同位素在土壤生态学中的应用剖析

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
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
Байду номын сангаас
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
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.
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
• 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
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。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
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。
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：
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)。
• 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
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。