

3.2.4 三种植物碳同位素与叶片氮含量关系 17

3.2.5 碳同位素与厚度的关系 18

3.2.6 植物13C与N_mass、N_area以及H的多元回归结果 19

3.3 讨论 21

第四章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 创新点 25

4.3 展望 25

参考文献 26

致 谢 31

1. 文献综述
   1. 引言

植物碳同位素是一个十分重要的植物生理生态综合指标，反映了植物光合效率和气孔导度之间的平衡^[1]，同时，植物碳同位素也是植物水分利用效率的指示剂^{[2, 3]}。因此，植物碳同位素被广泛应用于植物生理和生态学基础研究^[4-6]以及培养具有耐旱和高水分利用效率特性的品种等应用研究中^{[7, 8]}。另外，由于植物碳同位素组成对气候环境的变化十分敏感，因此，它也被广泛应用于全球变化的研究中，用来揭示陆地生态系统对全球变化的响应^[9,10]。影响植物碳同位素组成的因素有许多，温度、降雨是被认为是最主要的环境影响因子^[11-13]。氮是植物最主要的营养元素，是植物光合作用酶重要组成成分，对植物的光合效率有重要影响，氮通过对植物光合作用的影响从而影响植物碳同位素。然而，目前关于植物氮对碳同位素影响的研究相对缺乏，而且存在极大的不确定性^[14-17]，因此，有必要加强植物氮和植物碳同位素之间关系的研究，为进一步更好地应用植物碳同位素于植物生理生态学研究和全球变化研究奠定基础。

• 1. 植物碳同位素分馏机制及碳同位素组成

1.2.1同位素简介

同位素是指具有相同质子数，但中子数不同的不同原子，它们位于元素周期表的同一位置，属于同一元素。常用R和值来表示同位素组成（相对丰度比值）。

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