环境同位素示踪课件.ppt

1、环境同位素示踪环境同位素示踪中国农业大学中国农业大学齐孟文齐孟文 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。PhotosynthesisleafstemrootAllocationstorageMicro

2、bial communityStabilized SOMSoil respirationLitter and SOMdecompositionEcosystem 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

3、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：sbaCCC 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 ss13bb13aa13CCCCCCs13as13b13ba13CC1CCCC）（1.1.1818O O示踪和示踪和Keeling PotKeeling Pot用于区分田间用于区分田间蒸散组分蒸散组分 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&Yakir

4、,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。EETTETETCCCETTTEETETETTETF1FCCCC）（100%FETEETT）（为了测定确定FT，

5、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。h1h1000/h1(hV/LVSV/LVSV/LE）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;表示分子

6、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),大的水体取值在0.50.8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)。333L/V10667.20T156.40T1037.11ln3V/LV/L10)1（3D10Cnh1）（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 a

7、l.,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。实例实例 参见：参见：袁国富等.利用原位连续测定水汽 18O值和值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分.植物生态学报 2010,34(

8、2):170178 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ETVETaaV)C1)(C 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蒸腾水汽同位素比率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。p微气象数据的测量微气象数据的测量 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

9、、土壤温度(1、3和5 cm深度)。结果结果 1.大气水汽同位素组成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 3Re

10、sults Bourges Plasters rather homogeneous 34S values,more variable 18O Overlap with Lutetian gypsum of Paris basin(Fontes&Thoulemont,1987),origin of Paris plasters plastersUse 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

11、锶有四种素同位素，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

12、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 volcanic

13、s.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应用应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 PricesD.Multivariate data analysis13C,D,15N and 18O values of feathers from nestlings and adults of breeding sites.Pattern recognition such as cluster analysis isotopic discrimination factor