生物的碳同位素组成

研究生物碳同位素的工作已有70多年的历史。1939年，Nier和Gulbrandsen最先指出:无机碳和有机碳的同位素组成不同，后者富集12C。此后，人们又在测定活的生物体时发现它们比大气二氧化碳和碳酸盐约轻20‰～30‰。

图3－9反映出生物碳同位素组成的一般分布情况。生物的δ13C值随生态属性而变化，分布范围在－6‰～－34‰之间。

现将植物与动物的碳同位素组成特征分述如下:

1.植物

(1)不同类型植物的同位素组成特征

陆生植物:－10‰～－37‰。

海生植物:－4‰～－28‰。

藻类:－4‰～－23‰。

湖泊植物通常比海生植物贫13C。这是由于它们进行光合作用时所利用的碳源同位素组成不一样(安藤直行，1971)。陆生植物光合作用时利用空气中的CO2，而海生植物是利用溶解于水中的重碳酸根或碳酸根。实验测定，0℃和30℃时，Δ13CCO2－3－CO2值分别为11.5‰和9.9‰;Δ13CHCO－3－CO2分别为9.2‰和6.8‰，恰与上述解释吻合。

Smith和Epstien(1971)认为富13C的植物和贫13C的植物在组织上、生理上、生物化学上和生态学上都有差别，据此，他们把高等植物分为两类:

1)植物界的多数成员属第一类，其δ13C值低，为－24‰～－37‰。

2)沙漠、盐碱沼泽地区植物以及热带草本植物属第二类，其δ13C值高，为－6‰～－19‰。

藻类作为一个独立的部分，其δ13C值的变化范围为－12‰～－23‰，恰好介于上述两类高等植物之间。

植物界碳同位素的分布与植物所进行的光合作用密切相关。按光合作用中碳循环途径的不同，可分为Calvin循环(C3循环)、Hatch-Slack循环(C4循环)和Crassulacean Acid Metabolism循环(CAM循环)。C3循环发现于小球藻中，后在多数高、低等植物中也发现同样情况，是光合作用碳转化的普遍形式。C4循环主要存在于热带禾草类等一些单子叶和双子叶植物中。景天酸代谢循环(CAM循环)产生的场所主要为一些肉质植物，如景天属、落地生根属、仙人掌属等，一般都耐干旱，其中许多是沙漠植物。

以上3种碳循环途径植物的δ13C值的分布是不同的，其一般分布范围为:C3植物为－37‰～－24‰，平均值为－27;C4植物为－16‰～－9‰，平均值为－12‰;CAM植物为－19‰～－9‰，平均值为－17‰。

3种碳循环途径植物在碳同位素组成上的差别是由于不同酶的作用和碳的新陈代谢库的不同。

前述两类高等植物，分别属于C3植物和C4植物。

(2)浮游生物同位素组成与温度的关系

图3－10 浮游生物全碳同位素组成与采样地点表层水温的关系(据Sackett等，1974)

海洋浮游生物是生物中重要的种类之一。天然海洋浮游生物群的δ13C值变化为15‰。Sackett等(1974)发现，浮游生物的碳同位素组成与采样地点的水温(生长温度，纬度)有关(图3－10)。“极地”浮游生物的δ13C值比亚热带浮游生物约低6‰，硅藻的δ13C值与温度的关系更为明显。从图3－10可看出，温度在－2℃到15℃之间浮游生物的δ13C大约从－30‰变化到－20‰。当温度接近15℃，即大致相当于暖水体系和冷水体系的分界面时，出现了碳同位素组成变化不连续的情况。这个不连续面可能是两种光合作用方式不同的浮游生物群的交界面。

(3)生物不同组分碳同位素组成存在差异

Degens等(1968)测定海洋浮游植物的各种生物化学组分的碳同位素组成后发现，不同生物化学组分的碳同位素组成差别很大(图3－11)，糖、半纤维素、纤维素的δ13C值接近整个生物的碳同位素组成，果胶明显富13C，里格宁胶和可提取的油脂最富12C。因此，在对有机碳的同位素组成作地质解释时，必须注意不同生物化学组分之间的同位素组成差异。

图3－11 Δ13C组分－植物植物的不同生物化学组分、碳同位素组成对比(据Deines，1980)

2.动物

海洋、淡水和陆生动物体的δ13C值一般落在其相应环境中生长的植物的碳同位素比值范围内。前节所述C3植物和C4植物的δ13C值分布范围不同，这种差别分别在以这两类植物为主要食物的动物的碳同位素组成上得到反映(Hains，1976;Minson，1975)。

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