同位素技术在地理学中的应用.ppt
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1、1,同位素技术在水文地理学中的应用,2,课程目的,3,9.1 什么是同位素,核内质子数相同,所含中子数不同的一类核素在化学元素周期表中占据相同位置,它们具有相同的核外电子排布结构,因而总的化学性质相同,只是质量不同。,氘(D)氚(T),4,同位素分类,根据原子结构的稳定性稳定同位素原子核的质子数和中子数以及原子核结构都是稳定不变的,自然界中多数原子核都属于这一类,如2H、18O。应用:示踪放射性同位素原子核含有较多的中子或质子,它就会发生裂变以形成一个稳定的核。原子核不稳定能自发进行放射性衰变或核裂变而转变成其它一类核素的同位素称为放射性同位素,如天然同位素3H、14C等。应用:测龄,示踪,5
2、,同位素分类,根据同位素来源天然同位素地理学中最常用的天然同位素是稳定同位素2H、18O、15N、13C和放射性同位素3H、14C;人工同位素通过人工方法(如核反应、粒子加速器等)制造出来的同位素,如核爆产生的3H等。,6,同位素示踪的基本原理,同位素分馏由于同位素质量不同,因此在物理、化学及生物化学作用过程中,一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象,重同位素分子有较低的活动性:质量大的分子具有较小的速度,与其他分子的碰撞频率较小,这也就是质量轻的分子反应速度快的原因,思考:随温度升高,同位素分馏程度如何变化?,7,同位素示踪的基本原理,同位素分馏
3、实质:轻重同位素分子结合力的差异造成的分子活性差异自然界中的化学反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应都能引起同位素分馏。应用:经过同位素分馏作用,同一元素的同位素在不同物质或同一物质的不同相态的轻重同位素含量不同,为分析物理、化学及生物反应提供了条件。,8,同位素含量的描述,同位素丰度一种元素的各种同位素在原子中所占的百分比称为同位素丰度,氘氚,9,同位素比率,同位素比率是一种元素的两种同位素丰度之比,10,千分差值,值是指样品中两种稳定同位素的比值相对于标准样品同位素比值的千分之偏差值能反映出样品同位素组成相对于标准样品的变化方向和程度。如值为负值,表明样品中的稀有元素比标准样品
4、少,反之,表明样品中稀有元素比标准样品多。,11,常见同位素的标准样品,2H,18O 维也纳标准海洋水(VSMOW)。13C美国南卡罗莱州白垩纪皮狄组的拟箭石(PDB)34S美国迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁的硫(CDT)15N大气N2,12,稳定同位素技术在相关研究领域中的应用,2H(D),18O在水循环研究中的应用15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用13C,15N在生态系统研究中的应用稳定同位素在气候变化研究中的应用,13,9.2 2H,18O在水循环研究中的应用,2H(D),18O是水中的天然示踪剂,蒸发及降水过程中 D与 18O是怎么变化的?,水中D与 18O有什么关系?,海洋 18
5、O:0,水汽 18O:-10,降水 18O:-7,降水后水汽 18O:-13,河流 18O:-5,土壤 18O:-4,14,大气降水同位素特征,全球大气降水线方程(GMWL):D=818O+10区域大气降水线方程(LMWL),同位素富集,同位素贫化,大气降水中D和18O的富集或贫化与什么因素有关?,15,大气降水的同位素效应,温度效应从以上资料可看出,大气降水的同位素组成与当地气温的关系密切,且呈正相关变化,但不同地区变化差异很大。,16,大气降水的同位素效应,纬度效应从低纬度到高纬度,随着温度的降低,降水的重同位素逐渐贫化,17,大气降水的同位素效应,季节效应不同地区由于温度、湿度和气团运移
6、等因素存在季节性的变化,因此降水的同位素组成也会有季节性的变化。大陆效应大陆效应也称离岸效应,也就是大气降水的同位素组成随远离海岸线逐步降低,18,大气降水同位素特征,研究大气降水同位素特征有什么意义?利用同位素研究流域水循环的基础地表水、土壤水及地下水从降水中“继承”了氢氧同位素特征,并在水循环过程中发生改变分析区域降水水汽来源不同水汽来源的降水氢氧同位素特征不同研究古气候利用冰芯中保留的古降水中的氢氧同位素特征,推断古代气温变化,19,土壤水与地下水同位素特征,受土壤水蒸发的影响,在土壤剖面上同位素在地表富集,地下水,某农田剖面的氧同位素观测数据,20,土壤水与地下水同位素特征,蒸发后的土
7、壤水分和随后降水补给水分的混合补给地下水。,蒸发线,21,同位素在径流分割中的应用,降水后径流成份组成示意图,22,同位素在径流分割中的应用,利用同位素分割径流成分同位素混合方程,s,i,g,23,同位素研究地下水补给,降水入渗补给过程同位素示踪补给方式估算补给速度,降水入渗,活塞式入渗,捷径式入渗(优先流入渗),24,同位素研究地下水补给,地下水补给的复杂性山前平原(沙漠)当地降水;山区降水;冰川融水现代降水;古降水,同位素研究地下水补给主要应用于什么气候类型的地区?为什么?,25,研究实例,陈建生等在Nature(2004)发表论文:Groundwatermaintains dune la
8、ndscape利用氢氧稳定同位素分析,得到结论:中国西北阿拉善高原的巴丹吉林沙漠下隐藏着大量的淡水资源,其与500公里以外的祁连山冰川积雪之间,更存在着一条巨大的“调水通道”祁连山深大断裂。,26,土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素,18O在大气植物土壤界面上的传递和分馏示意图(数据来源:Dawson(2002)and Yakir(2000),如何利用氢氧同位素研究土壤-植物-大气系统的水循环过程?,27,土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素,研究植物根系吸水深度根系在吸水过程中不存在同位素的分馏作用,28,研究实例,问题的提出玉米在不同生长阶段根系主要利用的是哪个深度的土壤水?,有什么意义?,
9、29,研究实例,问题的提出玉米在不同生长阶段根系主要利用的是哪个深度的土壤水?传统的研究方法根系挖掘缺点?同位素示踪方法前提条件?,30,研究实例,玉米不同生长期的主要根系吸水深度拔节期开花期完熟期,31,土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素,分割蒸散发,(同位素贫化),32,9.3 15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,硝酸盐(NO3)污染的危害硝酸盐在消化道中可被还原成有毒的亚硝酸盐,亚硝酸盐将低铁红蛋白氧化成高铁红蛋白,使之失去输送氧的能力,另外亚硝酸盐还可与仲胺类化合物反应生成具有致癌作用的亚硝胺类物质。长期饮用含高浓度硝酸盐的水,会使人畜中毒。典型的是是“蓝婴儿综合征”,症状为婴
10、儿身体发蓝色,呼吸短促。是引起水体富营养化的重要物质,33,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,硝酸盐(NO3)的污染来源天然硝酸盐大气沉降土壤氮硝化作用产生的NO3人为硝酸盐农业合成氮肥生活污水、人畜粪汁,如何识别硝酸盐污染来源?,34,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,不同来源NO3的15N和18O取值范围示意图修改自Kendall(1998)、Xue et al.(2009)和Nestler et al.(2011),35,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,研究实例,Li S.,Liu C.,Li J.,Liu X.,Chetelat B.,Wang B.,W
11、ang F.Assessment of the Sources of Nitrate in the Changjiang River,China Using a Nitrogen and Oxygen Isotopic Approach.Environmental Science&Technology.2010,44(5):1573-1578.,36,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,研究实例,37,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,研究实例,38,9.4 13C,15N在生态系统中的研究应用,不同区域植物中存在稳定同位素(H,C,N,O)组成差异不同地理分布的植物存在不同
12、的13C值植物13C值还受土壤含水量、湿度、光照、温度和大气CO2浓度等环境因子的影响,39,同位素在食物链中的传递,判断动物的营养级有什么意义?,40,同位素在食物链中的传递,在一定环境条件下,动物组织15N值在相邻营养级间差异(15N)明显,且比较恒定,大约为3.0 5.0化分动物的营养级,相邻营养级间13C值的差值(13C)较小,约为0.41.0,15N和13C哪个更适合于判断动物的营养级?,41,13C,15N研究食物链结构,42,13C,15N研究食物链结构,传统的食物链结构研究方法通过直接观察、胃容物分析、食物残留物分析及其粪便分析等来实现.数据只能反映动物最近取食情况,很难调查动
13、物的食物变化,尤其是较长时间段内或是动物一生的取食变化情况;数据只能反映表面现象,对于有些食物,动物虽然采食了,但并没有被消化吸收对于有些体型很小的动物(昆虫和土壤动物),调查更为困难.,缺点,43,13C,15N研究食物链结构,动物组织同位素值反映食物的同位素组成特征动物呼出气体和血液同位素值反映的是几小时到几天的食物特征;脂肪、肌肉和毛发等组织同位素值反映的是几周、几个月甚至几年的食物特征;骨骼、牙齿则反映其几十年、一生的食物变化特征,44,实例研究,利用稳定同位素示踪技术,分析崇明东滩盐沼湿地夏季不同生境大型底栖动物的食物来源和营养结构,45,实例研究,天津厚蟹和无齿相手蟹的食物主要来源
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