高分辨率气体同位素质谱法测定氢同位素丰度

氢同位素丰度的准确定量对验证氢同位素分离装置的分离效果非常重要,为此,本研究建立了高分辨率气体同位素质谱(HR-IRMS)法测量全范围氢同位素丰度。确定了质谱的线性进样压强范围4~33 Pa与三原子离子产生率的影响因素,三原子离子产生率与进样压强的平方成正比,与离子源加速电压负相关,加速电压应大于8 V;通过自制标准气体制备装置,配制了平衡态的氢同位素标准气,并校正了进样系统分馏效应和各组分灵敏度的差异,验证了该质谱进样方式为严格的分子流进样。采用所建立的方法测量低、中、高不同氘丰度的样品气体。结果表明:对于天然氘丰度的样品,测量外精度小于1%;对于中、高丰度的样品,测量外精度小于0.5%;测量值与标称值吻合良好。与低分辨率的质谱分析方法相比,该方法简单可靠、无需解析质量重叠峰、测量结果准确性不依赖于样品中氢同位素的平衡程度。

不同春小麦品种碳同位素分辨率和叶绿素含量的差异及其与抗旱性的关系

为了研究不同春小麦品种年际间碳同位素分辨率(Δ)的稳定性及其与叶绿素含量的关系,选择不同生态区的小麦品种,分析不同年份不同品种Δ及不同部位Δ的差异,并分析了Δ与叶绿素含量的关系。结果表明,不同年份同一品种的Δ差异很小,稳定性好,同一年份不同品种的Δ差异较大,旱地小麦品种的Δ低于水地小麦品种。同一品种不同部位Δ存在较大差异,叶片Δ与茎秆Δ很接近,且高于籽粒Δ。不同品种的叶绿素含量差异较大,旱地小麦品种的叶绿素含量低于水地小麦品种,Δ与叶绿素含量呈极显著正相关。

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。

杨树稳定碳同位素分辨率与水分利用效率和生长的关系

测定7个1.5年生杨树无性系的功能叶、当年生枝和树干的Δ13C,并转换成WUE,同时用气体交换法测定这些无性系的瞬时WUE。结果表明:杨树叶、枝、干的Δ13C依次显著降低,对应的不同时间尺度的WUE则依次显著增大;用气体交换法和叶Δ13C评价7个参试无性系的结果基本一致,用当年生枝Δ13C与用树干Δ13C的评价结果基本一致,但用气体交换法、叶Δ13C的评价结果与用枝Δ13C、干Δ13C的评价结果差异很大;枝Δ13C和干Δ13C与树高、胸径间有显著正线性相关,而叶Δ13C与生长的相关性不明显。枝、干Δ13C不仅可作为评价不同杨树无性系整株水平长期水分利用效率的良好指标,而且还有可能被用于预测和评价良好水分条件下杨树的生长潜力。

水分和氮磷水平对小麦碳同位素分辨率和水分利用效率的影响

依据盆栽试验数据 ,利用植物稳定性碳同位素分辨率的理论模型 ,研究了水分和氮磷营养对小麦叶片碳同位素分辨率 (Carbon- isotope discriminationΔ)的影响。结果表明 :水分差异引起碳同位素分辨率较大变异 ,碳同位素分辨率随土壤相对含水量 (Soil relative water content)的提高而提高 ,在土壤相对含水量为 6 0 %～ 70 %条件下碳同位素分辨率最高。缺水时磷水平提高 ,碳同位素分辨率提高。水分利用效率 (Water use efficiency)与碳同位素分辨率关系受土壤水分和养分水平的影响。缺水条件下水分利用效率与碳同位素分辨率之间为负相关 ,充分供水下为正相关 ;在低氮水平下的关系不明显 ,施氮 15 0 kg· hm- 2时相关性显著。

春小麦碳同位素分辨率的替代指标研究

于2005年在宁夏灌区设3个试验点(银川2个点,惠农1个点),采用不同的灌溉方式(即充分灌溉条件和有限灌溉),在春小麦的抽穗期、灌浆期、成熟期对20份春小麦材料测定各生理及农艺指标,并对其相互关系进行统计分析研究。结果发现:不同试验处理的抽穗期旗叶碳同位素分辨率与灌浆期旗叶比叶重呈负相关,与成熟期旗叶灰分含量呈正相关;籽粒灰分含量与成熟期籽粒碳同位素分辨率呈负相关。本研究结果认为:籽粒灰分含量可作为籽粒Δ的替代指标来预测小麦基因型的蒸腾效率和产量,成熟期旗叶灰分含量及灌浆期比叶重有望作为旗叶碳同位素分辨率的替代指标。

冬小麦碳同位素分辨率与产量、旗叶光合性状的关系

为了明确不同水分环境下冬小麦碳同位素分辨率(Δ13C)与产量、光合相关性状之间的关系,研究以12份不同时期育成的主栽冬小麦品种为材料,在水(WW)、旱(WS)两种条件下研究碳同位素分辨率、籽粒产量、光合性状及旗叶气孔密度之间的相互关系。结果发现:光合速率、Δ13C、气孔导度、旗叶叶绿素含量、籽粒产量5个性状在干旱胁迫下表现为下降趋势,且与正常灌溉差异极显著;在两种水分条件下,气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率和Ci/Ca间均呈现极显著的正相关,籽粒Δ13C与籽粒产量均呈正相关,且正常灌溉条件下Δ13C与籽粒产量具有更高的相关性(0.27 WS;0.51 WW);干旱胁迫条件下,Δ13C与光合速率、气孔导度、E、胞间CO2浓度和Ci/Ca均呈正相关,其中与Ci/Ca显著相关;灌溉条件下,Δ13C与光合速率呈负相关(-0.42),与其它4个光合性状无显著相关性;Δ13C与旗叶表皮气孔密度均呈负相关(-0.49,-0.21 WS;-0.56,-0.61WW),其中在灌溉条件下与旗叶下表皮气孔密度呈显著负相关,旗叶表皮气孔密度受开花、灌浆期干旱胁迫影响小,稳定性好。研究表明,灌浆初期的旗叶气孔密度可以作为Δ13C的潜在替代指标。

不同水分条件下小麦碳同位素分辨率的遗传分析和QTL定位

为探讨小麦碳同位素分辨率（△）与抗旱性及产量性状的关系,以小麦品种宁春4号和宁春27号杂交构建的重组自交系（RILs）群体为材料,分析△在不灌水（W0）、灌1水（W1）、灌2水（W2）和灌3水（W3）四种水分条件下与其他不同性状间的遗传相关性,并定位控制小麦△的QTL位点。结果表明,△在RILs群体中呈双向超亲分离,分布频率表现为正态分布。随着干旱胁迫的增强,△值降低,RILs株系间的△变异程度增大,△双向超亲分离的比例增加。四种水分处理下叶片△与千粒重、穗粒重均呈负相关。穗粒重（Y）与△（X1）、叶绿素含量（X2）、千粒重（X3）的回归方程为：Y=0.056-0.110 X1＋0.046 X2＋0.037 X3,表明在适度干旱条件下低△影响了穗粒重。采用QTL IciMapping 4.0对△进行QTL检测,共检测到5个QTL,其中位于7B染色体上的有3个,位于5B和3D上的各1个。位于7B染色体上的3个QTL是在W0、W2和W3三种水分条件下分别检测到的,且W0和W3下检测到的2个QTL的标记区间相同（barc267~gwm46）,其中Q△-7B.3对△表型的贡献率达到40.3%。

不同灌水条件下春小麦不同器官碳同位素分辨率与产量的相关性

为确定碳同位素分辨率(Δ13 C)用于春小麦高产节水品种选育的最佳测定时期和器官,以2个小麦地方品种、14个育成品种(系)和2个引进品种为试验材料进行不同灌水处理,分析了小麦旗叶、茎秆和籽粒Δ13 C值的差异及其与产量的相关性。结果表明,同一品种不同部位Δ13 C存在较大差异,籽粒Δ13 C均低于开花期旗叶和基部秸秆、成熟期旗叶和基部秸秆的Δ13 C。小麦材料相同部位的Δ13 C在中度水分胁迫处理(T2)下低于其他灌水处理(T1、T3和T4),在T2和轻度水分胁迫处理(T3)下,拔节期旗叶Δ13 C与产量均呈显著负相关;在T3处理下,成熟期籽粒Δ13 C与产量呈显著正相关。

苜蓿叶片碳同位素分辨率与水分利用效率的关系

在宁夏中部荒漠草原区设置三种水分处理,种植了10个遗传背景不同的紫花苜蓿(Medicago sativa L.)品种,分析了不同组分Δ^(13)C与蒸腾蒸发量(ET)、水分利用效率(WUE)和产量的关系。结果表明:随着灌水量的增加,苜蓿不同茬次干草产量、ET、叶片Δ^(13)C、叶片可溶糖Δ^(13)C和第一、第三茬WUE显著增加,但第二茬WUE降低。叶片Δ^(13)C在第一茬低水条件下(T1)与ET显著负相关,在第二茬T1和中水(T2)条件下与WUE显著正相关、在第二茬T1条件和第三茬高水(T3)条件下均与产量显著正相关。叶片可溶糖Δ^(13)C在第二茬T1条件下与ET呈显著负相关、与WUE显著正相关,在第三茬T3条件下与ET和WUE显著正相关,在第一、第三茬T3条件下与产量显著正相关。在全年尺度(三个茬次)上,叶片Δ^(13)C在三种水分处理下均与WUE显著正相关(P<0.01),叶片可溶糖Δ^(13)C仅在T1和T2条件下与WUE显著正相关(P<0.05)。综合分析认为:在宁夏荒漠草原有灌溉条件(200~990mm)下选择高叶片Δ^(13)C的苜蓿基因型有利于提高长期水平的WUE。

小麦不同器官碳同位素分辨率与产量的相关性研究

为研究利用碳同位素分辨率(Δ13C)作为小麦高产节水品种鉴定指标的可靠性,筛选最佳测定器官,以20个西北地区小麦地方品种和育成品种(系)为试验材料,在宁夏地区有限灌溉条件和雨养条件下,于2006—2008年连续3年测定分析了各品种旗叶和籽粒、2年测定分析了基部茎秆的碳同位素分辨率(Δ13C值)及其与产量的相关性。结果显示:有限灌溉条件下,旗叶的Δ13C与产量的相关性只有2008年达到了显著正相关,相关系数为0.503*,另外2年的相关不显著;籽粒Δ13C与产量的正相关2年达到了极显著水平,相关系数分别为0.601**和0.611**,另外1年相关不显著;基部茎秆的Δ13C与产量的正相关2年均达到了极显著水平,相关系数分别为0.781**和0.561**。而雨养条件下叶片、籽粒和基部茎秆的Δ13C与产量的相关都不显著,但从不同品种的Δ13C和产量结果发现低Δ13C材料在雨养条件下具有较高的产量。在此研究有限灌溉条件下利用碳同位素分辨率作为小麦产量的鉴定指标,其最佳测定器官是成熟期的基部茎秆。

碱性盐胁迫对3种灌木碳同位素分辨率、光合参数及矿质元素的影响

为了明确3种灌木耐盐碱能力,为盐碱地抗逆性灌木筛选提供优质植物资源。本文通过盆栽试验,比较研究了大洋洲滨藜(Atriplex nummularia)、四翅滨藜(Atriplex canescens)和宁夏枸杞(Lycium barbarum L.)3种灌木在不同浓度Na HCO3胁迫条件下生长、碳同位素分辨率(Δ13C)、光合参数和矿质元素含量的变化,为盐碱地优良抗逆性灌木筛选提供必要的理论依据。结果表明,3种灌木随着胁迫浓度的增加,净生长量呈先增后降的趋势,即150 mmol·L-1Na HCO3胁迫时,净生长量最高。大洋洲滨藜和四翅滨藜随着胁迫浓度的增加,净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)和气孔限制值(Ls)呈先增加后降低的趋势,胞间CO2浓度(Ci)呈先降低后增加的趋势。宁夏枸杞随着胁迫浓度的升高,Pn、Gs、Tr和Ls降低;3种灌木的碳同位素分辨率△13C在低浓度胁迫时与对照相比升高;3种灌木灰分含量随胁迫浓度的升高均呈下降趋势;四翅滨藜的矿质元素K和Ca含量在低浓度胁迫时与对照相比增加,Na含量与对照相比降低;大洋洲滨藜和枸杞K和Ca含量随着胁迫浓度的升高总体呈下降趋势,Na含量呈升高趋势。3种灌木的△13C分别与WUE、灰分、K和Ca呈正相关关系,大洋洲滨藜和宁夏枸杞的△13C与矿质元素Na呈负相关。由此说明,适度的碱性盐胁迫能够促进大洋洲滨藜和四翅滨藜的的生长,增加其生物量,提高了光合效率。

春小麦碳同位素分辨率与水分利用效率的相关性

以20个春小麦基因型为材料,研究了其旗叶和籽粒的碳同位素分辨率及水分利用效率在宁夏的两种生态条件下(有限灌溉地区和雨养地区)连续3 a的变化与相关性。结果表明,WUE、ΔLa、ΔGm存在年际间、试验地点间、基因型间的差异,基因型与环境互作效应不显著。ΔLa与ΔGm相关性较好,但WUE与ΔLa、ΔGm的关系存在年际间的变化,高WUE品种的筛选应该将碳同位素分辨率与其它生理生化或农艺指标相结合。

春小麦碳同位素分辨率与冠层温度的相关性研究

为寻找碳同位素分辨率(Δ13 C)的替代指标,以宁春4号×宁春27号的F7代品系为供试材料,研究了有限灌溉和雨养2种生态条件下春小麦Δ13 C、冠层温度、籽粒产量之间的关联性。结果表明,有限灌溉条件下,灌浆期冠层温度与成熟期籽粒Δ13 C呈极显著负相关(r=-0.400 4**);雨养条件下,灌浆期冠层温度与成熟期籽粒及成熟期基部秸秆Δ13 C均呈极显著负相关(r=-0.540 2**和-0.425 5**)。有限灌溉条件下灌浆期冠层温度及Δ13 C与产量相关均不显著,雨养条件下灌浆期冠层温度与产量呈极显著负相关(r=-0.566 9**),成熟期籽粒Δ13 C与产量呈显著正相关(r=0.311 7*)。说明灌浆期的冠层温度作为碳同位素分辨率的替代指标具有较强的可靠性。

小麦重组自交系(RILs)群体碳同位素分辨率的QTL分析

为了探知小麦水分利用效率(WUE)碳同位素分辨率(Δ)的遗传机理,以小麦重组自交系(RILs)群体为材料,在不同水分条件下研究Δ的遗传规律,并进行QTL定位。结果表明:(1)RILs群体的Δ值呈正态分布,Δ属于数量性状遗传。(2)共检测到11个主效QTL,主要位于2B、3B、7B、1D和3D染色体上,表型贡献率在10.83%~46.87%之间,有9个加性QTL(A-QTL)与环境发生互作,互作贡献率在1.02%~3.15%之间。(3)检测到5对影响Δ的上位QTL(AA-QTL),其中3对AA-QTL与环境发生互作,互作贡献率在0.86%~2.01%之间。(4)加性效应及贡献率大于上位性效应及贡献率,A-QTL与环境互作贡献率大于AA-QTL与环境互作贡献率,表明RILs群体中Δ遗传变异主要受加性效应影响,控制Δ的主效基因作用较大,受水分环境影响较小。

春小麦碳同位素分辨率与相关生理性状的遗传相关分析

用17份春小麦品种作为试验材料,在宁夏灌区银川测定碳同位素分辨率(△)、水分利用效率(WUE)、灰分、比叶重、光合气体交换参数,并在方差分析显著的基础上,进行遗传、表型和环境相关分析和简单相关分析。结果表明:各性状在品种间存在显著或极显著差异。△Gm与Sm、WUE、maL、Ci、Gs、Ci/Ca均呈极显著正遗传相关,与开花期Pn及灌浆期Tl呈显著负遗传相关;△Sm与WUE、maL、开花期气体交换参数(Ci、Gs、Ci/Ca)的遗传相关性达到极显著正相关水平,与Tl、开花期Pn的遗传相关达到极显著负相关水平,并且它们之间的遗传相关主要受遗传基因的控制,环境条件对其相关性影响较小,maL与△的显著的遗传相关,作为△的替代指标有较大的潜力,认为在灌区适合种植和培育高秆型、高碳同位素分辨率型和低温型小麦。

春小麦碳同位素分辨率等性状的遗传分析

为明确春小麦水分利用效率相关生理性状及重要农艺性状的遗传组成,以宁春4号和Drysdale及二者杂交构建的F2群体为材料,采用P1、P2、F1、F2四世代联合分离分析法研究了旗叶稳定性碳同位素分辨率及穗粒重、株高、穗下节长度等性状的遗传模型。结果表明,春小麦旗叶稳定性碳同位素分辨率符合加性-显性-上位性多基因混合遗传模型,无主基因存在;穗粒重符合1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因混合遗传模型;株高符合2对等加性主基因+加性-显性多基因混合遗传模型;穗下节长度符合2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因混合遗传模型。

小麦碳同位素分辨率与叶片气孔相关指标的关系

为了探讨气孔相关指标替代碳同位素分辨率(Δ)作为评价指标的可行性,测定了56个小麦品种(系)的碳同位素分辨率(Δ),并分析了灌浆期不同阶段气孔相关指标与Δ值的相关性。结果表明,小麦旗叶和籽粒的Δ值均具有较好的遗传稳定性;灌浆中后期小麦旗叶的气孔导度和叶面温度都与Δ值有较强的相关性。因此,在育种中,可以通过测定灌浆中后期小麦旗叶的气孔导度和叶温代替Δ值对材料的蒸腾速率进行初步选择。

放牧对不同类型草原土壤碳氮及其稳定同位素的影响

为探究不同草原类型生态系统碳氮元素对重度放牧的响应,本研究以平原丘陵草原、平原丘陵荒漠草原和沙地荒漠草原3种草原类型为对象,通过测定围封和重度放牧下土壤有机碳、全氮、稳定碳氮同位素及土壤温湿度等指标,探究放牧处理对不同类型草原碳氮元素的影响。结果表明:(1)重度放牧显著降低了3种类型草原土壤有机碳、全氮含量(P<0.05),重度放牧条件下土壤稳定碳同位素和土壤稳定氮同位素值有降低的趋势;(2)土壤稳定碳同位素值与土壤含水量存在极显著负相关性(P<0.01),土壤有机碳、全氮含量及土壤稳定氮同位素值均与土壤含水量存在极显著正相关性(P<0.01)。重度放牧对不同类型草原碳氮养分含量造成了不同程度的影响,其中对平原丘陵草原影响较大,不利于土壤有机碳和全氮的积累。

碳同位素分馏效应对深层原油来源判识的影响

深层烃源岩演化程度高,随成熟度升高,原油中生物标志化合物含量大幅度减少,影响了利用常规生物标志化合物参数进行油源对比的可靠性。针对如何更好地利用δ^(13)C_(PDB)值进行深层原油来源判识,通过渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷烃源岩自然演化剖面中可溶有机质、烃源岩生排烃物理模拟实验产物4种族组分δ^(13)C_(PDB)值的分析,结合烷烃质量分数特征,探讨了深层烃源岩原油碳同位素分馏效应,提出利用δ^(13)C_(PDB)值进行深层原油来源判识的工作思路和方法。深层烃源岩因高热演化程度而产生的碳同位素分馏效应是明显的,烃源岩可溶有机质的烷烃、芳烃、非烃和沥青质4种族组分δ^(13)C_(PDB)值随埋深的增加均发生了明显增大现象,其中烷烃δ^(13)C_(PDB)值变化最明显,达5‰以上,芳烃δ^(13)C_(PDB)值约为4‰,非烃和沥青质δ^(13)C_(PDB)的变化相对较小,约为2‰~3‰。随埋深的增加可溶有机质中烷烃质量分数由40%左右增至80%以上,相应烷烃δ^(13)C_(PDB)值由-30‰左右增至-24‰以上,且烷烃质量分数与其δ^(13)C_(PDB)值的变化有很好相关性。同一类型烃源岩样品生排烃物理模拟产物族组分δ^(13)C_(PDB)值也显示了相似的结果,烷烃δ^(13)C_(PDB)值的变化幅度最大可达4‰,而芳烃、非烃、沥青质的δ^(13)C_(PDB)值变化相对较小,约为1‰~3‰。利用碳同位素进行深层原油来源判识时,首先根据烷烃质量分数与烷烃δ^(13)C_(PDB)值的相关性判断是否存在热演化造成的碳同位素分馏效应,并对烷烃δ^(13)C_(PDB)值进行合理恢复,然后再利用恢复后的δ^(13)C_(PDB)值进行原油来源的合理判识。依照上述方法对准噶尔盆地西缘车排子凸起轻质油来源进行了判识,轻质油的碳同位素明显存在热演化造成的分馏效应,轻质油源自深部二叠系高成熟烃源岩的可能性很大,这对该地区油气勘探目标评价部署工作具有重要实践意义。