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1、,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+7N146C14+1H1（H1氕、H2氘重氢、H3氚超重氢） 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
2、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。,(一).研究背景,14C产生 核爆产生14C，核反应方程为： 0n1+7N146C14+1H1（H1氕、H2氘重氢、H3氚超重氢）,(一).研究背景,（Wang et al., 1999, GBC),14C产生,(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13C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）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
3、同位素效应提供的信息，已广泛用于研究。,(一).研究背景,大气13CO2、13CH4的13C和15N2O的15N,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,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。CO
4、2受体为RuBP C4途径(C4 pathway) ：亦称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径,(一).研究背景,C3植物13C值范围从-23到-40，平均为-27 C4植物的13C值范围为-9到-19%，平均为-12,大气CO2的13C = -7,13C,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,江苏沿海米草不同入侵年限系列土壤(1995、1997、2001、2008) 13C同位素示踪技术,盐蒿和米草生物量和13C值,互花米草入侵对沿海湿地土壤有机碳含量和13C影响,计算方法,The con
5、centration 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 calcu
6、lated 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
7、 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 (1f) is the proportion of C from S. salsa.,计算方法,Eq
8、uation 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,团聚体分级,大团聚体,微团聚体,粉砂+粘粒,bulk,250 m,NPKControl 添加13C-葡萄糖显著增加了培养最初3天的CO2通
9、量，在培养7-20天期间CControl处理通量最高,1. 外源13C-葡萄糖在长期不同处理土壤中的残留率(30天培养),1. 外源13C-葡萄糖在长期不同处理土壤中的残留率(30天培养),有机碳含量越高的土壤，越有利于外源活性有机碳累积 外源有机碳如何累积？,1. 外源13C-葡萄糖在长期不同处理土壤中的残留率(30天培养),(Zhang et al., 2013, Soil Biol Biochem),不同施肥土壤原有有机碳来源CO2通量变化,培养开始最初7天，添加13C-葡萄糖并没有激发土壤中已有的有机碳的矿化 土壤中原有有机碳受激发产生的CO2通量在培养7天后迅速增加，并在培养后11天
10、达到最大值，培养第15天后又逐渐增加,土壤有机碳净增加量,微生物对外源13C-有机碳的接力利用,微生物对外源13C-有机碳的接力利用,微生物对外源13C-有机碳的接力利用,机制：真菌和放线菌接力利用细菌的代谢产物，实现外源有机碳土壤有机质化,外源葡萄糖在土壤中逐步下降 而在团聚体中逐步增加,2、外源葡萄糖13C在土壤中的动态变化,外源葡萄糖13C快速进入团聚体中 外源葡萄糖13C在团聚体中的比例：CM NPK CK,外源葡萄糖13C在团聚体中的比例,外源有机碳首先进入大团聚体，然后向粉砂和粘粒组分动态迁移 粉砂比粘粒可能更为重要,外源有机碳13C在团聚体间迁移规律,(Zhang et al., 2015, Soil Tillage & Research),(二).具体进展,对微生物群落结构的影响,M/B,G+/G-,F/B,长期施肥对微生物群落结构的影响,有机肥和化肥NPK施用显著降低了好氧菌/厌氧菌和真菌/细菌比例 所有施肥处理均增加了G+/G-细菌和cy/w7c,好氧菌/厌氧菌,真菌/细菌,G+细菌/G-细菌,cy/w7c,外源13C如何在土壤和团聚体中存留？ 原始形态或者再合成物质？,13C同位素示踪技术只是研究手段 如何利用该技术开展研究需要我们认真思考，提出好的研究思路,丁维新，张佳宝，孙 波 杨劲松，彭新华，赵炳梓,谢谢，敬请批评指正！,
