^(13)C稳定同位素在陆地生态系统植物-微生物-土壤碳循环中的应用

绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO_(2),是陆地生态系统的主要碳(C)源,量化光合C在植物-土壤系统间的分配,对于明确C的周转与存留、预测气候变化背景下植被和土壤C库潜力具有重要意义。^(13)C稳定同位素技术具有准确性和易操作性,在C循环研究中被广泛应用,为探究植物-土壤系统C分配、土壤微生物群落结构、C利用效率和土壤C矿化为CO_(2)通量变化等特性提供重要技术支撑。本研究首先介绍^(13)C稳定同位素的发展和标记方法,主要有^(13)C脉冲(单次与多次)标记、^(13)C连续标记、借助C_(4)土壤种植C_(3)植物确定^(13)C丰度以及不改变植被条件鉴定自然^(13)C丰度等。其次总结该技术在植物-微生物-土壤系统C循环中的应用:主要包括^(13)C同位素标记在植物-土壤系统C分配,^(13)C自然丰度技术在树木生长轮和植物群落水平C循环、土壤有机C形成与分解过程中的应用;在土壤微生物方面,概述^(13)C稳定同位素在磷脂脂肪酸、氨基糖、芯片-稳定同位素探针、纳米二次离子质谱同位素成像、荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术等微生物标志物上的应用。接着总结^(13)C稳定同位素方法的缺点,即^(13)C样品检测价格昂贵、由于^(13)C分馏作用影响^(13)C丰度检测不准确及^(13)C标记与微生物标志物技术结合对^(13)C标记丰度要求较高等。最后,对未来^(13)C同位素示踪技术研究提出展望:在理论上,需探究^(13)C标记底物在植物-土壤-微生物系统C分配、转化和固持的作用机制和影响机制,构建统计与验证模型;在应用上,应注重交叉学科的运用,将地理信息系统、遥感等地学技术与^(13)C稳定同位素相结合,从更广泛、更全面的角度推进陆地生态系统C循环研究。

稳定^(13)C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体固碳研究中的应用进展

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解直接影响陆地生态系统碳贮藏与全球碳平衡。土壤团聚体是土壤结构的物质基础和土壤肥力的重要载体,也是土壤有机碳的固定场所。稳定^(13)C同位素示踪技术是研究土壤碳动态变化的有效手段,能够揭示新输入碳在土壤及团聚体中赋存状态、周转过程以及微生物的调节机制。本文主要归纳与阐述了稳定^(13)C同位素示踪技术在农田土壤有机碳循环及土壤团聚体固碳机理方面的研究进展,提出^(13)C同位素示踪技术在未来土壤碳循环和固碳机制方面的主要研究方向。

稳定碳同位素δ^(13)C_1在煤层气田勘探中的应用

煤层气分布状态主要受控于两种地质效应:一种是热动力学机制控制下的同位素分馏效应,存在于煤层气生成期;另一种是甲烷δ13C1解吸-扩散-运移效应,存在于煤层气生成后,源于埋深变浅而造成的泄压条件下。文中以沁水煤层气田为例,探讨了沁水煤层气田煤层气δ13C1解吸-扩散-运移效应。认为可以利用煤层气δ13C1特征来评价煤层气保存条件和开采稳定性,指导煤层气田的勘探和开发。

激光频率调制吸收光谱测量钻井气样中甲烷^(13)C/^(12)C同位素比

本文利用激光频率调制吸收光谱技术,测量了钻井气样中甲烷^(13)C/^(12)C同位素比。该方法不仅精度较高,而且具有检测限低、光谱分辨率高、样品处理简单和快速测量等优点,可以为油气勘探提供一种有效的辅助手段。

会仙喀斯特湿地三种典型植物叶片碳同位素(δ^(13)C)特征及其指示意义

为探讨会仙喀斯特湿地不同生长环境下植物叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)、稳定碳同位素(δ^(13) C)特征及其生态学指示意义,该文以挺水植物芦苇、浮水植物水葫芦和沉水植物金鱼藻为研究对象,分析了三种典型不同生活型植物叶片的δ^(13) C特征及种间和微生境的差异,并基于植物碳同位素与碳酸酐酶显著正相关的二端元模型,估算了植物利用光合作用固定的碳酸氢根离子(HCO-3)的碳量。结果表明:(1)三种植物叶片δ^(13) C的变化范围为-28.47‰~-21.69‰,平均值为-24.83‰,不同生活型植物间δ^(13) C存在差异,金鱼藻>水葫芦>芦苇。(2)植物δ^(13) C值与叶片C、N和P元素含量间呈显著正相关,与C/N、C/P和N/P呈显著负相关关系,与底泥的有机质、速效氮、总氮、速效磷和总磷含量呈显著正相关。(3)会仙喀斯特湿地三种不同生活型植物叶片N/P平均值为10.34,表现出植物受N、P共同影响的特征。(4)δ^(13) C的变化特征,揭示了三种水生植物可能通过增加磷利用效率来促进低水分利用率环境下的碳的合成,通过提高植物水分利用效率的策略来代偿较低的氮素利用效率。(5)芦苇光合作用固定HCO-3碳量为159.60 t·a^(-1)·km^(-2),水葫芦为10.80 t·a^(-1)·km^(-2),金鱼藻为9.24 t·a^(-1)·km^(-2),平均值为59.88 t·a^(-1)·km^(-2)。会仙喀斯特湿地植物的不同生活型、光合作用途径和生长微环境,是影响叶片δ^(13) C变化的主要因素。

杭嘉湖平原典型水耕人为土的碳库构成与^(13)C稳定性同位素分布特征

采集杭嘉湖平原的黄斑田、青紫泥田和烂青紫泥田3种代表性水耕人为土分层土样,测定土壤有机碳、颗粒态有机碳和黑碳在土壤剖面中的分布,不同粒径团聚体与土壤颗粒中有机碳和黑碳的差异及13C稳定性同位素的剖面分异.结果表明:黄斑田土壤有机碳库低于青紫泥田和烂青紫泥田;颗粒态有机碳占土壤有机碳总量的10.6%～29.3%,并随剖面深度的增加而下降;黑碳占有机碳总量的4.2%～24.6%,在黄斑田和青紫泥田中随深度降低,而在烂青紫泥田中剖面上下差异不大;稳定性团聚体中有机碳和颗粒态有机碳含量随粒径增加而增加,而黑碳含量的高低与水稳定性团聚体颗粒大小无关;研究发现土壤中的黑碳颗粒较小,主要出现在粘粒"粒级中,随剖面深度增加黑碳颗粒趋向减小;同位素δ13C值:黑碳>总有机碳>颗粒态有机碳,随深度增加而增加.

气相色谱-同位素质谱(GC-C-IRMS)测定饮料酒中乙醇^(13)C/^(12)C比值方法研究

建立了以有机溶剂稀释法为前处理方法测定饮料酒中乙醇碳稳定同位素比率的气相色谱-燃烧-稳定同位素比值质谱法(GC-C-IRMS)。通过条件优化,在将乙醇稀释至8 g/L并采用Wax色谱柱进行有效分离后,可实现对乙醇中碳同位素比值的有效测定。结果表明,该法操作简便,稳定性好,准确度高,可为通过乙醇同位素比值差异实现饮料酒的真实性鉴别提供技术方法。

气相色谱-质谱法研究13C标记脂肪酸的同位素丰度和化学纯度

稳定同位素13 C标记的脂肪酸呼气试验被广泛地应用于医学临床研究。本实验利用脂肪酸在EI质谱中共有的麦氏重排碎片离子,建立了通用的稳定同位素13 C标记(羧基位或α位)短链及中链脂肪酸同位素丰度的气相色谱-质谱(GC/MS)检测方法,并考察了稳定同位素样品的"同位素记忆效应"和样品配制浓度对检测结果的影响。以上海化工研究院研制的乙酸-1-13 C和辛酸-1-13 C为样品,测得两者的同位素丰度分别为98.5%和98.7%,精密度优于0.06%;实验还发现,EI源和ESI源对中链脂肪酸辛酸-1-13 C同位素丰度的测定结果一致,且具有良好的精密度。该方法可以实现对13 C-脂肪酸同位素丰度和化学纯度的同时测定。

激光分离碳-13同位素的研究

以工业上广泛应用的氟里昂F-22为工作介质,用TEA CO_2 9P(32)激光对F-22进行多光子选择解离分离^(13)C同位素。反应池中焦点处的能量密度约3-5J/Cm^2,在室温下工作,F-22的气压增加到一个大气压以上时,^(13)的富集系数β值可达150以上。

中国大气田烷烃气碳同位素组成的若干特征

勘探开发大气田是一个国家快速发展天然气工业的重要途径。1991年至2020年,中国新探明大气田68个,促进2020年产气1925×10^(8)m^(3),成为世界第4产气大国。基于中国70个大气田的1696个气样组分和烷烃气碳同位素组成数据,获得中国大气田烷烃气碳同位素组成特征:①δ^(13)C_(1)、δ^(13)C_(2)、δ^(13)C_(3)和δ^(13)C_(4)的最轻值和平均值,随分子中碳数逐增而变重,而δ^(13)C_(1)、δ^(13)C_(2)、δ^(13)C_(3)和δ^(13)C_(4)的最重值,随分子中碳数逐增而变轻。②中国大气田δ^(13)C_(1)值的分布区间为−71.2‰~−11.4‰,其中生物气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−71.2‰~−56.4‰;油型气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−54.4‰~−21.6‰;煤成气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−49.3‰~−18.9‰;无机成因气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−35.6‰~−11.4‰;根据这些数据编制了中国大气田的δ^(13)C_(1)值尺图。③中国天然气δ^(13)C_(1)值的分布区间为−107.1‰~−8.9‰,其中生物气δ^(13)C_(1)值为−107.1‰~−55.1‰;油型气δ^(13)C^(1)值为−54.4‰~−21.6‰;煤成气δ^(13)C_(1)值为−49.3‰~−13.3‰;无机成因气δ13C1值为−36.2‰~−8.9‰;根据上述数据编制了中国天然气的δ^(13)C_(1)值尺图。

C_3植物稳定碳同位素组成与盐分的关系

植物在盐生环境中δ13C值的改变可能包含两个成分:一个是盐分对CO2的扩散、传递或光合速率的影响而引起的δ13C值的改变;另一个是光合途径的转换引起的δ13C值的变化,δ13C值的大小与诱导发生CAM或C4代谢的程度有关。植物组织的δ13C值随盐度的变化趋势除了与植物本身固有的耐盐性有关以外,盐度和胁迫时间是影响植物δ13C的重要因素。根据盐生条件下同位素分馏特点可知,盐生植物与非盐生植物的δ13C随盐度的变化趋势有所不同。对非盐生植物而言,在低盐度和短期的盐处理下,随盐度的增加和胁迫时间的延长植物的δ13C值增大,这个阶段限制光合作用的主要因素是气孔导度;但是如果盐度过低,δ13C变化很小,则难以表现出应有的相关性;随着胁迫的加强,当限制光合作用的非气孔因素成为主导因素时,由于光合作用受到强烈抑制(光合结构遭到破坏),δ13C将随之降低。对盐生植物而言,其δ13C与最适盐度有关。最适盐度下,植物的δ13C低于其它盐度条件下的δ13C值。盐生条件下,有些C3植物可能发生光合途径的转换,无论诱导发生的是C4代谢还是CAM代谢,δ13C值均趋于增大。但是,一般情况下,盐处理诱导的光合途径的改变对植物组织整体的δ13C的影响很小。在密闭环境中或郁闭林地,植物和土壤呼吸释放的CO2再次参与光合作用,也会改变植物的δ13C值。为了更加全面地考察植物δ13C与盐度的关系,需要设置较大的盐度范围和进行长期的胁迫处理,才能够获得相对充分的数据,才有利于全面分析植物δ13C值与耐盐性的关系。

海洋沉积物孔隙水中溶解无机碳（DIC）的碳同位素分析方法

海水中往往含有一定量的溶解CO2（以HCO3^-存在），其δ^13C值组成十分恒定，一般在0‰值附近。赋存在海底沉积物中的孔隙水往往含有比海水更高的溶解CO2含量，且其碳同位素组成变化极大。对这些溶解CO2的碳同位素组成进行分析，能够为我们了解海底沉积物沉积一成岩过程和生物地球化学过程提供十分丰富的信息。为此，开展了沉积物孔隙水中溶解CD2（DIC）的碳同位素分析方法的研究。

中国典型城市垃圾填埋场甲烷δ^(13)C特征研究

城市垃圾填埋场是全球甲烷源中具有可削减意义的重要人为甲烷源。甲烷13C同位素特征是区域和全球甲烷源源强恒算的一个重要定量因子。研究测得中国阿苏卫垃圾填埋场甲烷δ13C特征值的一般范围为-54 9‰～-49 0‰,反映出了城市垃圾填埋场普遍的甲烷δ13C特征。研究表明,在排气系统方面与国外垃圾填埋场的结构差异和特定的场地条件,使阿苏卫垃圾填埋场排气系统和覆土层排放的甲烷都经历了相当程度的氧化,二者的甲烷δ13C特征值差异并不显著,普遍略重于国外相应研究结果,显示出较为显著的氧化特征。

华南Pc-C过渡期深水相剖面的碳、氧同位素记录

本文对湘西三岔、杆子坪与贵州织金3个震旦纪—早寒武世深水相剖面进行了系统的碳氧同位素研究，研究表明，这3个剖面下寒武统底部都出现明显的δ^13C负漂移。其δ^13C在剖面上的变化规律与全球浅海相碳酸盐剖面相似。这可能是下寒武统海洋生物产率的降低而导致沉积碳酸盐的δ^13C负漂移。

太原市工、商业区PM_(10)中PAHs碳同位素组成及来源

利用中流量大气综合采样仪采集太原市工业区和商业区PM10样品,使用GCIRMS技术分析了PAHs的δ13C值(碳同位素组成),并根据碳同位素质量平衡计算了煤烟尘和机动车尾气对2类功能区的贡献率.结果表明:工业区PM10中PAHs的δ13C值在-26.0‰～-24.5‰之间,随环数增加呈贫13C趋势,与煤烟尘δ13C值的变化趋势一致,表明煤烟尘是工业区的一个主要污染源;商业区PAHs的δ13C值在-26.6‰～-26.2‰之间,较工业区显著贫13C,商业区与工业区的污染源有明显差异;除机动车尾气和煤烟尘外,工业区和商业区还有其他污染源输入,其中工业区有生物质燃烧排放输入,商业区有机动车曲轴箱润滑油残渣输入;煤烟尘和生物质燃烧对工业区的贡献率分别为59.3%～70.8%和29.2%～40.7%,表明工业区煤烟污染严重;机动车对商业区PAHs的贡献率在86.1%～95.8%之间,是商业区PM10中PAHs的主要排放源,其中润滑油残渣的贡献率(在40.9%～85.3%之间)最大,机动车尾气的贡献率在8.3%～54.9%范围内,而煤烟尘的贡献率(在4.2%～13.9%之间)最小.

天山北坡土壤有机碳δ^13C组成随海拔梯度的变化

本文选择天山北坡三工河流域作为研究区,基于碳稳定同位素技术,分析土壤有机碳(SOC)δ^(13)C值随降雨量的变化,研究不同海拔梯度土壤剖面δ^(13)C值随采样深度的变化。结果显示,三工河流域降雨量在300mm以下的采样点,SOCδ^(13)C值随降雨量的增加呈递减趋势(R2=0.97),而降雨量在300mm^500mm的采样点,δ^(13)C值随降雨量变化不明显(R2=0.04);三工河流域纯C3植物采样点土壤剖面δ^(13)C值随采样深度呈现明显的富集效应,即土壤剖面下层δ^(13)C值大于上层,其平均差值为1.01‰,与其他相关区域研究结果一致;而沙质荒漠和土质荒漠采样点剖面下层与上层SOCδ^(13)C平均差值为4.33‰,其变化趋势与纯C3植物采样点相反,且其表层δ^(13)C值接近C4植物来源,底层接近C3植物来源,推断其地上历史植被可能经历了由C3到C4的演替过程。

利用多年冻土区湖相沉积物中埋藏植物稳定碳同位素组成重建大气CO_2浓度

沉水植物碳同位素分馏同水中溶解无机碳浓度有一定的关系 ,因而可以通过青藏高原多年冻土区的湖相沉积物中埋藏沉水植物———龙须眼子菜 (Potamogetonpectinatus)植物屑的碳同位素组成重建该地大气CO2 浓度的变化情形 .研究结果表明 ,该地在 9 176 77kaBP间 ,大气CO2 浓度是整个研究时间段中最低的 ,其后在 6 774 5 6kaBP时期大气CO2 浓度增加 ,在 4 5 6 2 17kaBP之间 ,大气CO2 浓度是整个研究时间内CO2 浓度最高的阶段 .植物屑的碳同位素组成反映了溶解无机碳浓度的变化 ,从而可用以重建大气CO2

13CO2示踪不同化学形态氮素添加对高寒草甸植物光合碳分配的影响

外源氮素(N)输入陆地生态系统后会引起植物和土壤各碳库的变化,但是对不同化学形态氮素的长期输入如何影响光合碳在植物组织、土壤、土壤呼吸中的分配及转运知之甚少,尤其是对于氮输入引起光合碳分配变化进而作用于植物和土壤碳库的机制的认识还非常匮乏。基于在青藏高原矮嵩草草甸开展的不同化学形态氮素添加的长期实验,利用13C示踪方法揭示了光合碳在植物地上、地下组织的分配,及其随时间在土壤中的滞留和随土壤呼吸的释放。研究结果表明,外源氮素添加10年后,与对照未添加氮素处理相比,氨态氮处理下的地上生物量增加了49.5%,氨态氮处理下的地下生物量增加了111.3%。土壤中滞留的13C整体呈下降趋势,氨态氮处理下的土壤碳库显著高于硝态氮处理下的值。不同处理下的土壤呼吸中13C的滞留量随时间呈指数衰减的变化趋势,其中,硝态氮处理下的13C衰减最快。13C同位素标记后第1天测定植物茎和叶内的13C约占刚刚标定完茎和叶内13C的80%,不同处理之间没有显著性差异。直至标记后的第30天,茎和叶内13C的滞留量约占初始量的30%。硝态氮处理下的值在第21天和第30天显著低于对照和氨态氮处理下的值,表明硝态氮处理下,植物光合固定的碳在短期内迅速输入地下组织和土壤中。这些结果从机理上阐明了植物光合碳分配对不同化学形态氮素长期输入的响应,进而影响到土壤呼吸CO2的释放,以及对土壤碳库动态的贡献。加深了对高寒草甸土壤有机碳库稳定性维持机制的认识,能够为高寒草地的科学管理以及资源的可持续利用提供理论指导。

川东北石笋120～103kaB.P.稳定碳同位素记录与控制机制

石笋δ^13C的影响因素比较复杂，不同的洞穴甚至同一洞穴的石笋δ^13C值其变化趋势也存在很大差异。石笋中C可能的来源包括大气CO2，土壤生物来源的CO2（主要来自植物根系的呼吸作用和微生物活动对土壤有机质的分解），以及碳酸盐岩（石灰岩或白云岩）围岩。

西山区块煤储层含气性及甲烷碳同位素分布特征

煤层含气性是决定煤层气勘探开发的重要参数,煤层气甲烷碳同位素能有效反映煤层气的赋存条件。根据煤层气井实测含气量数据,剖析了山西沁水盆地煤层含气量分布特征,建立了煤层含气量与煤层埋深、地质构造之间的相关关系和模型,探讨了煤层甲烷碳同位素分布特征及其对含气性分布的指示作用。研究表明:西山区块2号煤层平均含气量6.87 m^3/t,8号煤层平均含气量8.4 m^3/t,9号煤层平均含气量7.6 m3/t,煤层含气量主要受煤层埋深和构造形态的影响。研究区8号煤层甲烷碳同位素为–65.33‰~–40.94‰,平均–45.88‰,煤层含气量与甲烷碳同位素之间成正相关关系,随着含气量的增加,甲烷碳同位素也逐渐变重。煤层甲烷碳同位素主要受控于煤层气解吸–扩散–运移效应和地下水动力作用等。