同位素在土壤生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用

1、同位素在土壤中的應(yīng)用,土壤生態(tài)學(xué)討論課,一者三石,提要,同位素研究方法的簡(jiǎn)介放射性同位素在土壤研究中應(yīng)用穩(wěn)定同位素混合在土壤研究中應(yīng)用穩(wěn)定同位素分餾在土壤研究中應(yīng)用,放射性：元素的原子核自行放射出看不見(jiàn)的、具有一定穿透力的射線的性質(zhì)稱(chēng)為放射性。放射性衰變：不穩(wěn)定的核自發(fā)地改變和結(jié)構(gòu)、并放射出射線，轉(zhuǎn)變成另一種核或過(guò)渡到另一種狀態(tài)的現(xiàn)象。（射線α、β、γ或光子）同位素分餾效應(yīng)：一種元素的同位素之間，由于質(zhì)量的不同或核自旋，會(huì)使它

2、們?cè)谖锢?、化學(xué)、生物學(xué)等性質(zhì)方面表現(xiàn)出一定的差異，這種現(xiàn)象稱(chēng)為同位素效應(yīng)。,幾個(gè)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(guān)系（表示：原子分?jǐn)?shù)，分子分?jǐn)?shù)）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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素比值,,衰變公式：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目與該時(shí)間內(nèi)存在的放射性核總數(shù)成正比。 t=0時(shí)有N0個(gè)放射性原子，在以后任何時(shí)刻t剩下的放射性原子數(shù)為N 放射性活度A：某一樣品單位時(shí)間內(nèi)核衰敗的次數(shù)。,,,,放射性同位素的應(yīng)用,首先在成熟葉先端大量顯示,標(biāo)記物由土壤在從跟進(jìn)人,土壤中的元素吸收和運(yùn)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(chǎn)生的正電子與物質(zhì)中的負(fù)電子作用，發(fā)生湮滅，生成兩個(gè)γ光子，掃描儀記錄γ光子的時(shí)空分布，從而探測(cè)放射性核素的位置和參與的過(guò)程。,PET法高CO2濃度下植物同化物的分配,同位素稀釋法測(cè)定根系周轉(zhuǎn),脈沖標(biāo)記提高了地下部的14C同位素豐度F，隨后只有12C同化進(jìn)入根部，導(dǎo)致F逐漸降低。在不同時(shí)刻取根系樣品，測(cè)定其

5、碳同位素組成，就可以計(jì)算根系的周轉(zhuǎn)系數(shù)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(duì)14C-土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)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(yàn)裝置,20 ℃下, 14C-SOM 在對(duì)照土壤和蚯蚓處理土壤中以移出蚯蚓時(shí)間點(diǎn)（礦化第15 d）為起始點(diǎn)的累積礦化率,20 ℃下培養(yǎng)55 天后14C-SOM 殘留物在對(duì)照土壤、蚯蚓處理土壤

6、、蚓糞以及蚯蚓體內(nèi)的相對(duì)分布,劉微，水稻轉(zhuǎn)Bt（蘇云金芽孢桿菌）基因?qū)χ仓旯夂袭a(chǎn)物分配的影響，2009,1mol/LNa2CO3[50%Na2CO3，50%Na2CO3，使室內(nèi)CO2濃度維持在 150-200ppm濃度，4h后結(jié)束標(biāo)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(lèi)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(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)率

7、,20世紀(jì)50年代后核爆試驗(yàn)對(duì)大氣中14C量的影響,假定有機(jī)質(zhì)分解遵從一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，則土壤中有機(jī)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(jī)碳的輸入率，k是有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)率=1／周轉(zhuǎn)時(shí)間(t)，λ 是14C的衰變常數(shù)(0.0001245／年)。,,Cherkinsky & Brovkin 模型（不會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)值）,I1955為土壤有機(jī)質(zhì)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(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)碳的14C放射性比活度,在2005年取得一土壤樣品，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)方法將土壤有機(jī)質(zhì)分成三個(gè)組分，分別占土壤總有機(jī)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(shí)間動(dòng)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(xiàn)代碳標(biāo)準(zhǔn)的放射性比活度為13.6 dpm g-1 C,土壤有機(jī)質(zhì)分成三個(gè)組分的周轉(zhuǎn)率？,,穩(wěn)定性同位素混合的應(yīng)用,兩源混合的貢獻(xiàn)率,,Pb,土壤Pb污染對(duì)茶葉Pb含量的貢獻(xiàn),例：江南大學(xué) 占茉莉 土壤鉛污染對(duì)西湖龍井的鉛的貢獻(xiàn),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(guān)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(quán)重值的對(duì)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(yàn) 混合輸出18O 值隨時(shí)間變化,那曲1998 年夏季降水及不同深度土壤剖面中18O 隨時(shí)間的變化,同位素在食物鏈的研究中應(yīng)用,消費(fèi)者的氮穩(wěn)定性同位素（15N）相對(duì)其食物的15N發(fā)生3~4‰的富集。消費(fèi)者與其食物間的15N的富集是由氮的吸收和排泄過(guò)程中同位素辨別作用引起的。消費(fèi)者相對(duì)其食物的15N穩(wěn)定的富集作用可以用于評(píng)價(jià)生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置

11、，其公式為：,式中δ15Nbase為生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的初級(jí)生產(chǎn)者或初消費(fèi)者的氮穩(wěn)定性同位素比率（即λ=1時(shí)，δ15Nbase為初級(jí)生產(chǎn)者δ15N，而當(dāng)λ=2時(shí)，δ15Nbase為初級(jí)消費(fèi)者δ15N）δ15Nconsumer為消費(fèi)者的氮穩(wěn)定性同位素比率，Δδ15N為營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞過(guò)程中的富集值（平均值約為3.4‰）。,蘇曉梅,應(yīng)用穩(wěn)定性同位素探討洞穴生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)級(jí)關(guān)系，2008,東風(fēng)洞洞穴生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)樣品的δ13C和δ15N組成,

12、東風(fēng)洞穴生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中各樣品營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置,在洞穴黑暗帶沒(méi)有進(jìn)行光合作用的生產(chǎn)者，且此研究所用標(biāo)本皆來(lái)自于東風(fēng)洞黑暗帶，營(yíng)養(yǎng)來(lái)源主要來(lái)自于土壤中的有機(jī)物質(zhì)，馬陸類(lèi)群，細(xì)長(zhǎng)鉆螺等土壤動(dòng)物主要以此為食，形成第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)，即初級(jí)消費(fèi)者，其中斑灶馬、夜蛾也屬于第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)。以此類(lèi)推，利用營(yíng)養(yǎng)級(jí)模型可以得知第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)為蜘蛛類(lèi)、盲蛛、地蜈蚣以及黑眶蟾蜍,同位素分餾在土壤生態(tài)學(xué)應(yīng)用,例：土壤硝化與反硝化對(duì)N2O產(chǎn)生的貢獻(xiàn)率,氧化亞氮的兩個(gè)來(lái)源,思 路,土

13、壤中的δ15N,δ1,δ2,δ0,硝化反應(yīng),反硝化反應(yīng),分餾值△1,分餾值△2,大氣中的15Nδ4,δ3,Keeling Plot模型,兩源混合的質(zhì)量平衡模型，其中一個(gè)源不變，另一個(gè)源變化假設(shè)兩個(gè)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(shí)間段氣體做15N同位素分析,2.加入乙烯后，抽取不同時(shí)間段氣體做15N同位素分析,T1時(shí)刻，N2O（硝化+反硝化），