植物在表生环境中有着相当重要的作用，它们影响着能量流动，全球碳循环及气候变化。植物叶片中的营养元素是反应植物营养状态的基础。钾（K）是植物细胞中最富集的金属离子，并参与多种重要的生理过程，如光合作用、细胞渗透压平衡、气孔行为及酶的活动。同时，植物也是全球钾循环中不可或缺的重要一环。近年来，随着多接收等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）技术的发展，使得获得高精度钾同位素数据成为了可能。然而目前有关于植物中的钾同位素及分馏机制的报道还非常的少。此外，以往研究表明草本植物中C₃和C₄植物的碳同位素具有显著的差异。但是草本植物中C₃和C₄植物的钾同位素是否有差异仍不清楚，草本植物中钾同位素相关应用的报道仍非常地有限。

针对以上科学问题，我校科学研究院博士生屈睿在导师韩贵琳教授的指导下，对同一喀斯特地区中7种C₃植物叶片、4种C₄植物叶片以及土壤样品开展了高精度钾同位素的分析测试，取得主要认识如下：

（1）当地C₃植物的钾同位素范围为-1.06 ± 0.06‰ ~ -0.15 ± 0.06‰，而C₄植物的钾同位素范围为0.28 ± 0.05‰ ~ 1.15 ± 0.06‰。当地C₃植物与C₄植物具有显著的钾同位素值差异，其中C₃植物钾同位素值轻于土壤钾同位素值（-0.08‰ ~ -0.04‰），而C₄植物则重于该土壤钾同位素值。

（2）植物中钾同位素值与钾含量存在着显著负相关关系。针对处于不同营养状态（钾镁比值均衡以及镁缺乏）的C₃植物与C₄植物均表现出了钾同位素值的差异。

本研究首次对比了同一研究区域的C₃和C₄草本植物中的钾同位素，发现了钾同位素对于不同植物种类及不同叶片元素状态具有显著的差异，这表明了钾同位素在植物相关的应用研究中有着巨大的潜力，可能成为研究生物过程及元素循环的一种新工具。

图1 植物叶片及土壤中的钾含量及钾同位素值

图2 植物中钾同位素与钾含量、钾镁比值关系图

本研究受国家自然科学基金重点国际合作和杰出青年科学基金项目的资助。研究成果发表在AGU旗下地球科学领域权威期刊《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》上：Qu Rui and Han Guilin^* (2022). Potassium isotopes in herbaceous plants: A potential new tool for C₃ and C₄ plant research. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 127, e2021JG006682.

全文链接：https://doi.org/10.1029/2021JG006682