同位素在土壤生態(tài)學中的應用

1、同位素在土壤中的應用,土壤生態(tài)學討論課,一者三石,提要,同位素研究方法的簡介放射性同位素在土壤研究中應用穩(wěn)定同位素混合在土壤研究中應用穩(wěn)定同位素分餾在土壤研究中應用,放射性：元素的原子核自行放射出看不見的、具有一定穿透力的射線的性質稱為放射性。放射性衰變：不穩(wěn)定的核自發(fā)地改變和結構、并放射出射線，轉變成另一種核或過渡到另一種狀態(tài)的現象。（射線α、β、γ或光子）同位素分餾效應：一種元素的同位素之間，由于質量的不同或核自旋，會使它

2、們在物理、化學、生物學等性質方面表現出一定的差異，這種現象稱為同位素效應。,幾個基本概念的介紹,豐度（AP）：自然界中存在的某一元素的各同位素間組成關系（表示：原子分數，分子分數）原子百分超：樣品中某核素的豐度與天然豐度只差。同位素比值R：同位素豐度比，指某一元素的重同位素豐度與輕元素豐度之比，如D/H,13C/12C,,,同位素δ：樣品中同位素比值相對于標準物質同位素比值的千分值‰δ=（Rsa/Rst-1）×1000=

3、(a-1) ×1000Rsa：樣品中同位素比值Rst ：標準物質同位素比值,,衰變公式：單位時間內發(fā)生衰變的核數目與該時間內存在的放射性核總數成正比。 t=0時有N0個放射性原子，在以后任何時刻t剩下的放射性原子數為N 放射性活度A：某一樣品單位時間內核衰敗的次數。,,,,放射性同位素的應用,首先在成熟葉先端大量顯示,標記物由土壤在從跟進人,土壤中的元素吸收和運輸,PET 的原理：常用的放射性核素有

4、：11C, 13N, 15O, 18F, 22Na,45V, 52Mn, 52Fe, 68Zn, 105Cd, 107Cd。它們衰變產生的正電子與物質中的負電子作用，發(fā)生湮滅，生成兩個γ光子，掃描儀記錄γ光子的時空分布，從而探測放射性核素的位置和參與的過程。,PET法高CO2濃度下植物同化物的分配,同位素稀釋法測定根系周轉,脈沖標記提高了地下部的14C同位素豐度F，隨后只有12C同化進入根部，導致F逐漸降低。在不同時刻取根系樣品，測定其

5、碳同位素組成，就可以計算根系的周轉系數TC,模型1：先減少后增加,,模型2：先增加后減少,,,,姜炳棋等，威廉腔環(huán)蚓對14C-土壤有機質轉化的研究，2011,20 ℃下14C-SOM 在含有蚯蚓和不含蚯蚓的土壤以及蚓糞中培育55 d 的累積礦化率,試驗裝置,20 ℃下, 14C-SOM 在對照土壤和蚯蚓處理土壤中以移出蚯蚓時間點（礦化第15 d）為起始點的累積礦化率,20 ℃下培養(yǎng)55 天后14C-SOM 殘留物在對照土壤、蚯蚓處理土壤

6、、蚓糞以及蚯蚓體內的相對分布,劉微，水稻轉Bt（蘇云金芽孢桿菌）基因對植株光合產物分配的影響，2009,1mol/LNa2CO3[50%Na2CO3，50%Na2CO3，使室內CO2濃度維持在 150-200ppm濃度，4h后結束標記。,Na213CO3+14CO2 ? Na214CO3+13CO2,不同基因型水稻各生育期根際土壤磷脂脂肪酸種類和含量變化.(a):苗期;(b):拔節(jié)期;(c):抽穗期;(d):成熟期.,土壤有機質周轉率

7、,20世紀50年代后核爆試驗對大氣中14C量的影響,假定有機質分解遵從一級動力學方程，則土壤中有機碳和14C的變化可以用下列方程表示：,其中，Ct-1是前一年的碳含量，Ct是前一年的14C含量， φ是有機碳的輸入率，k是有機碳的周轉率=1／周轉時間(t)，λ 是14C的衰變常數(0.0001245／年)。,,Cherkinsky & Brovkin 模型（不會產生兩個值）,I1955為土壤有機質1955年的14C放射性比活

8、度；I’t是在采樣年大氣的14C放射性比活度;Ist是現代標準碳的14C放射性比活度,在2005年取得一土壤樣品，經過物理化學方法將土壤有機質分成三個組分，分別占土壤總有機碳的10% ，30%和60%，它們的14C比活度分別為13.6、14.2、14.6 dpm g-1C；若大氣14CO2的Δ(‰)的時間動態(tài)符合下述方程：1955-1964年：y=5.408(x-1955)2+53.445(x-1955)1964-2005年：

9、y=20096(x-1955)-1.3918-25已知現代碳標準的放射性比活度為13.6 dpm g-1 C,土壤有機質分成三個組分的周轉率？,,穩(wěn)定性同位素混合的應用,兩源混合的貢獻率,,Pb,土壤Pb污染對茶葉Pb含量的貢獻,例：江南大學 占茉莉 土壤鉛污染對西湖龍井的鉛的貢獻,不同層位土壤剖面中穩(wěn)定同位素的變化規(guī)律及與水分遷移的關系,田立德 姚檀棟 TSUJIMURA 孫維貞 2002,那曲100cm 土壤水

10、、地表土壤18O 和夏季降水18O 權重值的對比,蒸發(fā)土壤水與下滲降水混合的同位素組成示意圖,土柱試驗 混合輸出18O 值隨時間變化,那曲1998 年夏季降水及不同深度土壤剖面中18O 隨時間的變化,同位素在食物鏈的研究中應用,消費者的氮穩(wěn)定性同位素（15N）相對其食物的15N發(fā)生3~4‰的富集。消費者與其食物間的15N的富集是由氮的吸收和排泄過程中同位素辨別作用引起的。消費者相對其食物的15N穩(wěn)定的富集作用可以用于評價生物的營養(yǎng)級位置

11、，其公式為：,式中δ15Nbase為生態(tài)系統食物網的初級生產者或初消費者的氮穩(wěn)定性同位素比率（即λ=1時，δ15Nbase為初級生產者δ15N，而當λ=2時，δ15Nbase為初級消費者δ15N）δ15Nconsumer為消費者的氮穩(wěn)定性同位素比率，Δδ15N為營養(yǎng)級傳遞過程中的富集值（平均值約為3.4‰）。,蘇曉梅,應用穩(wěn)定性同位素探討洞穴生態(tài)系統食物網結構和營養(yǎng)級關系，2008,東風洞洞穴生態(tài)系統食物網樣品的δ13C和δ15N組成,

12、東風洞穴生態(tài)系統食物網中各樣品營養(yǎng)級位置,在洞穴黑暗帶沒有進行光合作用的生產者，且此研究所用標本皆來自于東風洞黑暗帶，營養(yǎng)來源主要來自于土壤中的有機物質，馬陸類群，細長鉆螺等土壤動物主要以此為食，形成第二營養(yǎng)級，即初級消費者，其中斑灶馬、夜蛾也屬于第二營養(yǎng)級。以此類推，利用營養(yǎng)級模型可以得知第三營養(yǎng)級為蜘蛛類、盲蛛、地蜈蚣以及黑眶蟾蜍,同位素分餾在土壤生態(tài)學應用,例：土壤硝化與反硝化對N2O產生的貢獻率,氧化亞氮的兩個來源,思 路,土

13、壤中的δ15N,δ1,δ2,δ0,硝化反應,反硝化反應,分餾值△1,分餾值△2,大氣中的15Nδ4,δ3,Keeling Plot模型,兩源混合的質量平衡模型，其中一個源不變，另一個源變化假設兩個源分別為R和B，其中B不變，R變化 兩源濃度分別為CR和CB，并有δR和δB，混合為CM和δM。則有：,,,1.抽取不同時間段氣體做15N同位素分析,2.加入乙烯后，抽取不同時間段氣體做15N同位素分析,T1時刻，N2O（硝化+反硝化），