近年来，植物碳同位素组成(δ¹³C)被广泛用于植物生理生态、全球碳循环以及全球气候变化研究中^[1,2].植物δ¹³C值与细胞内外CO₂浓度比(C_i/C_a)密切相关，而C_i/C_a受植物光合效率(A)和植物气孔导度(g)的影响^[3].环境因子(如温度、降水、大气压等)通过对A和g产生影响，进而影响植物δ¹³C.因此，植物δ¹³C能够可靠记录植物生长所处的环境信息，提供外界环境和植物生理生态特征的综合信息，同时，也是碳循环过程中生物地球化学过程的综合体现^[2,4].

随着地理梯度(海拔、经度、纬度)的变化，温度、降水、大气压等环境因素会发生变化.这些因素的变化会通过影响物光合气体交换以及生理生态特性而改变植物C_i/C_a值，最终对植物δ¹³C产生影响.因此，植物δ¹³C随着地理梯度会具有一定的分布格局.然而，关于植物δ¹³C与地理梯度关系的研究多是关于植物δ¹³C与海拔的关系研究^[5,6]，而关于经纬度的研究较少^[7,8].在不存在干旱胁迫条件下，植物δ¹³C随海拔的升高而增大已被认为是普遍规律^{[6, 8, 9, 10]}.然而，有研究发现，在干旱胁迫条件下，水分能够改变植物δ¹³C随海拔变化的趋势.例如，Van de Water等^[11]研究发现，由于低海拔地区的水分有效性低于高海拔地区，导致高海拔地区植物δ¹³C显著低于低海拔地区植物.现有研究已表明，水分是内蒙古地区植物生长限制因子^[12]，但是在内蒙古水分是否会改变植物δ¹³C随海拔升高而增大的趋势还不清楚.此外，该地区植物δ¹³C随经纬度会有怎样的变化趋势以及除了水分外的其余气候因子会对植物δ¹³C产生怎样影响也都还不清楚.因此，在内蒙古开展植物叶片δ¹³C与地理参数和气候因子的关系研究，有助于探明植物δ¹³C的空间变化特征及其对气候因子的响应规律，这对于深入理解全球气候变化对草地生态系统碳循环的影响具有重要意义，并可为科学认识和预测气候变化条件下草地生态系统的演化和发展趋势提供科学依据.

研究区为我国内蒙古自治区，该区域平均海拔约1 000 m(表 1).降水是该区域植物生长最主要的驱动因子，大部分地区属于干旱、半干旱的大陆性气候，自东北向西南，年均降雨量由450 mm以上逐渐递减至50 mm左右，年均温度范围约为-3~9 ℃，温度与降水之间有显著的负相关关系(表 1).从东北到西南，草地植被类型依次为温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性草原化荒漠、温性荒漠，主要优势种有：羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)、贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、克氏针茅(Stipa krylovii)、戈壁针茅(Stipa tianschanica)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、无芒隐子草(Cleistogenes songorica)、冰草(Agropyron cristatum)、沙生冰草(Agropyron desertorum)、冷蒿(Artemisia frigida)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、珍珠猪毛菜(Salsola passerina)、木本猪毛菜(Salsola arbuscula)、多根葱(Allium victorialis)等.土壤类型以草原土为主，此外还有草甸土、风沙土等隐域性土壤^[13].

表 1

Table 1

表 1( Table 1)

表 1 内蒙古地区气候、地理因素间的相关系数 Table 1 Correlation between geographic parameters and climatic factors in the Inner Mongolia of China 因素 海拔 经度 纬度 年均降雨量 干燥度 年均温度 经度 -0.83 纬度 -0.91 0.90 年均降雨量 -0.51 0.79 0.59 干燥度 0.51 -0.84 -0.64 -0.93 年均温度 0.77 -0.95 -0.94 -0.72 0.79 大气压强 -1.00 0.82 0.90 0.50 -0.49 -0.75 注：显著性水平均达到P< 0.001.

表 1 内蒙古地区气候、地理因素间的相关系数 Table 1 Correlation between geographic parameters and climatic factors in the Inner Mongolia of China

在2003—2007植物生长最旺盛的8月，沿从东北到西南方向在内蒙古地区采集样品，大约每隔50 km选取一个样地，共选择具有代表性的草地样地47个(图 1)，用GPS记录每一个样地的经纬度及海拔.每个样地随机选取三个1 m×1 m样方.每一个样方的每一种优势种都分别装进一个信封中.

图 1( Figure 1)

Fig. 1

图 1 内蒙古采样点分布图 Fig. 1 Locations of the sample sites for foliar δ13C in the Inner Mongolia

根据叶片大小，从至少3个植株个体中为每个样地的每个优势种选取3~20片叶片，叶片用蒸馏水洗净、风干后置于80 ℃烘箱中烘干，烘干至恒重后称重.称重后用植物粉碎机将叶片粉碎成粉末，用以测定叶片碳同位素组成.

在中科院地理所中心理化分析实验室利用同位素质谱仪(Finnigan MAT-253,Thermo Electron)分析碳同位素组成.碳同位素组成的表达式为

各样地的年均降雨量、月均降雨量、年均温度、月均温度和大于0 ℃积温从全国陆地生态信息气象栅格数据库中提取得到.生长季温度(GST)和生长季降雨量(GSP)分别通过式(2)和式(3)计算获得：

采样点干燥度指数(DI)通过式(4)计算：

大气压强通过式(5)计算得到：

采用SPSS 18.0软件进行数据统计分析.采用简单回归分析叶片δ¹³C与海拔、经度、纬度、温度、降水和大气压强的关系.采用多元回归分析确定气候因子对叶片δ¹³C的综合效应以及每个气候因子的贡献率.

叶片δ¹³C随海拔升高而增大，随经纬度的增加而降低(图 2).海拔每升高1 000 m，叶片 δ¹³C增加1.7‰，海拔、经度和纬度分别可以解释叶片δ¹³C的27%，46%和31%的变化，可见对叶片δ¹³C的解释能力是：经度 > 纬度 > 海拔(图 2).

图 2( Figure 2)

Fig. 2

图 2 内蒙古C3植物叶片δ13C的空间格局 Fig. 2 Spatial pattern of C3-plant foliar δ13C in the Inner Mongolia

叶片δ¹³C与年均温度(MAT)和生长季温度(GST)均显著正相关(图 3).MAT和GST每升高1 ℃，叶片δ¹³C分别增大0.222 ‰和0.396‰.此外，MAT和GST分别可以解释叶片δ¹³C的38%和40%的变化.

图 3( Figure 3)

Fig. 3

图 3 内蒙古C3植物叶片δ13C与温度的关系 Fig. 3 Relationship between C3-plant foliar δ13C and temperature in the Inner Mongolia

叶片δ¹³C随年均降雨量(MAP)和生长季降雨量(GSP)的增加而减小，随干燥度的增加而增大(图 4).水分有效性可解释叶片δ¹³C的57%变化.水分有效性对植物叶片δ¹³C的解释能力强于温度(图 3和图 4).MAP和GSP每增加100 mm，C₃ 植物叶片δ¹³C分别降低1.2 ‰和1.4‰，而干燥度每增加1个当量，C₃植物叶片δ¹³C增大1.723‰.

图 4( Figure 4)

Fig. 4

图 4 内蒙古C3植物叶片δ13C与水分有效性的关系 Fig. 4 Relationship between C3-plant foliar δ13C and water availability in the Inner Mongolia

叶片δ¹³C随大气压强的增加而降低(图 5)，大气压每升高1 kPa，叶片δ¹³C降低0.164‰.大气压可解释叶片δ¹³C的27%变化.可见，大气压对叶片δ¹³C的解释能力低于温度和降水(见图 3，图 4和图 5).

图 5( Figure 5)

Fig. 5

图 5 内蒙古C3植物叶片δ13C与大气压强的关系 Fig. 5 Relationship between C3-plant foliar δ13C and atmospheric pressure in the Inner Mongolia

多元回归结果表明，在内蒙古地区，降水和大气压强均对叶片δ¹³C有显著影响，但降水的影响要强于大气压强，而温度没有影响(表 2).

表 2

Table 2

表 2( Table 2)

表 2 内蒙古大气压强、温度、降水对C3 植物叶片δ13C变化的贡献率 Table 2 Contribution of atmospheric pressure, temperature and precipitation to variation of C3-plant foliar δ13C in the Inner Mongolia y a b c d 回归方程显著性 δ 13C -19.11 ** -5.26 * -3.96 ** 1.18 ns P<0.000 1 注：回归模型 y=a+bx 1+cx 2+dx 3,x 1,x 2,x 3分别为大气压强、降水和温度.* 代表P<0.05；**代表P<0.001；ns代表不显著.

表 2 内蒙古大气压强、温度、降水对C3 植物叶片δ13C变化的贡献率 Table 2Contribution of atmospheric pressure, temperature and precipitation to variation of C3-plant foliar δ13C in the Inner Mongolia

叶片δ¹³C与降水显著负相关，与干燥度显著正相关(图 4)，这与现有大多数研究结果一致^[14,15].这是由于降雨量减少，土壤含水量及空气湿度降低，水分胁迫加重，植物便会关闭部分叶片气孔以减少水分蒸发、提高水分利用效率，而气孔是大气CO₂进入叶内的通道，气孔部分关闭将引起叶片内CO₂浓度下降，最终导致叶片δ¹³C值升高^[16].多元回归结果也表明，在内蒙古地区降水是影响叶片δ¹³C的主要因素(表 2)，这是由于降水是该地区限制植物生长的主要因素；而研究表明，植物生长的限制因素往往是叶片δ¹³C的主要影响因素^[17].

叶片δ¹³C与温度正相关(图 3)，这与现有一些研究结果相同^[18,19].Farquhar 和Wong^[20]认为这是因为温度升高，羧化酶活性增强，植物光合速率增大，导致植物叶片内CO₂浓度减小，进而植物δ¹³C增大.Li等^[21]认为还有一个可能的机制是：温度升高导致土壤水分蒸发增强，土壤含水量减少，进而植物δ¹³C增大.但也有研究发现叶片δ¹³C与温度负相关^[7]，还有研究发现叶片δ¹³C与温度不相关^[22].可见，温度与叶片δ¹³C之间的关系比较复杂，Schleser等^[23]认为，不同植物具有不同的光合最适温度是导致植物δ¹³C与温度之间关系非常复杂的原因.多元回归结果表明，实际上温度对植物δ¹³C并没有影响(表 2)，而它之所以与植物δ¹³C正相关，是由于在内蒙古地区温度与降水有显著的负相关关系(表 1)，而降水与植物δ¹³C显著负相关(图 4和表 2).因此，温度与叶片δ¹³C关系复杂另一个可能原因是：在有些研究中温度可能并不是植物δ¹³C的影响因素，但它与影响植物δ¹³C的主导因素显著相关，且关系并不确定(例如，在不同区域，温度与降水可能存在正相关、负相关和不相关的关系)，最终导致了植物δ¹³C值与温度之间关系的复杂多变.

叶片δ¹³C与大气压强显著负相关(图 5)，这与Zhou和Li等在青藏高原得到的研究结果相同^[9,24].这可能是因为，随着大气压强降低，大气CO₂分压降低，导致了较低的大气CO₂浓度.而Llorens等^[25]研究发现,在低CO₂浓度条件下植物C_i/C_a低于在高CO₂浓度条件下.这可能正是导致叶片δ¹³C与大气压强负相关的原因.多元回归结果表明，虽然大气压强是叶片δ¹³C的影响因素，但是与降水相比大气压强并不是主要影响因素(表 2)，这可能是由于与降水相比，大气压强并不是限制植物生长的主要因素.另外，经度对内蒙古植物叶片δ¹³C的解释能力高于海拔(图 2)，也说明了水分对植物叶片δ¹³C的影响要大于大气压强，这是因为，大气压强与海拔的相关性要强于经度，而降水与经度的相关性强于海拔(表 1)，如果大气压强是影响植物叶片δ¹³C的主要因素，那么应该是海拔对植物叶片δ¹³C的解释能力高于经度.

叶片δ¹³C随海拔升高而增大(图 2a)，这一规律与前人研究结果相同^{[6, 8, 9]}.本研究中叶片δ¹³C随海拔的变化率是1.7‰ km^-1，这一变化率高于Zhou等^[9]在青藏高原以及Körner等^[26]在全球高海拔地区得到的变化率(分别为0.78‰ km^-1和0.70‰ km^-1).物种特异性可以解释不同研究区得到的变化率不同.叶片δ¹³C对海拔的响应程度具有物种特异性已经被广泛发现.Hultine和Marshall^[27]发现不同物种随海拔的变化率存在显著差异，洛杉矶冷杉(Abies lasiocarpa)的变化率只有0.91‰ km^-1，而小干松(Pinus contorta)的变化率高达2.68‰ km^-1.Zhu等^[6]发现委陵菜属(Potentilla)和苔草属(Carex)植物叶片δ¹³C随海拔的变化率是1.2‰ km^-1，而虎耳草属(Saxifraga)植物叶片δ¹³C随海拔的变化率是1.8‰ km^-1.每一个研究区具有不同优势种，因此叶片δ¹³C随海拔的变化率也不同.此外，不同区域引起植物叶片δ¹³C随海拔变化的主导因子不同也是导致植物叶片δ¹³C随海拔变化率不同的一个可能解释.在青藏高原，大气压强是影响叶片δ¹³C的主导因素^[9]，而在内蒙古地区，水分是影响叶片δ¹³C的主导因素(表 2).

关于叶片δ¹³C与经、纬度之间关系的研究相对较少，并且得到的结果也不尽相同.本研究结果表明叶片δ¹³C与经纬度负相关，这与Pedicino等^[28]在美国西南部的研究结果相同.但也有研究发现经度和纬度与植物δ¹³C正相关.例如，刘光琇等^[29]发现中国西部沙棘(Hippophae rhamnoides)δ¹³C随经度和纬度的升高而增大.而冯虎元等^[17]研究发现植物δ¹³C与经度负相关，而与纬度呈弱的正相关关系.也有研究只分析了叶片δ¹³C与纬度或经度其中一个因素的关系，Körner等^[8]研究发现多年生草本植物叶片δ¹³C与纬度负相关.刘光琇等^[29]认为，不同研究得到的结果不同，可能是由于不同研究的采样策有所不同，或是不同植物种对环境的适应性有所不同.本研究表明另一个可能原因是：在不同研究区影响植物叶片δ¹³C的主导因素不同，而这些主导因素在不同地区随经纬度的变化规律也可能不同，最终导致了不同研究得到植物叶片δ¹³C随经纬度的变化规律不尽相同.

内蒙古地区，C₃植物叶片δ¹³C具有显著的空间格局，表现为：叶片δ¹³C随海拔升高而增大，随经纬度的增加而减小.降水和大气压强与叶片δ¹³C显著负相关，它们共同决定了叶片δ¹³C的空间格局，其中水分是主导因素，而温度对叶片δ¹³C影响不显著.