13C同位素技术在土壤有机碳研究中的应用

(一).研究背景
宇宙射线在大气中能够产生放射性14C，与氧结合成CO2，后进入所 有活组织，先为植物吸收，后为动物纳入。当有机体死亡后，即会停 止呼吸14C ，其组织内的14C便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消 失。对于任何含碳物质，只要测定剩下的放射性14C含量，就可推断 其年代。
14C产生 核爆产生14C，核反应方程为：
C3植物(低C/N比)
C3-derived C4-derived SOC
y = 0.0781x - 0.0691 R2 = 0.945 y = 0.1422x - 0.1049 R2 = 0.9624
C4植物(高C/N比)
粉砂
2-53μm >250μm
-1 kg C kg 新增有机 C (g ) (g C SOC soil) Increased
计算方法
The concentration of S. alterniflora-derived C (Csa) in S. alterniflora soil is calculated as following: Csa = f × SOC where SOC is the concentration of organic C (g C kg-1) and f (%) is the proportion of S. alterniflora-derived C in the soil. The proportion of S. alterniflora-derived C in the soil was calculated based on: (1) the 13C of the soil after invasion of S. alterniflora (13Cnew), (2) the 13C of the soil before invasion of S. alterniflora (13Cold) and (3) the 13C of S. alterniflora (13Csa) (Chiang et al., 2004; Cheng et al., 2006): 13Cnew = f × 13Csa + (1 – f) × 13Cold where 13Csa is the mean 13C of S. alterniflora plant materials entering the soil and is the mean value of litters, rhizomes, and roots from S. alterniflora, 13Cnew is the mean 13C of the SOC in S. alterniflora-invaded soil, 13Cold is the mean 13C of the SOC in S. salsa soil, and (1–f) is the proportion of C from S. salsa.
江苏沿海米草不同入侵年限系列土壤 (1995 、 1997 、 2001、2008) —— δ13C同位素示踪技术
沿海滩涂 冲积土
米草
(C4植物， δ13C=13‰) (C3植物， δ13C=29‰)
盐蒿
盐蒿和米草生物量和δ13C值
互花米草入侵对沿海湿地土壤有机碳含量和δ13C影响
(一).研究背景 大气CO2的δ13C = ~ -7‰
C3植物δ13C值范围从-23‰ 到-40‰，平均为-27‰ C4植物的δ13C值范围为-9‰ 到-19%，平均为-12‰
13C
举例1.
互花米草入侵对土壤有机碳的影响
沿海湿地植物入侵 盐蒿或碱蓬—C3植物
沿海湿地植物入侵 盐蒿或碱蓬—C3植物 互花米草—C4植物
Calculation
Soil CO2 efflux (Ftotal, mg C kg-1 h-1) was calculated as follows (van Zwieten et al., 2010):
Ftotal C2 - C1 M Vg103 / W MVcorr t'
举例2.
生物质炭对土壤有机质分解的影响
我国粮食主产区土壤肥力状况
高产农田不足30%，70% 属于中低产田
小麦
高
中
玉米
低
我国土壤有机质现状
1.7-2.6%
2.20% 0.64%
中国土壤有机碳含量 农田—水田：1.56% 农田—旱地：0.96% 林地：2.61%
美国土壤有机碳含量 农田：2.20% 林地：12.41% 草地：2.59%
13C同位素技术在土壤有机碳研
究中的应用
丁维新 中国科学院南京土壤研究所
一、碳同位素
C同位素
自然界中的碳以12C、13C、14C等多种同位素的形式存在，12C和13C 的相对丰度分别为98.93%、1.07%；14C只有极微量且具放射性，半 衰期为5730年。 14C产生 从太阳射来的高能粒子流进入大气层遇到空气产生了快中子，快中子 轰击占空气中78%的氮原子核后产生放射性元素14C，核反应方程为： 0n1+7N14→6C14+1H1（H1氕、H2氘—重氢、H3氚—超重氢）
玉米秸秆生物质炭
Biochar had a 13C value of -11.90.2‰ (SE)
土壤和生物质炭性质
试验设计
The experiment was carried out under laboratory incubation and included four treatments:
高效提升土壤有机质含量是我国农业面临的重大挑战之一
生物质炭提高土壤有机碳含量，是否影响原有土壤有机碳？
13C-biochar
13CO2
自然丰度13C的biochar 高丰度13C标记的biochar
红薯-小麦长期轮作农田 The soil, with a 13C value of -24.50.3‰ (SE)
(一).研究背景
0n1+7N14→6C14+1H1（H1氕、H2氘—重氢、H3氚—超重氢）
（Wang et al., 1999, GBC)

14C产生
(一).研究背景
(一).研究背景
13C同位素
天然物质的碳同位素组成由13C/12C比值确定的δ13C表示，以 美国南卡罗莱纳州白垩系Pee Dee组拟箭石化石（简称PDB）
2005年于日本国立农业环境技术研究 所(NIEAS)，MAT251
Pre-Con ——气体CO2、N2O同位素（NO不行）
多用途样品制备装置（GasBench）、
三、13C自然丰度应用
(一).研究背景
小麦
大豆、烟草、棉花等
玉米
(一).研究背景
(一).研究背景
C3途径(C3 pathway)：亦称卡尔文 (Calvin)循环。CO2受体为RuBP C4途径(C4 pathway) ：亦称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径
作为标准品。
20世纪50年代以来，浓缩和分析技术的突破，利用13C同位 素的质量和磁性的同位素效应提供的信息，已广泛用于研 究。
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
3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Invasion time (year) 入侵年限 (年)
y = 0.0641x - 0.0358 R2 = 0.9774
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0 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). The accumulative rate (R, g C kg-1 soil year-1) of SOC and S. alterniflora-derived C in soil and soil fraction is calculated as R = Cin / t where Cin is assumed to be the increased storage of SOC and S. alterniflora-derived C (g C kg-1 soil) in S. alterniflora soil compared to in S. salsa soil, and t is the S. alterniflora invasion time (year).
no amendment (Control)
biochar amendment (BC) inorganic N amendment (IN) combination of biochar and N amendments (BN).
培养试验测定指标 Soil CO2 effluxes and DOC content Abundance and community structure of microorganisms 13C analysis of SOC, DOC and CO2
where C1 and C2 is the concentration (µl l-1) of CO2 in gases sampled at zero time and 4 h after flask enclosure, respectively, M is the molecular weight of CO2-C (12 g C mol-1), Vg is the headspace volume of incubation flasks (m3), W is the soil mass (kg), t’ is the enclosure time (4 h), and MVcorr is temperature-corrected molecular volume (m3 mol-1) and was calculated as follows:
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.
>250μm 2-53μm
-1
粉砂
53-250μm
53-250μm
0-10cm土层年累积C：213 kg C
ha-1，全剖面(0-60cm)估计：～ 800 kg C ha-1，是农田(151)的4
倍多，华南老林地(61)的10倍多
(Zhang et al., Soil Biology & Biochemistry, 2010, 42, 1712-1720)