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1、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。,Photosynthesis,leaf,stem,root,Allocation,storage,Microbial commu
2、nity,Stabilized SOM,Soil respiration,Litter and SOM decomposition,Ecosystem respiration,Root Respiration,Fire,Loss by leaching, erosion,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
3、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：,由同位素守恒，有合并以上两式并整理，最终有由上式，13Ca VS 1/Ca作图，直线在Y轴 的截距即为13Cs,1.18O示踪和Keeling Pot用于区分田间蒸散组分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 Williams et al., 2004)。,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
4、应部分的18O,则由同位素守恒：整理,有最终，有FT为植物蒸腾在总的地表蒸散中所占百分比。,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)。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。,相关参数计算: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 CD为描述分子扩散效率的参数，对H
5、18O来说一般取值28.5 (Gat, 1996)。,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 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。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：,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
6、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 18O值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分.植物生态学报 2010, 34 (2): 170178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。 微气象数据的测量在麦田中上风向安装涡度
7、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,18O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。2）水汽18O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18O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V值大多维持在10 12之间,5月份V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(S 3,Results Bourges,
