生态系统气体交换的环境同位素示踪
环境同位素示踪
交叉学科的融合
地球科学
与地质学、气象学等学科结合，深入探究地球 环境变化的同位素记录。
生态学
与生态学结合，研究生物地球化学循环过程中 同位素分馏机制。
化学分析技术
与先进的分析化学技术结合，提高环境同位素分析的灵敏度和精度。
全球环境变化研究的应用
气候变化研究
利用环境同位素示踪技术揭示气候变化过程 中水文循环、碳循环等过程的机理。
土壤侵蚀与流失
通过同位素示踪技术监测土壤侵蚀和流失状况， 了解土壤退化的原因和趋势。
生态系统研究
生态系统物质循环
利用同位素示踪技术追踪生态系统中的物质 循环过程，了解各元素在生态系统中的转化 和利用。
生态系统能量流动
通过同位素示踪技术监测生态系统中的能量流动过 程，了解能量的转化效率和利用效率。
生态系统生物地球化学过 程
利用同位素示踪技术揭示生态系统中的生物 地球化学过程，了解元素之间的相互作用和 转化规律。
03
环境同位素示踪的原理 与方法
同位素分馏原理
01
同位素分馏是指由于化学和物理过程导致同位素在物相之间发生富集或亏损的 现象。在环境科学领域，同位素分馏原理被广泛应用于示踪物质的来源、迁移 和转化过程。
02
生态研究
环境同位素示踪能够揭示生态系 统内部物质流动和能量转化，为 生态研究提供有力支持。
环境同位素示踪的历史与发展
历史
环境同位素示踪技术自20世纪50年代发展至今，经历了从简单标记到复杂标记、从单一元素到多元素标记的发展 过程。
发展
随着科技的不断进步，环境同位素示踪技术也在不断完善和提升，未来将朝着更高精度、更广泛的应用领域发展。
环境同位素示踪具有高灵敏度、高分 辨率和高精度等优点，能够提供物质 在环境中的详细动态信息，有助于深 入了解环境变化和物质循环。
稳定同位素示踪技术在生态学中的应用
稳定同位素示踪技术在生态学中的应用生态学是关于生物和环境互动关系的科学，它研究的核心问题之一是物质循环的过程和机制。
而稳定同位素示踪技术（Stable Isotope Tracing Technology）则是生态学中的一个重要工具，它通过对生物体内稳定同位素的监测和分析，揭示了生态系统中不同生物群体之间和物质之间的相互作用与循环过程，为我们深入了解生物和环境互动关系提供了有力支撑。
本文将从稳定同位素示踪的原理、示踪技术的种类以及它们在生态学中的应用等方面进行探讨。
一、稳定同位素示踪的原理稳定同位素示踪技术利用天然界中稳定同位素的相对丰度差异，来揭示各种生物或化学物质在环境中的循环和转化过程。
通俗地讲，自然界中存在着多种同种元素的同位素，其中相对丰度较高的同位素数量比较多，而相对丰度较低的同位素数量相对较少。
因为不同的同位素性质各异，所以它们在物质的各种过程中表现出不同的稳定性和反应活性。
比如水分子中氢原子的同位素就有稳定的氢-1、氘-2和氚-3，其中氢-1相对丰度最高，氚-3相对丰度最低。
同样，空气中的二氧化碳分子中碳原子也有稳定的碳-12、碳-13和碳-14，其中碳-12相对丰度最高，碳-14相对丰度最低。
这种差异可以利用质谱仪等仪器对稳定同位素进行检测和分析，从而揭示物质在生命体内和生态系统中的各种过程和转化。
二、示踪技术的种类稳定同位素示踪技术是一类复杂的实验手段，它可以应用于各种生物或化学物质的追踪和定量分析。
在生态学中，常用的示踪技术主要包括以下几种。
1. 激光荧光同位素比值仪激光荧光同位素比值仪是最常用的稳定同位素比值分析仪器，它通过激光诱导荧光技术，将样品中的稳定同位素分子转化为高能态激发态分子，利用荧光发射光谱测量不同同位素所发射的光谱波长，从而计算出它们的相对丰度比值。
2. 气相色谱质谱仪气相色谱质谱仪是目前最灵敏、最精确的稳定同位素示踪仪器，它能够检测不同同位素分子的相对丰度比值，常用于确定各种生物分子、尤其是蛋白质和氨基酸等化合物的同位素组成，以及微生物群体和植被的碳、氮同位素参量等方面的研究。
同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析
同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析随着全球环境问题的日益突出，环境科学的发展成为当今最重要的研究领域之一。
其中，碳循环作为全球气候变化研究的核心，对了解地球系统的动态变化具有重要意义。
同位素示踪技术作为一种精确而灵敏的分析工具，日益被应用于环境科学中的碳循环解析，为我们深入了解碳循环机制和评估人类活动对环境影响提供了重要的手段。
首先，我们需要了解碳循环在环境科学中的重要性。
碳循环是指地球上碳元素在不同环境介质（如大气、水体、土壤等）之间的相互转化与平衡过程。
这种平衡是复杂而脆弱的，任何外界因素的干扰都会对地球系统产生重大影响。
例如，二氧化碳是温室气体的主要成分之一，其排放和吸收的不平衡将导致全球气候变化。
因此，准确地了解碳循环的机制和过程，对于评估和预测气候变化以及环境管理具有重要意义。
同位素示踪技术作为一种用来标记物质的方法，已经被广泛应用于环境科学领域。
其中，碳同位素示踪技术是研究碳循环的重要手段之一。
碳元素有两种主要的同位素：碳-12和碳-13。
这两种同位素在自然界中的丰度比例是稳定的，但由于环境变化和生物过程的影响，不同介质中同位素丰度的比例会发生变化。
通过测量碳同位素的丰度变化，我们可以推断出碳元素的来源和转化过程。
具体来说，同位素示踪技术将标记同位素（如放射性同位素碳-14）引入环境介质中，然后测量标记同位素与自然同位素的丰度比例变化。
通过对比不同介质中同位素丰度的差异，我们可以推断出碳的运动路径和转化过程。
例如，通过测量大气中二氧化碳中碳-14的丰度，可以估算出大气中二氧化碳的存活时间和源头，从而了解大气中二氧化碳的增长机制。
类似地，同位素示踪技术还可以揭示碳元素在土壤中的储存和释放过程，以及海洋中的碳沉积和迁移等。
同位素示踪技术在环境科学中的应用具有广泛的研究领域。
首先，它可以帮助我们了解全球碳循环过程。
通过对不同环境介质中同位素丰度的测量，可以追踪碳元素在大气、水体和陆地之间的相互转化和平衡过程。
第11章.环境同位素示踪.ppt
Microbial community
Stabilized SOM
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：
Ca Cb Cs
由同位素守恒，有
13Ca Ca 13Cb Cb 13Cs Cs
合并以上两式并整理，最终有
13Ca C（b 13Cb 13Cs）C1a 13Cs
由上式，13Ca VS 1/Ca作图，直线在Y轴 的截距即为13Cs
1.δ 18O示踪和Keeling Pot用于区分田间 蒸散组分
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：
V
Ca (a
ET
)(
1 CV
)
ET
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：袁国富等.利用原位连续测定水汽 δ18O值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分.植物 生态学报 2010, 34 (2): 170–178
环境同位素示踪
中国农业大学 齐孟文
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。
陆地温室气体排放的同位素示踪检测技术
陆地温室气体排放的同位素示踪检测技术齐孟文中国农业大学自工业化以来，由于人类活动产生的温室气体，如CO 2、CH 4和N 2O的排放，所致的大气臭氧层的破坏和产生的生态温室效应，已经引起国际社会和学术界的强烈关注，并在联合国主导下建立了联合国气候变化框架公约，用于约束和减少温室气体的排放，温室气体的研究和数据监测是履行该公约的技术支撑，因此成为基于全球或区域性通量网协助研究的重要内容。
在全球和区域规模或具体的实践上，同位素示踪、尤其环境同位素原位示踪技术，结合常规的通量分析方法，如箱式法和涡度相关法，是开展温室气体源汇关系、来源解析和形成机制等研究的重要手段。
1.通量监测1）静态箱体法静态箱法是一种对土壤、水体、和植物群落界面微量气体通量进行定点测定的装置。
箱体由无底的底座和有盖的箱体组成，有盖箱体可方便开启和封盖。
测量时，盖上箱体盖并用水或胶条与底座密封，将测量的下垫面封围起来,保持箱内空气不与外界有任何交换,在一定的顺序时间间隔对箱内待测气体的浓度进行测量,得到被测气体浓度随时间的变化率,然后采用如下公式计算通量。
dtdC T T P P A V F 00g g ⋅⋅⋅⋅=ρ 式中，V 为箱内空气的体积，为底面积，为测量时刻箱内被测气体的体积比浓度，A C g ρ为被测气体标准状态下的密度，T 和P 箱内空气的绝对温度和气压，下角标0表示标准状态。
静态箱法最大优点是简单和易于操作，但的缺点是改变了被测界面空气的自然湍流状态,这种改变可能明显影响界面气体交换，而使测得的排放通量值偏离实际情况。
[举例] （刘孝富等.嵌套式静态采样箱的设计及其在稻田甲烷通量监测中的应用. 环境工程技术学报,2011,1(6):538-543采样采样时盖上盖后静止，采集箱内初始样，记为0号样，然后开启小风扇，混合箱内气体，每间隔取样1次，连续取样7次，依次编号为1～，结果见表。
min 2min 107计量对各测量点的甲烷浓度随时间变化求线性回归，由斜率得浓度变化率为，平均为，由文中推算箱体高度为，且测定时箱内温度为，则甲烷通量为424.0227.0−min mg/m 3⋅min 32mg/m .03⋅54m .0C 250dt dm h T273273dt dc h T 273273F ⋅⋅+=⋅⋅+=ρ h 7mg/m .96032.054.0252732732⋅=×××+= 2）涡度相关法这是一种利用微气候观察站点，基于测定被测微量气体浓度与测量下垫面垂直方向上速度的协方差而测定通量的方法。
同位素示踪法的来源及其在中学生物教学中的应用
同位素示踪法的来源及其在中学生物教学中的应用摘要：同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。
同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。
关键词：同位素示踪法原理应用同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。
Hevesy于1923年首先用天然放射性212Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。
继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。
一、同位素示踪法的来源、基本原理和特点同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。
1、灵敏度高放射性示踪法可测到10^(-14)－10^(-18)克水平，即可以从10^(15)个非放射性原子中检出一个放射性原子。
2、方法简便放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤。
体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的y射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到了非破坏性分析。
3、符合生理条件在放射性同位素实验中，所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的重量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。
二、示踪实验的设计原则设计一个放射性同位素的示踪实验应从实验的目的性、实验所具备的条件和对放射性的防护水平三方面着手考虑。
1、实验准备阶段（1）示踪剂的选择。
一般情形是根据实验目的和实验周期长短，来选择具有合适的衰变方式、辐射类型和半衰期，且放射毒性低的放射性同位素。
[讲解]同位素示踪法
![[讲解]同位素示踪法](https://img.taocdn.com/s3/m/8456fb66dd88d0d232d46aaa.png)
[讲解]同位素示踪法同位素示踪法同位素示踪法在高中生物学实验中的应用同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。
同位素示踪法是生物学实验中经常应用的一项重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。
用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。
在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下:1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程把具有反射性的原子参到合成蛋白质或核酸的原料(氨基酸或核苷酸)中，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径、运动到哪里以及分布如何。
2 研究分泌蛋白的合成和运输用3H标记亮氨酸，探究分泌性蛋白质在细胞中的合成、运输与分泌途径。
在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。
例如，通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网?高尔基体?细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。
3 研究细胞的结构和功能用同位素标记氨基酸或核苷酸并引入细胞内，探测这些放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。
4 探究光合作用中元素的转移利用放射性同位素18O、14C、3H作为示踪原子来研究光合作用过程中某些物质的变化过程，从而揭示光合作用的机理。
例如，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。
他们用氧的同位素18O 分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验:第一组向绿色植物提供H218O和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。
同位素示踪技术在生态环境中的应用
同位素示踪技术在生态环境中的应用同位素示踪技术是一种利用同位素自身特殊性质对物质运动及其转化过程进行研究的技术。
在生态环境中，同位素示踪技术已经成为了研究生物地球化学过程的有力工具，已经被广泛应用于生态系统生产力、物质循环、净沉积、气候变化等多个领域。
同位素示踪技术通过对同位素分布的研究和分析，可以揭示生态系统中各种生物地球化学过程的发生和变化规律，对生态系统内部和外部因素的控制和调节机制的认识和了解起到了重要的作用。
各种同位素分析技术已经被广泛应用于生态环境研究中。
例如，13C同位素标记技术广泛用于分析生态系统中的碳循环变化；15N同位素标记技术可以用于研究氮固定、硝化和脱氮等过程；18O同位素还可以应用于物质循环和水循环的研究中。
根据同位素的特点，同位素示踪技术主要分为放射性同位素示踪和稳定同位素示踪。
放射性同位素示踪一般应用于生态系统中的动态研究，通常采用同位素标记物进入生态系统，通过监测放射性同位素的衰变，来研究生物地球化学过程。
稳定同位素示踪则应用在生态系统的静态研究中，主要通过植物、土壤、水等样品中稳定同位素的分析来研究生态系统中的物质循环和生物生产力状况。
同位素示踪技术在生态环境研究中的应用已经得到了广泛的认可，同时也有了一些实际的应用案例。
例如，在生态系统净沉积的研究中，同位素示踪技术可以用来计算净沉积速率、元素输入输出以及沉积物的来源等。
在洪水期间，物质的输送速率、沉淀的沉积速率也会出现剧烈的变化，这些变化可以通过同位素示踪技术来研究。
同样，在全球气候变化中，稳定同位素示踪技术可以帮助研究人员了解全球气候变化和生态系统之间的关系。
总而言之，同位素示踪技术已经成为生态环境研究的重要手段之一。
通过同位素示踪技术可以更好地了解生态系统内部和外部因素的控制和调节机制，同时也可以对生态系统的保护和管理提供有力的支持。
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使用H2O中的O或H同位素信号进行ET配分的 基础是：蒸发的水汽会贫化同位素，而蒸腾一般 则不会，其保持植物水源的同位素构成，因此二 者的同位素信号明显不同，可以使用单同位素两 端源物混合模型进行分析。
生态系统气体交换的环境同位素示踪
图.生态系统H2O和CO2 交换过程中，主要成 分的同位素构成和重 要的分馏过程。数据 是大概值，随地理位 置和环境条件可以有 很大的变化。光合作 用（贫化吸收），重 同位素倾向于在大气 中富集，而呼吸作用 （贫化释放），重同 位素倾向于在大气中 贫化；叶片的蒸腾和 土壤蒸发过程的同位 素信号有明显区分， 根和土壤的呼吸也不 同。
2.2 温室气体CO2 陆生土壤是全球生态系统CO2通量的主要来
源，其包括地上和地下生态圈，地下又包括自养 （根、根际微生物）和异养（凋落物、土壤有机 质）呼吸，而对不同成分碳通量的测定，是了解 生态系统碳收支平衡及其环境响应的关键。
参考文献：The application and interpretation of Keeling
生态系统气体交换的环境同位素示踪
由于不同来源的气体常具有独特的同位素指 纹特征，或在单向演化过程中具有明显的分馏效 应，因此天然环境同位素具有表征来源的示踪特 性，常用于生态系统中气体交换过程的研究。
通常的测量一般不能规避大气背景，测量的是 发射源和大气背景的混合样品，此时可结合气体 浓度和同位素分析，根据同位素质量守恒方程， 利用keeling作图的方法，方便地求得发射源的同 位素 值，在此基础上进而计算各发射源的相对 贡献，这已成为环境生态问题研究的重要工具。
生态系统气体交换的环境同位素示踪
采用两源混合模型，蒸腾的相对分数有如下
（5） 式中， 为相应源的同位素，可通过keeling作 图求得，即水汽源（E、T和ET）同位素的 值为keeling方程的y截距。
（6） 蒸式散中源，水M汽、同A和位素S分的别是。混合水汽、大气环境和
生态系统气体交换的环境同位素示踪
生态系统气体交换的环 境同位素示踪
2020/11/26
生态系统气体交换的环境同位素示踪
1.概述 陆地生态系统-大气界面的气体交换，如
CO2、N2O、CH4和H2O等，是生态系统中物质循 环及其平衡的重要过程，在不同的时间和空间尺 度上，测量和配分交换气体各成分的通量，研究 其环境响应，分析源汇关系及平衡过程，是深入 了解人类活动与生态的相互关系，构建功能生态 环境和可持续发展战略的要求。
上式为 y=a/x+b形式的线性方程，是keeling作图 （e—1/Ce）的基础，Ca（a- s）是线性关系 的 以斜得到率发a，射s源是的y截距值b。，通过线性回归求解，可
生态系统气体交换的环境同位素示踪
由以上推导可知，要满足keeling作图的线 性条件，测定期间需使大气背景的浓度及其同位 素 值和发射源的 值都保持稳定，为此常采用 静态箱法，按一定时序取样；在冠层尺度上研究 CO2气体的交换时，需在夜间于特定层恒定高度 上进行采样测定。
plots in terrestrial carbon cycle research. GLOBAL BIOGEOCHEMICAL CYCLES, VOL. 17, NO. 1, 1022
生态系统气体交换的环境同位素示踪
图.CO（2交换13C的s）keeling作图。两端源：发射源CO2 和定背用景圆源圈表CO示2（。13Cb）用实心圆表示，样品测
一般方法 蒸汽流成分的同位素 值测定：ET
（evapotranspiration）和E（evaporation）的 测定采用静态箱集气法，在包括植物和裸露地面 上分别测定，可以在田间用激光同位素分析仪 （QLC）测定或通采集气体带回实验室由同位素 质谱仪（IRMS）测定，而T（transpiration）采 用植物叶室法测定。
生态系统气体交换的环境同位素示踪
对于两个端源a和b的混合系统m，来自a源的 相对贡献分数fa为
（4）
生态系统气体交换的环境同位素示踪
2.应用 2.1水汽（H2O）
蒸腾蒸发（ET）是与作物生长密切相关的 水汽循环过程，其由蒸发（E）和蒸腾（T）两个 不同过程构成，提高作物的蒸腾而减小蒸发，是 应对日益紧迫的水源限制，提高水分管理能力的 途径，为此需要确定蒸腾的相对贡献及其环境响 应，同位素测定为区分蒸腾和蒸发提供了基本手 段，同时也有助于了解作物水分使用动态及其与 环境的作用。
生态系统气体交换的环境同位素示踪
凋落物对CO2通量的贡献 利用采集ห้องสมุดไป่ตู้在补充化石燃料CO2温室中生长
的树苗，所产生凋落物为试材，由于其同位素是 贫化的，降解产生的CO2的同位素可与其它土壤 成分（根、根际呼吸和土壤有机质矿化）的相区 分，用以估算新鲜的凋落物降解对土壤CO2通量 的贡献。实验设对照凋落物和贫化凋落物两个处 理，两凋落物初始时的13C分别为-30.32‰和49.96‰。
生态系统气体交换的环境同位素示踪
理论方程 在大气环境下，为监测某一气体发射源或整
合发射源，利用物质及同位素守恒关系，有 （1）
（2）
式中，C为摩尔浓度， 为同位素的相对丰度， 下角标e、a和s分别表示生态环境、大气背景和 发射源或整合发射源。
生态系统气体交换的环境同位素示踪
结合（1）和（2），有 （3）
生态系统气体交换的环境同位素示踪
相关计算 利用单同位素线性混合模型，凋落物对土壤
总CO2的相对贡献为 （7）
式中， 两个端源物分别是凋落物L和地下土壤 （ 壤包CO括2的根总和通土量壤，有其机质可）由BkGe的eClinOg2作通图量确，定F是，土而 BG可通过以下假设求得：
生态系统气体交换的环境同位素示踪
参考文献：Partitioning of evapotranspiration using a
stable isotope technique inan arid and high temperature agricultural production system. Agricultural Water Management 179 (2017) 103–109