通過δ13C值判斷植物光合途徑（C3 vs C4）的核心原理在于不同光合作用途徑對碳同位素的分餾程度存在顯著差異。這種差異源于它們固碳初始步驟的關鍵酶及其解剖結構的不同。

1. 同位素分餾基礎：

* 大氣CO?中主要包含較輕的12C（約99%）和較重的13C（約1%）。

* 植物在進行光合作用吸收CO?時，普遍更“偏愛”較輕的12C，導致植物體內的13C比例低于大氣CO?，這種現象稱為同位素分餾。

* δ13C值是衡量樣品相對于國際標準（PDB）中13C/12C比值的千分偏差（‰）。公式為：δ13C (‰) = [(Rsample/Rstandard) - 1] × 1000，其中R是13C/12C比值。

* 分餾程度越大，δ13C值越負（越偏向負值）。

2. C3植物與強分餾：

* C3植物（如小麥、水稻、大豆、樹木、大多數溫帶植物）的初始固碳酶是Rubisco (RuBP羧化酶/加氧酶)。

* Rubisco對CO?的親和力相對較低，并且對13C的分餾作用很強（分餾值約 -29‰）。這意味著Rubisco顯著偏好12C，導致進入植物體內的CO?中13C比例大幅降低。

* 結果： C3植物的δ13C值范圍通常在-22‰ 到 -35‰之間，平均值約 -27‰。數值非常負，表明分餾劇烈。

3. C4植物與弱分餾：

* C4植物（如玉米、甘蔗、高粱、許多熱帶禾本科草）進化出了特殊的CO?濃縮機制以應對高溫、干旱和高光強。它們擁有花環結構(Kranz anatomy)。

* 在葉肉細胞中，初始固碳由PEP羧化酶(PEPC) 完成。PEPC對CO?的親和力極高，幾乎不區分12C和13C（分餾值僅約 -5.7‰），分餾作用非常微弱。它將CO?固定成四碳酸（C4酸）。

* 隨后，C4酸被轉運到維管束鞘細胞，在那里釋放CO?（此時CO?濃度很高）。高濃度的CO?再由Rubisco進行卡爾文循環固碳。由于維管束鞘細胞中CO?濃度很高，Rubisco的分餾作用被大大抑制。

* 關鍵點： 整個C4途徑的碳同位素分餾主要受第一步（PEPC）控制，而這一步的分餾本身就很小，且后續高濃度CO?環境進一步限制了Rubisco的分餾潛力。

* 結果： C4植物的δ13C值范圍通常在-10‰ 到 -14‰之間，平均值約 -13‰。數值明顯比C3植物偏正（負得少），表明整體分餾很弱。

4. 判斷標準：

* δ13C ≈ -27‰ ± 5‰ (通常在 -22‰ 到 -35‰ 之間)： 強烈指示為C3植物。

* δ13C ≈ -13‰ ± 2‰ (通常在 -10‰ 到 -14‰ 之間)： 強烈指示為C4植物。

* -14‰ 到 -22‰ 之間： 這是一個重疊或模糊區域。可能的原因包括：

* CAM植物（景天酸代謝植物）：如仙人掌、菠蘿。它們在夜間（類似C4途徑）和白天（類似C3途徑）進行光合作用，其δ13C值范圍很寬，可以落在C3和C4之間甚至更低（-10‰ 到 -30‰ 或更低），取決于環境水分脅迫程度。

* 處于脅迫（如嚴重干旱、鹽堿）下的C3植物：氣孔導度降低可能導致胞間CO?濃度降低，從而減弱Rubisco的分餾作用，使δ13C值略微偏正（負值減小），但通常不會進入C4范圍。

* C3-C4中間型植物：非常罕見。

* 樣品混合或污染。

* 區分CAM： 通常需要結合植物種類信息或更詳細的研究（如日變化測量）。如果已知是CAM植物，其δ13C值范圍寬泛，需要結合具體物種和環境判斷。

5. 應用價值：

* 生態學： 研究生態系統結構（C3/C4植物比例）、碳循環、植被演替、動物食性（通過分析動物組織δ13C推斷其攝入的C3/C4植物比例）。

* 農業科學： 評估作物生理（水分利用效率）、育種（篩選高WUE品種）。

* 古生態/古氣候/考古學： 重建過去植被類型（C3/C4豐度）、氣候變化（如C4擴張指示變暖變干）、古代人類和動物的食譜（如玉米C4 vs 小麥C3的攝入比例）、農業起源與傳播（如玉米在美洲的馴化與傳播）。

總結：

通過測量植物組織的δ13C值，可以可靠地區分其主要的光合作用途徑：

* δ13C值非常負（≈ -27‰）： 典型C3途徑。

* δ13C值相對偏正（≈ -13‰）： 典型C4途徑。

兩者之間存在一個明顯的數值間隔（約-14‰ 到 -22‰），這通常是區分C3/C4的關鍵范圍，若落在此區間則需要謹慎考慮其他因素（主要是CAM或脅迫下的C3）。δ13C分析因其相對簡便、可靠，成為研究植物生理生態、生態系統功能和古環境重建的強有力工具。