环境同位素示踪.ppt
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1、环境同位素示踪,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 munity,Stabiliz
2、ed SOM,Soil respiration,Litter and SOMdeposition,Ecosystem respiration,RootRespiration,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,源于背景的浓度和源于生态系统导入的浓度,13Ca、13
3、C 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 为相应部分的18O,则由同位素守恒:整理,有 最终,
4、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H18O来说一般取值28.5(Gat,1996)。,2
5、)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
6、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
7、、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
8、3.0)。,2.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;S,05 cm土壤水同位素比的加权平均值;a,较低高度大气水汽18O;v/l,平衡分馏系数;,动力扩散系数;E,土壤蒸发水汽的18O值。,计算举例 以日序97的数据计算为例。3.麦田蒸散组分的分割 利用11:3014:30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(18O)分割得到的蒸腾占蒸散的比例(FT)计算举例 以日序97的数据为例,有,2.土壤呼吸各组分的
9、13C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13C对土壤呼吸各组分的进行区分的原理及实验方法。土壤呼吸各组分区分关系,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。CO2表示土壤总呼吸CO2的13C值,3SOM 表示土壤(C3)有机质经微生物分解
10、所释放CO2的13C,4Rhiz 表示C4植物根源呼吸CO2的13C,MO 表示微生物生物碳的13C。该法假设:1)纯根呼吸CO2的13C与根组织和根际沉积物碳的相同;2)微生物呼吸CO2的13C与微生物生物组织的13C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 步骤1 假设土壤呼吸由2个端源,C3土壤有机质(3SOM)和C4植物根源呼吸(4Rhiz)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土壤有机质降解的贡献由或因此,C3土壤有机质
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