第11章.环境同位素示踪
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Ca Cb Cs
由同位素守恒，有
13Ca Ca 13Cb Cb 13Cs Cs
合并以上两式并整理，最终有
13Ca C（b 13Cb 13Cs）C1a 13Cs
由上式，13Ca VS 1/Ca作图，直线在Y轴 的截距即为13Cs
1.δ18O示踪和Keeling Pot用于区分田间 蒸散组分
微气象数据的测量
在麦田中上风向安装涡度相关系统, 可以获 得距地表1.4和3.9 m高度处的大气相对湿度、大 气温度、风速、降雨量以及潜热通量、土壤温度 (1、3和5 cm深度)。
结果
1.大气水汽同位素组成
1）两测量高度处,δ18O有0-1%的差异，且下层大于上层, 这是因为近地表大气水汽主要源于地表蒸散,蒸散因扩 散阻力导致的同位素分馏效应使同位素比率随高度减少 。
120 72.39 –3.346
125 67.52 –3.501
131 63.79 –3.028
134 70.46 –4.898
139 57.80 –3.556
146
90.12 –2.104
149 48.31 –0.305
–10.661 –12.581 –14.542 –17.561 –10.364 –8.814 –9.855 –13.670 –13.876 –10.869 –8.351 –10.913
计算举例 以日序97的数据计算为例。
E
V/L S h V V/L （1 h） /1000
0.9904 (3.612) 0.5322 (10.661) (1 0.9904) 1000 13.332 (1 0.5322) 13.332 /1000
43.31
3.麦田蒸散组分的分割
Microbial community
Stabilized SOM
Keeling曲线 “Keeling Plot”方法，是描述的是生态系统边
界层中某种气体(CO2或H2O)的稳定同位素比与其 浓度倒数之间的线性关系(Keeling, 1961)。为环 境同位素示踪的重要计量关系之一。
关系式推导：
以CO2为例，对于生态系统与大气环境的界 面层，设Ca、 Cb 、Cs分别为界层某气体的总浓 度，源于背景的浓度和源于生态系统导入的浓度， 13Ca、13C b、13Cs为相应部分的13C比率，则由 质量守恒有：
3）蒸散水汽同位素比率
蒸散水汽同位素比率由Keeling pot 求得。其 具体表达式为：
V
Ca (a
ET
)(
1 CV
)
ET
式中，CV和V分别为测定的边界层水汽的浓度和 同位素比率，Ca为背景大气水汽的浓度， ET为 蒸散水汽的同位素比率。
实例 参见：袁国富等.利用原位连续测定水汽 δ18O值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分.植物 生态学报 2010, 34 (2): 170–178
Photosynthesis
Ecosystem respiration
leaf
Allocation
Soil respiration
stem root
Loss by leaching, erosion
Root Respiration
storage
Fire
Litter and SOM decomposition
–6.621 –7.124 –7.080 –7.126 –6.471
–6.714 9 –7.507 4 –9.197 2 –7.340 2 –6.708 9
99.74 98.86 94.81 99.33 99.37
计算举例 以日序97的数据为例，有
F（T %）
ET E T E
6.7149 43.22 6.621 43.22
–43.22 –40.78 –38.89 –49.05 –47.90 –49.98 –47.82 –39.28 –44.55 –44.25 –68.72 –36.34
DOY，日序数;h,相对于5 m深土壤温度下的大气相对湿度；δS,0–5 cm土壤水同 位素比的加权平均值;δa,较低高度大气水汽δ18O ;αv/l,平衡分馏系数; Δξ，动力扩 散系数;δE,土壤蒸发水汽的δ18O值。
99.74%
2.土壤呼吸各组分的δ13C区分法
将土壤呼吸组分区分为根源呼吸和土壤有机 质呼吸，进而将根源呼吸又分解为根直接呼吸和 根际微生物呼吸，对于研究土壤碳周转过程中， 植物和土壤碳平衡和能量平衡，以及根际微生物 碳源和土壤有机质碳源具有重要意义。
该节将介绍，在C4与C3作物转化系统，基 于环境同位素δ13C对土壤呼吸各组分的进行区分 的原理及实验方法。
田间水分蒸散由蒸发和蒸腾两部分组成。由 于热力学和动力学分馏作用，蒸发水汽的同位素 相对土壤水被贫化，但研究表明(Flanagan et
al., 1991; Wang&Yakir, 2000),在蒸腾处于同
位素稳定态时，蒸腾水汽的同位素组成近似于根 根茎部木质部水的同位素组成。因此土壤蒸发水 汽与植物蒸腾水汽的同位素比有显著的差异, 这 是利用水汽的氢氧稳定同位素进行蒸散组分区分 的理论基础(Yepez etal., 2003; Williams et al., 2004)。
0.990 4 0.990 3 0.989 5 0.989 9 0.990 2 0.990 6 0.990 1 0.989 9 0.989 9 0.990 1 0.990 4 0.990 4
13.332 12.342 7.188 7.781 16.041
7.869 9.256 10.321 8.419 12.028 2.815 14.732
该法假设：1）纯根呼吸CO2的δ13C与根组织 和根际沉积物碳的相同；2）微生物呼吸CO2的 δ13C与微生物生物组织的δ13C成正比。
土壤总呼吸CO2通量由3部分组成:1)有机质 碳的微生物降解的CO2;2)根际沉积物降解，即根 际微生物呼吸CO2;3)纯根呼吸CO2,即
CO
Total 2
CO
SOM 2
c CC4 O 2
CO2
Rhiz 4
SOM 3
SOM 3
步骤2
微生物生物碳组成的分解。C3土壤有机碳的
贡献：
c C3MO
MO
Rhiz 4
SOM 3
Rhiz 4
C4植物根际沉积物有机碳的贡献:
cCM4 O
MO Rhiz
4
SOM 3
SOM 3
步骤3 微生物呼吸组成的分解。
设微生物呼吸组成正比于其生物碳组成，即
环境同位素示踪
中国农业大学 齐孟文
背景
环境元素的同位素因直接参与元素在环境生 态系统中演化过程，在这些演化过程因同位素判 别作用，存在同位素热力学和/或动力学分馏效 应，这些效应受环境因子的影响，因此其同位素 构成整合了生态系统复杂的生物学、生态学和生 物地球化学过程在时间和空间尺度上对环境变化 响应的信息。当天然同位素构成因其在地球化学 原产地具有特异性或在演化过程中具有单向同位 素分馏效应，而具有特定环境和过程“指纹”的特 性，便可利用环境同位素对背景环境或过程进行 示踪研究。
利用11:30–14:30时间段的水汽同位素组成 数据，拟合蒸散水汽同位素组成,结合公式计算
得到的麦田蒸腾占总蒸散的比例（FT）。
利用 (δ18O)分割得到的蒸腾占蒸散的比例(FT)
DOY
δE
δT
δET
FT(﹪)
97
–43.22
100
–40.78
115
–47.90
131
–39.28
134
–44.55
2）蒸腾水汽的同位素比率
植物的根系从土壤中吸收水分,以及在植物体 内运输的过程一般认为不发生同位素分馏作用
(Dawson & Ehleringer, 1993; Ehleringer et al, 2000; Williams et al., 2004), 因此木质部水具有与其利用 水源相同的同位素特征(Dawson & Ehleringer, 1993)。这称为同位素稳定态，在蒸腾速率很大 时, 这种稳定态假设基本成立。因此，实践中可 用茎水的同位素比率代替植物蒸腾水汽的同位素 比率。
方法：
大气水汽的同位素比率
在80m和180m两高度，用激光痕量气体分析
系统，利用H216O和H218O激光吸收光谱的微小差 异,对其的摩尔浓度及同为组成比率进行原位连 续观测。
蒸腾水汽同位素比率
定时采集的茎样，将样品快速装入玻璃瓶， 用帕拉胶密封, 并冷冻保存。提真空抽提仪抽取 土茎样中的水分,水样的同位素比率由 FinniganMAT-253型质谱仪测定。
为了测定确定FT，各相部分关同位素比率的 测定或确定方法过程如下：
1）土壤蒸发水汽的同位素比率
土壤蒸发水汽比率的采用Craig-Gordon模型 计算(Gat,1996)。
E
V/L S h V V/L (1 h） /1000
S h V V/L
1 h
其中， s为土壤蒸发水体的同位素比率，h为大 气水汽相对于土壤蒸发点温度的相对湿度， V 为大气水汽的同位素比率，V/L为水汽从液态转 化为气态过程的分馏系数。
CO2 SOM 33
CO2 Rhiz 4
或
CO2
cCCO2 SOM 33
c
CCO 2 4
Rhiz
cCCO2 SOM 33
(1
c C3CO 2
)
Rhiz
因此，C3土壤有机质（SOM）呼吸的相对通量率
SOMD cC3CO2
CO 2
SOM 3
Rhiz 4 Rhiz 4
C4植物根源呼吸的相对通量
2.土壤蒸发水汽的同位素组成
表1 用Craig-Gordon模型计算土壤蒸发需要的参数以及结果
DOY h (%) δS (‰)
δa (‰)
αv/l
源自文库
Δξ (‰) δE (‰)
97
53.22 –3.612
100 56.70 –3.284
102 74.78 –3.307
112 72.70 –8.752
115 43.72 –6.631
相关参数计算:
lnV/ L
1.137 10 T3
3
0.4156 T
0.2667
10 3
V/L （1 V/L ) 10 3
（1 h） n CD 103
式中，n是描述分子扩散阻力与分子扩散系数相关性的 一个常数, 对于不流动的气层而言(土壤蒸发或叶片蒸腾), 一般取值为1 (Barnes & Allison, 1988), 对大的开放水体, n一般取值0.5; θ表示分子扩散分馏系数与总扩散分馏系 数之比, 对于蒸发通量不会显著扰动环境湿度的小水体 而言(包括土壤蒸发), 一般取值为1 (Gat, 1996), 大的水体 θH取18O值来在说0.一5–般0.8取之值间2;8C.5D‰为(描G述at,分19子96扩)。散效率的参数，对
土壤呼吸各组分区分关系
土壤呼吸的3个主要组分及其贡献的计算步骤。上图 及下面公式中各号表示：
cRMRRdCO2 表示根际微生物呼吸对根源呼吸 的贡献率，cRRRdCO2 表示纯根呼吸对根源呼吸的 贡献率。 δCO2表示土壤总呼吸CO2的δ13C值， δ3SOM 表示土壤（C3)有机质经微生物分解所释放 CO2的δ13C， δ4Rhiz 表示C4植物根源呼吸CO2的 δ13C， δMO 表示微生物生物碳的δ13C。
2）水汽δ18O的季节性波动显示其与降雨事件密切相关, 每次降雨均导致水汽δ18O明显下降,这是因为降雨时水汽 凝结会贫化水汽的同位素组成。
3）结果显示，4月份δV值大多维持在–10‰ –12‰之间 ,5月份δV值维持在–8‰ –10‰之间,整体上大于4月。这 可能是因为后期表层土壤水分因蒸发而同位素富集所致 ,后期,表层5 cm土壤水的同位素比为–0.3, 明显大于其余 日期的值(δS < –3.0)。
由于蒸散的水汽由蒸发水汽和蒸腾水汽组成，
设CET、CT、CE分别为蒸散、蒸腾、蒸发水汽浓度， ET 、T、 E 为相应部分的δ18O,则由同位素守 恒：
CETET CTT CEE
整理,有
ET
CT CET
T
CE CET
E
FTT （1FT ）E
最终，有
F（T %）
ET E T E
100
FT为植物蒸腾在总的地表蒸散中所占百分比。
CO
RMR 2
CO
RR 2
根源呼吸由根际微生物呼吸和根呼吸组成, 即
CO
RD 2
CO
RMR 2
CO
RR 2
步骤1 假设土壤呼吸由2个端源，C3土壤有机质
（δ3SOM ）和C4植物根源呼吸（δ4Rhiz）以各自相 对贡献的比率混合组成，则由同位素质量守恒，
有
C3土壤有机质降解的贡献
由
C C C CO2 CO2 Total
由同位素守恒，有
13Ca Ca 13Cb Cb 13Cs Cs
合并以上两式并整理，最终有
13Ca C（b 13Cb 13Cs）C1a 13Cs
由上式，13Ca VS 1/Ca作图，直线在Y轴 的截距即为13Cs
1.δ18O示踪和Keeling Pot用于区分田间 蒸散组分
微气象数据的测量
在麦田中上风向安装涡度相关系统, 可以获 得距地表1.4和3.9 m高度处的大气相对湿度、大 气温度、风速、降雨量以及潜热通量、土壤温度 (1、3和5 cm深度)。
结果
1.大气水汽同位素组成
1）两测量高度处,δ18O有0-1%的差异，且下层大于上层, 这是因为近地表大气水汽主要源于地表蒸散,蒸散因扩 散阻力导致的同位素分馏效应使同位素比率随高度减少 。
120 72.39 –3.346
125 67.52 –3.501
131 63.79 –3.028
134 70.46 –4.898
139 57.80 –3.556
146
90.12 –2.104
149 48.31 –0.305
–10.661 –12.581 –14.542 –17.561 –10.364 –8.814 –9.855 –13.670 –13.876 –10.869 –8.351 –10.913
计算举例 以日序97的数据计算为例。
E
V/L S h V V/L （1 h） /1000
0.9904 (3.612) 0.5322 (10.661) (1 0.9904) 1000 13.332 (1 0.5322) 13.332 /1000
43.31
3.麦田蒸散组分的分割
Microbial community
Stabilized SOM
Keeling曲线 “Keeling Plot”方法，是描述的是生态系统边
界层中某种气体(CO2或H2O)的稳定同位素比与其 浓度倒数之间的线性关系(Keeling, 1961)。为环 境同位素示踪的重要计量关系之一。
关系式推导：
以CO2为例，对于生态系统与大气环境的界 面层，设Ca、 Cb 、Cs分别为界层某气体的总浓 度，源于背景的浓度和源于生态系统导入的浓度， 13Ca、13C b、13Cs为相应部分的13C比率，则由 质量守恒有：
3）蒸散水汽同位素比率
蒸散水汽同位素比率由Keeling pot 求得。其 具体表达式为：
V
Ca (a
ET
)(
1 CV
)
ET
式中，CV和V分别为测定的边界层水汽的浓度和 同位素比率，Ca为背景大气水汽的浓度， ET为 蒸散水汽的同位素比率。
实例 参见：袁国富等.利用原位连续测定水汽 δ18O值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分.植物 生态学报 2010, 34 (2): 170–178
Photosynthesis
Ecosystem respiration
leaf
Allocation
Soil respiration
stem root
Loss by leaching, erosion
Root Respiration
storage
Fire
Litter and SOM decomposition
–6.621 –7.124 –7.080 –7.126 –6.471
–6.714 9 –7.507 4 –9.197 2 –7.340 2 –6.708 9
99.74 98.86 94.81 99.33 99.37
计算举例 以日序97的数据为例，有
F（T %）
ET E T E
6.7149 43.22 6.621 43.22
–43.22 –40.78 –38.89 –49.05 –47.90 –49.98 –47.82 –39.28 –44.55 –44.25 –68.72 –36.34
DOY，日序数;h,相对于5 m深土壤温度下的大气相对湿度；δS,0–5 cm土壤水同 位素比的加权平均值;δa,较低高度大气水汽δ18O ;αv/l,平衡分馏系数; Δξ，动力扩 散系数;δE,土壤蒸发水汽的δ18O值。
99.74%
2.土壤呼吸各组分的δ13C区分法
将土壤呼吸组分区分为根源呼吸和土壤有机 质呼吸，进而将根源呼吸又分解为根直接呼吸和 根际微生物呼吸，对于研究土壤碳周转过程中， 植物和土壤碳平衡和能量平衡，以及根际微生物 碳源和土壤有机质碳源具有重要意义。
该节将介绍，在C4与C3作物转化系统，基 于环境同位素δ13C对土壤呼吸各组分的进行区分 的原理及实验方法。
田间水分蒸散由蒸发和蒸腾两部分组成。由 于热力学和动力学分馏作用，蒸发水汽的同位素 相对土壤水被贫化，但研究表明(Flanagan et
al., 1991; Wang&Yakir, 2000),在蒸腾处于同
位素稳定态时，蒸腾水汽的同位素组成近似于根 根茎部木质部水的同位素组成。因此土壤蒸发水 汽与植物蒸腾水汽的同位素比有显著的差异, 这 是利用水汽的氢氧稳定同位素进行蒸散组分区分 的理论基础(Yepez etal., 2003; Williams et al., 2004)。
0.990 4 0.990 3 0.989 5 0.989 9 0.990 2 0.990 6 0.990 1 0.989 9 0.989 9 0.990 1 0.990 4 0.990 4
13.332 12.342 7.188 7.781 16.041
7.869 9.256 10.321 8.419 12.028 2.815 14.732
该法假设：1）纯根呼吸CO2的δ13C与根组织 和根际沉积物碳的相同；2）微生物呼吸CO2的 δ13C与微生物生物组织的δ13C成正比。
土壤总呼吸CO2通量由3部分组成:1)有机质 碳的微生物降解的CO2;2)根际沉积物降解，即根 际微生物呼吸CO2;3)纯根呼吸CO2,即
CO
Total 2
CO
SOM 2
c CC4 O 2
CO2
Rhiz 4
SOM 3
SOM 3
步骤2
微生物生物碳组成的分解。C3土壤有机碳的
贡献：
c C3MO
MO
Rhiz 4
SOM 3
Rhiz 4
C4植物根际沉积物有机碳的贡献:
cCM4 O
MO Rhiz
4
SOM 3
SOM 3
步骤3 微生物呼吸组成的分解。
设微生物呼吸组成正比于其生物碳组成，即
环境同位素示踪
中国农业大学 齐孟文
背景
环境元素的同位素因直接参与元素在环境生 态系统中演化过程，在这些演化过程因同位素判 别作用，存在同位素热力学和/或动力学分馏效 应，这些效应受环境因子的影响，因此其同位素 构成整合了生态系统复杂的生物学、生态学和生 物地球化学过程在时间和空间尺度上对环境变化 响应的信息。当天然同位素构成因其在地球化学 原产地具有特异性或在演化过程中具有单向同位 素分馏效应，而具有特定环境和过程“指纹”的特 性，便可利用环境同位素对背景环境或过程进行 示踪研究。
利用11:30–14:30时间段的水汽同位素组成 数据，拟合蒸散水汽同位素组成,结合公式计算
得到的麦田蒸腾占总蒸散的比例（FT）。
利用 (δ18O)分割得到的蒸腾占蒸散的比例(FT)
DOY
δE
δT
δET
FT(﹪)
97
–43.22
100
–40.78
115
–47.90
131
–39.28
134
–44.55
2）蒸腾水汽的同位素比率
植物的根系从土壤中吸收水分,以及在植物体 内运输的过程一般认为不发生同位素分馏作用
(Dawson & Ehleringer, 1993; Ehleringer et al, 2000; Williams et al., 2004), 因此木质部水具有与其利用 水源相同的同位素特征(Dawson & Ehleringer, 1993)。这称为同位素稳定态，在蒸腾速率很大 时, 这种稳定态假设基本成立。因此，实践中可 用茎水的同位素比率代替植物蒸腾水汽的同位素 比率。
方法：
大气水汽的同位素比率
在80m和180m两高度，用激光痕量气体分析
系统，利用H216O和H218O激光吸收光谱的微小差 异,对其的摩尔浓度及同为组成比率进行原位连 续观测。
蒸腾水汽同位素比率
定时采集的茎样，将样品快速装入玻璃瓶， 用帕拉胶密封, 并冷冻保存。提真空抽提仪抽取 土茎样中的水分,水样的同位素比率由 FinniganMAT-253型质谱仪测定。
为了测定确定FT，各相部分关同位素比率的 测定或确定方法过程如下：
1）土壤蒸发水汽的同位素比率
土壤蒸发水汽比率的采用Craig-Gordon模型 计算(Gat,1996)。
E
V/L S h V V/L (1 h） /1000
S h V V/L
1 h
其中， s为土壤蒸发水体的同位素比率，h为大 气水汽相对于土壤蒸发点温度的相对湿度， V 为大气水汽的同位素比率，V/L为水汽从液态转 化为气态过程的分馏系数。
CO2 SOM 33
CO2 Rhiz 4
或
CO2
cCCO2 SOM 33
c
CCO 2 4
Rhiz
cCCO2 SOM 33
(1
c C3CO 2
)
Rhiz
因此，C3土壤有机质（SOM）呼吸的相对通量率
SOMD cC3CO2
CO 2
SOM 3
Rhiz 4 Rhiz 4
C4植物根源呼吸的相对通量
2.土壤蒸发水汽的同位素组成
表1 用Craig-Gordon模型计算土壤蒸发需要的参数以及结果
DOY h (%) δS (‰)
δa (‰)
αv/l
源自文库
Δξ (‰) δE (‰)
97
53.22 –3.612
100 56.70 –3.284
102 74.78 –3.307
112 72.70 –8.752
115 43.72 –6.631
相关参数计算:
lnV/ L
1.137 10 T3
3
0.4156 T
0.2667
10 3
V/L （1 V/L ) 10 3
（1 h） n CD 103
式中，n是描述分子扩散阻力与分子扩散系数相关性的 一个常数, 对于不流动的气层而言(土壤蒸发或叶片蒸腾), 一般取值为1 (Barnes & Allison, 1988), 对大的开放水体, n一般取值0.5; θ表示分子扩散分馏系数与总扩散分馏系 数之比, 对于蒸发通量不会显著扰动环境湿度的小水体 而言(包括土壤蒸发), 一般取值为1 (Gat, 1996), 大的水体 θH取18O值来在说0.一5–般0.8取之值间2;8C.5D‰为(描G述at,分19子96扩)。散效率的参数，对
土壤呼吸各组分区分关系
土壤呼吸的3个主要组分及其贡献的计算步骤。上图 及下面公式中各号表示：
cRMRRdCO2 表示根际微生物呼吸对根源呼吸 的贡献率，cRRRdCO2 表示纯根呼吸对根源呼吸的 贡献率。 δCO2表示土壤总呼吸CO2的δ13C值， δ3SOM 表示土壤（C3)有机质经微生物分解所释放 CO2的δ13C， δ4Rhiz 表示C4植物根源呼吸CO2的 δ13C， δMO 表示微生物生物碳的δ13C。
2）水汽δ18O的季节性波动显示其与降雨事件密切相关, 每次降雨均导致水汽δ18O明显下降,这是因为降雨时水汽 凝结会贫化水汽的同位素组成。
3）结果显示，4月份δV值大多维持在–10‰ –12‰之间 ,5月份δV值维持在–8‰ –10‰之间,整体上大于4月。这 可能是因为后期表层土壤水分因蒸发而同位素富集所致 ,后期,表层5 cm土壤水的同位素比为–0.3, 明显大于其余 日期的值(δS < –3.0)。
由于蒸散的水汽由蒸发水汽和蒸腾水汽组成，
设CET、CT、CE分别为蒸散、蒸腾、蒸发水汽浓度， ET 、T、 E 为相应部分的δ18O,则由同位素守 恒：
CETET CTT CEE
整理,有
ET
CT CET
T
CE CET
E
FTT （1FT ）E
最终，有
F（T %）
ET E T E
100
FT为植物蒸腾在总的地表蒸散中所占百分比。
CO
RMR 2
CO
RR 2
根源呼吸由根际微生物呼吸和根呼吸组成, 即
CO
RD 2
CO
RMR 2
CO
RR 2
步骤1 假设土壤呼吸由2个端源，C3土壤有机质
（δ3SOM ）和C4植物根源呼吸（δ4Rhiz）以各自相 对贡献的比率混合组成，则由同位素质量守恒，
有
C3土壤有机质降解的贡献
由
C C C CO2 CO2 Total