【CN110132493A】利用植物稳定碳同位素识别地质封存COSub2Sub泄漏的方法【专利】
稳定碳同位素技术在岩溶碳循环中的应用
研究 ， 以及 根据 系统 中各个端元 ８ 值 的差异与 动态变化并
结合 常规 的化学指标 ， 可 以判断碳 的源汇 ， 把握 区域碳循
环的规律 ， 现 已成功运 用在 地球化学 领域等 具体 问题 的
研究 中。
汇的研究 中， 对岩溶作用 的研究是必不可少 的。
稳 定碳 同位素 技术 作为 一项 比较 成 熟 的技术 ， 对碳
［ 收稿 日期 】 ２ ０ １ ２—１ ２— ３ １ ［ 作者简介 ］ 熊文斌 （ １ ９ ８ ９一） ， 男， 江西南 昌人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为水环境与同位素示踪 ．
第 １ ９卷 第 ５期
２ ０ １ ３年 ５月
水 利 科 技 与 经 济
Ｗａ ｔ ｅｒ Ｃｏ ｎｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｎ ｃ ｙ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅｃ ｏ ｎ ｏ ｍｙ
Ｖｏ １ ． １ ９ Ｎｏ ． ５
０ 引 言
全球大气 中 Ｃ Ｏ 的浓 度 已 由工 业 革命 前 的２ ８ ０ ｐ ｐ ｍ 升高到 ２ ０ １ ０年的３ ８ ９ ｐ ｐ ｍ， 并 继续 以每 年约２ ｐ ｐ ｍ的速度 增加， 到２ １ 世纪末 Ｃ Ｏ ： 浓 度将可 能达￣ Ｉ ］ ７ ０ ０ ｐ ｐ ｍ， 由此 引 起 的全 球 变 暖 已 成 为 学 术 界 和 各 国政 府 关 注 的 焦 点
Ｍａ ｙ ．， ２ ０１ ３
的同位素丰度 为 ： Ｃ： ９ ８ ． ８ ９ ２ ％； ”Ｃ ： １ ． １ ０ ８ ％ 。由于天 然 物质 中， 不 同样 品的同位 素含量差 异甚微 ， 用 同位 素丰度 或 同位素 比值很难 显示它 们这种 微小 的差异 ， 故而在 碳 同位素的研究引入 ８ ” Ｃ值 。８ ” Ｃ值是指样 品中碳 同位素 比值相对于标准样品对应 比值的千分差值 ， 即
稳定碳同位素示踪技术在土壤有机碳循环中的应用研究
稳定碳同位素示踪技术在土壤有机碳循环中的应用研究刘㊀哲1,2,3,4(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,西安710075;2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,西安710075;3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;4.陕西省土地整治工程技术研究中心,西安710075)摘要:土壤有机碳库作为生态系统中最重要的碳库,其变化过程对全球生态系统的碳平衡有着直接作用,同时也影响土壤的质量变化㊂稳定碳同位素是一种可以精确示踪有机碳在土壤不同粒级团聚体中动态变化和积累过程的天然物质,能有效探究外源有机碳在土壤㊁植物及微生物中的运转状况及变化规律,稳定碳同位素示踪技术是当前土壤碳循环研究领域的一项新技术,在土壤科学研究中也得到了重要的应用㊂在碳同位素示踪的研究基础上,总结分析了近年来稳定碳同位素示踪法在陆地生态系统土壤碳循环领域和土壤碳固持方面的一些研究进展,并针对目前研究中存在的问题进行了概况总结㊂关键词:稳定碳同位素技术;有机碳循环;土壤有机碳;土壤团聚体APPLICATION OF STABLE CARBON ISOTOPE TECHNIQUE IN THE RESEARCH OFORGANIC CARBON CYCLINGLiu Zhe 1,2,3,4(1.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd,Xiᶄan 710075,China;2.Institute of Land Engineeringand Technology,Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd,Xiᶄan 710075,China;3.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering,the Ministry of Natural Resources,Xiᶄan 710075,China;4.Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center,Xiᶄan 710075,China)Abstract :Soil organic carbon (SOC )pool is the important carbon pool in the terrestrial ecosystem.Changes of theaccumulation and decomposition of SOC are directly related to the carbon storage in terrestrial ecosystems and to the global carbon balance,and influences soil quality.With the development and improvement of isotope analysis techniques,the stablecarbon isotope as a natural tracer has been widely used in the soil carbon cycling research of agricultural ecosystems.Investigation of the carbon isotopic variation in the atmosphere-crop-soil system by using tracer technique of stable carbon isotope contributes to revealing soil organic carbon decomposition.Stable13C isotope technique is helpful to study the changelaw of soil carbon cycle and the roles of soil microorganism in the process of organic carbon turnover.The theory and methodsabout the stable carbon isotope analysis and its applications in the research advances of soil carbon cycling of agricultural ecosystems were reviewed.This paper also described the research advances of organic carbon cycle the mechanism of carbonsequestration in soil aggregate revealed by the stable carbon isotope analysis.Finally,comprehensive summations of the problem existing incurrent research in conjunction with the stable13C isotope technique on SOC were proposed.Keywords :stable carbon isotope technique;organic carbon cycling;soil organic carbon;soil aggregate㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2019-07-19基金项目:长安大学中央高校基本科研业务专项资金项目(300102278501)㊂作㊀㊀者:刘哲,男,硕士,工程师,主要研究方向为土壤结构和土壤碳循环㊂liuzhe168@0㊀引㊀言土壤有机碳库作为生态系统中的重要碳库,是全球生态系统碳平衡的关键因子,其微弱变化就可能对全球碳循环及温室效应产生重大影响,因此土壤碳库的动态变化在调控全球生态系统碳平衡和预防温室效应方面具备明显作用[1-3]㊂团聚体的团聚稳定作用被认为是土壤碳平衡的最重要影响因素,因此研究有机碳在不同粒级土壤团聚体中的分布规律和稳定性,对于增加土壤的碳汇作用具有重要意义,一直是碳循环和农业健康可持续发展领域的重要方向[4,5]㊂目前同位素示踪技术已在物质的来源与迁移规律方面得到越来越多的应用,是研究环境变化和土壤碳平衡的有效技术,同时也是一种探明陆地生态系统碳循环过程的重要手段㊂土壤有机碳循环转换和稳定机制已成为土壤学的研究热点,是评估土壤固碳能力的关键,但是土壤有机碳循环过程是动态变化的,由于传统的差减法等方法不能很好的区分土壤中固定的外源新碳和原有机碳,而稳定碳同位素示踪技术比传统方法能够更加准确地揭示土壤碳循环的运转过程,实现 新 旧 有机碳的区分,为探讨土壤有机碳的循环周转过程及机理提供了技术保证[6,7]㊂自然界中碳同位素主要有稳定性同位素(13C和12C)和放射性同位素(14C),14C具有放射性,对于长时间跨度下的碳循环分析不是很准确,不能有效阐释有机碳的差异程度,而稳定碳同位素13C具有无放射性㊁易控制等长处,并且可以精准的指示追踪进入到土壤中外源碳的运转,对于探索外源碳在不同大小团聚体中的转化规律具有重要意义[8-9]㊂由于人类的长期农业生产活动的干预和影响,农田生态系统碳平衡发生了很大的变化,所以利用稳定同位素示踪技术,探究不同来源有机碳组分的形成㊁周转和稳定机制,可以准确地为采取适宜的有机碳归还方式和陆地生态系统有机碳循环提供科学理论依据㊂1㊀稳定碳同位素技术原理及分析方法1.1㊀稳定碳同位素技术原理稳定碳同位素(13C和12C)是天然存在的无放射性的一种同位素,可以使相关试验在田间原位等自然状态下进行,其物理性质相对稳定,无辐射衰变,质量保持不变㊂采用这些稳定性同位素在研究对象上进行对应标记,微量追踪指示同位素运行和变化规律的分析方法称为同位素示踪技术[10]㊂利用具有原位标记特征的13C/12C比值变化,绿色植物的13C标记地上部分用于分析测量土壤或者植物中碳同位素δ13C天然丰度值,利用其有机碳13C丰度的差异,可以分析植物光合碳的转化和运移规律,能够准确定量外源新碳对土壤原有机碳的激发方向和强度[11]㊂通过稳定碳同位素技术,可有效地追踪光合作用碳在土壤碳库中的运转与分配规律,明确植物光合碳对土壤碳库的贡献率[12,13]㊂1.2㊀稳定碳同位素分析方法当前通用的分析稳定同位素的方法有很多,但质谱法是测定碳同位素方法中最常用的精确方法㊂它是在电场和磁场的作用下,将测试样品中原子或者分子电离成各同位素的相似离子,按它们的质荷比进行分离后进行检测的方法㊂稳定同位素质谱仪能用于液体㊁气体以及固体中几乎所有元素的稳定同位素分析[14-15]㊂近年来,随着13C同位素技术在土壤碳循环中的广泛研究,以及气相色谱-燃烧-同位素比例质谱技术(GC-C-IRMS)和液相色谱-燃烧-同位素比例质谱技术(LC-C-IRMS)技术的不断兴起,碳稳定同位素的研究有了更快的发展㊂稳定碳同位素主要通过以下步骤进行测定:首先是进行相应样品的采集㊁制备和前处理;然后将测试样品转化分离成具有相应元素的纯气体;最后采用质谱仪按质荷比分离后测定同位素的比率㊂一般土壤与植物等固态样品,首先要采用烘干㊁粉碎等前处理方式后才能运用同位素质谱仪进行测定分析,最后使用同位素质谱联用装置完成气体转化和测定[16-18]㊂2㊀稳定碳同位素技术在土壤有机碳动态研究进展土壤有机碳库作为生态系统中比较活跃的有机碳库,对于维持碳库收支平衡㊁保证碳库稳定具有重要的作用㊂随着煤炭㊁石油等化石燃料的大量使用,全球碳平衡和生态环境有不断恶化的趋势,因此研究土壤有机碳的组分㊁转化和动态循环规律,从而探究土壤有机碳分解的微生物驱动机理和稳定机制显得尤为必要,是评价土壤生态系统固碳潜力的核心和关键,成为当今生态学㊁生物地球化学和土壤学研究的共同课题[19,20]㊂土壤有机碳的动态转换过程以及土壤碳库储量的微弱转运变化规律能采用稳定碳同位素(13C)示踪技术进行有效的表征与说明,进一步定量阐述外源新碳和原有机碳分别对碳库储量的贡献率㊂目前在土壤碳循环方面,基于碳稳定同位素技术的主要研究方向包括:1)稳定13C同位素在土壤固碳机理方面及CO2排放方面的研究;2)土壤有机碳δ13C组成与植被类型的关系以及古气候状况的研究;3)土壤有机碳的来源㊁动态变化和循环特征的定量化研究;4)土壤有机碳分解对碳同位素分馏的影响;5)气候变化和土地利用方式对土壤有机碳δ13C组成和来源的影响等[21,22]㊂尹云锋等利用13C标记秸秆通过室内研究作物秸秆㊁及其制备的生物炭在土壤中的分解动态以及不同粒级土壤团聚体有机碳的来源,表明水稻秸秆和生物炭都提高了土壤碳库,增加的外源新碳主要分配到50~250μm粒级团聚体中,质量分数达到70%以上,这可为土壤有机碳的运转与土壤肥力的提升提供新的理论依据[23]㊂刘哲等研究了水稻秸秆添加对砂姜黑土团聚体有机碳分布和稳定性的影响,表明外源新碳的加入提高了土壤团聚体的稳定性,不同粒级团聚体的δ13C值明显增加,变化幅度较大,外源新碳的分解速率明显快于原有机碳,新碳在培养过程中主要进入了250~53μm,<53μm粒级水稳性微团聚体中,分配比例分别为38%㊁28%㊂Chaney等以及Tisdall等[24,25]指出,由于微团聚体固持的碳受到物理保护并具有生物化学抵抗性而不易分解,微团聚有机碳分解需要消耗更多的能量,所以微团聚体有机碳在土壤中更持久稳定㊂所以对于砂姜黑土,水稻秸秆的添加,不仅可以提高土壤有机碳,而且也有助于提高土壤有机碳的固持能力㊂许多学者已经将稳定同位素13C示踪技术应用于土壤碳的微生物调控机制和分子等微观结构方面的研究,取得了一定的研究进展,但也遇到一定的麻烦,尚不能很明确的揭示有机物腐解过程中微生物对团聚体生物稳定性的调控机制[26,27]㊂3㊀稳定碳同位素示踪技术在土壤固碳方面的应用研究3.1㊀土壤团聚体结构与有机碳固定关系土壤有机碳(SOC)是影响土壤结构稳定性的最重要因素之一,已有研究表明,土壤有机碳与团聚体形成及稳定性有着密切的关系,外源有机物料的加入,增加了土壤有机碳,促进了团聚体的团聚与团聚体结构的稳定,在土壤有机碳增加的过程中就相应减少CO2的排放量,同时促进土壤团聚体的固碳效应㊂已有研究表明,不同粒级团聚体中的土壤有机碳分配比例不同,分析发生缘由可能是试验过程中的土壤类型,培养方式及有机物料类型等因素的不同,最终导致外源新碳在团聚体中的分配受到影响[28,29]㊂不同大小粒级的团聚体在固持㊁转移与供应土壤有机碳方面有着不同作用,其中团聚体有机碳含量可以微观表征土壤有机碳的平衡与矿化速率㊂土壤团聚体在物理保护SOC的同时,SOC也能很好的促进团聚体的形成和稳定㊂土壤不同粒级团聚体的物理结构差异性影响着外源新碳进入的难易程度,最终也影响着SOC组分的运移及稳定性[30,31]㊂3.1㊀基于稳定碳同位素示踪技术的土壤固碳研究目前对于影响土壤团聚体固碳方面的人为活动主要有耕作方式㊁施肥制度以及种植方式㊂这些农业管理措施的差异主要通过改变土壤团聚体的更新和转化过程,从而影响土壤有机碳的固定保护机制㊂Six等提出了团聚体与有机碳之间的概念模型,解释了不同耕作方式对土壤团聚体中碳的影响机制[32]㊂吕元春等采用稳定碳同位素示踪技术,对外源新碳(13C标记稻秆)在红壤等3种类型土壤团聚体中的分配规律进行了试验,试验结果表明外源新碳在3种类型土壤中都主要分配在2000~250μm粒级大团聚体中,外源新碳在不同类型土壤中的分配,呈现出了土壤初始有机碳含量越低,分配越多的趋势[33]㊂Brien等利用不同光合作用植物天然13C丰度的差异性,研究得出有机碳在土壤微团聚体中的形成时间要早于大团聚体,因此推断微团聚体是固碳潜力的一个重要指标[34]㊂但也有学者认为大气CO2浓度升高并不能增加新来源有机碳的稳定性,新来源有机碳主要分布进入到易分解的粗颗粒有机质中,同时又降低了原有机碳的稳定性,增加了原有机碳的分解速率,从而提高了土壤碳的周转率㊂Dorodnik等学者利用13C-depleted-FAC试验发现CO2浓度升高条件下外源新碳在不同密度梯度的土壤有机质中的积累程度不同,大部分的外源新碳进入到游离态有机质中㊂通常认为,随着有机物颗粒的密度增加,保护有机物质的能力增加㊂Hagedorn等采用13C-depleted-FACE试验研究表明,尽管增加了植物向土壤有机碳的输入量,但土壤对新输入有机碳较低的螯合速率限制了土壤有机碳的增加[35-36]㊂4㊀问题与展望近年来稳定碳同位素技术已在土壤有机碳的来源㊁循环变化特征的㊁影响因素等方面取得了非常大的应用㊂但总体来说,稳定碳同位素示踪方法在陆地农田土壤碳平衡㊁微生物在农田土壤碳固持中作用研究仍存在许多不足与难点㊂而且稳定碳同位素自身价格㊁标记有机物㊁测定等过程中运行成本高,并且有时难以达到精度要求,在一定程度上影响了该技术的推广应用㊂但是随着稳定同位素分析仪器类型的增多㊁自动化及先进性的增强以及测定分析方法的不断改进,该技术在土壤有机碳领域的应用会进入快速发展的新阶段㊂同时运用稳定同位素示踪技术进一步深入研究不同农田管理方式和干旱胁迫条件下土壤有机碳的周转速度,确定土壤有机碳的来源和对农田土壤碳素累积和转化的影响㊂参考文献[1]㊀邱晓蕾,宗良纲,刘一凡,等.不同种植模式对土壤团聚体及有机碳组分的影响[J].环境科学,2015,36(3):1045-1052.[2]㊀张晓伟,许明祥.关中地区农田土壤有机碳固存速率及影响因素:以陕西武功县为例[J].环境科学,2013,34(7):2793-2799.[3]㊀VANHALA 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稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用
第25卷第9期2005年9月生 态 学 报ACT A ECOLOGICA SINICA V ol.25,N o.9Sep.,2005稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用孙双峰1,2,黄建辉1*,林光辉1,赵 威1,2,韩兴国1(1.中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室,北京 100093; 2.中国科学院研究生院,北京 100039)基金项目:中国科学院知识创新工程方向资助项目(KSCX2-SW -109);中国科学院“百人计划”资助项目收稿日期:2004-07-08;修订日期:2005-03-29作者简介:孙双峰(1972～),男,河南新乡人,博士生,主要从事植物生理生态学研究.E-mail:sfsu n@*通讯作者Auth or for corres pondence.E-m ail:Jh huang@Foundation item :Know ledge Innovation Direction Project (Grant No.KSCX2-SW -109);Hund red People Pr oject of CASReceived date :2004-07-08;Accepted date :2005-03-29Biography :SU N S huang-Feng ,Ph.D.cand idate,mainly engag ed in plant ecophys iology.E -mail:s fs un@摘要:近20a 稳定同位素技术在植物生态学研究中的应用得到了长足发展,使得对植物与水分关系也有了更深一步的了解。
介绍稳定同位素性碳、氢、氧同位素在研究植物水分关系中的应用及进展,以期能为国内植物水分利用研究提供参考。
由于植物根系从土壤中吸收水分时并不发生同位素分馏,对木质部水分同位素分析有助于对植物利用水分来源,生态系统中植物对水分的竞争和利用策略的研究,更好地了解生态系统结构与功能。
碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望
2、陆地生态系统碳水循环的相 互作用
碳水循环的相互作用主要表现在以下几个方面：
二氧化碳是光合作用的主要原料，其浓度变化对植物生长和碳水循环具有显著 影响。当二氧化碳浓度升高时，植物光合作用增强，有机碳合成增多，反之则 减少。
水分是植物生长和碳水循环的重要条件。缺水会导致植物气孔关闭，影响二氧 化碳的吸收和光合作用。同时，水分过多也会导致土壤通气性差，影响根系生 长和微生物活动，进而影响碳水循环。
2、提高精度和效率：随着技术的进步，未来碳同位素示踪技术可能会实现更 高精度和效率的测量，从而缩短采样和分析时间，降低研究成本。
3、整合多源数据：通过整合多源数据（如遥感、GIS、气象等），可以更全面 地了解陆地生态系统碳循环的时空变异特征，为优化资源配置、制定科学决策 提供支持。
4、应对气候变化：全球气候变化对陆地生态系统碳循环的影响是未来研究的 重要方向。碳同位素示踪技术可以帮助科学家们更好地理解这一影响，从而为 应对气候变化提供科学依据。
三、研究方法
陆地生态系统碳循环研究的方法主要包括野外调查、实验室分析和数值模拟等。 野外调查主要通过观察和测定生态系统中生物群落、土壤和大气之间的碳交换 过程，来研究碳循环的机制和规律。实验室分析则通过对生态系统中的有机物 和无机物进行分离、提纯和分析，来研究碳循环过程中各个组分之间的相互作 用。数值模拟则通过建立数学模型，模拟生态系统的碳循环过程，预测未来气 候变化对陆地生态系统碳循环的影响。
例如，相较于普通二氧化碳监测方法，碳同位素示踪技术能更准确地识别出森 林生态系统的净初级生产力，从而为预测森林生态系统的碳储存和排放提供依 据。
2、农业和工业应用：在农业方面，通过给作物施加不同同位素比例的二氧化 碳，可以研究作物光合作用对二氧化碳的响应机制。在工业方面，碳同位素示 踪技术也被应用于检测和评估工业碳排放，为制定相应的减排政策提供依据。
内陆黑河流域植物稳定碳同位素变化及其指示意义
内陆黑河流域植物稳定碳同位素变化及其指示意义苏培玺;严巧娣【摘要】对黑河流域山地、绿洲和荒漠区木本植物叶片或同化枝进行稳定碳同位素分析得出,山地植物稳定碳同位素比率(δ13C)在-23‰～-29‰之间,平均值为-26.3‰;绿洲植物在-26‰～-30‰之间,平均值为-27.2‰;荒漠植物在-23‰～-28‰和-12‰～-15‰两个范围,平均值分别为-26.0‰和-13.8‰,严酷生境植物δ13C 值较高.同种植物在不同生境下的δ13C值,也表现为较差生境高于较好生境.荒漠河岸林树种胡杨(Populus euphratica)柳树形叶的δ13C值低于杨树形叶.无论是山区还是荒漠区,随着海拔高度增加,有些植物稳定碳同位素辨别力(Δ)减小,有些变化不明显,青海云杉(Picea crassifolia)的△值随着海拔升高线性递减显著.研究得出,荒漠植被中高水分利用效率(WUE)的C4植物占有一定比例.严酷生境下植物WUE高于较好生境.胡杨长条形叶的WUE最低,圆形叶的最高,由幼苗时期的柳树形叶向杨树形叶的演变中WUE在提高.青海云杉为黑河上游山区环境变化的重要指示植物.同种植物过高的δ13C值指示着植物的衰退和生境的严重胁迫.植物适应干旱环境是沿着有利于提高水分利用效率的方向发展.【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2008(028)004【总页数】9页(P1616-1624)【关键词】黑河;内陆河;稳定碳同位素辨别力;C4植物;水分利用效率;环境;青海云杉;胡杨【作者】苏培玺;严巧娣【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,临泽内陆河流域研究站,兰州,730000;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,临泽内陆河流域研究站,兰州,730000【正文语种】中文【中图分类】Q948干旱区内陆河流域由山地、绿洲和荒漠三大景观组成，上游山地受人类活动干扰少，为环境变化敏感区；中下游绿洲及荒漠是生态脆弱区，其环境变化成为人们关注的焦点。
稳定碳同位素技术在土壤植物系统碳循环中的应用
例如，在有机质的分解过程中，细菌和真菌会优先吸收轻同位素（如12C）， 留下重同位素（如13C）在土壤中。通过比较新老有机质中的碳同位素组成，我 们可以了解有机质的分解速率和土壤碳的动态循环。
此外，稳定同位素分析技术还可以用于研究土壤中的氮循环。在农田生态系 统中，氮的主要来源是施用的化肥。通过比较农作物、土壤和化肥中的氮同位素 组成，我们可以了解氮的矿化、固定和转化过程，以及氮在土壤-植物系统中的 迁移和利用效率。
3、土壤有机碳的固存和分解：土壤有机碳的固存和分解是土壤碳循环的重 要环节。稳定碳同位素技术可以帮助我们理解这个过程中的碳来源、传输和储存 机制。例如，当土壤中的有机物质分解时，其同位素指纹可能会发生变化，这为 我们提供了判断有机物质分解程度的重要线索。
4、农业实践的影响：农业实践如施肥、灌溉等都会影响土壤植物系统的碳 循环。通过稳定碳同位素技术，我们可以评估这些农业实践对土壤有机碳固存的 影响，从而为优化农业管理策略提供科学依据。例如，某些特定的肥料可能会引 入与当地土壤不同的碳源，这就可以通过稳定碳同位素技术进行识别。
参考内容二
引言
土壤碳循环是地球碳循环的重要组成部分，对于气候变化、生态系统功能和 农业生产等方面具有重要影响。准确理解和研究土壤碳循环过程是制定相关环境 政策和农业实践的基础。近年来，碳同位素技术得到了广泛应用，为土壤碳循环 研究提供了新的方法和视角。本次演示将介绍碳同位素技术在土壤碳循环研究中 的应用和意义。
稳定碳同位素技术在土壤植物系统 碳循环中的应用
目录
01 一、稳定碳同位素技 术的基本原理
03 三、前景展望
二、稳定碳同位素技
02 术在土壤植物系统碳 循环中的应用
04 应用价值的地球化学工具，尤其在理解和 解决土壤植物系统的碳循环问题中，其作用不容忽视。通过追踪碳元素的同位素 指纹，科学家们能够更好地理解碳的来源、传输和储存过程，进而为保护和改善 农业生态环境提供科学依据。
稳定碳同位素技术在植物水分利用效率研究中的应用
黔 南 民族 师 范 学 院 学 报 ２０ ０ ８年 第 ３期
稳 定 碳 同 位 素 技 术 在 植 物 水 分 利 用 效 率 研 究 中 的 应 用
刘 洋 ， 应 霞 文 治瑞 ，龙 － ，
（ ． 南 民族师 范 学院 生命 科 学 系， １黔 贵州 都 匀 ５ ８０ ； ５ ００ ２ 贵 州师 范 大学 生技 学 院 ， 州 贵 阳 ５００ ） ． 贵 ５０ １
水 分 是农 、 业 生产 主要 的限制 因子 ， 林 不管 是 在我 国北 方的干 旱 、 干旱 地 区 ， 是南 方 的喀斯特地 半 还 区 ， 资源 缺乏 都成 了 限制 当地 经济发 展 的最 大 因素 。因此 推行节 水农 业势 在必 行 ， 水 而节水 农业所 要解 决 的中心 问题 就是提 高农业 生产 中水 的利 用率 和 利用效 率 ， 前者属 于工 程 和农业 节水 措施 的任 务 ， 后者
Ａｂ ｔ ａ ：Ｐ ｔ ｓ ｎｔ ｓｓ ｉ ｅ ｐ ｎ ｉ ｌ ｏ ｎ ｆ ｈ ｏ ｔｓｇ ｉ ｃ ｎｔｃ ｂｏ ｓ ｔ ｐ ｃｆ ａ ｔ ｎ ｔｏ ｓｉ ｎａ ｕ ｅａ ｄ ｔ ｓｆ ｒ ｅ ｂ ・ ｓｒ ｄ ｈｏ ｏ ｙ ｈｅ ｉ ｓ ｒ ｓ ｏ ｓ ｂ ｅ ｆ ｒ ｏ ｅ ｏ ｅ ｍ ｓ ｉ ｎ ｆ ａ ａｒ ｎ ｉｏ ｏ ｉ ｒ ｃ ｉ ａ ｉ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｒ ｎ ｈｕ ｍｓｔ ａ ｏ ｈ
属生 物节水 （ 物高效 用水 ） 范 畴 。山仑 院 士 等 指 出 当水 的 流失 、 发 、 漏 得 到最 大 限 度地 控 制之 植 的 蒸 渗
后 ， 物本 身高效 用水 就显得 更 为重要 ， 进一 步实 现节 水增产 的潜力所 在 。 植 系 …
稳 定 同位素 是具 有相 同原子 和质 子序 数 、 不 同 中子 数 、 无 可测放 射性 的元 素形 式 。 自然界 中有 但 且 两 种稳 定 的碳 同位素 即 Ｃ和 ＂ 其 中 Ｃ占其总 量 的 ９ ．９ ， 余 的 １１％是 ” 。 自２ 纪 ５ Ｃ， ８８ ％ 其 ．１ Ｃ Ｏ世 Ｏ年
农田生态系统土壤碳循环中稳定同位素分析技术的应用研究
农田生态系统土壤碳循环中稳定同位素分析技术的应用研究摘要：农田生态系统土壤碳动态改变流程与制度调控，对于深化认知陆地生态碳循环系统与全球碳平衡的明确评估意义重大。
稳定碳同位素属于天然性示踪物，与放射性同位素比较，优势包括易控、无污染、安全性高，正广泛用于农田生态系统的土壤碳循环研究流程。
故此，本文就稳定碳同位素的研究模式，分析稳定同位素分析技术在农田生态系统土壤碳循环中的实践运用，仅供参考。
关键词：农田生态系统；土壤碳循环；稳定同位素分析技术；实践应用引言因人类活动与化石燃烧应以二氧化碳为首，这样大气之中的温室气体浓度就会增加，造成全球逐渐变暖。
要想解决大气的温室效应，作为全球环境中急需处理的一大难题，陆地生态体系的土壤学碳循环和大气之中的温室气体浓度改变密切相关，农田土壤的固碳潜力较大，但受到人们灌溉、施肥、耕种等管理方面的影响，农田土壤中的碳库质量会加速改变，不仅会让土壤肥力和作物产量发生变化，还会严重影响到全球环境。
所以对农田土壤碳动态的变化流程与制度调控加强认知，掌握土壤周转模式，深层认知陆地生态系统的碳循环流程与全球碳平衡的明确估算意义重大。
一、稳定碳同位素的研究模式当前稳定碳同位素（见图1）的常用检测方法包括光谱法、核磁共振、质谱法。
其中通用的稳定同位素分析中，质谱法属于最明确且最通用的方法。
稳定同位素的质谱法先让样品内部分子或原子进行电离，产生相似的同位素离子，而后在磁场及电场作用下，让不同质量和电荷之比离子流进行分开测量。
稳定同位素质谱仪不仅可以用来研究气体、固体，还能用来分析全部稳定同位素元素。
近几年，伴随化学生物元素的循环发展，借鉴同位素质谱，通常采用气体制备以及导入同位素质谱设备、痕量气体预浓缩同位素质谱设备联用技术的涌现，碳稳定同位素分析实现了飞速发展。
稳定同位素质谱仪测量同位素比率大概可以分成三个步骤（可见图2）。
图1 稳定碳同位素示意图图2 稳定碳同位素样品分析流程图二、稳定同位素技术在农田生态系统土壤碳循环中实践运用（一）土壤有机碳的来源以及周转规律（1）稳定碳同位素的示踪法。
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(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910274683.2
(22)申请日 2019.04.08
(71)申请人 榆林学院
地址 719000 陕西省榆林市榆阳区崇文路
55号
(72)发明人 薛璐 亢福仁 李强
(51)Int.Cl.
G01M 3/00(2006.01)
G01N 27/62(2006.01)
G01N 1/28(2006.01)
(54)发明名称利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO 2泄漏的方法(57)摘要本发明公开了利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO 2泄漏的方法，选取3种C 3植物和4种C 4植物，采用二氧化碳智能人工气候箱来模拟CCS 中CO 2发生泄漏后可能产生的超高浓度CO 2环境，植物在CO 2人工气候室培养的第10天、20天、30天分别采集植物样品，将样品用蒸馏水清洗干净，烘干；将干燥的植物叶片研磨过筛；用燃烧法收集植物完全燃烧后产生的CO 2，进行数据处理与分析。
本发明以C 3、C 4植物为研究对象，利用C 4植物稳定碳同位素组成(δ13C)可有效识别CO 2的泄漏，为识别与监测项目区是否发生CO 2的泄漏提
供参考依据。
权利要求书1页 说明书7页 附图4页CN 110132493 A 2019.08.16
C N 110132493
A
权 利 要 求 书1/1页CN 110132493 A
1.利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选取实验材料
选取7种典型植物，包括3种C3植物和4种C4植物，所有植物种子均由农业技术推广站提供，实验土壤采自封存地农田0～20cm土壤；
S2：实验与模拟
采用二氧化碳智能人工气候箱来模拟CCS中CO2发生泄漏后可能产生的超高浓度CO2环境；
S3：指标测定与方法
植物在CO2人工气候室培养的第10天、20天、30天分别采集植物样品，将所采集的样品用蒸馏水清洗干净，于70℃条件下烘干24h；然后，将干燥的植物叶片在研磨机中研磨后过200目筛；用燃烧法收集植物完全燃烧后产生的CO2，收集的CO2用MAT-251质谱仪分析碳同位素组成；
S4：数据统计与分析
利用Microsoft Office Excel 2010与origin 8.5进行数据处理与分析；利用SPSS 22.0 Two-way AVOVA法进行显著性分析。
2.根据权利要求1所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，所述二氧化碳智能人工气候箱由CO2人工气候室(1)、PID智能控制系统(2)、CO2气瓶(3)和气管(4)组成，CO2人工气候室(1)的底端安装PID智能控制系统(2)，CO2人工气候室(1)通过气管(4)连接CO2气瓶(3)上的气体控制阀(31)。
3.根据权利要求1或2所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，所述二氧化碳智能人工气候箱控温范围：0～50℃；控湿范围30％～95％RH；光照度：0～22 000Lux；CO2浓度量程到100 000μmol·mol-1，各参数均为多级可调，可根据实验需要设定目标值。
4.根据权利要求1所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，S2还包括如下步骤：
S201：首先在不通CO2气体的条件下，将8-10盆、4-5株/盆每种供试种植物培养至2-3叶期时，选择长势良好的6盆、1-3株/盆植物；
S202：在二氧化碳控制浓度下，定期浇水、固定施肥，培育30天。
5.根据权利要求4所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，CO2浓度分别控制在380(CK)、10 000、20 000、40 000、80 000μmol·mol-1，实验条件设置为白天12h：温度25℃，湿度80％，光强100％；夜晚12h：温度20℃，湿度80％，光强20％。
6.根据权利要求1所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，植物稳定碳同位素组成的表达式为：
δ13C＝[(13C/12C)sample/(13C/12C)stanaard-1]×1000
其中，(13C/12C)sample表示植物样品碳同位素比率，(13C/12C)standard为标准的PDB碳同位素比率，样品分析在中国科学院地球环境研究所进行。
7.根据权利要求4所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，利用logarithm函数Bradley方程进行拟合，得到10d、20d和30d时不同CO2浓度下3种C3植物和4种C4植物叶片δ13C的变化特征。
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