第4章-同位素混合及其应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
12C 13C
混合模型取值
-26
-13 -10 -17 -21
海洋单细胞藻类 温带海洋浮游植物 河口浮游植物
13C
15
自养硫细菌 甲烷氧化菌
16
12C
14C
14C
很多时候多源但标记同位素不足 食物 来源
水貂
铅污染
13C
17
13C
18
12C
14C
12C
14C
崔骁勇
3
绪论
2010-3-21
计算机求解方法：
12C 13C
3
( H L) mix
H mix ( H L)mix
13C
14C
14C
如果重同位素比例很小，那么： AP X* X* 0 R X X* X
0
δ
Fhigh
5
10 10
mix 1 10 3 low 1 3 high 1 10 3 low 1
3
Rmix Rlow R / Rstd Rlow / Rstd mix Rhigh Rlow Rhigh / Rstd Rlow / Rstd
δlow
δmix
δhigh
Fhigh
13C 12C
mix low high low
mix low high low
（ 8.4‰扣除分馏效应3.4‰ ）
源B的同位素 组成不变
源A/B的量都 变化或者一个 源的同位素组 13C 成和量都变化
23
计算结果：
fA = (δB-δM)/(δB -δA) =0.5
13C 12C
食物中鱼和草的贡献率各占50%
24
12C
14C
14C
崔骁勇
4
绪论
2010-3-21
考虑食物中氮的含量（权重）
滨海盐沼对于鱼类生产的重要性 DOC、POC 浮游植物 13C混合的应用：
不确定性有哪些？
13C
29
各自的δ13C、DOC等产量、面积 DOC的品质（消化率）
12C
14C
30
δ=(PmQmAmδm + PowQowAowδow) / (PmQmAmδm+PowQowAow)
13C
12C
14C
崔骁勇
5
绪论
2010-3-21
例5 同位素时钟
土壤有机质周转：根据同位素组成的时序 变化求周转速率 如果已知周转速率的差异，求变化的时间
13C
31
13C
32
12C
14C
12C
14C
同位素时 钟的建立 起始和新 的源的δ 未知 稳态
1.4 混合模型的误差传递 运算过程中的误差计算
1 2
14C
13C
14C
1.1 两源混合的计算
研究对象为来自两个同位素组成不同的源 APhigh、APlow、APmix：两个源及研究对象（混合后） 的同位素丰度；Fhigh、Flow：两个源的贡献比例 根据物质守恒原理，混合前后的重、轻同位素及总量都 不变，即有： ( H L) high ( H L)low Fhigh ; Flow ( H L) mix ( H L) mix
13C 13C
10
样 本 数
大型 海藻
9
δ13C
12C
14C
12C
14C
动物密度 低 中 高 中 低 中
海藻生物量和生 产力所占比例
动物 海藻 海草
1.2 多源混合的计算
用同位素比率来定量某混合物的不同来源的比例 一般地，N+1种不同的来源的贡献比例可以通过 使用N种不同的同位素示踪物来确定：
不同食物源的贡献1614各有机质来源的1362甲烷氧化菌2038自养硫细菌2430河口浮游植物211824温带海洋浮游植物171020海洋单细胞藻类827大型藻类10315海草131214盐沼c植物2326盐沼c植物1228泥炭沉积物262527河流poc1014陆地c植物2330陆地c植物混合模型取值一般范围1714食物来源水貂1814很多时候多源但标记同位素不足铅污染绪论2010321崔骁勇1914按照一定的步长如1或2建立每一个可能的来源比例组合计算每一个组合下的混合物的同位素组成将计算结果与实际观测值进行对比如果它们相等或相差很小如01则这个比例组合就代表了一个可能的情况计算机求解方法
室内模拟实验（10/1）的结果为什么与第一次计算的 结果不符合？ 室内模拟的结果为什么与实测的结果不一致？
27
例3 氮沉积——时间混合
沉积物中氮的来源：自然和人为源
自然源不知道的时候如何推知其δ15N？
13C 13C
28
12C
14C
12C
14C
根据氮含量与15N丰度的关系推算
例4 滨海盐沼——景观混合
40
13C
39
13C
12C
14C
12C
14C
6. Sampling directly from stomach contents. 7. A good way to see if you missed an important food in your sampling is to work backwards from a consumer isotope composition. 8. Treat your food isotope values with caution. 9. Using statistical packages to calculate contributions from important food sources and to deal with mixing muddles. 10. You will almost certainly have to use your biological insight and intuition to really understand the isotope results.
13C
13
13C
14
12C
14C
12C
14C
定量：不同食物源的贡献
陆地C3植物 陆地C4植物 河流POC 泥炭沉积物 盐沼C3植物 盐沼C4植物 海草 大型藻类
各有机质来源的δ13C
一般范围
-23~ -30 -10~ -14 -25~ -27 -12~ -28 -23~ -26 -12~ -14 -3~ -15 -8~ -27 -10~ -20 -18~ -24 -24~ -30 -20~ -38 -62
13C 12C
14C
6
14C
崔骁勇
1
绪论
2010-3-21
碳同位素组成：动物居于两种食物源之间
样本编号
海草 (-10) 浮游生物 (-20)
虫 (-12) 鲷 (-12)
蛤 (-18)
褐虾 (-13)
25 20 15 10 5 0 -20
海草 藻类 采食动物
-15
δ13C
-10
-5
着生基质
13C
12C 13C
草 地 食 物 链
13C
38
14C
12C
14C
Box 5.1. Ten Practical Suggestions for Using Isotopes to Study Food Webs 极 地 食 物 链
1. Define your central question. 2. In your actual isotope field work, proceed stepwise. 3. Think about the advantages of compositing samples versus using individuals. 4. Most of the isotope action is at the lowest trophic levels. 5. You may have to plan some very special sampling to get those important but hard-tocatch foods.
( A a ) ( B b ) ( A B ) a 2 b2 ( A a ) ( B b ) ( A B ) a 2 b2 a b ( A a ) ( B b ) ( A B ) AB A B ( A a )( B b )
按照一定的步长（如1%或2%）建立每一个可能 的来源比例组合 计算每一个组合下的混合物的同位素组成 将计算结果与实际观测值进行对比 如果它们相等、或相差很小（如0.1‰），则这 个比例组合就代表了一个可能的情况
13C
19
很多时候多源但标记同位素不足 - Mixing muddle -10 δ13C -15 -20
δ=(mAWAδA + mBWBδB) /
25
fA-m / fB-m = (0.5 / 0.5)/(1 / 14)
13C 12C
(mAWA+mBWB)
14C
fA-m = 0.933; fB-m = 0.067
26
13C 12C
14C
例2 密西西比河硫污染
河水中的硫来自自然还是排放口？ 可利用同位素混合吗？ 如何取样？ 排放口上游、排放口、排放口下游 考虑硫负荷量 问题：
7
Halodule wrigthii 塑料带
8
-10 δ13C 藻类
12C
13C
12C
14C
14C
同位素丰度变异大
Upper Laguna Madre & Gulf of Mexico
需要多方面的证据
底泥食物链研究的实例：海草还是海草上 附生的海藻是底泥食物链的碳来源？
模拟实验：直接观察虾在模拟装置中的采食 同位素组成变异（isotope shift experiment）：在不同地点测定，看虾的同位素组 成是否随海藻同位素组成的变化而变化 多种同位素示踪：C以外，用N、S等
δ=(mAδA + mBδB) / (mA+mB)
混合后的δ值取决于四个参数：
mA、 mB 、δA、δB
13C 12C 13C
22
三源混合 的muddle
21
14C
12C
14C
只有一个源A
例1 黑熊的食物：鱼还是草
氮同位素分析： 源A——草： δ15N = 0‰ 源B——鲑鱼： δ15N = 10‰ 混合——黑熊： δ15N = 5‰
绪论
2010-3-21
同位素在生态学研究中的应用
15N
14N
同位素混合
两源混合的计算 多源混合的计算
第四章
同位素混合的应用
食物链 取食历史 水源判断 •土壤呼吸与根呼吸的区分 •Keeling plot •光合与呼吸的区分 •陆地和海洋的贡献 •蒸腾和蒸发的区分
12C 13C
12C
温室气体排放源 污染源 土壤有机质动态
H high H low H mix ( H L) high H high ( H L) high ( H L)low H low ( H L)low
12C
Fhigh
Flow
4
APmix APlow APhigh APlow
APhigh APplant APhigh APlow
I II III IV V VI
-16 -12 -8 -4 0
12C =fA +fB
δ=fAδA + fBδB + fCδC
1 =fA +fB + fB
12
13C 12C
11
δ13C
(‰)
14C
14C
崔骁勇
2
绪论
2010-3-21
食物网结构 应用两 种同位 素区分 不同的 食物源
13C
2
2
A A a b B B A B
2
2
13C
34
33
12C
14C
12C
14C
算例
样品、源1 & 2 ：5±0.9‰；0±1.1‰； 10±1.0‰（95%置信度） 计算结果：贡献率50±15.4% 另一计算： 2.0±0.6‰； 0±0.8‰； 4.0±0.6‰
研究对象是食物质量的贡献率，而不是氮 的贡献率 必须增加氮含量这一权重项
质量的贡献：
fA-N=mA WA/ (mAWA+mBWB) fA-m=mA / (mA+mB) fA-m / fB-m = (fA-N / fB-N)/(WA / WB)
计算结果：
mTWT=mAWA+mBWB fA-N=mA WA/ (mAWA+mBWB)
35
误差对计 算不同源 贡献率的 影响
两个源相差 3‰
13C 13C
36
12C
14C
12C
14C
崔骁勇
6
绪论
2010-3-21
同位素混合
两源混合的计算 多源混合的计算
2.1 食物链分析
同位素混合的应用
食物链 取食历史 水源判断 温室气体排放源 污染源 土壤有机质动态
37
•土壤呼吸与根呼吸的区分 •Keeling plot •光合与呼吸的区分 •陆地和海洋的贡献 •蒸腾和蒸发的区分
A
50% 50% 70%
B
30%
0
100% 0
0 50% 14
12C 13C
C
20
12C
14C
50%
C
应对mixing muddle
多地点多时段采样 Minmax模型 应用多种同位素 添加示踪剂
1.3 有加权的混合模型
把各源的贡献比例改为各源提供的质量
fA=mA / (mA+mB)
( H L) high ( H L) mix
APhigh
( H L)low APlow APmix ( H L)low
APhigh Fhigh APlow Flow APmix APmix Fhigh Flow
APmix Fhigh APmix Flow
混合模型取值
-26
-13 -10 -17 -21
海洋单细胞藻类 温带海洋浮游植物 河口浮游植物
13C
15
自养硫细菌 甲烷氧化菌
16
12C
14C
14C
很多时候多源但标记同位素不足 食物 来源
水貂
铅污染
13C
17
13C
18
12C
14C
12C
14C
崔骁勇
3
绪论
2010-3-21
计算机求解方法：
12C 13C
3
( H L) mix
H mix ( H L)mix
13C
14C
14C
如果重同位素比例很小，那么： AP X* X* 0 R X X* X
0
δ
Fhigh
5
10 10
mix 1 10 3 low 1 3 high 1 10 3 low 1
3
Rmix Rlow R / Rstd Rlow / Rstd mix Rhigh Rlow Rhigh / Rstd Rlow / Rstd
δlow
δmix
δhigh
Fhigh
13C 12C
mix low high low
mix low high low
（ 8.4‰扣除分馏效应3.4‰ ）
源B的同位素 组成不变
源A/B的量都 变化或者一个 源的同位素组 13C 成和量都变化
23
计算结果：
fA = (δB-δM)/(δB -δA) =0.5
13C 12C
食物中鱼和草的贡献率各占50%
24
12C
14C
14C
崔骁勇
4
绪论
2010-3-21
考虑食物中氮的含量（权重）
滨海盐沼对于鱼类生产的重要性 DOC、POC 浮游植物 13C混合的应用：
不确定性有哪些？
13C
29
各自的δ13C、DOC等产量、面积 DOC的品质（消化率）
12C
14C
30
δ=(PmQmAmδm + PowQowAowδow) / (PmQmAmδm+PowQowAow)
13C
12C
14C
崔骁勇
5
绪论
2010-3-21
例5 同位素时钟
土壤有机质周转：根据同位素组成的时序 变化求周转速率 如果已知周转速率的差异，求变化的时间
13C
31
13C
32
12C
14C
12C
14C
同位素时 钟的建立 起始和新 的源的δ 未知 稳态
1.4 混合模型的误差传递 运算过程中的误差计算
1 2
14C
13C
14C
1.1 两源混合的计算
研究对象为来自两个同位素组成不同的源 APhigh、APlow、APmix：两个源及研究对象（混合后） 的同位素丰度；Fhigh、Flow：两个源的贡献比例 根据物质守恒原理，混合前后的重、轻同位素及总量都 不变，即有： ( H L) high ( H L)low Fhigh ; Flow ( H L) mix ( H L) mix
13C 13C
10
样 本 数
大型 海藻
9
δ13C
12C
14C
12C
14C
动物密度 低 中 高 中 低 中
海藻生物量和生 产力所占比例
动物 海藻 海草
1.2 多源混合的计算
用同位素比率来定量某混合物的不同来源的比例 一般地，N+1种不同的来源的贡献比例可以通过 使用N种不同的同位素示踪物来确定：
不同食物源的贡献1614各有机质来源的1362甲烷氧化菌2038自养硫细菌2430河口浮游植物211824温带海洋浮游植物171020海洋单细胞藻类827大型藻类10315海草131214盐沼c植物2326盐沼c植物1228泥炭沉积物262527河流poc1014陆地c植物2330陆地c植物混合模型取值一般范围1714食物来源水貂1814很多时候多源但标记同位素不足铅污染绪论2010321崔骁勇1914按照一定的步长如1或2建立每一个可能的来源比例组合计算每一个组合下的混合物的同位素组成将计算结果与实际观测值进行对比如果它们相等或相差很小如01则这个比例组合就代表了一个可能的情况计算机求解方法
室内模拟实验（10/1）的结果为什么与第一次计算的 结果不符合？ 室内模拟的结果为什么与实测的结果不一致？
27
例3 氮沉积——时间混合
沉积物中氮的来源：自然和人为源
自然源不知道的时候如何推知其δ15N？
13C 13C
28
12C
14C
12C
14C
根据氮含量与15N丰度的关系推算
例4 滨海盐沼——景观混合
40
13C
39
13C
12C
14C
12C
14C
6. Sampling directly from stomach contents. 7. A good way to see if you missed an important food in your sampling is to work backwards from a consumer isotope composition. 8. Treat your food isotope values with caution. 9. Using statistical packages to calculate contributions from important food sources and to deal with mixing muddles. 10. You will almost certainly have to use your biological insight and intuition to really understand the isotope results.
13C
13
13C
14
12C
14C
12C
14C
定量：不同食物源的贡献
陆地C3植物 陆地C4植物 河流POC 泥炭沉积物 盐沼C3植物 盐沼C4植物 海草 大型藻类
各有机质来源的δ13C
一般范围
-23~ -30 -10~ -14 -25~ -27 -12~ -28 -23~ -26 -12~ -14 -3~ -15 -8~ -27 -10~ -20 -18~ -24 -24~ -30 -20~ -38 -62
13C 12C
14C
6
14C
崔骁勇
1
绪论
2010-3-21
碳同位素组成：动物居于两种食物源之间
样本编号
海草 (-10) 浮游生物 (-20)
虫 (-12) 鲷 (-12)
蛤 (-18)
褐虾 (-13)
25 20 15 10 5 0 -20
海草 藻类 采食动物
-15
δ13C
-10
-5
着生基质
13C
12C 13C
草 地 食 物 链
13C
38
14C
12C
14C
Box 5.1. Ten Practical Suggestions for Using Isotopes to Study Food Webs 极 地 食 物 链
1. Define your central question. 2. In your actual isotope field work, proceed stepwise. 3. Think about the advantages of compositing samples versus using individuals. 4. Most of the isotope action is at the lowest trophic levels. 5. You may have to plan some very special sampling to get those important but hard-tocatch foods.
( A a ) ( B b ) ( A B ) a 2 b2 ( A a ) ( B b ) ( A B ) a 2 b2 a b ( A a ) ( B b ) ( A B ) AB A B ( A a )( B b )
按照一定的步长（如1%或2%）建立每一个可能 的来源比例组合 计算每一个组合下的混合物的同位素组成 将计算结果与实际观测值进行对比 如果它们相等、或相差很小（如0.1‰），则这 个比例组合就代表了一个可能的情况
13C
19
很多时候多源但标记同位素不足 - Mixing muddle -10 δ13C -15 -20
δ=(mAWAδA + mBWBδB) /
25
fA-m / fB-m = (0.5 / 0.5)/(1 / 14)
13C 12C
(mAWA+mBWB)
14C
fA-m = 0.933; fB-m = 0.067
26
13C 12C
14C
例2 密西西比河硫污染
河水中的硫来自自然还是排放口？ 可利用同位素混合吗？ 如何取样？ 排放口上游、排放口、排放口下游 考虑硫负荷量 问题：
7
Halodule wrigthii 塑料带
8
-10 δ13C 藻类
12C
13C
12C
14C
14C
同位素丰度变异大
Upper Laguna Madre & Gulf of Mexico
需要多方面的证据
底泥食物链研究的实例：海草还是海草上 附生的海藻是底泥食物链的碳来源？
模拟实验：直接观察虾在模拟装置中的采食 同位素组成变异（isotope shift experiment）：在不同地点测定，看虾的同位素组 成是否随海藻同位素组成的变化而变化 多种同位素示踪：C以外，用N、S等
δ=(mAδA + mBδB) / (mA+mB)
混合后的δ值取决于四个参数：
mA、 mB 、δA、δB
13C 12C 13C
22
三源混合 的muddle
21
14C
12C
14C
只有一个源A
例1 黑熊的食物：鱼还是草
氮同位素分析： 源A——草： δ15N = 0‰ 源B——鲑鱼： δ15N = 10‰ 混合——黑熊： δ15N = 5‰
绪论
2010-3-21
同位素在生态学研究中的应用
15N
14N
同位素混合
两源混合的计算 多源混合的计算
第四章
同位素混合的应用
食物链 取食历史 水源判断 •土壤呼吸与根呼吸的区分 •Keeling plot •光合与呼吸的区分 •陆地和海洋的贡献 •蒸腾和蒸发的区分
12C 13C
12C
温室气体排放源 污染源 土壤有机质动态
H high H low H mix ( H L) high H high ( H L) high ( H L)low H low ( H L)low
12C
Fhigh
Flow
4
APmix APlow APhigh APlow
APhigh APplant APhigh APlow
I II III IV V VI
-16 -12 -8 -4 0
12C =fA +fB
δ=fAδA + fBδB + fCδC
1 =fA +fB + fB
12
13C 12C
11
δ13C
(‰)
14C
14C
崔骁勇
2
绪论
2010-3-21
食物网结构 应用两 种同位 素区分 不同的 食物源
13C
2
2
A A a b B B A B
2
2
13C
34
33
12C
14C
12C
14C
算例
样品、源1 & 2 ：5±0.9‰；0±1.1‰； 10±1.0‰（95%置信度） 计算结果：贡献率50±15.4% 另一计算： 2.0±0.6‰； 0±0.8‰； 4.0±0.6‰
研究对象是食物质量的贡献率，而不是氮 的贡献率 必须增加氮含量这一权重项
质量的贡献：
fA-N=mA WA/ (mAWA+mBWB) fA-m=mA / (mA+mB) fA-m / fB-m = (fA-N / fB-N)/(WA / WB)
计算结果：
mTWT=mAWA+mBWB fA-N=mA WA/ (mAWA+mBWB)
35
误差对计 算不同源 贡献率的 影响
两个源相差 3‰
13C 13C
36
12C
14C
12C
14C
崔骁勇
6
绪论
2010-3-21
同位素混合
两源混合的计算 多源混合的计算
2.1 食物链分析
同位素混合的应用
食物链 取食历史 水源判断 温室气体排放源 污染源 土壤有机质动态
37
•土壤呼吸与根呼吸的区分 •Keeling plot •光合与呼吸的区分 •陆地和海洋的贡献 •蒸腾和蒸发的区分
A
50% 50% 70%
B
30%
0
100% 0
0 50% 14
12C 13C
C
20
12C
14C
50%
C
应对mixing muddle
多地点多时段采样 Minmax模型 应用多种同位素 添加示踪剂
1.3 有加权的混合模型
把各源的贡献比例改为各源提供的质量
fA=mA / (mA+mB)
( H L) high ( H L) mix
APhigh
( H L)low APlow APmix ( H L)low
APhigh Fhigh APlow Flow APmix APmix Fhigh Flow
APmix Fhigh APmix Flow