水圈中的稳定同位素
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2. 海水
氢、氧同位素
自然界中碳、硫同位素丰度
碳、硫同位素
国际标准和参考标准
V-PDB和PDB (Vienna-Peedee Belemnite)
碳、硫同位素
V-CD和CDT (Vienna-Canyon Diablo Trroilite)
13C/12C = 0.0112372 (Craig, 1957)
32S/34S=22.6436 32S/33S=126.948 A（原子量）=32.0639
(Ding et al., 2001)
自然界中碳同位素的变化
碳、硫同位素
自然界中硫同位素的变化
碳、硫同位素
碳、硫同位素分布规律
碳、硫同位素
碳、硫在自然界中分布的共同点
碳、硫同位素
• 碳和硫的高价态化合物相对于低价态的普遍富集重同位素。
大气降水
全部来源
氢、氧同位素
大陆地表水 （如江河、湖、冰川、地 下水，以及一些沉积盆地 的卤水和地热水）
海洋表面的蒸发
1. 大气降水（雨水）：Meteoric water
氢、氧同位素
1. 大气降水（雨水）：Meteoric water
氢、氧同位素
4) 季节效应
冬季相对夏季，大气降水亏损重同位素。 主要是温度效应引起。夏季温度高，海水蒸发及云团形成 （凝聚）过程分流小，造成夏季比冬季相对富集重同位素。
氢、氧同位素平衡分馏
H2O体系：
δ冰 > δ水 > δ蒸气 （O或H的同位素）
CO2-CaCO3-H2O体系：
δ18OCO2 > δ 18OCaCO3 > δ 18OH2O αCO2-H2O = 1.0412 αCO2-CaCO3 = 1.01025
稳定同位素比率质谱法在水产品溯源中的研究进展
稳定同位素比率质谱法在水产品溯源中的研究进展摘要随着近年来水产品标签中的错误信息越来越多以及普通消费者难以根据水产品的外观形态来鉴定其来源等问题的存在，该文讨论了稳定同位素法在水产品溯源中的研究进展。
通过对稳定同位素技术在水产品溯源中应用的文献进行分析，得出结论，在单一的稳定同位素溯源中，产地来源的数量、样品数量、物种类别等因素会影响产地溯源的正确率；同时，单一的稳定同位素溯源在有机养殖和野生水产品的辨别中存在一定困难；特异性化合物同位素分析(compound-specific isotope analysis，CSIA)溯源技术在不同季节的溯源效果受到物种类别的影响；稳定同位素结合其他溯源技术能显著提高水产品产地溯源、生产方式鉴别、种类识别的正确率。
关键词产地溯源；生产方式鉴别；稳定同位素；水产品；食品追溯水产品中富含n-3系列不饱和脂肪酸，每周食用1～2次水产品可降低充血性心力衰竭、冠心病、缺血性中风和心脏猝死的风险[1]。
同时，随着经济的快速发展和人民消费水平、消费能力的急速提高，人们对水产品要求也越来越高，消费者的购买意愿极大程度受水产品的产地和生产条件的影响[2-4]。
消费者普遍认为人工养殖的水产品使用了抗生素和生长促进剂[5]，而野生水产品则更加健康、美味和营养[6]。
为了保证消费者权益，欧盟关于渔业产品第1379/2013号条例规定，水产品标签中应正确标明鱼种、地理来源、养殖方式的信息[7]。
但事实上，由于利益的关系，水产品标签中时常存在很多错误信息来诱导消费。
在FASOLATO等[3]的研究报告中指出，在市场中采集的29份野生鲈鱼中，有22份为人工养殖。
国际海洋保护组织2015年在大西洋进行的一项试验结果表明，超过1/3的受检水产品的标签存在信息错误的问题[8]。
同时，在美国的超市和餐饮消费中的养殖鲑鱼有超过一半被贴上了野生鲑鱼的标签[9]。
由于水产品的生命周期、膳食来源、膳食结构相比较葡萄酒、茶、咖啡等比较复杂，所以，利用传统溯源方法进行水产品溯源具有一定的局限性[10]。
04第四章(氢氧同位素)
1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征 3.氢氧稳定同位素的应用
1概 述
1.1 氢、氧同位素的主要地球化学性质
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们 以单质和化合物的形式遍布全球。
冰雪的堆积与融化对海水同位素组成的影响
北极冰的δD值为-160 ‰，δ18O值为-22 ‰ ； 南极雪的δD 值为-440 ‰ ，δ18O为-55 ‰。
当极地有大量冰雪堆积时， 海洋水的同位素组成变重； 若全球冰雪融化，海洋水 的同位素组成变贫。 据计算海水的δ18O将降到 -1‰，δD降到-10‰。
降水线的斜率也是反映分馏程度的一个参数
1965年Craig和Gordon指出，云团的冷凝过程基本上属于平衡过程，没 有明显的动力分馏，分馏系数介于封闭的平衡蒸发和瑞利蒸发之间，因 此，全球降水线的斜率S＝8。
大量的研究证明，海水蒸发形成云团蒸气的过程实际上是一个动力过程， 蒸发速度受水－空气界面的扩散速度控制，而大气中的湿度、风速等因 素都会影响扩散速度。由于氢氧同位素分子有不同的扩散速度，所以得 到的斜率不等于8，而往往在5-6之间。由于受蒸发作用的影响而斜率小 于8。
2.4 地下水
1) 渗入水
不论古代还是现代，由大气降水补给的渗入水的同位素组成与其补给 源的大气降水的同位素组成相近，这是一种普遍的现象。在δD－ δ18O关系图上，数据点都落在世界降水线或地方降水线附近。
利用大气降水的高度效应，可以推测计算地下水补给区的高度和 位置。
穿过起伏较大的大陆边缘加拿大西部山脉降水的δ18O变化
-7.0
-8.0
水圈中的稳定同位素共26页
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的圈中的稳定同位素4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
水中TIC、TOC的碳稳定同位素比值分析方法
δ13CVPDB-LSVEC （‰）
0.00 -10.00 -20.00
y = 1.3094x + 4.1966 R2 = 0.9998
-30.00
ห้องสมุดไป่ตู้
-40.00
-50.00 -50.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00
溶液δ13CVPDB-LSVEC（‰）
用两种已知丰度的，且丰度值相差比较大的标准试剂 配制成的溶液，按不同体积比混合，制成多点不同丰 度的标准溶液，以实际测得的丰度值与计算的理论值 作一条标准曲线。
一、水溶液中有机碳稳定性同位素比值 的测定
试剂A：USGS 40 试剂B：USGS 41
编号
1 2 3 4 5 6
体积比 （VA:VB）（ml）
一、水溶液中有机碳稳定性同位素比 值的测定
• 根据标准曲线测得样品的丰度：
No.
1 2 3 4 5 6 avg. SD 参考值
USGS40 δ13CVPDB-LSVEC (‰)
-26.24 -26.64 -26.17 -26.58 -26.68 -26.27 -26.43
0.23 -26.39±0.04
5/10/2021
方法试验的主要内容： 一、水溶液中有机碳稳定性同位素 比值的测定；
二、水溶液中无机碳稳定性同位素 比值的测定。
5
实验设备与材料：
仪器与试剂：
PreCon-GC-IRMS 烘箱 过硫酸钾 85%磷酸 高纯氦气（99.999%) 去离子水
5/10/2021
预浓缩装置
气相色谱
质谱仪器
实验操作过程：
（2）将顶空瓶放入烘箱加热到100℃，时间为40min， 使有机碳完全氧化成CO2。 （3）冷却至室温后，用气密性注射器抽取顶空瓶上层 气体注入仪器precon进样口，进入质谱仪器测量碳同位 素比值。
同位素技术在水文水资源领域的应用
同位素技术在水文水资源领域的应用摘要：同位素技术已广泛应用于环境科学研究领域。
放射性同位素定年技术在环境污染历史与稳定性同位素示踪有着成熟的理论研究，利用稳定同位素分析污染源的实践取得重大进展。
关键词：同位素技术；水文水资源领域；应用前言同位素技术出现于20世纪40～50年代，随着逐渐发展成熟成为了一种有效的失踪手段。
稳定同位素的研究最早是应用于地质、物理学科等领域，随着技术的不断革新和发展，慢慢地向水文学和植物学等方面渗透，并且得到了较好的应用。
1水资源问题分析众所周知，地下水资源是干旱、半干旱地区工业、农业和生活用水的重要来源。
例如在西班牙，地下水提供了全国总用水量的1／5，并灌溉了全国1／3以上的农田。
我国首都北京市同样处于温带半干旱半湿润地带，水资源天然禀赋不足，全市2／3以上的供水量来自地下水资源。
自20世纪70年代以来，北京因地表水的减少和地下水开采量增加，地下水逐年亏损。
超量开采地下水造成水位下降，形成水位降落漏斗，产生地面沉降、水质污染等问题?。
为缓解紧张的用水形势，保障城市供水，很多地区利用再生水进行农田灌溉。
但目前多数城市工业废水和城市生活污水排放量大幅增加，污水处理设施能力明显不足，再生水灌溉严重威胁到地下水水质安全。
在沿海地区，地下水超采还会引发海水入侵，导致地下水咸化、地下水水质退化等问题。
面临日益严峻的地下水资源短缺及地下水水质恶化等问题，人们迫切的需要在地下水水质状况、污染状况、污染物来源、迁移及归趋、水资源管理等等方面展开深入细致的研究。
水文地球化学特征与同位素特征分析相结合的研究方法，已成为广大研究者用于研究地下水资源管理及污染物来源及迁移转化的重要手段。
2同位素技术的应用原理与分析方法2.1放射性同位素定年原理放射性同位素技术在环境定年中主要是利用其衰减规律。
按照放射性衰变的定律，母体衰减，子体积累，不断记录下时间参数，此即放射性同位素年龄测定的基本原理。
依据此原理，可以给出放射性同位素测年的基本公式：At=A0×e－λt。
稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用_石辉
1 天然降水的氢、氧同位素关系— — 雨水线
同位素分馏可用分馏系数定义:
A
T= R A /RB
B
( 1)
式中: R 是分子 A 或者 A 相中重同位素与轻同位素的比值 ; R 是在 B 相中的二者比值 。 对于某一特定的温度 , 如果蒸气和液体处于平衡状态 , 则分馏系数就等于蒸汽压之比。 将天然水的循环可比拟为一个向贮存器凝聚回流的多层蒸馏柱 ,其中海洋相当于贮存器 ,两极的冰原相当 于柱的最高层 。 由于上述 9 种组合水分的蒸气压不同 , 这样从空气团水蒸气中凝聚的水 , 要比蒸气更富集 D和 18 16 O , 这样云中的 H和 O 愈来愈多。当富含水蒸气的空气团从海洋向内陆移动时 , 随着距离海洋的远近不同 , 降 水中的 H和 O 愈来愈多 。 由于自然界中重同位素与轻同位素的比值 (分馏系数 )很小 , 对于水中的氢、 氧同位素组成一般用相对于 SM OW 标准 (标准平均海水 )的千分差表示:
第 17卷第 2 期 2003年 6 月
水土保持学报 Journa l of Soil a nd Wa ter Co nserv a tion
V ol. 17 N o. 2 Jun. , 2003
稳定性氢氧同位素在水分循环中的应用
石 辉 1, 2 , 刘世荣 2 , 赵晓广 3
( 1. 西南师范大 学 资源环境学院 , 重庆 北碚 400715; 2.中国 林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 , 北京 100091; 3. 西安科技大学 地质与环境 工程系 , 西安 710045) 摘要 : 稳定性氢氧同位素 是广泛存在于水中的环境同位素 。 在降水 、 地表水 、 地下水 、 土壤水和植物体内 水转化循 环过程中 , 发生氢氧同位素 的分馏 ,不 同的水有不同的氢 氧同位素值 。利用这种差异 , 可研究水分来 源 、径流 响应 和植物用水 ,本文综述了这 一方面的研究和进展 。 关键词 : 稳定性氢氧同位 素 ; 水分循环 ; 水分来源 ; 径流响应 ; 植物用水 中图分类号 : O 611. 7; TV 213. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 10092242( 2003) 020163-04
稳定同位素探针在水环境中的应用研究
稳定同位素探针在水环境中的应用研究水是生命之源，也是人类日常生活和工业发展中必不可少的资源。
水环境质量的保护和管理一直是各国共同关注和探索的问题。
随着科技的进步，越来越多的技术手段被应用到了水环境中的监测和治理中，其中稳定同位素探针就是一种十分有效的技术手段。
本文将探讨稳定同位素探针在水环境中的应用研究。
一、稳定同位素探针的原理及特点稳定同位素探针是一种基于稳定同位素分析技术而开发出来的监测水环境的方法。
稳定同位素是指原子核外层电子云中的质子数相同，但质子和中子数不同的同种元素，如质子数为6和8的碳同位素（12C和13C）以及质子数为1和2的氢同位素（1H和2H，也称为氢和氘）。
这些同位素有其固有的物理和化学性质，它们在自然界中的含量分布和变化过程受一定的物理和化学因素的影响，因此可以用于揭示和分析水环境中的各种生物、物理、化学过程。
稳定同位素探针的分析方法主要是测定水样中稳定同位素的含量和比例，然后通过对其变化规律的分析来揭示水环境中的各种生物、物理、化学过程。
其与传统的分析方法相比有以下特点：1. 代表大量物质信息。
由于稳定同位素广泛存在于自然环境中，因此其可以代表很多物质的性质和变化情况，如水体、沉积物、土壤、空气等。
2. 可以探测微小变化。
稳定同位素变化的幅度很小，但是其变化趋势却能反映出很多微小的环境变化。
因此，稳定同位素探针具有高灵敏度的优点。
3. 具有可重复性好的特点。
在使用稳定同位素探针进行实验时，可以尽可能的减少实验中其他因素的干扰，达到实验数据具有高可重复性、高可比性，从而可以进行更加准确的分析和解读。
4. 分析方法多样化。
稳定同位素探针的多种化分析方法，包括不同的质谱设备和化学分离技术，可以满足不同水环境中的各种监测需求。
二、稳定同位素探针在水环境中的应用稳定同位素探针以其高灵敏度和准确性，已经得到了广泛的应用，其中水环境研究是其一个重要的应用方向。
以下是几个稳定同位素探针在水环境中的应用案例：1. 水稳定同位素分析在识别饮用水来源中的应用。
海洋中碳稳定同位素的生物地球化学资料
特点
பைடு நூலகம்
δ13C(‰) 范围
C3循环 (Calvin)
利用rubisco酶与 一个CO2生成3个 3-磷酸甘油酸，合 成三碳糖。
循环长， 分馏大。
-23～-38
90%植 物
C4循环 (Hatch and Slack)
CAM循环
用磷酸烯醇丙酮酸 羟基酶(PEF)固定 碳
以crassulacean
酸代谢为特征，采 用C3和C4两种代 谢方式
低温处的浮游植物有更高的13C消耗量，所以温度 可能是分馏程度增强的主要原因。
动物：取决于食物
通过食物链吸收C合成有机物，此过程分馏并 不显著，所以动物的同位素组成与其食用物质的 同位素组成相似。基于这点，可用来估测其食物 的碳源。
这种方法要求所食用的所有食物种类都必须列 出，且彼此能够用同位素很好的区分。
6CO2 +11H2O →C6H22O11 +6O2 单向反应
空气中12CO2键比13CO2易破裂，所以光合作用时 植物组织优先吸收12CO2，有机物中富集12C，而 空气则富集13C。
植物中碳同位素分馏分三步：
a 优先吸收12C，溶解于细胞质中。分馏由动力学引 起，主要取决于大气中CO2的浓度，浓度越低分 馏越小。
还原碳（煤、甲烷、石油等合物）
多种氧化价态是同位素分馏的有利条件
2丰度 稳定同位素 12C:98.89% 13C:1.11% 放射性同位素 14C
存在两大重要碳库： 海洋碳酸盐——重同位素多， δ13C平均值接近0 ‰ 有机碳——轻同位素多，-25 ‰左右变化
这两个沉积碳库存在同位素质量平衡：
δ13C输入=f有机δ13C有机+（1- f有机） δ13C碳酸盐 f有机,即有机碳进入沉积物的比例 若已知特定时期的δ输入、δ有机和δ碳酸盐，可计
海洋环境中稳定氧同位素研究
海洋环境中稳定氧同位素研究海洋环境中稳定氧同位素研究导言稳定氧同位素是地球科学中一个重要的指标，对于研究海洋环境和古气候变化具有重要意义。
本文将从简单介绍稳定氧同位素的基本概念开始，逐步深入讨论其在海洋环境中的应用及研究成果，并分享个人观点和理解。
一、稳定氧同位素的基本概念1.1 什么是稳定氧同位素？稳定氧同位素是指氧原子核中的质子数不变，但中子数不同的同位素。
氧元素的最常见同位素是氧-16（^16O）和氧-18（^18O），其中^16O相对丰度约为99.76%，^18O约为0.204%。
稳定氧同位素的相对丰度比例可用δ值表示，即δ^18O。
1.2 δ^18O的应用稳定氧同位素的比例可以用来推测水体的来源、温度变化、地球气候环境等。
其中，海洋环境中的稳定氧同位素成为了研究海洋生态系统、水文循环以及全球气候变化的重要标志。
二、稳定氧同位素在海洋环境中的应用2.1 海洋生态系统的研究稳定氧同位素可以用于研究海洋生态系统中的生物地球化学过程。
海洋生态系统中的生物对氧的同位素存在不同的分馏效应，因此生物体中的稳定氧同位素比例可以反映其所处的海洋环境条件。
通过对不同物种或生态环境中的稳定氧同位素进行测量，可以了解海洋生态系统的结构、营养动力学和生物地球化学循环等方面的信息。
2.2 水文循环的研究稳定氧同位素还可以用来研究海洋水文循环。
海洋中的水体来源和混合过程会导致不同水质的δ^18O值不同。
通过测量不同地理位置和深度的海水样品中的稳定氧同位素比例，可以了解海洋水圈的混合状态、水体来源和垂直混合等信息。
这对于理解海洋循环、确定海流路径和预测海洋变化具有重要意义。
2.3 全球气候变化的研究稳定氧同位素在全球气候变化研究中起着重要的作用。
氧同位素与海洋温度变化存在密切关系。
通过分析古代海洋沉积物中的稳定氧同位素组成，可以重建过去海洋温度的变化。
这对于研究全球古气候变化、理解全球气候系统对人类活动的响应和预测未来气候变化有重要的启示作用。
中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素_陈中笑
第33卷第6期大气科学学报Vo.l33N o.6 2010年12月T ransactions o fA t m ospheric Sciences Dec.2010陈中笑,程军,郭品文,等.中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素[J].大气科学学报,2010,33(6):667-679.C hen Zhong-x i ao,C heng Jun,Guo Pi n-w en,et a.lD i stri bu tion characters and its contro l factors of stab l e is otope i n preci p it ati on over Ch i na[J].T ran s A-t m os S c,i2010,33(6):667-679.中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素陈中笑1,程军1,郭品文1,林振毅2,张福颖1(南京信息工程大学1.气象灾害省部共建教育部重点实验室;2.大气物理学院,江苏南京210044)摘要:利用I A EA\W MO\GN I P的降水稳定同位素资料,分析了中国降水稳定同位素的时空分布特征及其影响因素。
结果表明,整体来看我国降水稳定同位素有明显的大陆效应和高度效应。
各地大气降水线存在地域差异,内陆地区同一站点冬、夏半年也有明显差异,显示出水汽团特性的不同。
不同地区降水稳定同位素(D和过量氘)的季节变化特征明显不同,表明主要水汽来源存在季节性差异。
通过对比长序列降水稳定同位素的年际变化与季风和EN SO指数的关系,发现ENSO与降水稳定同位素有显著的正相关,但不一定通过影响降水量来引起降水稳定同位素(stab l e iso tope i n prec i p itation,SI P)的变化。
重点分析了我国降水量效应、温度效应的特点,指出沿海和西南等季风区主要受降水量的影响,北方非季风区温度效应起主要作用,交叉地带则两种效应都有影响。
水圈中的稳定同位素
国际标准和参考标准
V-PDB和PDB (Vienna-Peedee Belemnite)
碳、硫同位素
V-CD和CDT (Vienna-Canyon Diablo Trroilite)
13C/12C = 0.0112372 (Craig, 1957)
32S/34S=22.6436 32S/33S=126.948 A（原子量）=32.0639
氢、氧同位素
自然界氧同位素分布组成
氢、氧同位素
自然界氢同位素分布组成
氢、氧同位素
氢、氧同位素在自然界的分布特征
氢、氧同位素
δO
δD
氢、氧同位素
水的氢、氧同位素
自然界中水主要分布在海洋，占到97.16%； 陆地水（冰川、湖泊、河流等）仅占2.83%，其中冰川水占2.09%； 大气圈和生物圈的水量都微乎其微。
• 海水具有基本恒定的硫酸盐和碳酸盐的同位素组成。
碳、硫同位素分布规律
• 海水比淡水（湖、河水）一般富13C的原因： 1） pH值控制： H2CO3 ↔ H+ + HCO3海水呈弱碱性，pH值约为8.5，HCO3-离 子占到~99%；而淡水呈弱酸性，pH在 5~7，H2CO3或H2CO3+ HCO3-为主。 2） 淡水中微生物降解排放的有机碳氧化。
水圈地球化学及其环境效应
5.4 水圈中的稳定同位素
中国科学技术大学 环境地球化学概论 节选自<储雪蕾 稳定同位素课件>
自然界中H、O稳定同位素丰度
氢、氧同位素
氢
H(1H)： 99.985%
D(2H)：0.015%
氧
16O：99.762%
17O：0.038% 18O：0.200%
碳氮氧稳定同位素技术在水生态环境中的应用
第 35 卷 第 1 期环 境 科 学 研 究Vol.35，No.1 2022 年 1 月Research of Environmental Sciences Jan.，2022碳氮氧稳定同位素技术在水生态环境中的应用杨 蓉1,2，李 垒2*1. 北京市南水北调水质监测中心, 北京 1000972. 北京市水科学技术研究院, 北京 100048摘要：稳定同位素技术是研究环境和生态系统中元素循环途径的重要方法. 稳定同位素的丰度变化反映了自然界和生物体内混合、分馏双重作用的结果，因此可作为指标计算混合物的来源贡献，或研究造成分馏的化学反应和生物代谢路径. 从20世纪中期确立稳定同位素的基础原理，70年间该技术在地球化学、环境科学、生态学、微生物学、食品科学等领域获得了大量有价值的成果. 其中，水体作为自然环境的重要组成和人类社会的重要资源，已有诸多研究涉及稳定同位素在水环境中污染物溯源、水生态系统元素迁移转化、水生生物营养来源和营养关系等方面的应用. 通过梳理常见的碳、氮、氧稳定同位素在水环境和水生态领域的研究进展，发现污染物和食物来源分析已不局限于定性识别，基于数学模型的混合物组分定量评估方法正得到越来越多的应用；同时，为开展水体脱氮强度和通量估算、水生生物营养级计算及食物网分析，精确测量18O、15N和13C的富集程度以及通过试验和调研获取运算所需的基础参数都是关键步骤. 虽然在实际应用中存在待完善之处，但稳定同位素技术的前沿研究仍昭示了其整体化、精细化的发展方向. 未来与计算科学的方法学进步相结合，将为水科学研究提供更有力的技术支撑.关键词：稳定同位素；分馏；多元混合模型；硝酸盐溯源；食性分析；营养级中图分类号：X52文章编号：1001-6929（2022）01-0191-11文献标志码：A DOI：10.13198/j.issn.1001-6929.2021.07.03Applications of Stable Carbon, Nitrogen, and Oxygen Isotope Techniques in Aquatic Environment and EcologyYANG Rong1,2，LI Lei2*1. Beijing Water Quality Monitoring Center for South-to-North Water Diversion, Beijing 100097, China2. Beijing Water Science and Technology Institute, Beijing 100048, ChinaAbstract：Stable isotope technique is an important method to study element cycle in the environment and ecosystems. The change in the abundance of stable isotopes reflects the results of mixing and fractionation in nature and organisms. Therefore, it can be used as an indicator to calculate the contribution of mixture sources, or study the chemical reactions and biological pathways that cause fractionation. Since the establishment of the basic principles of stable isotopes in the middle of the last century, this technology has obtained many valuable achievements in geochemistry, environmental science, ecology, microbiology, food science and other fields in the past 70 years. Among them, there have been many studies on the application of stable isotopes to evaluate the pollutant sources, element migration and transformation, food sources and nutritional relations in the aquatic environment that is an essential component of nature and a significant resource of human society. By summarizing the research progress of common carbon, nitrogen and oxygen stable isotopes in the field of water environment and ecology, it is found that the analysis of pollutants and food sources is not limited to qualitative identification. In fact, quantitative assessment methods of mixture components based on mathematical models have been increasingly used. Meanwhile, to evaluate the intensity and flux of denitrification, or perform trophic level calculation and food-web analysis, it is important to measure the enrichment degree of 18O, 15N and 13C accurately, and obtain appropriate basic parameters for model through experiments and survey. Although some aspects still need to be optimized in practical applications, the research frontier of stable isotope technology shows its integrated and refined development direction. Combined with methodological advances in computational science, stable isotopes will provide more powerful technical support for water science research.收稿日期：2021-04-24 修订日期：2021-06-19作者简介：杨蓉(1987-)，女，山西大同人，高级工程师，博士，主要从事水环境监测及评价研究，ygrg@.*责任作者，李垒(1980-)，男，辽宁朝阳人，教授级高级工程师，博士，硕导，主要从事水生态环境评估和污染生态修复研究，ll@基金项目：国家自然科学基金项目(No.41301540)Supported by National Natural Science Foundation of China (No.41301540)Keywords：stable isotope；fractionation；multivariate mixed model；nitrate source identification；diet analysis；trophic level稳定同位素指核结构稳定、不发生或不易发生放射性衰变以及半衰期极长的一系列核素. 1912年，英国物理学家John Thomson发现天然氖由20和22两种不同质量数的原子组成，首次证明了常态元素稳定同位素的存在. 该技术的发展始于20世纪中期的稳定同位素地球化学领域，自然界常见的氢、碳、氮、氧、硫等元素都有超过一个的稳定同位素，研究者测定各类天然物质中元素的同位素组成，分析变化规律并推测原因所在.近年来，稳定同位素技术在地球化学、环境科学、生态学、微生物学、食品科学等领域得到了广泛应用[1-3]. 应用重点并非探究同位素丰度的分布特征，而是将其作为观测手段研究过程、开展溯源. 物理、化学和生物过程都可造成稳定同位素的丰度差异，反之稳定同位素化学性质相同，其变化不影响过程，因此可作为示踪剂为回溯环境、生物等多种因素对元素的共同作用提供科学有效的依据.水是生物不可或缺的基础物质，水生态环境不仅是环境科学和生态学的研究对象，其污染状况、物种分布等信息也是水资源管理的重要支撑. 随着色谱质谱联用和傅里叶变换核磁共振技术的诞生，同位素的检测手段愈加丰富，研究成本大幅降低，已有大量研究涉及稳定同位素在水体污染物溯源、水生生物食物网研究等不同方向的应用. 聚焦研究中最常见的碳、氮、氧稳定同位素，介绍了分馏和混合的基础理论及模型. 水质分析方面，以氮素和硝酸盐为例探讨了氮氧稳定同位素以及以IsoSource和SIAR为代表的混合模型在污染物迁移转化和溯源中的应用；水生态方面，基于碳氧稳定同位素特征、浓缩系数和基线生物选择综述了该技术在营养级、生态位和食性分析中的应用.1 稳定同位素分馏和混合的基础理论1.1改变同位素丰度变化的驱动力−分馏作用1.1.1分馏作用的定义同位素中子数的差异使其质量和原子间结合力不同，也导致了地球化学及生物化学过程中扩散和反应速率的差异.最终表现为同位素分馏(isotopic fractionation)效应，即一种元素的同位素以不同比例在不同物相中分配. 通常而言，轻同位素优先参与化学反应，造成动力学非平衡分馏[4]. 而当反应已达到化学平衡，不同化合物对重同位素的竞争导致了热力学平衡分馏.分馏效应形成了具有不同同位素丰度的物质库. 2H、13C、15N和18O等重同位素在环境中的绝对丰度低，一般接近或低于1%. 为了放大细微变化，便于比较，一般用样品和国际公认标准物质同位素比值的千分差描述稳定同位素含量，记作δ. δ值越大(越正)表示重同位素越多，越小(越负)表示轻同位素越多[5].1.1.2自然分馏自然界的物理过程和化学反应均会造成同位素分馏. 以氮素为例，挥发、扩散、水解、固氮、硝化、反硝化等反应体系具有不同的同位素分馏特征. 氨化作用造成的分馏仅为±1‰左右. 但硝化作用会在反应物里富集15N，浓缩系数在−29‰~−12‰之间；氨挥发也会导致NH4+中15N含量上升，氮的轻同位素更易于以NH3的形式挥发[6-7]. 李荣富等[8]总结了15N在氮循环过程各环节中的分馏系数，并指出并不是所有环节的同位素分馏都得到了清晰阐述，如硝酸盐异化还原、厌氧氨氧化的分馏效应就暂未明确.1.1.3营养分馏生物的新陈代谢会导致同位素分馏. 呼吸和排泄优先排出营养元素的轻同位素，造成食物中的重同位素在捕食者体内富集. 研究[9-10]表明，13C富集系数通常为0~1‰，而15N的浓缩系数通常为3‰~4‰，并随着食物链进一步放大. 因此，与食物组成相近的δ13C 常被用于追溯水体中捕食者的食物组成和贡献，富集程度更高的δ15N则用于开展水生态系统的营养水平研究[11-14].1.2计算源贡献的理论及方法−多源混合模型分馏和混合是稳定同位素研究中的两个重要概念. 分馏作用导致物质库之间的同位素丰度差异，而多个物质库的相互混合进一步造成环境中稳定同位素的复杂分布. 混合模型用数学方法推断混合物中各物质库的贡献率，被广泛应用于污染物定量溯源和捕食者食性分析.作为最基础的混合模型，质量平衡模型(mass-balance model)可用于n种同位素和n+1个来源的溯源计算. 最常用的是2种同位素和3个来源的定量评估，可以避免单一同位素的区分度不够(如NO3−中的15N). 但也有研究[15]指出质量平衡模型未考虑不确定性的影响，在混合物具有多种来源时不能使用. 为解决多来源的问题，2003年，Phillips等[16]通过对质量平衡方程组的反复迭代提出了IsoSource模型. IsoSource模型适用于n种同位素和>n+1个源，获得192环 境 科 学 研 究第 35 卷的不是点估计，而是分布. 2008年，Parnell等开发的SIAR(stable isotope analysis in R)模型引入了不确定性和同位素分馏的考虑，其基于狄利克雷分布和贝叶斯算法，结合似然函数和逻辑先验分布计算贡献率.吴文欢等[17]对质量平衡模型、IsoSource模型和SIAR 模型的适用情境和使用技巧进行了详细论述.除质量平衡模型、IsoSource模型和SIAR模型外，IsoError、IsoEconc、IsotopeR、MixSIR等模型也在污染物溯源中有所应用，Hopkins[18]等和冯建祥等[19]均比较了它们的原理、特征和优缺点. 但在实际使用中为避免误用，还需仔细评估背景资料是否充分，科学问题、试验设计和模型选择是否合理[20].2 氮氧双同位素在水体氮素迁移转化及溯源中的应用2.1反硝化脱氮氮循环是生物地球化学循环中的重要环节，生态系统中氮的输入、转化、利用和消除都是被长期探讨的科学课题. 氮氧双同位素用于脱氮过程研究，提供了用稳定同位素探讨元素迁移转化的范例.厌氧条件下反硝化菌有偏好地利用轻同位素转化成N2和N2O，造成15N和18O富集在剩余的NO3−中，二者的同位素分馏系数比值约为2，即δ15N升高1‰，δ18O相应上升0.5‰[6]. Xue等[7]认为，实际情况下15N 和18O以1.3∶1～2.1∶1的比例富集都可以推论反硝化的发生. 水体脱氮过程中氮氧同位素分馏系数如表1所示. Panno等[26]、Houlton等[28]分别试算了森林和密西西比河中因反硝化损失的氮量，为研究氮素迁移转化提供了新方法.2.2硝酸盐溯源我国许多地方的地表水和地下水正在面临硝酸盐污染[29-30]. 六成分图、派珀图等是硝酸盐污染分析的经典方法[31]，但随着同位素方法的建立和推广，氮氧双同位素被广泛用于氮源定性识别. 1998年Kendall等[6]根据大量试验结果提出了利用氮氧双同位素示踪不同来源硝酸盐的经验方法，利用δ15N的差异区分来自肥料和降水中NH4+硝化、土壤氮素、有机肥与污水的硝酸盐，再通过δ18O的差异区分来自硝酸盐肥料和大气降水的硝酸盐. 该方法得到了后续研究的证实[7,32-33].氮氧同位素溯源研究通常需要结合水化学和其他同位素数据一起进行[34]. 例如，Min等[35]采用δ15N 联合NO3−浓度解释了生活污水和化肥对韩国洛东江流域地下水硝酸盐的贡献；Nyilitya等[36]利用NO3−、Cl−、硼(boron, B)浓度和δ11B探讨了肯尼亚基苏木城和Kano平原地下水硝酸盐来源及转化；Wang等[37]比较了Cl−浓度与NO3−浓度、NO3−/Cl−的相关性，以讨论云南程海氮素的来源和反硝化的发生；Wang等[38]在赣江流域分析了δ15N与NO3−浓度、NO3−/Cl−的关系. 此外，研究地点的背景信息(如土地使用情况)[31,38]、排放负荷和入水负荷[39]等也常被用作综合分析.在氮源定性识别的基础上，量化污染源贡献率的定量评估方法也逐渐受到青睐. 研究者将一系列数学模型用于地表水和地下水的硝酸盐来源探讨，得到氮源的相对贡献. 近年来，IsoSource和SIAR模型在我国各地得到了越来越多的应用(见表2).表 1 水体脱氮过程中氮氧同位素分馏系数对比Table 1 Fractionation factors of nitrogen and oxygen stableisotope in aquatic denitrification采样区域水体类型氮氧同位素分馏系数比值数据来源溪流岸边带地下水 1.5:1文献[21]河流岸边带地下水 1.3:1文献[22]城市含水层地下水 1.9:1文献[23]湖泊深水层地表水 1.8:1文献[24]脱氮菌培养系统模拟淡水/海水1:1(兼性厌氧反硝化菌)、1.6:1(光合异养菌)文献[25]森林地区土壤溶液 1.5:1文献[26]森林地区土壤溶液 1.7:1 ~ 3.6:1文献[27]表 2 稳定同位素在硝酸盐定量溯源中的应用Table 2 Application of stable isotopes in nitrate source identification研究区域水体类型模型名称主要结论数据来源江苏滆湖地表水质量平衡模型临近城市的河流工业废水对硝态氮贡献率为76%~82%；远离工业区的样点硝酸盐来源主要是农业面源和生活污水，二者之和在60%~80%之间文献[39]德国瓦尔诺河地表水质量平衡模型灌溉用水、地下水和大气降水对瓦尔诺河水中硝态氮的贡献率分别为86%、11%和3%文献[40]山西汾河地表水IsoSource模型丰水期临汾段和M5采样点污染源主要是粪便和生活污水，占比为40%~72%，其余采样点化肥贡献率高，为45%~62%；枯水期粪便和污水是所有采样点硝态氮的主要来源，占比为40%~73%文献[41]第 1 期杨 蓉等：碳氮氧稳定同位素技术在水生态环境中的应用1933 碳氮双同位素在水生生物营养谱构建和食性研究中的应用3.1营养级估算稳定同位素在营养生态学的应用始于20世纪90年代中期. 以营养分馏为基础，聚焦水生生物体内的15N含量可反映生态系统中不同物种的营养水平. Zanden等[59]发现传统食物分析和稳定同位素法得到的342种鱼类的营养级无显著性差异，证明了新方法的可靠性. 稳定同位素计算结果用连续数值标示生物在食物网中所处位置，与传统方法获得的正整数相比更能反映其在生态系统中的真实状况[60].捕食者和食物之间较确定的δ15N差值是稳定同位素用于营养级关系计算的基础，根据实际需要选用有针对性的浓缩系数和基线生物是开展研究的前提. Minagawa等[10]的试验表明15N浓缩系数的平均值±标准差为3.4‰±1.1‰，Post[61]和Mccutchan等[62]基于文献调研的结果分别为3.4‰±0.98‰和2.2‰±0.18‰，相差不大. 多种原因造成了浓缩系数的差异，如Mccutchan等[62]发现，针对不同的食物结构和捕食者部位，15N呈现出不同的富集模式；Zanden等[63]按照生物分类(鱼类和无脊椎动物)、栖息地(海水和淡水)、调查方式(实验室和野外)和食物类型(肉食和 续表 2研究区域水体类型模型名称主要结论数据来源内蒙古乌梁素海地表水IsoSource模型化肥和土壤氮相关的农业活动对春季湖水硝酸盐的贡献率为43.7%；生产生活污水是其他3个季节硝酸盐氮的主要来源，贡献率分别为51.3%、38.8%和40.2%文献[42]山东王河地下水库地下水IsoSource模型库区中硝酸盐主要来源于化肥和生活污水，二者的平均贡献率分别为61.44%和33%文献[43]广西寨底地下河地下水IsoSource模型硝酸盐来源以化肥、动物粪便和生活污水为主，且距离居民区较远时化肥贡献比例较高，距居民区较近时动物粪便和生活污水贡献比例更高文献[44]重庆中梁山槽谷区地下水IsoSource模型雨季土壤氮、粪便及污水、降水和化肥中的氨氮对硝酸盐的平均贡献率分别为26%、21%和45%，旱季分别为20%、47%和19%文献[45]重庆青木关地下河地下水IsoSource模型不同采样点的硝酸盐污染特征不同，临近居民区和养殖区的采样点主要污染来源分别为土壤有机氮(48.3%)和粪便污水(59.6%)文献[46]山东桓台地下水IsoSource模型和SIAR模型硝酸盐主要来源于化肥(45%~46.9%)和污水(40.7%~51.7%)，畜禽养殖也有一定贡献(2.6%~10.7%)文献[47]河北洋河地表水SIAR模型硝酸盐来源贡献表现为粪便生活污水(45.37%)>土壤氮(41.39%)>降水和化肥中的氨氮(13.24%)文献[48]陕西浐河灞河地表水SIAR模型硝酸盐来源贡献表现为污水及粪便>土壤有机氮>化肥>降雨，其中污水及粪便在浐河灞河的贡献率分别为30%和36%文献[49]安徽滁州地表水SIAR模型无论雨季和旱季，粪便和生活污水(28%~36%)及土壤氮(24%~27%)都是硝酸盐的主要来源文献[50]浙江长兴地表水SIAR模型12月硝酸盐来源以粪便和生活污水为主，占比为52%；5月以化肥为主，占比为37%文献[51]山东潘庄引黄灌区地下水SIAR模型粪便和生活污水的贡献率最高，为35.1%~80.5%，其次是化肥，占比为4.9%~31.7%文献[52]河北洋河地下水SIAR模型硝酸盐氮来源分别为土壤氮(44.36%)、粪便及污水(43.35%)、无机化肥及工业废水(9.24%)文献[53]贵州会仙湿地地下水SIAR模型动物粪便及生活污水、化肥、土壤氮是主要的硝态氮来源，贡献率差别不大，平均值分别为39.1%、32.2%和28.5%文献[54]比利时弗兰德斯地表水SIAR模型粪便和生活污水是主要的硝态氮来源，冬季贡献率为9%~85%，夏季贡献率为8%~59%文献[55]美国匹兹堡地表水SIAR模型94%的硝酸盐来自污水；暴雨情况下34%的硝酸盐来自大气降水文献[56]希腊阿索波斯盆地地表水和地下水SIAR模型离城市和工业区越远，城市和工业废水对硝酸盐贡献越大，反之化肥和粪便贡献越大文献[57]韩国京畿道地下水SIAR模型农业用地的硝酸盐主要来源于化肥(贡献率为35%~71%)，其次是有机肥料(包括堆肥，贡献率为39%~49%)文献[58]194环 境 科 学 研 究第 35 卷植食)比较了15N的浓缩系数，发现后二者有显著性差异(P<0.05)，但整体在3‰左右；万祎等[64]和蔡德陵等[65]分别通过渤海湾水生生物网调查和鳀鱼养殖试验得出了3.8‰和2.5‰的15N浓缩系数并得到应用[64,66]，但很多研究还是采用3.4‰[67-69].通常情况下浮游植物的数量变动剧烈，不适合反映水域时间和空间的平均信息，因此基线生物多选用研究水域中常年存在、食性单一的浮游动物或底栖动物[70]，如魏虎进[66]等、李红燕[71]均以水体浮游动物优势种中华哲水蚤、太平洋纺锤水蚤、针刺拟哲水蚤作为基线生物，以其δ15N值为基线值. 也有研究[61]认为，浮游动物易受外界干扰、季节波动明显，应选择个体较大、生活周期长的螺类和双壳类，如已有实际应用的福寿螺[68]、铜锈环棱螺[72]、珠蚌[73]、栉孔扇贝[69]、翡翠贻贝[70]等. 在国内，稳定同位素技术曾被用于三峡库区、太湖等淡水水域以及象山港、胶州湾、流沙湾等海域的连续营养谱构建，所调查的生物、使用的基线生物和浓缩系数等如表3所示.表 3 稳定同位素在国内水域营养谱构建中的应用Table 3 Application of stable isotopes in domestic trophic position calculation 采样区域水域类型受试生物基线生物浓缩系数/‰数据来源小江库湾淡水POM、固着藻类、软体动物、水生植物、鱼类不详 3.4文献[67]东太湖淡水苦草、浮游生物、底栖动物、鱼类铜锈环棱螺、河蚬 3.4文献[72]象山港海水浮游生物、SOM、POM、底栖生物、鱼类浮游动物 2.5文献[66]东营、烟台潮间带海水海草、底栖动物、鱼类青蛤、异白樱蛤 3.4文献[74]胶州湾海水浮游生物、底栖动物、鱼类中型浮游动物 3.4文献[75]大连近岸海水底栖动物、鱼类栉孔扇贝 3.4文献[69]枸杞岛海水浮游生物、SOM、POM、底栖生物、鱼类小型浮游桡足类 3.4文献[76]流沙湾海水浮游生物、底栖大型海藻、贝类、虾蟹、头足类、鱼类翡翠贻贝 2.5文献[70]中国澳门海水软体动物、虾蟹、鱼类、鸟类颗粒有机物 3.4文献[77]上海市崇明区海水底栖动物绿螂 2.9文献[78]3.2生态位研究利用δ13C-δ15N散点图量化营养结构和生态位的方法为食物网研究提供了新思路. 在用δ13C-δ15N二维坐标关联同位素含量和营养功能群的基础上[79]，提出δ15N差值(δ15N range, NR)，δ13C差值(δ13C range, CR)、总面积(total area, TA)、平均离心距离(mean distance to centroid, CD)、平均最邻近距离(mean nearest neighbor distance, NND)和平均最邻近距离标准差(standard deviation of nearest neighbor distance, SDNND)6个指标，分别表示营养层次、食源多样性、占据生态位或食物网中营养多样性的总量、营养多样性平均水平、群落的整体密度和营养生态位分布的均匀程度[80]. 该方法量化了食物网的营养结构多样性程度和冗余度，有利于评价生态系统中每个物种的功能及生态位变化.张文博等[81]和谢斌等[82]使用δ13C-δ15N散点图研究了海洋渔场中小型消费者的碳氮稳定同位素比值，分别分析了华南海陵湾、陵水湾两个水域和连云港海州湾不同季节的水生生物NR、CR、TA、CD、NND、SDNND的时空变化. 盖珊珊等[83]和俞雅文等[84]将该方法用于不同生物的生态位研究，分别探讨了两种鱼类和两种蟹类生态位的宽度和重叠程度. 其中，盖珊珊等[83]除NR、CR和TA外，还计算了标准椭圆面积(standard ellipse area, SEA)和营养生态位重叠面积(overlap area, OA). SEA被认为比TA更好，且更不易受样本数量干扰[85]. OA量化了生态位的重叠程度，能更好地评价不同物种利用食物资源的竞争强弱.3.3食物源分析胃含物分析是开展食性研究的经典方法，通过直接解剖动物胃肠道分析残留食物的组成，以此了解其食物来源. 实际应用中发现其具有一系列局限性，包括样本量小时偶然性强、不适于难以解剖的小型动物、只能反映较短时间内的摄食状况、食物残渣偏向难消化的食物类型等[86]. 与之相比，生物体内某些组织的稳定同位素具有较长的周转时间，可用来研究长生命周期内消费者对食物的代谢和吸收[87-88].与定性判断氮源类似，可通过对比捕食者和不同来源食物的同位素值分析食物组成. 例如，当几种潜在食源的δ13C值差异显著，消费者的δ13C落在颗粒有机物和固着藻类之间，可认为这二者是主要食物[67]. 张波等[89]根据生物的δ13C值由栖息水层加深逐渐增大，提出了崂山湾鳅虎鱼不同生命阶段摄食不同深度水生生物的变化规律；崔莹等[90]结合中华绒第 1 期杨 蓉等：碳氮氧稳定同位素技术在水生态环境中的应用195螯蟹各发育阶段特点和碳氮同位素比值分析其洄游期食物组成，强调了结合稳定同位素与生活习性开展分析的必要性. 定量分析方面，混合模型同样被用于食物贡献率计算，稳定同位素在水生生物食性研究中的应用如表4所示. 此时要注意通过胃含物、文献查阅等传统方法确定食源范围，避免取回的样品缺失重要的食物来源；另外，尤其针对15N等营养分馏较明显的同位素，需要选取合适的分馏系数[97].表 4 稳定同位素在水生生物食性研究中的应用Table 4 Application of stable isotopes in energy sources analysis同位素模型名称主要内容数据来源C、N质量平衡模型计算了5种捕食者2~3个食物来源的贡献，C和N的营养分馏系数分别取1.3‰和3.3‰文献[91]C、N质量平衡模型计算了陆源植物碎屑、丝状藻类和水生昆虫对两种淡水螯虾的贡献. C和N的营养分馏系数分别取0.8‰和3.4‰文献[92]C IsoSource模型分析了沉积有机物(SOM)、悬浮颗粒有机物(POM)和浮游植物3种食源对海州湾牧场28种消费者的贡献文献[82]C IsoSource模型分析了石莼、浒苔、海带、POM、SOM和浮游植物6种食源对象山港牧场34种消费者的贡献文献[66]C IsoSource模型分析了C3植物、C4植物和微型藻类3种食源对3种鱼类和1种虾类的贡献文献[93]C IsoSource模型分析了底层鱼类、中下层鱼类、中上层鱼类、虾类、蟹类和头足类共6类28种食源对江豚的食物贡献比例文献[94]C、N SIAR模型分析了8类19种潜在食源在精养和共作两种养殖模式下对克氏原螯虾的贡献.C和N采用甲壳类的分馏系数，分别为1.3‰和3.9‰文献[68]C、N SIAR模型分析了POM、浮游动物、鱼类和甲壳类4种食源对闽江口凤鲚的贡献.C和N的营养富集因子分别为0.4‰和3.4‰文献[95]C、N、S SIMMR模型26种食源被分成无脊椎动物4组和鱼类3组，考察了其对半干涸河口3种主要鱼类的食物贡献. C、N和S的营养分馏系数分别为1.0‰、3.3‰和0文献[96]4 其他特定化合物稳定同位素技术利用氮氧同位素进行硝酸盐溯源是针对化合物(或离子)中某元素开展的稳定同位素分析(compound-specific isotope analysis, CSIA)应用之一. 在环境科学领域，CSIA也被用于卤代烃、多环芳烃等有机污染物的溯源[98]. 而在微生物系统结构和生物化学过程解析方面，Ohkochi等[3]分离纯化了日本Kaiike湖中的光合色素并测定其碳氮稳定同位素组成，解释了与色素相关的自养微生物的生活深度、同化途径和生物功能. Isaji等[99]测定了意大利某盐场中营养盐、叶绿素的δ15N变化，以此探讨底栖微生物中氮素的转化途径及铵态氮在初级生产中的循环利用.上文所述碳氮同位素分析食源和营养级的研究都是将个体或组织(如肌肉)作为对象，检测同位素的整体丰度. 目前已知15N浓缩的主要原因是氨基酸代谢中的脱氨基反应有较明显的同位素分馏，导致排泄出更轻的氮同位素[10]. 因此有研究者分离作为生物标记物的氨基酸并测定其δ15N，从中获得与食物链相关的信息，其理论基础是：生物体内以谷氨酸为代表的一类氨基酸可显著富集15N(约8‰)，而苯丙氨酸等的15N含量随食物链富集程度较弱(约0.4‰)，二者的δ15N值携带了浓缩系数和基线的双重信息[100]. 另有研究[101]认为，利用谷氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、赖氨酸等多种氨基酸的δ15N计算营养级可能比仅采用谷氨酸和苯丙氨酸更为准确. 基于氨基酸氮元素的CSIA方法已在食物网生态学中有所应用[102]；与此类似，脂肪酸碳元素的CSIA为海洋食物网的食源分析研究、尤其是海底热液系统中能量来源等方面提供了诸多信息[103].随着研究的进一步深入，还出现了针对化合物特定位置元素开展的稳定同位素分析(position-specific isotope analysis, PSIA)，以获得更详细的分子内同位素分布信息[104]. 例如，NO2中氮素的PSIA方法可被用于研究硝化和反硝化过程，且在一定程度上推算二者发生的比例[105]. PSIA可以解答CSIA提出的问题，加深人们对元素在环境中归趋与去向的理解.5 结论与展望稳定同位素技术为研究自然和生物过程中的元素迁移转化提供了新手段，其在水环境和水生态领域得到快速发展，在模型方法逐渐完善的同时积累了大量有价值的数据. 但在实际应用中，还存在以下需要深入解决的问题.a) 磷是水生态系统中的重要元素，与水域富营养化关系密切. 然而除31P外，磷的其他同位素均具有放196环 境 科 学 研 究第 35 卷。
哈尔滨地区地下水流动系统稳定同位素解释
哈尔滨地区地下水流动系统稳定同位素解释【关键】哈尔滨地区第四系含水层系统中地下水补给来源主要有降水入渗、侧向径流、河水侧渗。
但是不同地貌单元、不同的含水层结构的补给方式不尽相同，稳定同位素分析结果为区内地下水补给来源提供了重要信息。
【关键词】稳定同位素;地下水年龄;流动系统1.地下水循环年龄分析由地下水14C分析结果可以看出，哈尔滨地区第四系地下水循环年龄呈现出随埋藏深度而增加的规律。
深层地下水-猞猁组子系统地下水循环年龄多数大于5000a，在周家镇-阿城前锋村一带，地下水循环年龄达10000a以上；中深层—下荒山组子系统、顾乡屯组子系统中地下水循环年龄一般在3000-5000a之间；而浅层—全新统冲积层子系统地下水循环年龄小于3000a(见表1)。
中深层地下水同位素分析结果表表1层位野外编号采样地点δD(‰)δ18O(‰)T(TU) 14C浅层 SD09 青冈子-62 -6.1 12.1±1.7 2.52±0.16浅层 CG27 万泉村-67 -6.8 17.8±2.6 2.84±0.16中深层 CG36 料甸林场-54 -6.0 3.9±1.2 3.97±0.15中深层 CG57 万隆乡-58 -5.6 3.8±1.3 3.49±0.15中深层 CG46 杨树乡-62 -7.2 1.8±1.3 3.76±0.18深层CG38 红旗养殖场 -55 -7.2 <1.0 6.23±0.17深层CG46 前锋村-61 -7.6 <1.0 10.95±0.252.地下水补给特征松花江以北地带各子系统中的地下水补给方式随地貌单元不同而不同。
稳定同位素分析结果可以看出，深层地下水氚值均小于1 TU，为核爆前补给的地下水；根据分析数据绘制δD-δ18o关系图。
由图1可以看到，呼兰区东部高平原承压水样品中δD和δ18o值均远离当地降水线，氚值小于1TU，说明呼兰区东部的猞猁组、下荒山组含水层中地下水是来自边界外侧向径流补给的古水；进入呼兰河一级阶地，含水层系统是由猞猁组子系统和顾乡屯组子系统组成，样品中δD 和δ18o值靠近当地降水线，但是地下水氚含量小于1TU，表明猞猁组子系统中地下水是由北部侧向径流补给的古水；而上层顾乡屯组子系统中地下水氚值多为1.5+1.2—2.5+1.1TU，表明已有核爆后的新水，说明该系统地下水具有大气降水垂直补给和侧向径流补给的混合水。
同位素水文学
同位素水文学同位素水文学是一门研究水体中同位素组成和变化的学科。
同位素是指同一个元素中，原子核中质子数相同，但中子数不同的各种结构。
同位素水文学通过测量和分析水体中同位素的比例和变化，可以了解水文循环、水资源管理以及环境变化等方面的信息。
在同位素水文学中，常用的同位素包括氢同位素（D、H）、氧同位素（18O、16O）、碳同位素（13C、12C）等。
同位素水文学的原理是基于同位素稳定性和分馏效应。
不同同位素的质量相差微小，但具有不同的地球化学特性。
在水体中，同位素的比例会随着水的物理和化学过程发生变化。
例如，水分子中的氧同位素（18O和16O）比例可以反映水的来源和补给途径，氢同位素（D和H）比例则可以揭示水的循环路径和时间尺度。
碳同位素则可以用于研究生物地球化学循环和污染物迁移。
通过同位素水文学的研究，可以获得许多有价值的信息。
首先，同位素水文学可以帮助理解水文循环。
水文循环是指在地球上水的不断转移和转换的过程，同位素水文学可以追踪水的来源和去向，揭示水的地下和地表运动路径。
这对于水资源管理以及灾害预警和防治都具有重要意义。
其次，同位素水文学可以用于研究气候变化。
水体中的同位素比值可以记录气候变化的历史，揭示气候系统的变化机制以及预测未来的气候变化趋势。
最后，同位素水文学还可以应用于环境监测和污染物迁移研究。
通过测量水体中污染物同位素比值的变化，可以追踪污染源和污染物的迁移途径，为环境保护和污染防治提供科学依据。
同位素水文学在国际上已经得到广泛应用。
例如，研究者可以通过测量水体中氧同位素的比值，确定水的来源和路径，在水资源管理和环境保护方面发挥重要作用。
在地下水研究中，通过测量水体中氢同位素和氧同位素的比值，可以揭示地下水补给和水循环的过程，对地下水资源管理和地下水体污染的防治有重要意义。
同时，同位素水文学还可以应用于河流水文研究、湖泊演化分析以及冰川研究等领域。
需要指出的是，同位素水文学也存在一些技术和方法上的挑战。
水循环的稳定同位素研究 分会场总结汇报
三、关键问题
3. 植物水分利用的若干关键问题
（1）叶片吸水 一般研究认为，树木所能利用的水分主要来自于
根系吸水，并向上输送到树体各个部位参与生命活动。 相比较而言，对于叶片直接吸收利用降雨或凝结水的 研究，尚未引起足够的关注。
三、关键问题
3. 植物水分利用的若干关键问题
（2）水分逆向运移 如果叶片吸水造成的水分逆向运移现象得到证明，
如何考量叶片尺度异质性，多物种异质性，综合 估算生态系统尺度冠层叶片的同位素富集？
三、关键问题
2. 基于氢氧同位素技术的局地降水再循环定量化
局地降水再循环具有较大的空间异质性和时间变化， 再循环水汽对降水贡献的算法需进一步加强，不确定性 评估值得重视；人类活动（如水库建设、人工林建设、 农田灌溉）主导的下垫面变化对局地小气候影响的同位 素表征证据亟待加强。
除了进一步证明树木叶片吸水对整个生命过程影响的 重要性外，还将拓宽对于树木水分来源和水分生理方 面的认识，这一可能性将会对现有的公式、模型、理 论等进行修正和完善。
三、关键问题
4. 大气-植被-土壤连续体的水同位素过程观测 与模拟
现有观测各自为政，只能解决区域小尺度问题， 而要开展大尺度的气候变化的水汽循环的研究， 必须要通过大气-植被-土壤连续体的水同位素过程 协同观测。
三、关键问题
4. 大气-植被-土壤连续体的水同位素过程观测 与模拟
各个过程模型模拟需改进和完善，如Craig-Gordon 模型用于开放水面蒸发计算（野外条件下同位素 动力分馏学系数的常用值与最新的实际观测研究 结果有差异）等。
三、关键问题
5. 水同位素新技术
（1）批量测量叶片水同位素 叶片水和CO2的直接平衡法（优点：无需真空抽
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国际标准和参考标准
V-PDB和PDB (Vienna-Peedee Belemnite)
碳、硫同位素
V-CD和CDT (Vienna-Canyon Diablo Trroilite)
13C/12C = 0.0112372 (Craig, 1957)
32S/34S=22.6436 32S/33S=126.948 A（原子量）=32.0639
(Ding et al., 2001)
自然界中碳同位素的变化
碳、硫同位素
自然界中硫同位素的变化
碳、硫同位素
碳、硫同位素分布规律
碳、硫同位素
碳、硫在自然界中分布的共同点
碳、硫同位素
• 碳和硫的高价态化合物相对于低价态的普遍富集重同位素。
• 生物参与的同位素动力分馏会造成大的分馏作用。例如，BSR作用产生的硫 化氢、光合作用生成的有机体和发酵作用产生的甲烷都非常亏损重同位素。
水圈地球化学及其环境效应
5.4 水圈中的稳定同位素
中国科学技术大学 环境地球化学概论 节选自<储雪蕾 稳定同位素课件>
自然界中H、O稳定同位素丰度
氢、氧同位素
氢
H(1H)： 99.985%
D(2H)：0.015%
氧
16O：99.762%
17O：0.038% 18O：0.200%
氢、氧同位素
国际标准和参考标准 V-SMOW和SMOW (Vienna-Standard Mean Ocean Water)
• 海水具有基本恒定的硫酸盐和碳酸盐的同位素组成。
碳、硫同位素分布规律
• 海水比淡水（湖、河水）一般富13C的原因： 1） pH值控制： H2CO3 ↔ H+ + HCO3海水呈弱碱性，pH值约为8.5，HCO3-离 子占到~99%；而淡水呈弱酸性，pH在 5~7，H2CO3或H2CO3+ HCO3-为主。 2） 淡水中微生物降解排放的有机碳氧化。
氢、氧同位素自然界Βιβλιοθήκη 同位素分布组成氢、氧同位素
自然界氢同位素分布组成
氢、氧同位素
氢、氧同位素在自然界的分布特征
氢、氧同位素
δO
δD
氢、氧同位素
水的氢、氧同位素
自然界中水主要分布在海洋，占到97.16%； 陆地水（冰川、湖泊、河流等）仅占2.83%，其中冰川水占2.09%； 大气圈和生物圈的水量都微乎其微。
碳、硫同位素
参考: 储雪蕾, 现代地球化学,中科学 地质地球物理研究所
标准平均海洋水，作为世界统一标准。 其同位素组成，在实验测定精度范围内，与大西洋、太平洋和 印度洋开放样区500-2000米深处平均海水样品测定值一致。
氢、氧同位素平衡分馏
H2O体系：
δ冰 > δ水 > δ蒸气 （O或H的同位素）
CO2-CaCO3-H2O体系：
δ18OCO2 > δ 18OCaCO3 > δ 18OH2O αCO2-H2O = 1.0412 αCO2-CaCO3 = 1.01025
水的氢、氧同位素 1. 大气降水（雨水）：Meteoric water
大气降水
全部来源
氢、氧同位素
大陆地表水 （如江河、湖、冰川、地 下水，以及一些沉积盆地 的卤水和地热水）
海洋表面的蒸发
1. 大气降水（雨水）：Meteoric water
氢、氧同位素
1. 大气降水（雨水）：Meteoric water
氢、氧同位素
4) 季节效应
冬季相对夏季，大气降水亏损重同位素。 主要是温度效应引起。夏季温度高，海水蒸发及云团形成 （凝聚）过程分流小，造成夏季比冬季相对富集重同位素。
2. 海水
氢、氧同位素
自然界中碳、硫同位素丰度
碳、硫同位素
碳
13C： 98.89%
14C：1.11%
硫
32S：95.02%
33S：0.75% 34S：4.21% 36S：0.02%