第13章.同位素示踪在土壤研究中的应用
稳定同位素示踪技术在环境污染研究中的应用
稳定同位素示踪技术在环境污染研究中的应用稳定同位素示踪技术是一种先进的环境污染研究手段，其基本原理是利用稳定同位素在生物和环境中的代谢、转化和迁移过程中的分馏现象来追踪化学物质的来源、迁移和去向。
本文将就该技术在环境污染研究中的应用进行探讨。
一、稳定同位素示踪技术的基本原理稳定同位素示踪技术主要是利用不同元素的重量相同而化学性质不同的同位素，在生物和环境中的代谢、转化和迁移过程中的分馏现象来追踪化学物质的来源、迁移和去向。
例如，氢同位素稳定示踪技术常用于研究地下水的来源和迁移路径，氮同位素稳定示踪技术常用于研究土壤和水体中氮素的来源和迁移途径，碳同位素稳定示踪技术则广泛应用于研究污染物的分布、迁移和去向等问题。
利用稳定同位素示踪技术，可以对环境中化学物质的迁移、归宿、生物转化和去向等过程进行研究，从而揭示化学物质在环境中的行为和影响。
二、稳定同位素示踪技术在土壤污染研究中的应用土壤是生态系统的底层基础，土壤污染则对人类健康和生态环境造成严重影响。
稳定同位素示踪技术在土壤污染研究中有着广泛应用。
一方面，它可以通过研究污染物在土壤-植物系统中的稳定同位素分馏现象，了解污染物的迁移途径和去向；另一方面，它可通过研究不同稳定同位素比值和组成变化来揭示污染物的生物降解和转化过程。
三、稳定同位素示踪技术在水环境研究中的应用水是人类生命和工业生产不可或缺的重要资源，但水环境的污染也给人类和生态环境带来了巨大的压力。
稳定同位素示踪技术在水环境研究中的应用主要包括追踪水体中有机和无机物的来源与污染物的迁移和去向，揭示生态系统中物质循环的实际过程。
例如，氧同位素示踪技术可用于研究水体和地下水中氧的迁移途径，分析氧的同位素组成变化来推断水体的年际变化和人类活动对水体的影响；氢同位素示踪技术可用于研究地下水的年际变化、河流水文过程和降雨循环等问题。
四、稳定同位素示踪技术在空气环境研究中的应用空气环境对于人类健康和生态系统的保护至关重要，空气污染则是现代城市所面临的主要环境问题之一。
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。
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种重要的研究方法，可以帮助科学家们更好地理解土壤中碳元素的循环过程。
通过利用不同碳同位素的比例来追踪土壤中碳的来源和去向，可以帮助我们更准确地评估土壤碳的储存和释放情况。
碳同位素技术在土壤研究中的应用包括了对土壤有机碳循环、土壤呼吸作用、土壤微生物活动以及土壤碳库评估的研究。
这些研究可以为我们提供更深入的土壤碳循环机制，有助于改善土壤碳管理策略，减缓气候变化的影响。
在未来，随着碳同位素技术的不断发展和完善，相信它将在土壤碳循环研究中发挥越来越重要的作用，为人类更好地保护环境和应对气候变化提供崭新的思路和方法。
2. 正文2.1 碳同位素技术的原理与方法碳同位素技术是一种利用碳同位素的不同丰度来研究碳循环过程的方法。
碳同位素技术的原理是基于自然界中碳同位素（主要是碳-12、碳-13、碳-14）的存在和分布差异。
在土壤碳循环研究中，科研人员通常使用质谱仪等设备来分析土壤样品中碳同位素的组成，从而了解土壤中碳的来源、去向和转化过程。
碳同位素技术的方法主要包括样品采集与准备、样品分析与测量、数据处理与解释等几个步骤。
首先是样品采集与准备，科研人员需要在野外对不同类型的土壤样品进行采集，并进行样品的处理和准备工作。
然后是样品分析与测量，通过质谱仪等设备对土壤样品中碳同位素的含量进行精确测量。
最后是数据处理与解释，科研人员需要将测得的数据进行统计分析和模型计算，进一步探讨土壤碳循环的过程和机制。
通过碳同位素技术的原理与方法，研究人员可以深入了解陆地土壤中有机碳的来源、循环过程以及与气候变化、生物活动等因素之间的关系，为土壤碳循环的研究提供了有力的工具和方法。
碳同位素技术也可以帮助科研人员评估土壤碳库的规模和稳定性，为土壤碳库管理和保护提供科学依据。
2.2 碳同位素技术在土壤有机碳循环中的应用碳同位素技术在土壤有机碳循环中的应用，是指利用碳同位素技术对土壤中的有机碳进行研究和分析，从而揭示土壤有机碳的来源、转化过程和影响因素。
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
铅同位素示踪法在土壤环境中的应用
2.2 同位素示踪法的原理
• 同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的 化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化 学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。 因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标 记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非 标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物 理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、 数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利 用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析 仪，核磁共振等质量分析仪器来测定 。
3.2前人研究
• （1）利用铅同位素将各种铅源对环境污染的贡献进行定量评 价，判定土壤是否被污染：
Whitehead等利用简单的线性趋势模型及回归模型对Derbyshire冶炼厂 下部断裂充填物中人为及自然铅比例进行了估计，结果表明人为铅占绝 对优势(88％ ～98％)； Teutsch等用杠杆原理估计了高速公路旁上部土壤中污染铅主要来源于欧 洲汽油铅(>50％)。
3.1铅同位素
• 铅有四种稳定同位素208Pb、207Pb、206Pb和204Pb。 其同位素组成主要受源区初始铅含量及放射性铀、 钍衰变反应的制约，而基本不受形成后所处地球化 学环境的影响，具有特殊的“指纹”特征。 研究中 常用铅同位素比值：206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、 208Pb/204Pb。
稳定碳同位素示踪技术在土壤有机碳循环中的应用研究
稳定碳同位素示踪技术在土壤有机碳循环中的应用研究刘㊀哲1,2,3,4(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,西安710075;2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,西安710075;3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;4.陕西省土地整治工程技术研究中心,西安710075)摘要:土壤有机碳库作为生态系统中最重要的碳库,其变化过程对全球生态系统的碳平衡有着直接作用,同时也影响土壤的质量变化㊂稳定碳同位素是一种可以精确示踪有机碳在土壤不同粒级团聚体中动态变化和积累过程的天然物质,能有效探究外源有机碳在土壤㊁植物及微生物中的运转状况及变化规律,稳定碳同位素示踪技术是当前土壤碳循环研究领域的一项新技术,在土壤科学研究中也得到了重要的应用㊂在碳同位素示踪的研究基础上,总结分析了近年来稳定碳同位素示踪法在陆地生态系统土壤碳循环领域和土壤碳固持方面的一些研究进展,并针对目前研究中存在的问题进行了概况总结㊂关键词:稳定碳同位素技术;有机碳循环;土壤有机碳;土壤团聚体APPLICATION OF STABLE CARBON ISOTOPE TECHNIQUE IN THE RESEARCH OFORGANIC CARBON CYCLINGLiu Zhe 1,2,3,4(1.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd,Xiᶄan 710075,China;2.Institute of Land Engineeringand Technology,Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd,Xiᶄan 710075,China;3.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering,the Ministry of Natural Resources,Xiᶄan 710075,China;4.Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center,Xiᶄan 710075,China)Abstract :Soil organic carbon (SOC )pool is the important carbon pool in the terrestrial ecosystem.Changes of theaccumulation and decomposition of SOC are directly related to the carbon storage in terrestrial ecosystems and to the global carbon balance,and influences soil quality.With the development and improvement of isotope analysis techniques,the stablecarbon isotope as a natural tracer has been widely used in the soil carbon cycling research of agricultural ecosystems.Investigation of the carbon isotopic variation in the atmosphere-crop-soil system by using tracer technique of stable carbon isotope contributes to revealing soil organic carbon decomposition.Stable13C isotope technique is helpful to study the changelaw of soil carbon cycle and the roles of soil microorganism in the process of organic carbon turnover.The theory and methodsabout the stable carbon isotope analysis and its applications in the research advances of soil carbon cycling of agricultural ecosystems were reviewed.This paper also described the research advances of organic carbon cycle the mechanism of carbonsequestration in soil aggregate revealed by the stable carbon isotope analysis.Finally,comprehensive summations of the problem existing incurrent research in conjunction with the stable13C isotope technique on SOC were proposed.Keywords :stable carbon isotope technique;organic carbon cycling;soil organic carbon;soil aggregate㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2019-07-19基金项目:长安大学中央高校基本科研业务专项资金项目(300102278501)㊂作㊀㊀者:刘哲,男,硕士,工程师,主要研究方向为土壤结构和土壤碳循环㊂liuzhe168@0㊀引㊀言土壤有机碳库作为生态系统中的重要碳库,是全球生态系统碳平衡的关键因子,其微弱变化就可能对全球碳循环及温室效应产生重大影响,因此土壤碳库的动态变化在调控全球生态系统碳平衡和预防温室效应方面具备明显作用[1-3]㊂团聚体的团聚稳定作用被认为是土壤碳平衡的最重要影响因素,因此研究有机碳在不同粒级土壤团聚体中的分布规律和稳定性,对于增加土壤的碳汇作用具有重要意义,一直是碳循环和农业健康可持续发展领域的重要方向[4,5]㊂目前同位素示踪技术已在物质的来源与迁移规律方面得到越来越多的应用,是研究环境变化和土壤碳平衡的有效技术,同时也是一种探明陆地生态系统碳循环过程的重要手段㊂土壤有机碳循环转换和稳定机制已成为土壤学的研究热点,是评估土壤固碳能力的关键,但是土壤有机碳循环过程是动态变化的,由于传统的差减法等方法不能很好的区分土壤中固定的外源新碳和原有机碳,而稳定碳同位素示踪技术比传统方法能够更加准确地揭示土壤碳循环的运转过程,实现 新 旧 有机碳的区分,为探讨土壤有机碳的循环周转过程及机理提供了技术保证[6,7]㊂自然界中碳同位素主要有稳定性同位素(13C和12C)和放射性同位素(14C),14C具有放射性,对于长时间跨度下的碳循环分析不是很准确,不能有效阐释有机碳的差异程度,而稳定碳同位素13C具有无放射性㊁易控制等长处,并且可以精准的指示追踪进入到土壤中外源碳的运转,对于探索外源碳在不同大小团聚体中的转化规律具有重要意义[8-9]㊂由于人类的长期农业生产活动的干预和影响,农田生态系统碳平衡发生了很大的变化,所以利用稳定同位素示踪技术,探究不同来源有机碳组分的形成㊁周转和稳定机制,可以准确地为采取适宜的有机碳归还方式和陆地生态系统有机碳循环提供科学理论依据㊂1㊀稳定碳同位素技术原理及分析方法1.1㊀稳定碳同位素技术原理稳定碳同位素(13C和12C)是天然存在的无放射性的一种同位素,可以使相关试验在田间原位等自然状态下进行,其物理性质相对稳定,无辐射衰变,质量保持不变㊂采用这些稳定性同位素在研究对象上进行对应标记,微量追踪指示同位素运行和变化规律的分析方法称为同位素示踪技术[10]㊂利用具有原位标记特征的13C/12C比值变化,绿色植物的13C标记地上部分用于分析测量土壤或者植物中碳同位素δ13C天然丰度值,利用其有机碳13C丰度的差异,可以分析植物光合碳的转化和运移规律,能够准确定量外源新碳对土壤原有机碳的激发方向和强度[11]㊂通过稳定碳同位素技术,可有效地追踪光合作用碳在土壤碳库中的运转与分配规律,明确植物光合碳对土壤碳库的贡献率[12,13]㊂1.2㊀稳定碳同位素分析方法当前通用的分析稳定同位素的方法有很多,但质谱法是测定碳同位素方法中最常用的精确方法㊂它是在电场和磁场的作用下,将测试样品中原子或者分子电离成各同位素的相似离子,按它们的质荷比进行分离后进行检测的方法㊂稳定同位素质谱仪能用于液体㊁气体以及固体中几乎所有元素的稳定同位素分析[14-15]㊂近年来,随着13C同位素技术在土壤碳循环中的广泛研究,以及气相色谱-燃烧-同位素比例质谱技术(GC-C-IRMS)和液相色谱-燃烧-同位素比例质谱技术(LC-C-IRMS)技术的不断兴起,碳稳定同位素的研究有了更快的发展㊂稳定碳同位素主要通过以下步骤进行测定:首先是进行相应样品的采集㊁制备和前处理;然后将测试样品转化分离成具有相应元素的纯气体;最后采用质谱仪按质荷比分离后测定同位素的比率㊂一般土壤与植物等固态样品,首先要采用烘干㊁粉碎等前处理方式后才能运用同位素质谱仪进行测定分析,最后使用同位素质谱联用装置完成气体转化和测定[16-18]㊂2㊀稳定碳同位素技术在土壤有机碳动态研究进展土壤有机碳库作为生态系统中比较活跃的有机碳库,对于维持碳库收支平衡㊁保证碳库稳定具有重要的作用㊂随着煤炭㊁石油等化石燃料的大量使用,全球碳平衡和生态环境有不断恶化的趋势,因此研究土壤有机碳的组分㊁转化和动态循环规律,从而探究土壤有机碳分解的微生物驱动机理和稳定机制显得尤为必要,是评价土壤生态系统固碳潜力的核心和关键,成为当今生态学㊁生物地球化学和土壤学研究的共同课题[19,20]㊂土壤有机碳的动态转换过程以及土壤碳库储量的微弱转运变化规律能采用稳定碳同位素(13C)示踪技术进行有效的表征与说明,进一步定量阐述外源新碳和原有机碳分别对碳库储量的贡献率㊂目前在土壤碳循环方面,基于碳稳定同位素技术的主要研究方向包括:1)稳定13C同位素在土壤固碳机理方面及CO2排放方面的研究;2)土壤有机碳δ13C组成与植被类型的关系以及古气候状况的研究;3)土壤有机碳的来源㊁动态变化和循环特征的定量化研究;4)土壤有机碳分解对碳同位素分馏的影响;5)气候变化和土地利用方式对土壤有机碳δ13C组成和来源的影响等[21,22]㊂尹云锋等利用13C标记秸秆通过室内研究作物秸秆㊁及其制备的生物炭在土壤中的分解动态以及不同粒级土壤团聚体有机碳的来源,表明水稻秸秆和生物炭都提高了土壤碳库,增加的外源新碳主要分配到50~250μm粒级团聚体中,质量分数达到70%以上,这可为土壤有机碳的运转与土壤肥力的提升提供新的理论依据[23]㊂刘哲等研究了水稻秸秆添加对砂姜黑土团聚体有机碳分布和稳定性的影响,表明外源新碳的加入提高了土壤团聚体的稳定性,不同粒级团聚体的δ13C值明显增加,变化幅度较大,外源新碳的分解速率明显快于原有机碳,新碳在培养过程中主要进入了250~53μm,<53μm粒级水稳性微团聚体中,分配比例分别为38%㊁28%㊂Chaney等以及Tisdall等[24,25]指出,由于微团聚体固持的碳受到物理保护并具有生物化学抵抗性而不易分解,微团聚有机碳分解需要消耗更多的能量,所以微团聚体有机碳在土壤中更持久稳定㊂所以对于砂姜黑土,水稻秸秆的添加,不仅可以提高土壤有机碳,而且也有助于提高土壤有机碳的固持能力㊂许多学者已经将稳定同位素13C示踪技术应用于土壤碳的微生物调控机制和分子等微观结构方面的研究,取得了一定的研究进展,但也遇到一定的麻烦,尚不能很明确的揭示有机物腐解过程中微生物对团聚体生物稳定性的调控机制[26,27]㊂3㊀稳定碳同位素示踪技术在土壤固碳方面的应用研究3.1㊀土壤团聚体结构与有机碳固定关系土壤有机碳(SOC)是影响土壤结构稳定性的最重要因素之一,已有研究表明,土壤有机碳与团聚体形成及稳定性有着密切的关系,外源有机物料的加入,增加了土壤有机碳,促进了团聚体的团聚与团聚体结构的稳定,在土壤有机碳增加的过程中就相应减少CO2的排放量,同时促进土壤团聚体的固碳效应㊂已有研究表明,不同粒级团聚体中的土壤有机碳分配比例不同,分析发生缘由可能是试验过程中的土壤类型,培养方式及有机物料类型等因素的不同,最终导致外源新碳在团聚体中的分配受到影响[28,29]㊂不同大小粒级的团聚体在固持㊁转移与供应土壤有机碳方面有着不同作用,其中团聚体有机碳含量可以微观表征土壤有机碳的平衡与矿化速率㊂土壤团聚体在物理保护SOC的同时,SOC也能很好的促进团聚体的形成和稳定㊂土壤不同粒级团聚体的物理结构差异性影响着外源新碳进入的难易程度,最终也影响着SOC组分的运移及稳定性[30,31]㊂3.1㊀基于稳定碳同位素示踪技术的土壤固碳研究目前对于影响土壤团聚体固碳方面的人为活动主要有耕作方式㊁施肥制度以及种植方式㊂这些农业管理措施的差异主要通过改变土壤团聚体的更新和转化过程,从而影响土壤有机碳的固定保护机制㊂Six等提出了团聚体与有机碳之间的概念模型,解释了不同耕作方式对土壤团聚体中碳的影响机制[32]㊂吕元春等采用稳定碳同位素示踪技术,对外源新碳(13C标记稻秆)在红壤等3种类型土壤团聚体中的分配规律进行了试验,试验结果表明外源新碳在3种类型土壤中都主要分配在2000~250μm粒级大团聚体中,外源新碳在不同类型土壤中的分配,呈现出了土壤初始有机碳含量越低,分配越多的趋势[33]㊂Brien等利用不同光合作用植物天然13C丰度的差异性,研究得出有机碳在土壤微团聚体中的形成时间要早于大团聚体,因此推断微团聚体是固碳潜力的一个重要指标[34]㊂但也有学者认为大气CO2浓度升高并不能增加新来源有机碳的稳定性,新来源有机碳主要分布进入到易分解的粗颗粒有机质中,同时又降低了原有机碳的稳定性,增加了原有机碳的分解速率,从而提高了土壤碳的周转率㊂Dorodnik等学者利用13C-depleted-FAC试验发现CO2浓度升高条件下外源新碳在不同密度梯度的土壤有机质中的积累程度不同,大部分的外源新碳进入到游离态有机质中㊂通常认为,随着有机物颗粒的密度增加,保护有机物质的能力增加㊂Hagedorn等采用13C-depleted-FACE试验研究表明,尽管增加了植物向土壤有机碳的输入量,但土壤对新输入有机碳较低的螯合速率限制了土壤有机碳的增加[35-36]㊂4㊀问题与展望近年来稳定碳同位素技术已在土壤有机碳的来源㊁循环变化特征的㊁影响因素等方面取得了非常大的应用㊂但总体来说,稳定碳同位素示踪方法在陆地农田土壤碳平衡㊁微生物在农田土壤碳固持中作用研究仍存在许多不足与难点㊂而且稳定碳同位素自身价格㊁标记有机物㊁测定等过程中运行成本高,并且有时难以达到精度要求,在一定程度上影响了该技术的推广应用㊂但是随着稳定同位素分析仪器类型的增多㊁自动化及先进性的增强以及测定分析方法的不断改进,该技术在土壤有机碳领域的应用会进入快速发展的新阶段㊂同时运用稳定同位素示踪技术进一步深入研究不同农田管理方式和干旱胁迫条件下土壤有机碳的周转速度,确定土壤有机碳的来源和对农田土壤碳素累积和转化的影响㊂参考文献[1]㊀邱晓蕾,宗良纲,刘一凡,等.不同种植模式对土壤团聚体及有机碳组分的影响[J].环境科学,2015,36(3):1045-1052.[2]㊀张晓伟,许明祥.关中地区农田土壤有机碳固存速率及影响因素:以陕西武功县为例[J].环境科学,2013,34(7):2793-2799.[3]㊀VANHALA 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同位素示踪技术在地质学中的应用
同位素示踪技术在地质学中的应用地质学一直以来都是一个非常重要的学科，它关注地球及其构成，研究确保我们的环境，改进我们的生活和保护我们的安全。
其中最常用的方法之一是同位素示踪技术。
同位素示踪技术利用放射性同位素、稳定同位素或其他标记物，在地球化学、生物地球化学、矿物学和环境科学等领域中的应用如今已变得越来越广泛。
同位素示踪技术的基本原理是根据元素的同位素比例的变化来追踪元素或任何有机或无机分子在环境中的流动和替代过程。
例如，钙有两种同位素分别为钙40和钙44，其比例可以通过分析样品中这两种同位素比例的变化来推断这些元素在环境中的运动、交换过程和来源。
此外，稳定同位素是非放射性的，因此在很大程度上可以避免放射性同位素使用中的安全风险。
地质学中，同位素示踪技术广泛应用，可以用于诸多方向。
例如在陆地生态系统中，稳定同位素分析是研究营养物质循环和能量流动的重要工具。
在黄土高原，岩石矿物中的稳定同位素可以用于重建过去的气候和环境。
同时，同位素示踪技术也可以用于了解河流、泥石流和洪水等自然灾害的历史活动记录。
岩石矿物中的同位素示踪技术应用得最为广泛。
因为岩石矿物在地球形成过程中，各自保留有着特殊的同位素组成，可以指示不同时期地球的历史和演化。
例如，锆石中的铀-铅同位素可以提供岩石形成时间、地壳变形历史和岩浆作用等信息。
锆石的铀-铅测年技术被广泛用于研究地球历史，包括陆地和海洋的生物演化和地球化学循环、大地构造及其演化等领域。
此外，离子探针等同位素示踪技术的发展，使得有一系列坠积物和深海沉积物的研究也成为了可能。
利用长时间的辐射效应，它们周围海水中反应至稳定同位素中，通过分析这些同位素比例，还可以揭示深海沉积物中植物和动物的生态演化过程。
由此看来，同位素示踪技术是地质学中非常重要的应用之一。
借助于同位素示踪技术，我们可以更加全面地了解地球历史的演化、生态系统的变化，以及灾害等自然事件的历史记录。
同时，同位素示踪技术的研究，也可以为相关学科的创新和发展提供有力的支持。
同位素示踪技术在水文地质学中的应用
同位素示踪技术在水文地质学中的应用一、引言水文地质学是研究地下水和地质构造之间相互作用的学科，同位素示踪技术是一种研究地下水流动和地下水污染传输的有效手段。
本文将详细介绍同位素示踪技术在水文地质学中的应用。
二、同位素示踪技术概述同位素示踪技术以自然界中存在的同位素为研究对象，通过对同位素进行监测、分析，来了解环境的物质与能量循环和转化过程。
其中比较常用的同位素有氢同位素（2H，称作氘）、氧同位素（18O、16O）、碳同位素（13C、12C）、氮同位素（15N、14N）等。
同位素示踪技术在水文地质学中的应用主要涉及氢氧同位素示踪、碳同位素示踪和氮同位素示踪等方面。
三、氢氧同位素示踪氢氧同位素示踪利用地下水中氢氧同位素比值的空间差异，研究地下水的来源、流动路径和补给特征。
其原理是：不同区域的地下水来源，其水分子中氢氧同位素比值是不同的。
通过测定地下水中氢氧同位素比值，可以判断地下水的补给源区和补给方式，进而对地下水补给机制、地下水与地表水的关系等进行研究。
氢氧同位素的测定主要采用同位素比值质谱仪（Isotope Ratio Mass Spectrometer，IRMS），通过测定样品中特定同位素的质量比，计算出其同位素比值。
同时，为了确定样品中同位素比值的精确度，通常采用同位素标准物质进行校正。
四、碳同位素示踪碳同位素示踪主要应用于研究地下水中有机和无机碳的来源及其转移特征。
碳同位素示踪的基本原理是：不同碳来源的同位素比值存在区别，通过测定地下水中有机和无机碳的碳同位素比值，可以推测其来源和服务的地质环境。
常用的碳同位素有自然含量的13C和12C。
在研究地下水中有机和无机碳来源的过程中，13C和12C的变化可以反映生物活动和化学反应的影响。
例如，如果地下水中有机碳主要来自植物残渣，其13C/12C比值应该相对较高；如果来自生物和人类排放物，则其13C/12C比值会比较低。
碳同位素的测定方法包括气相色谱-质谱联用技术（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）和元素分析仪（Elemental Analyzers，EA）。
土壤同位素标准
土壤同位素标准
土壤同位素标准可以根据不同的应用领域和目的而有所不同。
以下是一些可能涉及土壤同位素标准的重要领域和相应的标准：
1. 生态学研究：在生态学研究中，土壤同位素可以用于示踪土壤蒸发、植物水分来源、地下水补给等生态水文过程。
在这种情况下，可能需要遵循一定的采样和处理标准，以确保结果的准确性和可靠性。
2. 水资源管理：在土壤水分运动研究中，土壤同位素可以用于评估土壤水分运动过程，了解土壤水分的分布和运动规律，为水资源管理提供技术支撑。
在这种情况下，可能需要遵循一定的采样和处理标准，以确保结果的准确性和可靠性。
3. 土壤质量评估：在土壤质量评估中，土壤同位素可以用于了解土壤形成过程、土壤侵蚀和退化情况、土壤污染状况等。
在这种情况下，可能需要遵循一定的采样和处理标准，以确保结果的准确性和可靠性。
总之，对于不同的应用领域和目的，土壤同位素标准可能会有所不同。
因此，在应用同位素技术进行土壤研究时，应该遵循相关领域的标准和规范，以确保结果的准确性和可靠性。
稳定同位素示踪技术在地球科学中的应用
稳定同位素示踪技术在地球科学中的应用一、稳定同位素的基本概念稳定同位素是指具有相同原子序数但不同质量数的同一元素中，核外电子数量相同的同位素。
稳定同位素的存在除了对于化学元素的区分外，还有地球科学中的应用。
稳定同位素示踪技术则是指利用稳定同位素的不同相对丰度或者比值来追踪某种过程或者反应，从而研究地球科学领域中的物质循环、生物地球化学和地球化学等方面的问题。
二、稳定同位素的常见应用1. 奥氏体形成机制研究奥氏体是钢材中常见的一种组织形态，其性能优异，广泛应用于工业生产中。
稳定同位素技术可以用于研究其形成机制，例如，利用碳同位素比值分析不同原料在生产过程中的影响，从而寻找更加优化的工艺。
2. 生物地球化学研究稳定同位素示踪技术在生物地球化学中的应用也非常广泛，例如，稳定碳同位素比值和稳定氮同位素比值分析可用于研究海洋、湖泊和河流等水体中的有机物来源、生态系统功能和物质循环等问题。
3. 元素迁移研究稳定同位素示踪技术可以用于研究元素在地球内部的迁移过程，例如，使用氧同位素比值研究熔岩和地幔物质之间的交换过程，对了解地球内部物质循环和成因有着重要作用。
4. 水循环研究稳定同位素示踪技术还广泛应用于研究水循环过程中各个组成部分间的相互作用，例如，通过氢和氧的同位素比值分析降水和地下水之间的关系，来研究水的循环过程。
三、稳定同位素技术的优势稳定同位素技术相对于其他技术有其独特的优点，其中包括：1. 稳定性高。
由于稳定同位素的存在形式是核外电子的数量差异，因此不会产生放射性衰变产生的辐射，也不会发生自然衰变转化成其他元素。
2. 分析量少。
相对于其他同位素分析方法，稳定同位素分析的样品量一般只需要毫克或者微克级别，大大降低了分析成本。
3. 信息获取全面。
稳定同位素技术可以用于研究物质循环、成因、生态系统功能和水文循环等方面的问题，信息获取的范围非常广泛。
四、未来展望稳定同位素示踪技术的应用将会越来越广泛，未来的发展趋势也将更加高效、准确和多元化。
同位素示踪技术在生态的环境的研究中的应用
据新浪网财经纵横版2019年03月14日报导，广 东省质量技术监督局对广东茶叶的抽查结果表明， 其合格率只有53.2%，其中一种茶叶的铅含量竟高 达126mg/kg,超过标准的63倍。 由此可见茶叶中铅 超标现象已十分普遍
2020/7/31
一、项目的由来
龙井茶是我国的名茶之一，也是杭州市主要经济作物之一， 是杭州市政府确定的“十大”农业主导产业之一。
2000年6月13日，上海市质监局公布了对上海市场上销售的 茶叶质量的抽查结果：“在被抽查的61种茶叶中，有19种不合格， 占总量的近1/3，其中农药残留物、重金属超标的就占15种。铅 含量超标最严重的竟是正宗西湖龙井，超过国家标准5～7倍以上， 个别产品的铅含量超过国标达8倍多，茶叶已产生了严重的‘铅 中毒’现象”。
2020/7/31
206Pb/208Pb
206Pb/207Pb
图1 Plot of 206Pb/207Pb vs 206Pb/208Pb for Nottingham and Wolverhampton soil pellets. Analyses were obtained by LA202P0/7I/3M1 MS and results plot along a two component mixing line.
同位素示踪技术在农业与环境评价中的应用国外已有数十年 的历史，如Culson et al对1979年中期至1981年早期采自悉尼地区 的气溶胶和汽油样进行了Pb同位素分析，发现这阶段的汽油Pb 与大气中的Pb同位素组成密切相关。 Gulson et al对澳大利亚南部Adelaide土壤Pb的源区进行了研究， 结果表明果园喷洒、发电站和冶炼厂不是主要的表层土壤的Pb 源，而是受到了汽油中四乙基铅的沾染。Pb污染扩散的深度不 会超过30~40cm，污染物可以从源处扩散到至少50km远的地方。
铅同位素在示踪土壤重金属污染研究中的应用
２０７
Ｐｂ
力较弱，但人为源的铅易溶解与易迁移，对环境的危
Ｐｂ ／
害更加严重 ［１１］ 。 随着重金属污染问题的进一 步 加
。 铅同位素示踪技术最早应用
将铅同位素的比值与浓度变化引入混合模型之中，能
于大气颗粒物铅污染源的研究，此后逐步扩展到土壤
有效地区分出自然来源与人为来源，并能推算出自然
与沉积物中。 Ｊａｉｍｅ 等分析了美国佛罗里达州湖泊的
似的地球化学性质，采用铅同位素示踪工具研究了土
。 刘茜进一步对湘江入
壤中 Ｔｉ 的污染特征，发现污染土壤中 Ｔｉ 分布与 Ｐｂ
质的铅同位素数据，发现部分样品与矿石的铅同位素
组成相似，污染源可能为矿山，污染传播方式可能为
大气沉降 ［９］ 。 而长春市城市土壤的铅同位素示踪结
果显示：土壤铅污染主要来自于历史遗留的汽车尾气
释质谱法（ ＩＤＭＳ） 和电感耦合等离子体质谱法（ ＩＣＰ⁃
污染、工业燃煤排放以及建筑尘，为多种污染源共同
异位素干扰。 而随着激光技术的兴起，激光共振电离
环 境 工 程
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
１３８
铅同位素在示踪土壤重金属污染研究中的应用
∗
杨 皓１，２ 范明毅２ 黄先飞２ 李婕羚１，２ 胡继伟１，２
（１． 贵州师范大学 中国南方喀斯特研究院，贵阳 ５５０００１；
２． 贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 ５５０００１）
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｌｅａｄ ｉｓｏｔｏｐｅ； ｔｒａｃｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ； ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ； ｓｏｉｌ； ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ
同位素示踪法在生物学科中的应用
同位素示踪法在生物学科中的应用用放射性同位素标记的化合物，其化学性质不变，根据其放射性，对生物体内各种复杂的生理、生化过程进行追踪，叫同位素示踪法。
常利用14C、18O、15N、3H、32P、35S等同位素作为示踪原子。
1．推断动、植物细胞的结构和功能用同位素标记的氨基酸或核苷酸引入细胞内，探测这种放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。
例1．用示踪原子3H标记的四种脱氧核苷酸，将其配制到培养基中培养人的白细胞，待细胞恢复分裂后，发现子代细胞中除细胞核外，细胞质中也探测到3H的存在，你认为细胞质中的3H主要存在于（）A．叶绿体B．核糖体C．线粒体D．高尔基体例2．用14C标记的葡萄糖培养去掉细胞壁的植物细胞，3h后用放射自显影技术观察，该植物细胞内含有14C最多的结构是（）A．核糖体B．高尔基体C．内质网D．细胞核例3．若用放射性同位素15N标记的氨基酸研究胰腺细胞合成并分泌消化酶的过程，则放射性同位素15N先后出现在（）A．高尔基体、内质网、核糖体B．内质网、高尔基体、核糖体C．核糖体、内质网、高尔基体D．核糖体、高尔基体、内质网2．判断光合作用和呼吸作用过程中原子转移的途径（1）光合作用：O2来自于水的光解，C6H12O6中的C和O全来自于CO2（2）有氧呼吸：CO2中的O来自于C6H12O6和H2O，H2O中的O来自于O2。
例4．用C18O2参与光合作用，再经过有氧呼吸，则18O转移的途径是（）A．CO2O2 B．CO2 C3 C6H12O6 H2OC．CO2C3 C6H12O6 CO2 D．CO2 C3C6H12O6 H2O+ CO2 例5．在某动物有氧呼吸实验中，若所用的水中有12%含18O，氧气中有4%含18O，则该动物有氧呼吸释放的CO2中约含（）A．6%的C18O2 B．12%C18O2 C．4% C18O2 D．2%C18O2例6．将生长旺盛的两盆绿色植物分别放置于两个玻璃钟罩内，甲钟罩内的花盆浇足含18O 的水，乙钟罩内充足含18O的CO2，将两个花盆用塑料袋包扎起来，并用玻璃钟罩密封，在适宜温度下光照1h，回答：（1）甲钟罩的壁上出现了许多含18O的水珠，这些水是经过植物的蒸腾作用产生的。
稳定同位素示踪技术在环境污染治理中的应用
稳定同位素示踪技术在环境污染治理中的应用稳定同位素示踪技术是一种用来追踪物质的运动和变化的高级技术手段。
该技术主要是通过观察某些元素的同位素组成来确定物质在环境中的传输和转化情况。
在环境污染治理中，稳定同位素示踪技术可以为环境保护部门提供更细致、更准确的信息，帮助决策者采取更科学、更有效的措施来保护环境和人民的健康。
一、稳定同位素技术的原理同位素是原子核中质子数相同的元素，但它们的中子数不同，所以它们具有相同的化学性质，但具有不同的物理性质。
对于同一个元素，它的不同同位素的相对丰度是一定的，例如氢元素就有三种同位素：质子数为1的正常氢（1H）和质子数分别为1和2的重氢（2H）和超重氢（3H）。
在自然界中，这些同位素以一定的比例分布在不同的地方。
当物质通过环境中移动和转化的过程中，它们的同位素组成也会发生变化，因为不同同位素的反应速率是不同的。
例如，稳定同位素技术常使用的氧同位素（18O和16O）在水分子中的比例随着水的蒸发和降雨而发生变化，这样就可以追踪水在环境中的运动情况。
同样的道理，稳定碳同位素（13C和12C）在生物体内的比例可以反映生物体的食物来源和生长环境。
二、在环境污染治理中的应用稳定同位素示踪技术可以在环境污染治理中得到广泛应用，主要包括以下几个方面：1. 污染物来源的追踪许多环境污染事件都是由于污染源的泄漏或排放导致的。
稳定同位素技术可以帮助确定污染源的位置和来源。
例如，对于某些化学污染物，可以通过分析它们在地下水或土壤中的同位素组成来确定它们来自哪里。
这样可以帮助相关部门及时采取措施来阻止污染物的进一步扩散。
2. 污染物的迁移转化过程污染物在环境中的迁移和转化过程是一个复杂的过程，需要考虑地理、气象、生态和人类活动等多种因素。
稳定同位素技术可以帮助揭示污染物在不同环境介质（土壤、水、空气）中的转化过程及其机理。
3. 评估治理效果环境污染治理的效果需要经过一定的时间验证。
稳定同位素示踪技术可以用来评估治理效果，比如对污染物的同位素组成进行比较，从而确定治理后污染物的去除效率和场地恢复情况等。
同位素示踪技术在土壤微生物生态学中的应用研究
同位素示踪技术在土壤微生物生态学中的应用研究随着环境保护意识的不断加强和环境监测技术的不断提高，土壤微生物生态学成为了一个备受关注的领域。
土壤中微生物数量众多，种类繁多，承担着生态系统中物质转化和能量流动等重要角色。
因此，研究土壤微生物群落的组成和功能，对于了解整个生态系统的稳定性和可持续性具有重要的意义。
同位素示踪技术在土壤微生物生态学中的应用则是研究微生物数量、代谢活性、功能以及微生物与土壤中其他物质的相互作用等方面的一种重要手段。
同位素的化学性质决定了其在生物体内代谢途径和分布模式具有独特的特点，因此可以利用同位素标记来跟踪微生物的生长和代谢过程，从而更好地了解微生物在土壤中的作用。
同位素标记技术主要包括13C、15N、18O、2H等多种同位素。
其中，13C同位素应用最为广泛。
13C同位素是一种非放射性的稳定同位素，由于其和常见的12C同位素十分相似，因此可以在不对微生物产生有害影响的情况下进行标记。
具体方法是将13C同位素与气体或液体混合后添加到土壤中，等待同位素与微生物共同代谢，并通过HPLC等方法测定13C同位素在微生物体内的含量。
在土壤微生物生态学研究中，13C同位素示踪技术主要应用于以下几个方面：1. 研究微生物群落结构和代谢途径通过13C同位素标记，研究微生物群落中各类菌的代谢途径和功能特征。
例如，经典的土壤微生物代谢途径中包括葡萄糖酵解和硝化作用等。
通过13C同位素示踪技术，可以测定不同菌株的代谢通路占比，从而了解微生物群落的结构组成和功能特征。
2. 研究微生物生长和代谢过程通过13C同位素标记，可以追踪微生物的生长和代谢过程。
例如，研究微生物对不同有机物质的利用情况，了解其生长特征和代谢途径。
3. 研究土壤中物质转化和微生物与环境的相互作用13C同位素示踪技术还可以应用于研究土壤微生物与环境中其他物质的转化和相互作用。
例如，研究微生物对污染物的降解作用，了解微生物对环境污染的影响和治理效果。
同位素示踪技术的应用
同位素示踪技术的应用同位素示踪技术应用及详解简介同位素示踪技术是一种基于同位素的分析方法，在各个领域被广泛应用。
通过替换原有物质中的同位素，利用同位素的不同特性对物质进行追踪和分析，从而得到宝贵的信息。
以下是一些同位素示踪技术的应用及详解：环境科学•土壤污染研究：示踪技术可以追踪土壤中污染物的来源、传输途径和行为规律。
例如，通过添加稳定同位素标记物质到土壤中，可以了解污染物在土壤中的迁移和转化过程。
•水体生态系统研究：利用示踪技术可以追踪水体中的溶解物、营养物质和微生物的来源、转移和变化。
这有助于评估水体健康状况，并为水资源的合理利用提供数据支持。
•大气环境研究：同位素示踪技术可用于了解大气中污染物的源和传输途径。
通过测量同位素的比值，可以判断不同来源的气溶胶对大气的影响程度，为大气污染治理提供依据。
地质科学•地质历史研究：同位素示踪技术被广泛应用于地质历史研究中，特别是岩石和矿石的形成过程。
通过测量不同同位素元素的比值，可以了解岩石和矿物的起源和演化历史。
•地球动力学研究：利用同位素示踪技术可以追踪地球内部物质的运动和流动路径。
例如，可以观测地震期间地下水体中同位素的变化，以评估地壳运动和岩石变形的程度。
•古气候研究：通过测量古生物和古环境中同位素的比值，可以重建古气候的变化过程。
例如，通过测量冰芯中的氧同位素比值，可以了解过去几千年的气温变化情况。
生物医学•药物代谢研究：同位素示踪技术可以用于研究药物在生物体内的代谢过程。
通过标记药物中的同位素，可以追踪药物的吸收、分布、代谢和排泄情况，以评估药物的安全性和药效。
•分子生物学研究：同位素示踪技术在分子生物学研究中也有广泛应用。
例如，通过标记DNA和蛋白质中的同位素，可以追踪它们在细胞中的合成、降解和相互作用过程，以揭示基因表达和蛋白质功能等方面的机制。
•疾病诊断与治疗：同位素示踪技术在肿瘤诊断和治疗中具有重要作用。
例如，通过注射放射性同位素示踪剂，可以观察肿瘤的位置和大小，为手术切除和放疗提供指导。
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13章同位素示踪在土壤研究中的应用
C C4 f (1 f )C3
f (C C3 ) /(C4 C3 )
根据上式பைடு நூலகம்通过对植被转换系统土壤的 δ 13C进行连续监测，就可得出土壤有机质 周转随时间的变化关系。其变化一般可用 指数函数描述，由指数衰减常数可求得半 更替时间。在实际应用中，还可进一步对 土壤进行剖面分层和粒径分级，以测定各 赋存状态有机质的周转规律。
第13章.同位素示踪在土壤研究中 的应用
中国农业大学 齐孟文
同位素示踪在土壤研究中的应用
1.应用15N研究土壤氮素 1.1 15N用于生态系统氮素转换的研究 15N定义为天然含氮样品的15N相对大气15N变化 的百分数： R样 R标 15 N 100%
R标
式中，R为质谱的峰29N2+与28N2+ 之比。土壤的 15N与土壤氮的转化过程有关，因此有可能成为 生态系统中氮循环的特征变量，用以进行相关研 究。对其分析的要求是，样品制备过程不改变其 同位素组成，且质谱有较高的灵敏度和精确度。 该方面研究尚不充分，目前仅有一些相关试验资 料，还缺乏规律性的认识。
当P1时为还激发, P1为负激发。 氮肥的矿化率
矿化率（ %) N p Nl Nm N 100
式中, N p 作物吸的 15N,N l 施入15N 的损失量 ,N m 矿 质态15N， N 施入的15N 。
氮肥生物固定率
Nr Nm 固定率（ %） 100 N
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。
同位素示踪法技术在土壤与植物营养中的应用
一 同位素示踪技术[1] ................................................................................................. 1 1.1 同位素示踪法简介 ......................................................................................... 1 1.2 同位素示踪法的原理 ................................................................................... 1
同位素示踪法技术在土壤与植物营养中的 应用
一 同位素示踪技术[1]
1Байду номын сангаас1 同位素示踪法简介
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，示踪实验 的创建者是 Hevesy。Hevesy 于 1923 年首先用天然放射性 212Pb 研究铅盐在豆科 植物内的分布和转移。继后 Jolit 和 Curie 于 1934 年发现了人工放射性，以及其 后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展 和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。
二 同位素示踪法技术在土壤与植物营养中的应用.................................................. 2 2.1 土壤有效成分的测定 ..................................................................................... 2 2.2 肥料利用率的测定 .......................................................................................... 4 2.3 提高土壤肥料利用率 ..................................................................................... 5 2.3.1 氮肥利用率的研究 ............................................................................... 5 2.3.2 磷肥利用率的研究 ............................................................................... 7
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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。
PLeabharlann 施肥植物（吸收的养分 来自肥料的养分） 无肥植物吸收的养分
化为新的土壤有机质 。
2）植物残体在土壤中的矿化特征
14C植物残体在淹水和旱地土壤及石灰性和非 石灰性土壤的矿化特征。
3） 影响植物残体分解的因素
①温湿条件，温度与湿度共同促进植物残体的 分解；②土壤的性质，如质地、粘土类型及PH的影 响。粘土中的14C有机质残留较沙土的少,质地影响 没有明显的变化规律；③有机质的化学组成对其分 解有明显影响，主要取决物料本身的水质素含量， 分解速率大小次序与质素含量次序相反；④土壤利 用方式等因素也都影响有机质残体的分解。
三种土壤中不同含氮组分的15N值
氮素形态
红 壤 水 稻 黑钙土 暗棕壤 15N平均值 土
全氮 水解性总氮 非水解性氮 氨基酸态氮 可矿化态氮 固定态氮
1.29 1.37 1.68 1.10 0.19 5.72
6.02 4.25 4.66 5.30 9.71 6.93
3.49 4.04 2.01 2.00 5.88 4.66
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
且不易与32P区分，会产生干扰，因此采用放化合 成法。
FeCl3 +3NaH232PO4 Fe32PO4 +3NaCl+2H232PO4
2) 石灰性水稻土中磷酸盐的营养评估 用Fe-32PO4示踪表明, 石灰性水稻土在淹水条
件下,磷酸铁盐对水稻磷营养具有重要贡献。
3)石灰性旱地土壤不同形态无机磷营养特性
29
N
2
28
N
2
1.2.3土壤中NO3-15N的淋溶动态
15N示踪法,结合渗滤池及通量测定技术，可探 明不同生态环境及种植制度下,土壤NO3－N移动特 点及淋溶动态(陈子明,1995)。
2. 应用32P研究土壤磷素
研究土壤磷的形态、转化和有效性是合理施磷和提高 其利用率的基础性工作。
2.1 土壤磷的转化及其有效性
5.2土壤侵蚀研究
土壤侵蚀不仅会引起土地生产潜力降低和土地 退化，还会引发诸如河道淤塞、水库缩容和水体富 营养化等一系列重大的环境生态问题，因此已成为 当今可持续发展迫切需要解决的课题，受到广泛关 注。
2）土壤有机质周转研究的δ 13C法
研究土壤有机质周转的14C示踪法，一般存 在实验周期长，土壤某些组分标记不上或标记不 均匀，以及14C本身具有放射性的问题，因此应用 受到一定限制，而δ 13C示踪作为原位标物，可供 土壤长期标记，能保证所有分级组分(包括存留 很长的有机质组分)都能被均匀标记，因此是研 究土壤有机周转的理想示踪方法。土壤有机质主 要来自植物残体的矿化和腐殖化，在一个达到平 衡的稳定系统中，土壤碳的δ 13C与来源植物十分 接近，其变幅只有0.5‰～1.5‰，而在Ｃ３和Ｃ ４12不‰同～植14被‰，转因换此条可件在下植，被土转壤换δ系13统C 的，变利用幅δ可1达3C 进行土壤有机质周转的示踪研究。
利用的磷（3M氢氧铵和0.2M硫酸）,68.2—68.9%转化为难
利用磷(郭智芳1992)。
3) 土壤交换性磷 ① 交换性磷的计算
Pe 31Pl (32P0 32Pt )/ 32Pt
式中 31Pl溶液中31P的含量(mg/ml) ,32P0, 32Pt -分 别为起始加入和平衡时残留溶液中的32P。
15N air (mg )
a15N
0.366 100
0.975
V
式中，V—气体容积, 0.975－标准状态 1ml空气 含有0.975mgN，气体中
1/ 2r r a15N 1 r r 100%
r
30
N
2
28
N
2
r
14C-植物残体的分解率
14 C（%） B1 B2 100 B1
式 中 ， B1— 加 入 的 14C- 植 物 残 体 的 总 活 度 ， B2-腐殖化后样品残留的总活度。
②.14C示踪植物残体的分解速率。
研究植物残体在土壤中的分解过程，对于评价 其对培肥地力的作用有重要意义。进入土壤的植物 残体在微生物及酶作用下，部分彻底降解为二氧化 碳，部分分解产物为微生物细胞利用，另一部分转
植物中来自土壤的养分 植物中来自肥料的养分
施肥量
植物中来自土壤的养分 植物中来自肥料的养分
/ 植物总养分 / 植物总养分
N dfS 施肥量 N dff
5.示踪技术在土壤断代，侵蚀研究中的应用
5.1土壤断代研究
利用核素断代技术可以对受人为活动影响较小 的土壤的形成进行断代，以研究其自然发育过程， 也可对有机质中组分成土年龄断代，进而进行成土 过程及其影响的研究。
4.土壤有效养分的测定
4.1 概念
假设：土壤有效养分与肥料养分等当量，而植物从 每一养分状吸收的养分与各自养分源的含量成正比。
植物中养分总量 植物中来自肥料的养分
供给的养分总量
肥料养分源
植物中来自土壤的养分
土壤养分源
4.2 A值法
土壤A值—以肥料养分作为相对比较标准的土 壤有效养分量。
A值
要求低载体,高比活度，能代表土壤各种相关 形态,无其它放射染质。 ①反应堆辐照法
用高纯普通化合物，由31P(n,r) 32P 制备。 Ca232P ，Ca8-32P ，Al-32P 干扰主要是45Ca, 测量时用吸 收法可以分别甄别。
②放化合成法 Fe-P,辐照同时产生55Fe和59Fe，半衰期较长，
3.213C原位示踪
1）δ 13C的定义
元素在自然界的循环与周转过程中，其同位素 因质量间的差异发生热力学或动力学分馏，分馏过 程受环境因子影响，因此不同自然来源的样品其元 素的同位素丰度存在变异，变异携有相关环境因子 的信息，利用其通过反演可可对相关环境因子进行 研究，或用其原位标记特性进行示踪研究。在实际 应用中，由于同位素自然丰度的变异很小，为表达 方便，常引入同位素相对比率 (数δ之)比，，13Cp（和0 /0s0）分（别RRSp代-1）表1样000品，和式参中比R标表准示，13C标/12准C原常子为 Pee Dee Belemnite(一种简石)。
某种形态磷的有效性用植物的吸收占全 磷的百分比评价，32P示踪表明,不同形态无 机磷的有效性Fe-32P≈Al-PCa2-32PCa8-32P (郭智芳 1996) 。
3 应用示踪法研究土壤有机质
研究土壤有机质的分解、转化和积累，非标 记法的不足是添加植物残体后，需长时间测定二氧 化碳的释放量，分析误差大，而应用14C示踪法, 可以在更接近田间实际情况下进行实验和更可靠的 测定。
C C4 f (1 f )C3
f (C C3 ) /(C4 C3 )
根据上式，通过对植被转换系统土壤的 δ 13C进行连续监测，就可得出土壤有机质周 转随时间的变化关系。其变化一般可用指数 函数描述，由指数衰减常数可求得半更替时 间。在实际应用中，还可进一步对土壤进行 剖面分层和粒径分级，以测定各赋存状态有 机质的周转规律。
3.1 14C标记示踪
1）植物残体的分解速率
步骤
定量将14C—植物残体与一定供试土壤混合,装 入砂滤管,用尼龙网布封口后,埋入田间表土层进行 腐殖试验, 经一定时间,取出供试样测定14C残留 量。
①相关计算公式
土壤中14C的残留率
14 C（%） S W2 100 A W1
式 中 ,A— 加 入 的 14C- 植 物 残 体 总 活 度 （ kBq ） ， W1—腐解待测样品的称样量（g）,W2—腐解待测 样品的总重量（g），S—待测样品的活度（kBq）。
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。
2.2石灰性土壤不同无机磷的有效性
石灰性土壤无机磷分级体系见 (蒋柏藩 中国农 业科学,1989,22:48~51)。 1）各形态磷的标记方法
当P1时为还激发, P1为负激发。 氮肥的矿化率
矿化率（%) N p Nl N m 100 N
式中,Np作物吸的15N,Nl 施入15N的损失量,Nm矿 质态15N， N 施入的15N 。 氮肥生物固定率
固定率（%） Nr Nm 100 N
式中，Nr 土壤残留15N，其它字母意义同上。
3.3核磁共振技术的应用
固相核磁共振技术作为非破坏研究方法，可以 直接测定土壤中碳、氮、磷等元素的赋存形态和分 布模式。13C、15N和31P核磁共振谱在土壤有机质组 成、转化及腐殖结构等方面已取得显著进展。15N NMR 谱研究表明，新形成的腐殖质各组分（胡敏酸、 富里素及胡敏素中的胡敏酸）的氮素均以酰胺、芳 胺（或脂肪胺）及吡咯等型态存在，其中酰胺占大 部分。
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