同位素标记实验中植物光合碳损失的校正方法

本发明涉及同位素示踪。更具体地说，本发明涉及一种同位素标记实验中植物光合碳损失的校正方法。

背景技术：

1、13c脉冲标记技术是研究植物光合碳在植物-土壤系统中分配与周转的重要手段，已被广泛应用于农田、草地、森林等不同类型生态系统的碳循环研究。该技术的基本原理是：对植物进行13co2脉冲标记后，在不同时间点测定植物各器官、土壤及呼吸释放co2中的13c含量，从而追踪光合碳在植物-土壤系统中的动态分配规律。kuzyakov（tracer studiesof carbon translocation by plants from the atmosphere into the soil (areview). eurasian soil science, 2001, 34(1): 28-42）对大气—植物—土壤系统的碳转移示踪研究进行了系统总结，指出禾谷类作物约将20%-30%的同化碳转移至土壤中，其中约三分之一通过根系呼吸以及根际微生物分解根系来源有机物的途径以co2的形式返回大气。这表明呼吸损失是标记碳的重要去向，呼吸损失能否被准确计量，直接决定光合碳固定量测定结果的可靠性。

2、然而，现有的13c脉冲标记实验在数据处理方法上存在一个长期被忽视的缺陷。目前，绝大多数研究采用标记—等待—终点取样的实验模式，即在标记后等待一段固定时间，该等待时间通常为几天至几周，然后在单一时间点进行破坏性取样，测定各组分中的13c含量。在这种模式下，呼吸碳损失通常通过质量平衡差值法推算，即从标记碳的总量中减去各组分中回收的13c量，将缺失的部分归为呼吸损失。这种差值反推法将整个示踪期内呼吸损失的动态过程视为一个不可分割的整体，仅能获得一个示踪期内的总损失量，无法区分不同时间阶段的损失差异，也无法识别呼吸损失的阶段性特征。部分研究虽然设置了多个采样时间点，但每次采样均为破坏性取样，不同时间点使用的是不同批次的个体样品，个体间的差异会掩盖真实的呼吸损失动态，难以建立连续、可靠的呼吸损失时间序列。例如，gao等（effects of waterlogging on carbon assimilate partitioning in the zoigêalpine wetlands revealed by 13co2 pulse labeling. scientific reports, 2015, 5:9411）在原位13co2脉冲标记后于标记后第1、4、6、12、20、28天分时段连续捕获土壤呼吸co2并测定其中13c，但其数据仍止步于描述性核算：各组分13c量以分配比例给出，地上部呼吸损失以达100%回收所缺失量反推得到，逐段呼吸损失量既未累积为随标记后天数连续变化的累计量，也未用于修正取样时刻测得的标记碳固定量。

3、此外，在呼吸co2的采集环节，现有方法通常直接在目标样方上进行密封捕获，未设置独立的校正样方。这种操作方式存在两方面的问题：一方面，密封条件下的呼吸测量会改变样方的局部微环境，例如co2浓度升高和温度变化，这可能干扰目标样方后续的碳分配测定；另一方面，密封前装置从放置到完全密封的等待期间，部分呼吸释放的标记co2已经逸散到环境中而未被捕获，不同操作人员、不同时间点的等待时间差异导致测量数据之间缺乏可比性。

4、上述问题的共同后果是：现有方法测得的目标样方中的标记碳固定量实际上是固定量减去示踪期内累计呼吸损失量后的剩余量，而非真实的光合碳固定总量。由于缺乏对呼吸损失动态过程的精确追踪和逐点校正，现有方法普遍存在对植物光合碳固定量的系统性低估，影响了13c脉冲标记实验对碳分配规律评估的准确性。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

2、本发明还有一个目的是提供一种同位素标记实验中植物光合碳损失的校正方法，其解决现有方法缺乏对呼吸损失动态过程的逐点追踪与校正机制，导致对光合碳固定量的系统性低估的技术问题。

3、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种同位素标记实验中植物光合碳损失的校正方法，包括以下步骤：

4、s1：在目标样方旁侧独立设置校正样方，校正样方与目标样方同步接受同位素标记；校正样方中设有呼吸碳采集装置，用于在密封条件下捕获校正样方内植物和/或土壤呼吸释放的co2；

5、s2：于同位素标记结束后的多个预设时间点ti进行采样，在遮光条件下，通过呼吸碳采集装置捕获各预设时间点ti在预设捕获时长hi内校正样方中植物和/或土壤呼吸释放的含同位素标记的co2，其中i=1,2,…,n，且n≥2；捕获期间监测呼吸碳采集装置内co2浓度，超过预设上限浓度时暂停捕获并换气，降至预设下限浓度以下后重新密封继续捕获，换气期间不计入预设捕获时长；hi单位为天；

6、s3：测定各预设时间点ti捕获的含同位素标记的co2中的13c质量mi，以及各预设时间点ti未标记对照样方呼吸释放co2中的本底13c质量bi，按li=mi-bi计算各预设时间点ti的时段呼吸标记碳损失量li；

7、s4：按ui=li/hi计算各预设时间点ti的单位时间呼吸标记碳损失量ui；按计算各预设时间点ti对应的呼吸标记碳累计损失量ci，获得一组数据点（ti,ci），并拟合得到标记后的天数t与对应的呼吸标记碳累计损失量的函数关系模型f(t)；其中tj和tj+1分别为第j、第j+1个预设时间点，uj为第j个预设时间点对应的单位时间呼吸标记碳损失量；

8、s5：在设定的采样时间点ts采集目标样方中的植物组织和/或土壤样品，测定其中的标记碳固定量c0，按g=c0+f(ts)计算校正后的光合碳固定量g。

9、优选的是，s2中所述多个预设时间点的时间间隔根据所述目标样方所在生态系统的标记碳周转半衰期确定；首次预设时间点与同位素标记结束时间点的时间间隔不超过标记碳周转半衰期的四分之一，且相邻预设时间点的时间间隔不超过标记碳周转半衰期的二分之一。

10、优选的是，所述呼吸碳采集装置包括不透明材质的密闭罩和设置于所述密闭罩内的co2吸收介质；通过将所述密闭罩密封覆盖于所述校正样方表面，使植物和/或土壤呼吸释放的co2被所述co2吸收介质吸收捕获。

11、优选的是，s2中所述呼吸碳采集装置在密封覆盖于校正样方表面之前，校正样方处于敞露状态的等待时长为1-5分钟；所述的捕获期间监测呼吸碳采集装置内co2浓度，超过预设上限浓度时暂停捕获并换气，降至预设下限浓度以下后重新密封继续捕获，换气期间不计入预设捕获时长，具体为：

12、密封捕获期间通过红外co2分析仪实时监测密闭罩内的co2浓度，预设上限浓度为600-1000ppm，预设下限浓度为450-500ppm；密闭罩内co2浓度超过预设上限浓度时，暂停捕获并进行换气；换气采用向密闭罩内通入不含co2的净化气体、或将密闭罩抬起缝隙通风的方式；换气前暂时取出co2吸收介质并密闭保存，换气完成后将co2吸收介质放回密闭罩内继续捕获；待co2浓度降至预设下限浓度以下后重新密封继续捕获，暂停换气期间不计入预设捕获时长；

13、密封捕获期间密闭罩保持遮光状态，每次捕获结束后，记录本次捕获过程中换气的次数和每次换气的持续时间，并核对换气后密闭罩内co2浓度均已降至预设下限浓度以下。

14、优选的是，在各预设时间点ti进行呼吸碳采集时，分别在该预设时间点所在自然日的日间时段和夜间时段各进行一次呼吸碳捕获，两次捕获的预设捕获时长相等；日间时段为日出后至日落前的时间段，夜间时段为日落后至日出前的时间段；日间呼吸碳捕获在正午前后进行并采用不透明遮光密封罩，夜间呼吸碳捕获在凌晨或深夜进行并采用同一密闭罩；

15、分别测定日间捕获和夜间捕获得到的含同位素标记co2中的13c质量，扣除对应时段未标记对照样方呼吸释放co2中的本底13c质量后，获得日间呼吸标记碳损失量lid和夜间呼吸标记碳损失量lin；

16、按δli=lid-lin计算各预设时间点的日间呼吸差值δli；δl0为通过预实验测定的日间呼吸差值的参考值；

17、当∣δli-δl0∣大于光呼吸干扰判定阈值时，判定该预设时间点的呼吸数据存在光呼吸干扰，将该预设时间点ti的时段呼吸标记碳损失量li按li′=li-δ×(δli-δl0)进行校正，得到光呼吸校正后的时段呼吸标记碳损失量li′；其中δ为光呼吸干扰补偿系数，δ通过在遮光条件与自然光照条件下对同一校正样方进行平行捕获的对比预实验测定确定；

18、光呼吸校正后的时段呼吸标记碳损失量li′替代li用于s4中单位时间呼吸标记碳损失量和呼吸标记碳累计损失量的计算。

19、优选的是，s4中还包括以下步骤：

20、获取各预设时间点ti所在自然日的日均温度ti，以及实验期间所有预设时间点所在自然日日均温度的平均值t0；按qi=ti/t0计算各预设时间点的环境归一化指数qi；

21、当∣qi-1∣大于温度波动判定阈值时，将光呼吸校正后的时段呼吸标记碳损失量li′按li′′=li′×(1+β×(qi-1))进行温度校正，得到温度校正后的时段呼吸标记碳损失量li′′；其中β为温度响应补偿系数；温度校正后的时段呼吸标记碳损失量li′′替代li′用于s4的计算。

22、优选的是，s3中还包括以下步骤：

23、采集各预设时间点ti校正样方中的植物组织和/或土壤样品，测定其中的本底有机碳含量oi，并采集同期未标记对照样方中的植物组织和/或土壤样品，测定其中的本底有机碳含量oir；按ηi=oi/oir计算各预设时间点ti的有机碳归一化指数ηi；

24、当ηi低于碳限制判定阈值时，将温度校正后的时段呼吸标记碳损失量li′′按li′′′=li′′×(1+α×(1-ηi))进行碳限制校正，得到碳限制校正后的时段呼吸标记碳损失量li′′′；其中α为碳限制补偿系数；碳限制校正后的时段呼吸标记碳损失量li′′′替代li′′用于s4的计算。

25、优选的是，s1之前，根据所述目标样方所在生态系统的标记碳周转半衰期选择标记模式：

26、标记碳周转半衰期小于模式选择阈值时，选择单次脉冲标记模式，在单一时间点进行一次同位素标记；

27、标记碳周转半衰期大于或等于模式选择阈值时，选择多次脉冲标记模式，在多个时间点进行多次同位素标记，相邻两次标记的时间间隔不超过标记碳周转半衰期的二分之一；

28、模式选择阈值为20-40天；

29、标记碳周转半衰期通过预实验测定或从生态系统的历史观测数据中获取。

30、优选的是，s4中拟合得到函数关系模型f(t)后，计算拟合残差序列ri=ci-f(ti)，其中f(ti)为函数关系模型在对应预设时间点的预测值；

31、按计算所述拟合残差序列的均值，按计算所述拟合残差序列的标准差σr；

32、当拟合残差序列中任一残差的绝对值∣ri∣大于2σr时，判定对应预设时间点ti的呼吸数据为异常数据点，将该异常数据点从数据点（ti,ci）中剔除，并重新拟合函数关系模型f(t)，重复上述计算和剔除，直至拟合残差序列中不存在绝对值大于2σr的残差。

33、本发明至少包括以下有益效果：

34、第一、本发明通过设置与目标样方同步接受同位素标记的独立校正样方，在遮光条件下于多个预设时间点捕获呼吸释放的含同位素标记co2，实现了对呼吸标记碳损失量的直接测定，克服了现有技术中通过差值反推法将呼吸损失作为缺失量处理的缺陷，显著提高了呼吸损失测量的准确性和可靠性。

35、第二、本发明将各预设时间点的时段呼吸标记碳损失量转换为单位时间损失量后，通过累加计算获得各时间点对应的呼吸标记碳累计损失量，并拟合建立累计损失量随标记后时间变化的函数关系模型，实现了对呼吸损失动态过程的连续描述和任意时间点损失量的预测，为光合碳固定量的逐点校正提供了可靠的模型基础。

36、第三、本发明通过将目标样方中实测的标记碳固定量加上函数关系模型预测的对应采样时间点的累计呼吸标记碳损失量，获得校正后的光合碳固定量，有效消除了呼吸碳损失对光合碳固定量测定值的系统性低估，大幅提高了13c脉冲标记实验对植物光合碳固定量评估的准确性。

37、第四、本发明通过独立设置校正样方进行呼吸监测，使目标样方免于密封条件下呼吸测量带来的微环境干扰，保证了目标样方后续碳分配测定的真实性和完整性。

38、第五、本发明通过对密封捕获前等待时长的控制和密封期间co2浓度的主动调节，消除了操作过程引入的系统性误差，确保了各时间点呼吸数据的可比性；通过日间与夜间呼吸的分别捕获和差值校正，消除了光呼吸对呼吸标记碳损失量测定的干扰，进一步提高了模型的拟合精度。

39、第六、本发明通过引入温度归一化校正、有机碳底物对照校正以及基于残差分析的异常数据点迭代剔除机制，消除了环境波动、底物限制和异常数据对模型质量的干扰，保证了函数关系模型在整个预测范围内的可靠性和稳健性。

40、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。