同位素在土壤生态学中的应用剖析
同位素追踪技术揭示物质迁移过程
同位素追踪技术揭示物质迁移过程引言:在自然界中，物质迁移是一种常见现象，它对环境和人类健康有着深远的影响。
人们迫切需要了解物质迁移的路径、速度和影响因素等关键信息，以便采取相应措施进行环境治理和风险评估。
然而，由于物质迁移过程复杂隐蔽，并且受到多种因素的影响，对其进行准确的研究一直是一项挑战。
幸运的是，同位素追踪技术的出现为解决这一难题提供了有效手段。
一、同位素追踪技术的基本原理同位素追踪技术是一种利用同位素比例或同位素浓度变化来研究物质迁移过程的方法。
同位素是指具有相同化学性质但具有不同质量的原子核，它们具有相同的原子序数，但质量数不同。
同位素的比例或浓度存在于不同介质中的变化，可以揭示物质在地球系统中的运动轨迹和迁移速度。
二、同位素追踪技术在地下水中的应用1. 稳定同位素稳定同位素包括氢同位素、氧同位素、硫同位素等，它们在地下水研究中起到重要作用。
例如，氢同位素可以用于确定水的来源和水循环过程，氧同位素可以用于研究降水、蒸发和蒸发补给等过程，硫同位素则可以用于研究地下水中硫酸盐的来源和迁移路径。
2. 放射性同位素放射性同位素主要包括氚、铀、锶等，它们具有放射性衰变的特性，可用于研究地下水中的物质迁移过程。
例如，铀同位素可以用于评估地下水中铀的来源和迁移速度，锶同位素可以用于研究地下水和地表水之间的交互作用等。
三、同位素追踪技术在大气环境中的应用1. 碳同位素碳同位素是研究大气中二氧化碳（CO2）循环过程的重要工具。
通过测量大气中CO2的碳同位素比例，可以确定不同碳汇和碳源之间的交互作用。
这对于理解气候变化和评估生态系统的碳循环功能具有重要意义。
2. 氮同位素氮同位素可以用于研究气体氮化合物在大气中的转化过程，例如硝化、反硝化和氮的沉降等。
通过分析大气中氮化物的同位素组成，可以揭示氮化物的来源和转化途径，进而为大气污染防治提供科学依据。
四、同位素追踪技术在地球科学和生态学中的应用同位素追踪技术在地球科学和生态学中也有广泛应用。
第13章.同位素示踪在土壤研究中的应用共40页文档
2.1 土壤磷的转化及其有效性
1）酸性土壤 在酸性土壤，土壤有效磷的A值，与土壤 非包蔽磷酸盐,尤其是磷酸铁盐的数量密切相关(郭智芬， 1992) ，与其他磷盐关系不大。
2）石灰性土壤
32P-过磷酸钙施入石灰性土壤,只有
13%～15%被植物利用,残留土壤中的 4.6%-7.2%为易利用
磷（0.5M醋酸和1%碳酸铵）, 24.5%--26.5%转化为较吸收
3.62 3.22 2.78 2.80 5.26 5.77
1.2 土壤氮素转化的研究
土壤有机氮
NO2,N2 NH3
反硝化
NH4+ 硝化 NO3
矿物固定
1.2.1 矿化与固定 1）有关量的测定 土壤激发效应 因施肥而致土壤肥效的曾减效应。
P施肥植无 物肥 （植 吸物 收 来 吸 的自 收 养肥 的 分料 养的 分养
现有研究的一些成果如下 1）土壤全氮的15N存在变异，包括:
①表层不同类型土壤全氮的15N不同； ②土壤剖面15N分布存在分异 ，不同类型土 壤15N的剖面分布不同。
2)土壤不同含氮组分15N的分异及其影响，将为定 量土壤-植物系统中氮循环提供依据。土壤中无 机、有机含氮物质的型态、数量可以表征土壤氮 素的周转过程。
3）土壤氮激发效应的影响因子
除施肥外,影响土壤氮激发的因子有土壤C/N和 肥料C/N及一些耕作措施。
1.2.2 硝化与反硝化 硝化-反硝化是土壤氮素损失的主要途径，直
接测量方法具有重要意义。 1）反硝化-15N气体通量测定法
将高丰度15N标记肥料施入土壤,继之收集反硝 化气体,用质谱方法测定丰度，计算反硝化产出的 15N，公式：
③土壤有机磷的积累与矿化
土壤有机磷是土壤有效磷的来源之一,其 矿化是在土壤磷酸酶的作用下进行的。用32P 示踪可以方便地研究有机磷的积累与矿化程 度及其影响因子。
稳定同位素示踪技术在生态学中的应用
稳定同位素示踪技术在生态学中的应用生态学是关于生物和环境互动关系的科学，它研究的核心问题之一是物质循环的过程和机制。
而稳定同位素示踪技术（Stable Isotope Tracing Technology）则是生态学中的一个重要工具，它通过对生物体内稳定同位素的监测和分析，揭示了生态系统中不同生物群体之间和物质之间的相互作用与循环过程，为我们深入了解生物和环境互动关系提供了有力支撑。
本文将从稳定同位素示踪的原理、示踪技术的种类以及它们在生态学中的应用等方面进行探讨。
一、稳定同位素示踪的原理稳定同位素示踪技术利用天然界中稳定同位素的相对丰度差异，来揭示各种生物或化学物质在环境中的循环和转化过程。
通俗地讲，自然界中存在着多种同种元素的同位素，其中相对丰度较高的同位素数量比较多，而相对丰度较低的同位素数量相对较少。
因为不同的同位素性质各异，所以它们在物质的各种过程中表现出不同的稳定性和反应活性。
比如水分子中氢原子的同位素就有稳定的氢-1、氘-2和氚-3，其中氢-1相对丰度最高，氚-3相对丰度最低。
同样，空气中的二氧化碳分子中碳原子也有稳定的碳-12、碳-13和碳-14，其中碳-12相对丰度最高，碳-14相对丰度最低。
这种差异可以利用质谱仪等仪器对稳定同位素进行检测和分析，从而揭示物质在生命体内和生态系统中的各种过程和转化。
二、示踪技术的种类稳定同位素示踪技术是一类复杂的实验手段，它可以应用于各种生物或化学物质的追踪和定量分析。
在生态学中，常用的示踪技术主要包括以下几种。
1. 激光荧光同位素比值仪激光荧光同位素比值仪是最常用的稳定同位素比值分析仪器，它通过激光诱导荧光技术，将样品中的稳定同位素分子转化为高能态激发态分子，利用荧光发射光谱测量不同同位素所发射的光谱波长，从而计算出它们的相对丰度比值。
2. 气相色谱质谱仪气相色谱质谱仪是目前最灵敏、最精确的稳定同位素示踪仪器，它能够检测不同同位素分子的相对丰度比值，常用于确定各种生物分子、尤其是蛋白质和氨基酸等化合物的同位素组成，以及微生物群体和植被的碳、氮同位素参量等方面的研究。
同位素在土壤生态学中的应用
C3（硝化）
N2O（硝化+反硝化）， N2O（反硝化）/（δ1，δ2） （硝化） δ3
苏晓梅应用稳定性同位素探讨洞穴生态系统食物网结构和营养级关系2008东风洞洞穴生态系统食物网样品的13c和15n组成东风洞穴生态系统食物网中各样品营养级位置在洞穴黑暗带没有进行光合作用的生产者且此研究所用标本皆来自于东风洞黑暗带营养来源主要来自于土壤中的有机物质马陆类群细长钻螺等土壤动物主要以此为食形成第二营养级即初级消费者其中斑灶马夜蛾也属于第二营养级
式中δ15Nbase为生态系统食物网的初级生产者或初消费者的 氮稳定性同位素比率（即λ=1时，δ15Nbase为初级生产者δ15N， 而当λ=2时，δ15Nbase为初级消费者δ15N）δ15Nconsumer为消 费者的氮稳定性同位素比率，Δδ15N为营养级传递过程中的 富集值（平均值约为3.4‰）。
刘微，水稻转Bt（苏云金芽孢杆菌）基因对植株光合产物分配的影响，2009
Na213CO3+14CO2 ↔ Na214CO3+13CO2
1mol/LNa2CO3[50%Na2CO3，50%Na2CO3，使室内CO2浓度维持 在 150-200ppm浓度，4h后结束标记。
不同基因型水稻各生育期根际土壤磷脂脂肪酸种类和含量变化. (a):苗期;(b):拔节期;(c):抽穗期;(d):成熟期.
稳定性同位素混合的应用
两 源 混 合 的 贡 献 率
土壤Pb污染对茶叶Pb含量的贡献
Pb
例：江南大学 占茉莉 土壤铅污染对西湖龙井的铅的贡献
不同层位土壤剖面中稳定同位素的变化规律及与水分迁移的关系
田立德 姚檀栋 TSUJIMURA 孙维贞 2002
那曲100cm 土壤水、地表土壤18O 和夏季降水18O 权重值的对比
镉同位素在环境研究中的应用
镉同位素在环境研究中的应用镉是一种具有放射性的重金属元素，它存在于自然界中，也可以通过人为活动进入环境。
镉同位素的应用在环境研究中起到了重要的作用。
本文将介绍镉同位素在环境研究中的应用及其意义。
镉同位素可以通过同位素示踪技术来研究环境中的物质迁移与转化。
通过同位素示踪，可以了解物质在环境体系中的迁移路径、速率和转化机制，从而有效评估环境质量与人类健康风险。
具体应用如下：1. 土壤与植物系统研究：土壤中的镉来源主要包括自然来源和人为活动排放。
利用镉同位素对土壤进行示踪，可以确定不同来源镉的迁移和转化过程，从而识别影响土壤中镉富集的主要因素。
通过镉同位素示踪植物体内的镉来源，可以评估蔬菜等农作物对不同来源镉的富集能力，为农业生产和安全提供科学参考。
2. 水体环境研究：水体中的镉主要来自于废水排放、冶炼、养殖等人为活动。
利用镉同位素分析水体中的镉含量和同位素组成，可以确定不同来源镉的贡献程度，并探究镉在水体中的迁移和转化行为，为水环境治理提供科学依据。
3. 沉积物与海洋环境研究：沉积物中的镉是水体中镉的重要存储库，通过镉同位素分析沉积物的历史记录，可以了解水体中镉的变化趋势，判断人类活动对水体环境的影响。
镉同位素还可用于研究海洋食物链中镉的传递规律，评估海洋生态系统的健康状况。
4. 环境修复与监测：利用镉同位素技术可以对环境修复项目进行追踪评估，了解修复效果，指导环境治理工作。
通过对环境中不同样品（如土壤、水体、沉积物）中镉同位素组成的分析，还可以探究环境污染的来源和演化过程，为环境监测提供科学依据。
镉同位素在环境研究中的应用丰富多样，可以提供有关环境质量、污染源与迁移行为、生物富集及生态风险等方面的重要信息。
利用镉同位素技术，我们可以更加准确地评估环境质量和人类健康风险，为环境保护和生态安全提供科学支持。
同位素示踪技术在农业科学中的应用
4
Northern 印迹杂交
（二）核酸探针
概念： 进行核酸分子杂交时，用于检测试验的已知DNA 和RNA片段称作核酸探针。
同位素核酸分子探针的制备方法主要有化学标记法 和酶标记法。
酶标法
1 缺口移位标记。DNA 水解酶Ⅰ
2 T4DNA聚合酶标记
3 RNA聚合酶标记。标记RNA 4 随机引物DNA标记。 DNA聚合酶 5 人工合成寡核苷酸片段 6 末端标记。T4多聚核苷酸激酶
4）用放射性细菌标记噬菌体
5）用放射性病植物体标记传播病毒的昆虫
2 标记病原生物的应用
1）病害浸染规律的研究
2）植物病理生理问题的研究
3）植物抗病机制的研究 4）DNA探针技术用于细菌和病毒的诊断研究
（三）在农药研究中的应用
1 农药在作物中的残留、代谢及安全施用的研究
农药的不合理使用造成了严重的环境污染。因
• 1958年Meselson和Stahl用同位素(15N)实验证明 了DNA的半保留复制方式。
• 20种编码氨基酸的遗传密码的解读也是通过该 技术完成的。
米西尔逊-斯塔尔的半保留复制实验 Meselson-Stahl experiment
（一）核酸分子杂交 1 斑点杂交
2 3
原位杂交 Southern 印迹杂交
而测定农药在环境中的残留、污染途径和循环规律， 以及农药在生物间的运转关系和生物富集，制定农 药安全使用技术，减少环境污染，是农业环保中的 重要课题
1）研究农药在作物上残留和消失动态
2）农药在作物体内吸收和运转的研究
2
农药在土壤中的残留、迁移和降解的研究
为防治害虫和杂草农药直接或间接进入土壤，残留 在土壤中的农药不仅直接影响土壤微生物的活动、繁殖、 代谢，而且还可通过淋溶、迁移、转化，给环境生物会 带来各种不良影响。弄清农药在土壤中的吸附积累、残 留和分解动态，对保护人类生存环境意义重大。
同位素的应用与探索
同位素的应用与探索同位素是由具有相同原子序数、但是质量数不同的同种元素构成的一组物质。
同种元素的不同同位素可以体现为核子的不同组成，而核子数量的增减将导致质量数的变化。
同位素具有许多的应用和探索，这些应用和探索涉及到许多不同的领域，如化学、物理等。
本篇文章将从生物、环境、医学和工业四个领域深入探讨同位素的应用和探索。
一、同位素在生物领域的应用与探索在生物领域，同位素的应用与探索主要是通过稳定同位素和放射性同位素来进行的。
稳定同位素主要用于研究物质的起源和循环。
例如，碳同位素可以用来研究石油、天然气和地下水的来源。
放射性同位素主要用于追踪生物过程。
例如，放射性碳同位素可以用来研究生物的新陈代谢、指示生物体内物质的流动和研究生物的繁殖。
同位素的应用还涉及到同位素标记技术。
同位素标记技术主要是将稳定同位素或放射性同位素引入到分子中，从而使其在分子内部发挥作用，然后通过分析同位素信号，推断出分子的性质和作用。
同位素标记技术在药物研发、食品安全监测等方面得到广泛的应用。
二、同位素在环境领域的应用与探索在环境领域，同位素的应用与探索主要是通过同位素分析来进行。
同位素分析可以用于研究地下水的起源和演化、大气中的污染物传输、土壤污染等。
例如，稳定氧同位素可以用来研究大气中的硫酸盐、氮氧化物和臭氧等污染物的来源和传输；碳同位素可以用来研究土壤有机质的起源和演化。
同位素分析的方法主要包括质谱、光谱、放射化学、液相色谱等。
这些方法可以帮助人们追踪分子在环境中的流动和迁移，从而科学地管理和保护环境。
三、同位素在医学领域的应用与探索在医学领域，同位素的应用与探索主要是通过放射性同位素的诊断和治疗来进行。
放射性同位素的核辐射可以破坏癌细胞和疾病细胞，从而达到治疗的目的。
放射性同位素的辐射水平可以通过调整剂量和放射性同位素的选择进行控制，从而减小对正常组织的伤害。
同位素的诊断主要是依靠放射性同位素的分布和辐射能量的特性来进行。
同位素在生物学和农业中的应用
同位素在生物学和农业中的应用同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。
同位素示踪法是生物学实验中经常应用的一项重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。
用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素，如3h、14c、15n、18o、32p、35s、i等。
在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下：1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程把具备反射性的原子参到制备蛋白质或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，使它们一起运动、搬迁，再用放射性探测仪器展开跟踪，就可以晓得放射性原子通过什么路径、运动至哪里以及原产如何。
2 研究分泌蛋白的合成和运输用3h标记亮氨酸，探究排泄性蛋白质在细胞中的制备、运输与排泄途径。
在一次性给与放射性标记的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在相同时间发生的边线，就可以明晰地窥见细胞器在排泄蛋白制备和运输中的促进作用。
比如，通过实验表明排泄蛋白在粘附于内质网上的核糖体中制备之后，就是按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上就是紧密联系的。
3 研究细胞的结构和功能用同位素标记氨基酸或核苷酸并导入细胞内，观测这些放射性标记发生在哪些结构中，从而推测该细胞的结构和功能。
4 探究光合作用中元素的转移利用放射性同位素18o、14c、3h做为示踪原子去研究光合作用过程中某些物质的变化过程，从而阐明光合作用的机理。
比如，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放出来的氧到底就是源自于水，还是源自于二氧化碳。
他们用氧的同位素18o分别标记h2o和co2，并使它们分别沦为ho和c18o2，然后展开两组光合作用实验：第一组向绿色植物提供更多ho和co2，第二组向同种绿色植物提供更多h2o和c18o2。
碳同位素技术在陆地土壤碳循环中的应用
碳同位素技术在陆地土壤碳循环中的应用【摘要】碳同位素技术是一种重要的研究方法，在陆地土壤碳循环中发挥着重要作用。
本文首先介绍了碳同位素技术的原理，然后分别探讨了在土壤有机碳迁移、土壤呼吸作用、土壤微生物活性以及土壤碳通量研究中的应用。
通过这些研究，可以更深入地了解土壤中碳的循环过程，为有效管理土壤碳提供科学依据。
本文还强调了碳同位素技术在陆地土壤碳循环研究中的重要性，并展望了其在陆地土壤碳管理中的潜在应用。
通过深入研究碳同位素技术在土壤碳循环中的应用，可以更好地把握土壤碳的变化规律，促进环境保护和可持续发展。
【关键词】碳同位素技术，陆地土壤，碳循环，有机碳迁移，土壤呼吸，微生物活性，碳通量，碳管理，研究，应用，重要性，展望。
1. 引言1.1 碳同位素技术在陆地土壤碳循环中的应用碳同位素技术在陆地土壤碳循环中的应用是一个在土壤碳研究领域中备受关注的技术手段。
通过利用碳同位素技术，研究人员能够更准确地追踪和量化土壤中不同碳形态的来源、去向和转化过程，从而揭示土壤碳循环的机制和影响因素。
在全球气候变化背景下，对陆地土壤碳循环的深入理解变得尤为重要，而碳同位素技术的应用为这一研究提供了有力的工具支持。
陆地土壤是全球碳循环的重要组成部分，其中包含着大量的有机碳和无机碳。
而土壤碳的动态平衡受到许多因素的影响，包括土地利用方式、土壤类型、植被类型等。
通过采用碳同位素技术，研究人员可以准确地判断出土壤碳的来源，比如植物残体、微生物代谢等，进而深入探讨碳在土壤中的迁移和转化过程。
碳同位素技术在陆地土壤碳循环研究中扮演着举足轻重的角色，为我们全面了解土壤碳循环机制和未来的碳管理提供了重要的科学依据。
2. 正文2.1 碳同位素技术原理碳同位素技术是一种利用碳同位素的差异来研究碳循环过程的方法。
在自然界中，碳的同位素包括碳-12、碳-13和碳-14，它们的存在比例会因为生物活动、化学作用或放射性衰变而发生变化。
碳同位素技术的原理是基于不同同位素在化学反应中的不同反应速率来进行研究。
13C同位素技术在土壤有机碳研究中的应用-丁维新
互花米草入侵土壤有机碳累积速率
新增有机质在土壤团聚体中的分配 团聚体分级
bulk
>250 µm
53-250 µm
<53 µm
原土
大团聚体
微团聚体
粉砂+粘粒
团聚体
质量
有机碳含量
有机碳的13C
The C and S. alterniflora-derived C storage (Cstorage, g C kg-1) in soil fraction is calculated by the following equation: Cstorage = Ccon × Mi where Ccon represents C and S. alterniflora-derived C concentration in fraction i (g C kg-1 fraction), and Mi is the mass proportion of fraction i in the whole soil (g kg-1 soil).
计算方法
Equation can be solved for f as follows: f = (13Cnew – 13Cold) / ( 13Csa – 13Cold) × 100 The concentration of S. alterniflora-derived C (g C kg-1 fraction) in the soil fraction was also calculated using the above equation.
植物入侵对团聚体质量的影响
植物入侵对团聚体质量的影响
植物入侵对团聚体质量的影响
同位素的特点及应用
同位素的特点及应用同位素是指具有相同原子序数但质量数不同的同元素原子。
同位素拥有相同的化学性质，但在物理性质上有所不同。
本文将讨论同位素的特点及其在不同领域的应用。
一、同位素的特点：1. 原子序数相同：同位素的原子核中的质子数（即原子序数）相同，因此同位素具有相同的化学性质。
2. 质量数不同：同位素的原子核中的中子数（即质量数）不同，从而导致同位素的质量不同。
3. 相对丰度不同：自然界中的元素通常存在多种同位素，它们的相对丰度是不同的。
4. 物理性质不同：由于同位素的质量不同，使得它们的物理性质也有所不同。
例如，重同位素通常具有较高的密度和较低的沸点。
5. 放射性：有些同位素是放射性的，其原子核不稳定，会自发地发生放射性衰变来稳定核，放出α、β粒子或电磁辐射，这个过程称为放射性衰变。
二、同位素的应用：1. 地球科学：同位素年代学是地球科学中重要的方法之一。
通过测定地球化石、岩石和土壤中同位素丰度的变化，可以准确地确定它们的年龄。
2. 能源开采：同位素在石油和天然气开采中起着重要的作用。
稳定同位素（如氘和碳13）可用于追踪油气储层中流体的起源、迁移和储存过程，帮助提高能源开采的效率。
3. 医学影像：同位素技术在医学中被广泛应用。
通过将放射性同位素注入体内，然后使用放射性探测仪器追踪同位素在体内的分布情况，可以用于诊断和治疗癌症、心血管疾病等疾病。
4. 核能利用：同位素在核能利用中起到至关重要的作用。
如铀同位素235U可用于核能发电，铀同位素238U可用于制备钚，而钚同位素239Pu可用于制造核武器和核反应堆。
5. 环境保护：同位素技术可用于环境保护和生态学研究。
如同位素示踪技术可用于追踪水体中的污染物迁移路径，重建环境污染历史，帮助制定环境保护策略。
6. 食品安全：同位素技术可用于食品安全检测和溯源。
如放射性同位素碳14可用于测定食品中的碳14含量，从而判断食品的新鲜度和真实性；氧同位素和硫同位素可用于区分食品的产地和真伪。
稳定同位素分析在环境科学中的应用
稳定同位素分析在环境科学中的应用稳定同位素分析是一种现代化的环境科学研究方法，它主要以分析环境中的稳定同位素含量来掌握环境的变化以及各种生态系统健康状况的信息，这一科学技术的应用包括地质学、气候学、生态学等领域。
本文针对稳定同位素分析在环境科学中的应用，做一些探讨。
起源和基本原理稳定同位素分析是根据化学元素中同位体的属性来进行分析。
同位素是原子核中拥有相同质量数的不同质子数的种类。
例如：碳元素存在两种稳定同位素，即碳12和碳13。
通常一个元素的同位素比例是稳定的，在大多数情况下，这个比例与元素的化学性质并没有太大的区别，因此，他们可以用来研究元素在不同过程中的状态。
例如稳定同位素分析可以研究雨水中含有多少氘、大气中二氧化碳的含量等等，从而研究出一些有关于气候、环境等信息。
稳定同位素分析中，测定各种元素中同位素的相对含量，可以通过质谱仪和其他方法实现，例如通过样品的转化后在质谱仪分析。
利用稳定同位素分析做环境污染监测环境污染是现代城市中所面临的共同挑战，为了有效对治这些环境问题，需要加强对污染物的检测和低污染物的标准。
稳定同位素分析在环境科学中的应用中，可以通过其细致的分析手段用于环境风险评估。
例如，可以将空气中微量元素的同位素含量与被污染土地的同位素含量相比较，确认土壤中是否存在有污染物。
在水生环境中，也能通过同位素测量来追踪水的流向和水中的污染物的变化，从而准确判断水质的变化和污染源并制定相应政策和行动规划。
同时，稳定同位素分析技术还能被应用到化学品分类工作中，例如可能使我们确定同一种化学培养基中的生物种类。
特别是在对废物处理过程中，比如废物填埋，应用稳定同位素分析技术可以被用来判断是否有污染这些填埋物。
生态系统健康分析自然生态系统中，稳定同位素分析技术能够被用来分析各种生物过程，例如物种对生态系统的影响，地理分布和直接观察可研究的生态系统的建设和维护。
为了了解生态系统的健康度以及生态系统是否能够适应环境变化，稳定同位素分析便显得非常可靠。
13C同位素技术在土壤有机碳研究中的应用-丁维新
大气13CO2、13CH4的δ13C和15N2O的δ15N
CO2
（曹亚澄等，2008，土壤学报）
二、13C同位素分析仪
中国科学院南京土壤研究所MAT253
元素分析仪 —固体物质中的CN同位素
植物入侵对团聚体质量的影响
植物入侵对团聚体质量的影响
植物入侵对团聚体质量的影响
In新cre增ase有d S机OCC((gg CC k -gk1gs-o1il))
3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
0
C3-derived C4-derived SOC
计算方法
Equation can be solved for f as follows: f = (13Cnew – 13Cold) / ( 13Csa – 13Cold) × 100 The concentration of S. alterniflora-derived C (g C kg-1 fraction) in the soil fraction was also calculated using the above equation.
互花米草入侵土壤有机碳累积速率
新增有机质在土壤团聚体中的分配 团聚体分级
bulk
>250 µm
53-250 µm
<53 µm
原土
大团聚体
微团聚体
粉砂+粘粒
团聚体
质量
有机碳含量
有机碳的13C
The C and S. alterniflora-derived C storage (Cstorage, g C kg-1) in soil fraction is calculated by the following equation: Cstorage = Ccon × Mi where Ccon represents C and S. alterniflora-derived C concentration in fraction i (g C kg-1 fraction), and Mi is the mass proportion of fraction i in the whole soil (g kg-1 soil).
第五章_同位素示踪在农业科学中的应用
报道者 Vernon(1952) Biddulph(1957) Kursanov(1953) Pristupa(1957) Mokronosov(1961) Swanson(1958) Weatherley(1959)
3 物质代谢研究
氮、磷营养元素既是构成生命篺基础的重要元素， 又是生命活动中催化、调节、供能等物质的主要组 成之一。
Y＝
植物样品中 肥料样品中
32 32
P的比活度 P的比活度
100
假定示踪肥料的比活度为Sf,植物样品的比活度为 Sp，土壤有效磷含量为A，作为标准的标记源（肥 料）为B，则A值法的公式为：
B(1 S p )
A
S f B( S f 1)Βιβλιοθήκη SpSpSf
例题
为研究扬州沙壤土中有效磷的含量，设计了一 示踪试验，在一盆钵中施入5g 比活度为1.85M Bq/g的磷肥，同时播种玉米，14天后取玉米植株， 烘干，取样2g，测定其磷含量为2.5mg，放射性活 度为500Bq，计算该土壤中有效磷含量。
（一）植物营养物质的吸收、运转和分配的研究
1研究植物体内物质运转的方法
1）环割法，适合于木本植物 2）隔离法 3）蚜虫吻刺法
如物质的运输方向研究
作物多探头活体测量仪
2 物质运输速度
植物 大豆 菜豆 糖甜菜 南瓜 马铃薯 葡萄 垂柳
运转速度(cm/h) 84 107
85-100 40-60 20-80
２磷肥利用率的研究
磷肥与氮肥及钾肥相比，其利用率要低得多。 这主要是由于土壤中的磷易被固定，移动性差。 主要包括三种形态：速效磷、缓效磷和固定态 磷。
3钾肥利用率的研究
由于钾没有合适的放射性同位素，常用同族 元素86Rb（铷）代替钾来研究钾肥肥效。
稳定碳同位素技术在土壤植物系统碳循环中的应用
例如，在有机质的分解过程中，细菌和真菌会优先吸收轻同位素（如12C）， 留下重同位素（如13C）在土壤中。通过比较新老有机质中的碳同位素组成，我 们可以了解有机质的分解速率和土壤碳的动态循环。
此外，稳定同位素分析技术还可以用于研究土壤中的氮循环。在农田生态系 统中，氮的主要来源是施用的化肥。通过比较农作物、土壤和化肥中的氮同位素 组成，我们可以了解氮的矿化、固定和转化过程，以及氮在土壤-植物系统中的 迁移和利用效率。
3、土壤有机碳的固存和分解：土壤有机碳的固存和分解是土壤碳循环的重 要环节。稳定碳同位素技术可以帮助我们理解这个过程中的碳来源、传输和储存 机制。例如，当土壤中的有机物质分解时，其同位素指纹可能会发生变化，这为 我们提供了判断有机物质分解程度的重要线索。
4、农业实践的影响：农业实践如施肥、灌溉等都会影响土壤植物系统的碳 循环。通过稳定碳同位素技术，我们可以评估这些农业实践对土壤有机碳固存的 影响，从而为优化农业管理策略提供科学依据。例如，某些特定的肥料可能会引 入与当地土壤不同的碳源，这就可以通过稳定碳同位素技术进行识别。
参考内容二
引言
土壤碳循环是地球碳循环的重要组成部分，对于气候变化、生态系统功能和 农业生产等方面具有重要影响。准确理解和研究土壤碳循环过程是制定相关环境 政策和农业实践的基础。近年来，碳同位素技术得到了广泛应用，为土壤碳循环 研究提供了新的方法和视角。本次演示将介绍碳同位素技术在土壤碳循环研究中 的应用和意义。
稳定碳同位素技术在土壤植物系统 碳循环中的应用
目录
01 一、稳定碳同位素技 术的基本原理
03 三、前景展望
二、稳定碳同位素技
02 术在土壤植物系统碳 循环中的应用
04 应用价值的地球化学工具，尤其在理解和 解决土壤植物系统的碳循环问题中，其作用不容忽视。通过追踪碳元素的同位素 指纹，科学家们能够更好地理解碳的来源、传输和储存过程，进而为保护和改善 农业生态环境提供科学依据。
同位素示踪在土壤肥料和作物营养研究中的应用
,
我们利 用磷
周 期 表 中属 于 同 一 位 置
所 以 叫 做同 位 素
。
。
对 湖 北 省 九种 水 稻 土 的 有 效 磷 水 平 究 高 小
。
水 稻的
同 位 素又 由 于 其 性质 的不 同 而分 为 稳 定 性 同 位 素 和 放 射 性 同 位素 两 种 它 在 农业 上 的 应
。
磷 素 营 养 与 施 磷 增 产 效 果 的 关 系 进 行 了研 研 究结果 表 明 水 稻 生长 越 好 反之
二
、
用 同位 素 示 踪 研 究 作 物
示 踪 测 定 还表 明
。
,
稻 茬 上 的 高位 芽 生 长
,
对 养分 的 吸 收 分配
、
、
运 转和
发育 所 需 的养 分 主 要 是 由老 稻茬本 身 原 来贮
,
为采用 正确 的 农
存 的养 分 来供 给
粒多
,
因此
要 达 到 高位 芽 稿大
,
。
业 技 术措 施 提 供 依 据
,
利 用 能力 很 弱 或 在红 黄 土 上
吸 收量 很少
不 论在 正 土 上
,
水 稻 土 对施 入 的 磷 肥 固 结 率 很 高 莞 田对 施 入的磷肥
,
水 稻 一 生 中吸 收 自磷 矿 粉 中
即
,
。
在 当 季有
,
左 右 被转
。
的 磷 量 只 占稻 株 全 磷 量 的 一
以 上 的磷 是 吸 收 自 土 壤 中 的磷
况 的有 力 工 具 用 放 射 性 磷
““
显著
不择土类
,
稳定同位素比值分析在地球科学中的应用
稳定同位素比值分析在地球科学中的应用稳定同位素比值分析是一种广泛应用于地球科学领域的技术手段，通过测量不同元素的同位素组成，可以揭示地球历史、环境变化和地质过程等方面的信息。
本文将从碳、氮、氧和硫等多个元素同位素比值分析的应用角度出发，介绍稳定同位素比值分析在地球科学中的重要性和作用。
首先，碳同位素比值分析在地球科学中具有重要作用。
碳同位素分析可以用于研究全球碳循环、古气候变化和生物地球化学过程。
例如，通过测量古代植物或动物化石中的碳同位素比值，可以推断古气候的变化情况。
另外，碳同位素比值还可用于确定不同植物群落的类型和营养水平，从而帮助生态学家了解植物演化和环境变化的关系。
其次，氮同位素比值分析在地球科学研究中也有广泛应用。
氮同位素组成可以揭示氮的起源、氮素循环和生态系统中的氮转化过程。
通过分析土壤和水体中的氮同位素比值，可以了解农业和工业活动对生态系统的影响。
此外，在考古学领域，氮同位素比值还可用于判断古代人类的饮食结构，从而研究人类的迁移和文化演化。
第三，氧同位素比值分析在地球科学领域有着重要的应用价值。
氧同位素分析常用于研究古气候变化、水循环和地质过程。
例如，通过分析深海沉积物中的氧同位素比值，可以推断过去数百万年内的全球海洋温度变化。
另外，氧同位素比值还可用于确定水体来源、水体的补给路径和地下水与地表水的交换过程，从而帮助管理地下水资源和解决水资源开发利用中的问题。
最后，硫同位素比值分析也在地球科学研究中发挥着重要作用。
硫同位素组成可以用于研究沉积岩和矿石形成的环境条件、岩石变质和火山活动的过程以及生态系统中的硫循环等。
例如，通过分析古代海洋沉积物中的硫同位素比值，可以揭示过去海洋微生物活动和古地理环境之间的关系。
此外，硫同位素比值还可用于判断鱼类和贝类等水生动物的生活习性和栖息地。
综上所述，稳定同位素比值分析在地球科学中的应用范围广泛且多样化。
从碳、氮、氧和硫等元素的同位素比值分析，不仅为科学家们揭示地球历史、环境变化和地质过程提供了重要的信息，而且对于生物地球化学、气候变化、生态学、地质学、考古学等学科的研究都具有深远的意义。
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稳定性同位素混合的应用
两 源 混 合 的 贡 献 率
土壤Pb污染对茶叶Pb含量的贡献
Pb
例：江南大学 占茉莉 土壤铅污染对西湖龙井的铅的贡献
不同层位土壤剖面中稳定同位素的变化规律及与水分迁移的关系
田立德 姚檀栋 TSUJIMURA 孙维贞 2002
那曲100cm 土壤水、地表土壤18O 和夏季降水18O 权重值的对比
• 衰变公式：单位时间内发生衰变的核数目与该时 间内存在的放射性核总数成正比。 t=0时有N0个放射性原子，在以后任何时刻t剩下 的放射性原子数为N 放射性活度A：某一样品单位时间内核衰败的次 数。
放射性同位素的应用
土 壤 中 的 元 素 吸 收 和 运 输
首先在成熟叶先 端大量显示
标记物由土壤在 从跟进人
蒸发土壤水与下渗降水混合的同位素组成示意图
土柱试验 混合输出18O 值随时间变化
那曲1998 年夏季降水及不同深度土壤剖面中18O 随时间的变化
同位素在食物链的研究中应用
消费者的氮稳定性同位素（15N）相对其食物的15N发生 3~4‰的富集。消费者与其食物间的15N的富集是由氮的吸收 和排泄过程中同位素辨别作用引起的。消费者相对其食物的 15N稳定的富集作用可以用于评价生物的营养级位置，其公 式为：
20 ℃下14C-SOM 在含有蚯蚓和不含蚯蚓的土壤以及蚓粪中 培育55 d 的累积矿化率
20 ℃下, 14C-SOM 在对照土壤和蚯蚓 处理土壤中以移出蚯蚓时间点（矿化第 15 d）为起始点的累积矿化率
20 ℃下培养55 天后14C-SOM 残留物 在对照土壤、蚯蚓处理土壤、蚓粪以 及蚯蚓体内的相对分布
同位素在土壤中的应用
土壤生态学讨论课
一者三石
提要
• • • • 同位素研究方法的简介 放射性同位素在土壤研究中应用 稳定同位素混合在土壤研究中应用 稳定同位素分馏在土壤研究中应用
几个基本概念的介绍
放射性：元素的原子核自行放射出看不见 的、具有一定穿透力的射线的性质称为放 射性。 放射性衰变：不稳定的核自发地改变和结 构、并放射出射线，转变成另一种核或过 渡到另一种状态的现象。（射线α、β、γ或 光子） 同位素分馏效应：一种元素的同位素之间， 由于质量的不同或核自旋，会使它们在物 理、化学、生物学等性质方面表现出一定 的差异，这种现象称为同位素效应。
刘微，水稻转Bt（苏云金芽孢杆菌）基因对植株光合产物分配的影响，2009
Na213CO3+14CO2 ↔ Na214CO3+13CO2
1mol/LNa2CO3[50%Na2CO3，50%Na2CO3，使室内CO2浓度维持 在 150-200ppm浓度，4h后结束标记。
不同基因型水稻各生育期根际土壤磷脂脂肪酸种类和含量变化. (a):苗期;(b):拔节期;(c):抽穗期;(d):成熟期.
• 丰度（AP）：自然界中存在的某一元素的 各同位素间组成关系（表示：原子分数， 分子分数） • 原子百分超：样品中某核素的丰度与天然 丰度只差。 • 同位素比值R：同位素丰度比，指某一元素 的重同位素丰度与轻元素丰度之比，如 D/H,13C/12C
• 同位素δ：样品中同位素比值相对于标准物 质同位素比值的千分值‰ δ=（Rsa/Rst-1）×1000=(a-1) ×1000 Rsa：样品中同位素比值 Rst ：标准物质同位素比值
土壤有机质周转率
20世纪50年代后核爆试验对大气中14C量的影响
假定有机质分解遵从一级动力学方程，则土壤中有机碳 和14C的变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是有机碳的输入率，k是有机
碳的 周转率=1／周转时间(t)，λ 是14C的衰变 常数 (0.0001245／年)。
同位素稀释法测定根系周转
• 脉冲标记提高了地下部的14C同位素丰度F，随后只有12C同化进入根 部，导致F逐渐降低。在不同时刻取根系样品，测定其碳同位素组成， 就可以计算根系的周转系数TC
模型1：先减少后增加
模型2：先增加后减少
姜炳棋等，威廉腔环蚓对14C-土壤有机质转化的研究，2011
试验装置
PET法高CO2浓度下植物同化物的分配
PET 的原理：
常用的放射性核素有：11C, 13N, 15O, 18F, 22Na,45V, 52Mn, 52Fe, 68Zn, 105Cd, 107Cd。它们衰变产生的正电子与物质中的负电子作用，发生 湮灭，生成两个γ光子，扫描仪记录γ光子的时空分布，从而探测放射 性核素的位置和参与的过程。
苏晓梅,应用稳定性同位素探讨洞穴生态系统食物网结构和营养级关系，2008
东风洞洞穴生态系统食物网样品的δ13C和δ15N组成
东风洞穴生态系统食物网中各样品营养级位置
在洞穴黑暗带没有进行光合作用的生产者，且此研究所用标本皆来自于 东风洞黑暗带，营养来源主要来自于土壤中的有机物质，马陆类群，细 长钻螺等土壤动物主要此为食，形成第二营养级，即初级消费者，其 中斑灶马、夜蛾也属于第二营养级。以此类推，利用营养级模型可以得 知第三营养级为蜘蛛类、盲蛛、地蜈蚣以及黑眶蟾蜍
Cherkinsky & Brovkin 模型（不会产生两个值）
I1955为土壤有机质1955年的14C放射性比活度； I’t是在采样年大气的14C放射性比活度; Ist是现代标准碳的14C放射性比活度
土壤有机质分成三个组分的周转率？
在2005年取得一土壤样品，经过物理化学方法将 土壤有机质分成三个组分，分别占土壤总有机碳的 10% ，30%和60%，它们的14C比活度分别为13.6、 14.2、14.6 dpm g-1C；若大气14CO2的Δ(‰)的时 间动态符合下述方程： 1955-1964年： y=5.408(x-1955)2+53.445(x-1955) 1964-2005年： y=20096(x-1955)-1.3918-25 已知现代碳标准的放射性比活度为13.6 dpm g-1 C
式中δ15Nbase为生态系统食物网的初级生产者或初消费者的 氮稳定性同位素比率（即λ=1时，δ15Nbase为初级生产者δ15N， 而当λ=2时，δ15Nbase为初级消费者δ15N）δ15Nconsumer为消 费者的氮稳定性同位素比率，Δδ15N为营养级传递过程中的 富集值（平均值约为3.4‰）。