环境同位素示踪.ppt

环境同位素示踪环境同位素示踪 背景背景 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PhotosynthesisleafstemrootAllocationstorageMicrobial munityStabilized SOMSoil respirationLitter and SOMdepositionEcosystem respirationRootRespirationFireLoss 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  1.1.δδ1818O O示踪和示踪和Keeling PotKeeling Pot用于区分田间蒸用于区分田间蒸散组分散组分 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&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) 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： 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 1）土壤蒸发水汽的同位素比率）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 & 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θ取值在0.5–0.8之间; CD为描述分子扩散效率的参数，对H18O来说一般取值28.5‰ (Gat, 1996)。

    2 2）蒸腾水汽的同位素比率）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 3）蒸散水汽同位素比率）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为背景大气水汽的浓度， ET为蒸散水汽的同位素比率 实例例 参参见：：袁国富等.利用原位连续测定水汽 δ18O值和和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分.植物生态学报 2010, 34 (2): 170–178 方法：p大气水汽的同位素比率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。

p蒸蒸腾水汽同位素比率水汽同位素比率 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p微气象数据的微气象数据的测量量 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)结果结果     1.大气水汽同位素大气水汽同位素组成成 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 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)。

 2.土壤蒸发水汽的同位素组成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，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DOY h (%) δS (‰) δa (‰) αv/l Δξ (‰) δE (‰) 97            53.22           –3.612            –10.661            0.990 4        13.332          –43.22100           56.70           –3.284            –12.581            0.990 3        12.342          –40.78102           74.78           –3.307            –14.542            0.989 5          7.188          –38.89112           72.70           –8.752            –17.561            0.989 9          7.781          –49.05115           43.72           –6.631            –10.364            0.990 2         16.041        –47.90120           72.39           –3.346             –8.814             0.990 6           7.869         –49.98125           67.52           –3.501             –9.855             0.990 1           9.256         –47.82131           63.79           –3.028            –13.670            0.989 9         10.321         –39.28134           70.46           –4.898            –13.876            0.989 9           8.419         –44.55139           57.80           –3.556            –10.869            0.990 1         12.028         –44.25146            90.12          –2.104              –8.351             0.990 4           2.815        –68.72149           48.31           –0.305             –10.913           0.990 4         14.732         –36.34 计算算举例例 以日序97的数据计算为例。

3.麦田蒸散麦田蒸散组分的分割分的分割 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)计算算举例例 以日序97的数据为例，有DOY δE δT δET FT(﹪﹪)  97              –43.22                –6.621           –6.714 9               99.74100             –40.78                 –7.124           –7.507 4               98.86115             –47.90                 –7.080           –9.197 2               94.81131             –39.28                 –7.126            –7.340 2              99.33134             –44.55                 –6.471            –6.708 9              99.37 2.土壤呼吸各土壤呼吸各组分的分的δ13C区分法区分法 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 土壤呼吸各土壤呼吸各组分区分关系分区分关系 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 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 根源呼吸由根际微生物呼吸和根呼吸组成,即 步步骤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土壤有机土壤有机质降解的降解的贡献献由或因此，C3土壤有机土壤有机质（（SOM）呼吸的相）呼吸的相对通量率通量率C4植物根源呼吸的相对通量         步步骤2 微生物生物碳组成的分解。

C3土壤有机碳的贡献： C4植物根际沉积物有机碳的贡献: 步步骤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 因此，根际微生物呼相对吸通量为： 最后，根呼吸的相对通量，由差值法确定：              如上,对土壤呼吸组分区分,需测定的参量包括：1)土壤总呼吸CO2的δ13C值；2)植物根源呼吸CO2的δ13C,假设可由植物根的δ13C值替代；3)土壤有机质降解所释放CO2的δ13C,由对照（无栽培）土壤有机质的δ13C值替代；4)微生物组织的δ13C 土壤微生物量由熏蒸法测定，组织的δ13C由下述同位素质量平衡方程确定: 式中，13Cfum和13Cextr分别是熏蒸和提取样品测定的δ13C  方法含如下两个基本假定： 1）根际呼吸无同位素分馏效应，即呼吸CO2的δ13C等于根的δ13C 2）微生物呼吸无同位素分馏效应，即呼吸CO2的δ13C等于微生物生物δ13C 以上假定，在实际中并不严格成立，因此影响区分方法的可靠性。

方法的完善，需发展直接测定或准确估计解析混合线型模型之各步中，端源CO2的δ13C 例M. Werth, I. Subbotina, Y. Kuzyakova.2006, Three-source partitioning of CO2 efflux from soil planted with maize by13C natural abundance fails due to inactive microbial biomass. Soil Biology & Biochemistry 38 , 2772–2781. 测定数据测定数据 （（16-40day）） 则则  CO2 （（‰ ））  Rhiz （（‰ ））  SOM（（‰））  MO（（‰））       -17.0                   -15.8                     -26.8                   -22.7        3.食品同位素溯源分析食品同位素溯源分析 背景背景 建立健全食品追溯制度是保证食品安全、增强消费者对食品安全信心的基本原则之一。

食品追溯制度包括原料和原产地追溯原料追溯有利于防止假冒伪劣，产地追溯源有利于实施产地保护，保护地区名牌、特色产品，确保公平竞争，并在疫病等食品安全事件发生时能有效召回产品，防止食源性病原菌的扩散 同位素指纹是所有生物(包括食品产品)的一个自然标签，它与生物的生长环境密切相关，且不随化学添加剂的改变而改变，它能为食品产地溯源提供一种科学的、独立的、不可改变的，以及随整个食品链流动的身份鉴定信息，因此被用于监督取证ApplicationsStable IsotopePlant ecophysiologyD, 13CSoil carbon dynamics15N, 13CTracking of migratory animal D, 15N, 13C, 87SrMarine planktonic ecosystem15NTracers in marine food web15N, 13C, 34STracers in freshwater food web15N, 13C, 34STracers in watershed hydrologyD, 18ODetermination of pollutant sources11B, 15N Source apportionment of oil spill13CArcheology13C Geographical origin of meat15N, 13C, 34S, 18O, 87Sr, DForensic science applications常用同位素组成及地理起源特征常用同位素组成及地理起源特征 在食品产地溯源中，常用的同位素包括H、O、C、N、S、B、Sr和Pb。

elementStable isotopeAvg Abundance (%)Carbon12C,13C,98.89 , 1.11Nitrogen14N,15N99.64, 0.36Oxygen16O,18O99.763, 0.1995Hydrogen1H,2H99.9544, 0.0156Sufur32S,34S95.02, 4.21Borum10B,11B19.61，80.39Strontium84Sr,86Sr,87Sr,88Sr0.56，9.86，7.02，82.56204Pb，206Pb，207Pb,208Pb1.48，23.6，22.6，52.3 氢、氧同位素、氧同位素 氢、氧同位素是水汽循环的理想示踪剂在水汽循环中，因混合作用和水汽运动过程的蒸发、冷凝而引起的同位素分馏效应，自然同位素比率呈现地理性规律变化,有典型的纬度效应、陆地效应、季节效应及高程效应,即18O，3H值随纬度的增加而贫化，且受区域温度和降雨的影响高纬度主要受温度影响，在低纬度热带地区则是降水量，中纬度地区受温度和降水量共同影响动植物从环境中摄取水份，其组织中的氢、氧同位素同位素比率与其生长地域的环境直接相关。

    2H和18O优先凝结降落，而云水汽中的同位素被贫化 碳、氮同位素碳、氮同位素 植物的碳同位素组成与植物的光合碳代谢途径有关，同时受环境尤其是气候因子的影响同时植被具有典型的地理分布特征，高纬度主要是C3植被，低纬度温带主要是C4植被，从赤道到两级， 植物中13C梯度降低，因此13C 具有地理指示意义， 来源不同的含氮物质，其氮同位素组不同大气沉降NO-3 的 N值范围为+2‰ ～+8‰ ，来自人类和动物废物的15 N明显富集，范围为+10 ‰ ～+20 ‰ 相反，化学肥料的15 N比较贫化，范围为-3 ‰ ～+3 ‰因此，农畜产品的氮同位素比率 受当地农业实践的影响                        硫同位素硫同位素 不同岩石类型中硫的同位素组成差异较大， 不同地区降水中硫同位素组成有明显差异，这主要与大气污染的硫源有关土壤中硫的同位素组成不但与地质环境、降雨等因素有关，还受施肥等农业生产的影响生物体中有机硫同位素组成与其来源密切相关，它能提供地域来源的信息。

硼硼            不同的地球化学过程引起的硼同位素的分馏效应，导致岩石、海洋沉积物和自然水中11B／ 10B比率变化较大另外，硼酸、B(OH)3与硼酸盐离子、B(OH)4之间随着pH 的改变会发生交换作用，会导致硼酸中11B富集 > 3Results Bourges        Plasters–rather homogeneous  34S values,  more variable 18O–Overlap with Lutetian gypsum of Paris basin (Fontes & Thoulemont, 1987),  origin of « Paris plasters » plastersUse of Isotopic Fractionation in Microbial Ecology 34S(0/00)=(34S/32S sample- 34S/32S standard)/ 34S/32S standard X 1000 锶锶 自然界中锶有有四种素同位素，其中87Sr由87Rb衰变产生，随着时间的演化87Sr单方向增长，在地质学中根据87Rb/86Sr-87Sr/86Sr之间的衰变关系测定地质年龄。

地质Sr几乎不单独存在，由于其半径（0.113nm）与Ca（0.099nm）相当，因此能替换Ca的而广泛地共生存在动植物体中87Rb/86Sr的 与岩床中能被生物体利用的含锶矿化物有关， 而不同性质的岩石中87Rb/86Sr 比值有差异 因此，锶同位素比值是判断动植物产地来源、鉴别真假的一种有效指示     铅铅            铅由4种同位素，其中  206Pb、 207Pb和 208Pb分别是 238U、 235U 和 Th的放射性衰变的最终产物，其丰度在不断变化 天然物质中由于原生的Pb以及U 和Th的含量不同，年代不同，其铅的同位素丰度组成也就不同，成为一种特征这一特征一般不因它所经历的化学、物理变化而改变这就有可能把铅的同位素丰度比作为含铅物质的一种“指纹”去识别、区分铅的不同来源 由于各地区在地质结构、地质年龄和矿物质含量上存在差异以及各地区降水分布的不同，造成了不同地区铅的同位素组成差异动植物体内的金属元素大部分来自于土壤及地表水，其铅同位素组成也因此具有地区标志Figure 16.13. Variation in 207Pb/204Pb vs. 206Pb/204Pb for oceanic island arc volcanics. Included are the isotopic reservoirs and the Northern Hemisphere Reference Line (NHRL) proposed in Chapter 14. The geochron represents the mutual evolution of 207Pb/204Pb and 206Pb/204Pb in a single-stage homogeneous reservoir. Data sources listed in Wilson (1989). HIMU应应用用葡萄酒葡萄酒牛肉牛肉橄榄油Heavy and Light Beer:A Carbon Isotope Approach to Detect C4 Carbon in Beers of Different Origins,Styles and PricesD. Multivariate data analysisδ13C, δD, δ15N and δ18O values of feathers from nestlings and adults of breeding sites.Pattern recognition such as cluster analysis isotopic discrimination factor。