稳定同位素混合模型揭示的长江下游新石器时代人群摄食策略

长江下游地区是稻作农业的主要起源地之一。然而,水稻对长江下游新石器时代人群饮食的贡献程度仍不清晰。稳定同位素混合模型能够量化揭示长江下游地区史前人群的摄食策略。系统收集长江下游地区已发表的人骨、动物骨和植物稳定碳氮同位素数据,基于稳定同位素混合模型,对长江下游地区新石器时代人群的摄食策略进行研究。结果发现:距今7.0—5.3 ka长江下游地区人群可能摄食多种动植物资源,该时期水稻对人类饮食的贡献与其他植物资源基本相当。距今5.3—4.3 ka,水稻已超过其他动植物资源,成为美人地遗址人群的主要食物资源。研究揭示了长江下游新石器时代文明化进程与稻作农业发展具有同步性,狩猎采集经济则为该区域文明化进程起到基础支撑作用。

稳定同位素模型在水生生态系统食物网中的研究进展

水生生态系统食物网具有错综复杂的营养关系。稳定同位素技术的发展对了解生物间的摄食关系和食物网结构发挥着极为重要的作用。其中,稳定同位素混合模型(stable isotope mixing models,SIMMs)近年来的迅猛发展为进一步解决水生食物网的复杂性问题提供了有力的手段,尤其是在确定食物来源贡献和构建营养生态位方面。在本研究中,作者综述了稳定同位素模型的发展历程、主要模型的特点以及运行这类模型的条件;同时,对稳定同位素混合模型在水生生态系统食物网领域中的应用前景与局限性进行了总结与展望,以期为相关研究者提供参考。

基于稳定同位素贝叶斯混合模型的南四湖水量来源定量解析

为定量解析南四湖水源组成,厘清本地水与外调水的关系,精准保护湖泊水资源,本文建立了基于氢氧稳定同位素的贝叶斯混合模型,分析比较南水北调东线运行后调水期和非调水期不同水源对南四湖湖区的贡献比例及季节特征。结果表明:(1)流域降雨受到一定程度局地蒸发的影响,夏季受海洋蒸发水汽的影响;(2)南四湖地下水、大气降水、入湖河流和外调水等不同水源对湖区水体的贡献比例受南水北调东线工程运行影响较大,调水期分别为5.4%、8.7%、31.2%和54.7%,外调水贡献比例最高;非调水期分别为22.9%、53.0%、6.7%和17.4%,大气降水贡献比例最高,入湖河流贡献相对较少。(3)南水北调东线调水实施后,调水期的外调水量对湖区的贡献占绝对优势,表明调水对南四湖水量变化发挥了重要作用,调水活动逐渐取代自然因素成为流域水量变化的主要驱动因子。

基于PMF模型和稳定同位素的地下水污染源解析

识别地下水污染来源、理清污染责任是地下水环境保护工作的重要基础。该研究以珠三角地区某化工园区及其相邻的垃圾填埋场为调查对象,分析了研究区地下水污染分布特征,利用正定矩阵因子分析(PMF)模型和稳定同位素技术,开展了地下水污染溯源解析。结果显示:研究区地下水中pH、NH_(4)^(+)、Fe、Mn均存在不同程度超标,且具有空间异质性,超标最严重点位靠近化工园区与垃圾填埋场交界处,NH_(4)^(+)、Fe、Mn浓度分别为68.20、28.10、15.80 mg/L,超标倍数分别为44.5倍、13.1倍、9.5倍;PMF模型初步揭示了研究区地下水水质影响因子,分别为水文地球化学演化(43.1%)、人为污染作用(27.9%)、原生地质作用(15.7%)。氨氮的氮稳定同位素分析结果进一步明确了人为污染来源,垃圾渗滤液δ^(15)N-NH_(4)^(+)值位于地下水特征值区间且与地下水氨氮超标点位δ15N-NH_(4)^(+)值接近,表明垃圾填埋场是地下水氨氮污染的主要贡献源。通过结合PMF模型与稳定同位素技术,有效识别了地下水污染来源及其贡献率,明确了不同污染源之间的污染责任,为地下水污染防治和环境管理提供科学支撑。

基于稳定同位素技术的高寒草甸高原鼢鼠营养生态位特征

【目的】分析啮齿动物营养生态位特征,了解动物所占据的营养层,揭示啮齿动物在不同时间尺度上的食物资源利用变化。【方法】以祁连山东段高寒草甸栖息的高原鼢鼠(Eospalax baileyi)为研究对象,采用贝叶斯碳氮稳定同位素质量平衡混合模型,分析高原鼢鼠不同组织的食性信息及其营养生态位特征。【结果】高原鼢鼠不同组织中同化的食物种类基本一致,但在食谱中的贡献率各有差异。地上部分蒲公英(Taraxacum mongolicum)在血液(24.33%)、肌肉(19.63%)和毛发(14.00%)组织中的贡献率均最高;地下部分鹅绒委陵菜(Potentilla anserina)在不同组织中的贡献率均最高,分别为66.01%,17.79%和10.72%。不同组织中同化食物种类和营养生态位宽度变化一致,在植物地上部分表现为血液(8种,1.742)<肌肉(10种,2.049)<毛发(13种,2.227)组织,植物地下部分为血液(5种,1.100)<肌肉(14种,2.370)<毛发(15种,2.469)组织,且地上和地下植物在高原鼢鼠血液组织(1.100)中的生态位重叠度远低于肌肉(0.447)和毛发(0.566)组织。【结论】高原鼢鼠各组织代表的不同时间尺度的食性信息中,短期食性(血液组织)中同化物种数较少,生态位宽度较小。而在长期食谱(肌肉和毛发组织)中食物种类广泛,生态位宽度变大。且地上和地下植物在高原鼢鼠短期食性中生态位重叠度远低于长期食性。鉴于高原鼢鼠的采食习性,建议在高原鼢鼠危害严重区域,可以通过补播禾本科等优良牧草,降低高原鼢鼠优质食物在其栖息地植物群落中的比例,达到防治高原鼢鼠危害的目的。

基于氢氧稳定同位素的地下水循环研究进展

本文简单介绍了氢氧同位素在水文学中的研究进展,氢氧稳定同位素的分馏过程研究和氢氧稳定同位素示踪下水体间水力联系的探究,为氢氧稳定同位素在地下水循环过程提供了研究基础。

基于双稳定同位素和MixSIAR模型的冬小麦根系吸水来源研究

灌溉和施肥措施对农田水文循环具有重要影响,根系吸水是联系植物蒸腾和土壤水分运动的关键水文过程,定量识别灌溉施肥影响下作物根系吸水来源对农业用水优化管理具有重要意义。氘氧稳定同位素(D和18O)是追溯农田水分运移过程的理想天然示踪剂。基于2013—2015年北京市典型农田不同灌溉施肥处理冬小麦水分运移试验,利用D和18O双稳定同位素和MixSIAR贝叶斯混合模型,量化冬小麦主要根系吸水深度及其贡献比例,阐明作物水分来源的季节变化及不同处理间的差异,分析根系吸水与土壤水分分布变化的相互关系。研究结果表明:两季冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期主要根系吸水深度均值分别为0—20 cm(67.0%)、20—70 cm(42.0%)、0—20 cm(38.7%)和20—70 cm(34.9%),但季节变化差异显著,2014季主要吸水深度随作物的生长发育而逐渐增加,2015季则主要集中于浅层土壤(0—70 cm)。返青-抽穗期仅灌水20 mm或施肥105 kg/hm2N促使拔节-抽穗期深层(70—200 cm)土壤水分利用率平均增加29%,而前期充分灌水且大量施肥(≥当地施肥量210 kg hm-2N)时拔节-抽穗期根系吸水深度为土壤表层0—20 cm。在干旱少雨的冬小麦生长季内作物吸水来源与土壤水分消耗变化基本一致。

基于氢氧同位素的平原湖荡地表水与地下水转化研究

地表水与地下水间的相互转化以及量化地下水补给量是湖泊水循环研究的重要内容。本文采集了元荡湖区域湖水、地下水样品,测试了其氢氧稳定同位素组成和水化学组成,运用Piper三线图分析其水化学类型、通过钻孔实测的地下水埋深绘制元荡湖区域旱季(2022年12月)和雨季(2023年6月)的地下水水位等值线图,结合电导率(EC)和溶解性总固体(TDS)定性分析地表水-地下水之间的转化关系,利用同位素水量平衡方程、线性端元混合模型定量评价了湖水、地下水、河水和降水之间的转化量。结果表明,研究区湖水和地下水的水化学类型均为HCO_(3)^(-)·SO_(4)^(2-)·Ca^(2+)·Na^(+)·Mg^(2+),旱季和雨季湖水均受到地下水的补给,拟合得到的湖水旱季、雨季氢氧稳定同位素线性回归方程表明雨季斜率较小,蒸发更为强烈。湖水主要由河水、地下水和降水补给,其三者在旱季的补给比例分别为59%、26%和15%,在雨季的补给比例分别为23%、39%和38%。本文成果为元荡湖区域以及太湖流域的综合治理提供了科学依据。

产出水识别及受污染地下水水化学和氢氧稳定同位素特征

识别地下水污染来源、认识受该类污染源污染的地下水化学特征是地下水污染防治工作的重中之重。产出水作为石油、天然气工业的废水,具有组分复杂、危害性大的特点。针对受产出水污染的地下水研究较少,受污染地下水的特征以及识别该污染源的方法尚不明确的问题,笔者以延安某地下水污染场地为研究区,利用水文地球化学和氢氧稳定同位素的方法探讨受产出水污染的地下水的水化学和同位素特征,并通过对比地下水和油层水的钠氯系数、氯镁系数、脱硫系数和碳酸盐平衡系数对产出水进行识别。研究结果表明,该区域受产出水污染的地下水表现为高TDS和贫化的氢氧稳定同位素特征;其水化学类型以Cl−Na型、Cl−Mg·Ca·Na型为主,且随着受产出水影响程度降低,地下水由Cl−Na型转化为Cl−Mg·Ca·Na型,再到HCO3·SO4−Na·Ca·Mg型;离子比例关系较正常地下水混乱,无线性规律;受产出水污染的地下水的钠氯系数、氯镁系数、脱硫系数和碳酸盐平衡系数大小均在长6油层水的范围内,表明判断油气成藏条件的相关参数可以用来识别产出水污染。该研究探讨了受产出水污染的地下水的水化学特征和氢氧稳定同位素特征,提出对比地下水和油层水的相关参数来识别产出水污染的方法,对产出水污染场地的识别、认识、调查、监测、和修复具有重要意义。

人类活动影响下异龙湖浮游植物碳氮稳定同位素变化特征

于2020年9月~2022年6月在异龙湖开展了20个点位、8个季节的水体水质、浮游植物碳氮同位素信号等内容的系统调查与对比分析.结果表明,浮游植物δ^(13)C信号分布范围为-28.98‰~-22.32‰,呈现了丰水年份(-26.89‰±1.34‰)低于枯水年份(-25.30‰±0.97‰)、9月高于其他月份等变化模式,同时出现了西部湖区高于中部、东部湖区的空间分布特征.浮游植物δ^(15)N信号分布范围为-0.28‰~10.25‰,且丰水年份(6.28‰±1.07‰)高于枯水年份(2.78‰±1.55‰),施肥季节(6、12月)低于其他季节,以及在雨季(9月)和旱季初期(12月)西部湖区高于中部、东部湖区的空间分布特征.统计分析表明,随着异龙湖水量的上升,具有较低δ^(13)C信号的流域无机碳输入增加、水体富营养化程度降低,可能改变了浮游植物利用的无机碳源及其生长速率,从而造成了浮游植物δ^(13)C信号的显著下降,反映了调水补水措施等人类活动影响下浮游植物δ^(13)C信号的快速响应.同时,浮游植物较低的δ^(15)N分布特征及其与水体NH4+-N浓度密切相关,反映了异龙湖氮素来源于以氨肥为主的农业面源污染影响,并通过浮游植物吸收等过程影响了湖泊生态系统的氮循环模式.而有机肥替代化肥措施实施后异龙湖浮游植物δ^(15)N呈现出随水量显著升高的特征,反映了生态环境修复措施显著改变了异龙湖的氮素来源.MixSIAR模型结果表明,异龙湖氮源中农业面源污染从枯水年份的88.4%下降至丰水年份的79.0%,其中化肥贡献率从41.2%下降至14.0%,有机肥占比从47.2%上升到65.0%,而点源污染贡献率则从11.6%升高至21.0%.由此可见,调水补水工程、有机肥替代化肥等人类治理活动降低了异龙湖水体的营养盐浓度,并通过增加δ^(13)C偏低的流域碳源和δ^(15)N偏高的有机肥氮源导致浮游植物δ^(13)C信号的降低和δ^(15)N信号的升高,反映了湖泊治理和环境修复措施对湖泊初级生产者碳氮稳定同位素及其循环过程产生显著影响.

“后Urey模型时代”的稳定同位素地球化学基础理论

简要综述了最近十几年来稳定同位素地球化学基础理论发展的几个热点,包括能处理重元素的同位素分馏的核场效应理论、基于晶格动力学及声子的密度函数微扰理论计算的固体同位素分馏理论、稳定同位素的微观反应动力学理论,以及含压力变量的同位素分馏理论。这些新理论,表明长期基于Urey模型或称Bigeleisen-Mayer公式的稳定同位素地球化学的时代已经结束,更精确、更丰富的理论体系正在逐步建立之中。

考虑稳定同位素浓度垂向变化的蒸发分馏模型

针对同位素水文中经常应用的瑞利分馏模型因建立在假定静止水体中的稳定同位素充分混合的基础上,而没有考虑水体同位素组成的垂向差别,从而与自然界的实际过程不甚吻合的缺憾,利用微元分析方法结合质量守恒定律、fick扩散定律、瑞利分馏原理,在考虑水体的稳定同位素组成的垂向差别,以及此差别引起的扩散作用的前提下,重新推导了静止水体在仅受蒸发作用下的同位素组成的微分方程模型,给出了其微分方程与相应的定解条件,并指出了模型应用中分层取样应注意的问题.该模型的建立使定量分析湖泊等水体的同位素组成有了更为精细的数学基础.

稳定同位素示踪法用于Caco-2细胞葡萄糖吸收模型的研究

目的建立Caco-2细胞葡萄糖吸收模型,为考察药物对葡萄糖吸收的影响提供方法。方法 Caco-2细胞培养7,14,21 d后,分别加入25,50,75,100 mmol.L-1的葡萄糖溶液孵育5,10,15,20 min,采用高效液相色谱-质谱联用技术,以稳定同位素示踪法比较培养时间、葡萄糖浓度以及孵育时间对葡萄糖吸收的影响。结果 Caco-2细胞培养21 d后葡萄糖的吸收优于培养7 d和14 d的吸收,吸收量大,趋势稳定。此时用75 mmol.L-1的葡萄糖溶液孵育细胞10 min,葡萄糖吸收量与100 mmol.L-1比较差异无统计学意义,但高于25,50 mmol.L-1时的葡萄糖吸收量。结论本实验条件下建立的Caco-2细胞模型可作为研究葡萄糖吸收的模型。

黄河焦作段河岸植物水分来源同位素水文学解析

目的 为探究河岸植物的水分来源,方法 以黄河中游典型河段河岸生态植物为研究对象,分析氢氧稳定同位素、氯离子浓度和土壤含水率特征,并结合贝叶斯混合模型Mix SIAR解析河岸生态植被水分来源。结果 表明:δ^(2)H-δ^(18)O图谱显示土壤水线为δ^(2)H=5.74δ^(18)O-15.67,斜率明显小于当地大气降水线斜率;土壤水lc-excess(土壤水同位素点偏离LMWL的程度)显示土壤水同位素δ^(2)H-δ^(18)O关系点显著偏离LMWL;河岸植物(芦苇和柽柳)木质部水δ^(2)H,δ^(18)O值与土壤水线基本重叠;垂向土壤含水率、稳定同位素(δ^(2)H,δ^(18)O)、Cl^(-)质量浓度具有明显分层特征;贝叶斯混合模型MixSIAR模拟结果指示,土壤水对柽柳和芦苇水分贡献率为60.3%~73.6%,河水对柽柳和芦苇水分贡献率为10.3%~19.2%,再次为潜水;校正后的计算结果表明,河水对植物水分贡献率显著上升,最大上升至30.3%,土壤水贡献率降至53.9%~60.6%。结论 研究区降水、河水、潜水和土壤水之间水力联系紧密,具有强烈补给关系,且土壤水受到过强蒸发;植物水的主要水分来源为土壤水,其次是河水;不同层土壤含水率(浅层、中层、深层)因主要水源不同,以致含水率随埋深增加呈不同变化趋势,且土壤含水率是影响植物水分利用的关键因子。研究结果对河岸典型植物水分利用机理研究具有一定理论意义。

南昌市大气降水H-O稳定同位素特征及其水汽来源解析

南昌市位于长江流域中下游,濒临中国第一大淡水湖—鄱阳湖,水文网系发育。为了深入理解南昌市大气降水来源与路径,并为区域水循环研究提供基础数据,本研究于2015~2016年期间采集南昌市93个日降水事件样品,开展降水H-O稳定同位素特征及其影响因素研究,并试图阐明该区域大气降水水汽来源。结果表明:(1)降水δ^(18)O和δ^(2)H值变化范围较大,相对于其它季节春季偏正,不是单一气候因子的制约而是多种因子共同影响的结果;(2)建立的当地大气降水线方程为δ^(2)H=8.03δ^(18)O+12.1,H-O稳定同位素分馏处于相对平衡状态,为区域水循环研究提供可靠的参考线。氘盈余(d-excess)和HYSPLIT模型综合分析进一步表明:夏秋季降水多与东南和西南季风携带的太平洋和印度洋水汽有关,而冬春季降水来源广泛,涉及季风、西风带、极地气流及局地蒸发的水汽。本研究成果有助于完善中国南方大气湿度循环理论,对指导当地水资源管理、防洪减灾有重要的实际意义。

基于氮氧同位素的北洛河流域硝酸盐来源及其空间分布解析

北洛河流经生态脆弱的黄土高原,是该地区的重要水源。随着经济的快速发展,工业和农业活动的增加,北洛河水体氮污染情况加剧,造成流域水质恶化,多个功能区不达标。因此,通过水化学方法和氮氧同位素技术,结合稳定同位素分析(SIAR)模型,对北洛河流域的污染状况、硝酸盐来源及其空间分布进行解析。结果表明,北洛河整体氮污染严重,总氮(TN)为1.70~43.40 mg/L,大部分采样点超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅴ类水标准限值(2 mg/L),无机氮以硝酸盐氮为主;水体硝酸盐迁移转化过程中氨挥发、硝化、反硝化作用均较弱,人类活动排放的污水以及土壤侵蚀产生的氮污染是北洛河硝酸盐主要来源;不同硝酸盐来源贡献率表现为污水及粪肥(约61%)>氮肥(约15%)>土壤有机氮(约14%)>大气沉降(约9%),上游土壤有机氮贡献较大,随着城镇化率及交通排放活性氮的增加,下游大气沉降贡献相对上中游增强。研究结果为北洛河氮污染来源控制和水体环境治理提供了科学依据。

青岛冬夏季PM_(2.5)稳定碳同位素特征及来源解析

青岛是北方重要的港口城市,其大气细颗粒物(PM2.5)受到海陆的双重影响作用,该文为确定青岛市冬夏季PM2.5中总碳(TC)来源及其贡献,分别于2018年1月1日-2月28日(冬季)、2018年7月1日-8月31日(夏季)对青岛地区PM2.5样品进行采集,分析了TC浓度、水溶性离子浓度及其稳定碳同位素值(δ13CTC),并利用贝叶斯混合模型对δ13CTC的不同来源贡献进行计算。研究结果表明,青岛冬夏两季TC浓度分别为(8.6±3.9)μg/m^(3)、(3.9±2.5)μg/m^(3),δ^(13)CTC值分别为(-24.8‰±1.0‰)、(-26.5‰±0.9‰),均表现出明显的季节变化,结合气象数据、水溶性离子和后向轨迹(聚类及PSCF)进行分析,认为可能受到冬季燃煤、夏季生物质燃烧和降雨量的影响。利用贝叶斯混合模型计算,冬季TC主要来源于机动车尾气、煤燃烧,其源贡献占比为63.1%、20.7%;夏季主要来源于机动车尾气、C3植物燃烧,其源贡献占比为63%、33.8%。青岛市TC主要来源可能受到机动车保有量与青岛港货运的影响,其次也受到冬季燃煤和夏季C3植物燃烧的影响。

稳定同位素质量平衡混合模型的性能评估

稳定同位素技术可以用于消费者营养溯源,以确定多种营养来源对消费者营养的贡献比重。因此,稳定同位素质量平衡混合模型已经是消费者营养溯源分析的必要方法之一。通常使用贝叶斯混合模型来估计不同营养来源的贡献;此类模型提供了每个营养来源对消费者的贡献比例的概率分布特征。然而,混合模型拟合结果的好坏,及其与实际生态学理论的匹配水平,是模型性能的重要评价内容。例如,模型在不能很好地解析营养来源贡献时,仍将返回默认先验结果,给模型解释带来困难。为直接避免同位素构建消费者营养溯源分析中的诸多技术问题,文章将综述在拟合和评估贝叶斯混合模型时遵循的最佳实践。因此,文章基于实测的同位素数据集(蒙古鲌Culter mongolicus mongolicus同位素数据集),通过识别消费者营养功能类群特征、改变营养来源先验信息特征,构建系列贝叶斯模型;通过比较模型总体性能、实测值与预测值差异,及先验信息和后验信息差异等多种模型性能评价方法,来描述模型性能评价的方法和过程。通过这些方法的综合运用,将进一步提高消费者营养溯源准确性,为更深刻地认识食物网规律提供科学支撑。

干旱半干旱区土壤水稳定性氢氧同位素混合模型研究

干旱半干旱区土壤水含量极低,可提取的土壤水量常不足以分析其稳定性同位素δD和δ18O组成,制约了稳定同位素技术在该地区的应用。本研究以干旱半干旱地区两种典型土壤为对象,将土壤水与超纯水按一定比例混合,稳定同位素分析发现土壤水、混合水、超纯水的氢氧同位素在同一条直线上,呈极显著线性相关(R2>0.99,P<0.001),与端元混合模型计算结果非常吻合(R2>0.99,P<0.001),且不受土壤质地与有机碳等性质的影响。研究结果为干旱区土壤水氢氧同位素分析提供了有效的技术途径。

基于稳定同位素模型解析农业污染河流氮源

采用水质监测技术和稳定氮同位素示踪技术对社渎港中游地区进行氮污染特征和污染源解析。在定性描述的基础上结合稳定同位素模型(SIAR),对各硝酸盐污染源的贡献率进行定量计算并进行了后验概率分布检验。结果表明:(1)在枯水期TN较高,平均为5.34mg/L,农业生产集中区TN污染最严重。(2)硝酸盐污染主要来源包括生活污水和粪肥、化学肥料及土壤氮。其中,生活污水和粪肥对硝酸盐的贡献率最高,平均为45%;化学肥料次之,贡献率平均为31%;土壤氮的贡献率平均为24%。