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。

青海云杉叶片稳定性碳同位素组成对水分温度变化的响应

于2005-07在祁连山北坡沿海拔梯度进行了青海云杉(Picea crassifolia)叶片稳定性碳同位素组成(δ13C)的分析测定,以探讨青海云杉叶片δ13C随海拔变化特征及对水分、温度变化的响应。结果表明:不同海拔青海云杉叶片δ13C存在显著差异(F=3.94,p<0.01),δ13C平均值-24.69‰;随着水分、温度的变化,在海拔2550～3100m,青海云杉叶片δ13C随海拔增加呈现降低趋势,在海拔3100～3350m,δ13C值随海拔增加呈现升高趋势。青海云杉叶片δ13C与土壤水分在低海拔(2550～3100m)呈显著负相关,在高海拔没有关系;与土壤温度之间则存在一种非线性关系。青海云杉叶片δ13C随海拔变化在低海拔主要受土壤水分、温度的控制,在高海拔则主要受温度的控制。

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.

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。

干旱胁迫下四倍体刺槐幼苗水分利用效率及稳定碳同位素组成的研究

在模拟自然干旱的条件下,测定2个四倍体刺槐品种(K2、K3)和普通二倍体刺槐(K1)一年生组培苗的长期和瞬时水分利用效率(WUE)及其稳定碳同位素组成(δ13C),以探讨四倍体刺槐的抗旱机理。结果表明,K2、K3的长期水分利用效率(WUEL)在不同水分胁迫条件下都显著高于K1,它们在同等供水条件下比K1具有更大的生物量产出;3个材料叶片的瞬时水分利用效率(WUEI)均随干旱胁迫的加剧表现先升后降的趋势,且胁迫处理均高于适宜水分处理。随水分胁迫的加剧,各品种刺槐苗木叶片的δ13C显著升高;K2、K3的δ13C在各水分条件下均高于K1;各材料叶片的δ13C与其WUEL有良好的正相关性,可以作为筛选高WUE刺槐品种的指标。

稳定性碳同位素对植物水分利用效率的指示作用

碳同位素技术已在地质学、生态学和植物学等领域得到广泛应用。文章概述了稳定碳同位素的基本理论,从不同植物类型、空间尺度和抗旱节水植物材料选育等方面对稳定碳同位素对植物水分利用效率的指示作用进行了简要总结,对碳同位素技术进行评价,并就未来发展方向进行展望。碳同位素分辨率与植物水分利用效率高度相关,因而利用碳同位素分辨率来衡量植物水分利用效率必将有广阔的应用前景。

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.

太湖沉积物碳氮同位素组成特征与环境意义

对太湖不同湖区沉积物有机质δ13C、δ15N分析表明,草型湖区沉积物有机质δ13C、δ15N总体比藻型湖区高。湖泊从贫-中营养水体向中-富营养演化过程中,沉积物有机质δ13C、δ15N表现为逐渐上升的趋势,沉积物TP、TN则因受多种因素影响在各湖区表现出差异。湖泊演化到富营养阶段,沉积物有机质δ13C、δ15N表现为明显的偏负。近50年来不同湖区沉积物有机质δ13C、δ15N反映的湖泊环境演化过程与实际环境检测结果有较好的一致性,20世纪太湖水环境存在50年代及90年代两次较明显转化过程。

植物体燃烧前后碳同位素组成的变化

将在黄土高原地区采集到的活体植物样品于实验室内进行燃烧实验,发现植物燃烧后残留物的δ13C值发生了明显改变。相对于源植物体,大部分C3植物灰烬的δ13C值变大,而大部分C4植物灰烬的δ13C值则变小。这一结果对于利用大气气溶胶和沉积物中燃烧产物的δ13C值来研究植被和气候环境变化无疑是重要的。

兰州市大气中SO_2对植物碳同位素组成的影响

大气中SO2通过降低植物叶片的气孔导度和光合速率影响叶片碳同位素组成(δ13C),因此可以运用碳同位素技术反映大气SO2的污染情况,为控制城市大气SO2的污染提供理论依据。通过研究兰州市槐树叶片的碳同位素组成(δ13C)来揭示大气中SO2对叶片碳同位素组成的影响。研究结果表明,叶片δ13C值与大气SO2浓度具有显著相关性。

基于稳定碳同位素分析宁夏典型林分土壤有机碳分布格局及影响因素

选择宁夏自北向南方向的贺兰山、罗山和六盘山(3座山的降水量呈现逐渐增加的趋势)共有的青海云杉林和油松林土壤作为研究对象,分析两种针叶林土壤有机碳特征[土壤有机碳(SOC)含量、稳定碳同位素组成(δ13 C)和有机碳分解速率(β值)]的变化情况,并采用冗余分析法分析土壤化学指标对土壤有机碳特征的影响作用,探究干旱半干旱区土壤稳定碳同位素特征,为揭示干旱区山地森林土壤碳动态变化规律提供依据。结果表明:(1)随样地降水量的增加,青海云杉和油松林地土壤SOC含量均逐渐增加,而土壤δ13 C和β值均逐渐减少,且在同等降水量条件下,青海云杉比油松更有利于土壤有机碳的累积。(2)青海云杉和油松林地土壤SOC含量均随土层深度的增加而下降,而其有机碳δ13 C均随土层深度的增加而增加。(3)宁夏贺兰山、罗山和六盘山青海云杉、油松森林土壤有机碳特征与其土壤化学指标间的冗余分析发现,碱解氮是影响土壤有机碳分布特征的主导因子。

62 kaBP以来湖光岩玛珥湖沉积物有机碳同位素记录及古气候环境意义

湖光岩玛珥湖HUG B孔岩心记录了62kaBP以来的古气候、古环境变化信息。全岩有机碳同位素组成(δ13CTOC)分析表明,62kaBP以来δ13CTOC值变化比较明显,其变化范围为-28.5‰～-15.5‰。结合孢粉和有机地球化学指标进行综合分析,湖光岩玛珥湖δ13CTOC变化曲线可划分为6个演化阶段:62～58和48～40.5kaBP两个时段的δ13CTOC值偏负,沉积物中有机质主要来源于热带—亚热带地区的陆生C3森林植被,反映了温暖潮湿的气候环境;58～48和40.5～17.2kaBP期间δ13CTOC值明显偏正,沉积物中有机质主要源自C4草本植物,反映了湖光岩地区有效降水量减少、干旱程度增加导致湖光岩玛珥湖湖面下降,大量C4草本植物生长在暴露的湖滨岸;17.2～4kaBP时段内δ13CTOC值尽管存在更加频繁的波动,但总体呈现逐渐偏负的趋势,反映了暖湿和冷干气候多次交替但总体上逐渐变暖、变湿的气候环境;4kaBP以来δ13CTOC值存在逐渐偏正的趋势,虽然不排除人类活动的影响,但很可能反映了干旱程度的再次增加。综合分析表明,有效降水量(降水量-蒸发量)是控制湖光岩玛珥湖地区C3/C4植物相对生物量变化的主导因素。湖光岩玛珥湖有机碳同位素的研究结果支持区域气候环境而不是大气CO2浓度变化是末期冰期以来热带低纬度地区C3/C4植被相对生物量变化的主要原因。

海洋沉积物孔隙水硫酸盐浓度和碳同位素对天然气水合物的指示

硫酸根离子（SO4^2-）是海洋沉积物孔隙水中的重要组分之一。硫酸盐还原菌利用孔隙水中SO4^2-作为氧化剂氧化沉积物中有机质或甲烷，造成孔隙水中SO4^2-离子浓度降低，同时使溶解在孔隙水中CO2的碳同位素组成降低。研究表明，在有天然气水合物出现的地区，强烈的甲烷缺氧氧化作用使孔隙水SO4^2-浓度急剧下降，表现为海底沉积物中硫酸盐-甲烷界面（SMI）较浅。如布莱克海台区，SMI界面为5．1～23．9m，界面附近溶解于孔隙水中CO2的δ^13C值低达-39％。笔者发现南海北部海区几个站位具有类似于布莱克海台区的较浅的SMI界面（7．5～17．2m）和极低的δ^13C值（-29％），结合其他地质、地球物理和地球化学证据，推测这些站位处可能赋存有天然气水合物，值得开展进一步详查工作。

咸化水体中DIC的同位素组成及环境过程分析

系统采集了天津地区地表水样品，对其溶解无机碳的稳定碳同位素比值（δ^13CDIC）及相关化学组成进行了全面测定，以期对咸化并且受到污染水体中的溶解无机碳的来源和迁移转化特征进行探讨。研究结果显示，天津地表水中溶解无机碳的δ^13CDIC值主要分布于0.27‰～14.9‰之间，显示了相对较宽的分布范围。同时，天津地表水体具有非常高的溶解无机碳浓度，浓度范围分布于155～1000mg／L之间，主要分布区间为200～500mg／L。从溶解无机碳浓度及其同位素组成特征分析，水体咸化引起的水／气界面的大气CO2气体交换和水体自身有机质降解过程是天津地表水溶解无机碳的两个最主要来源。

液相色谱-同位素比值质谱测定白酒中乙醇的碳同位素比值

特定化合物稳定同位素分析是近年来研究的重点，基于液相色谱-同位素比值质谱（LC-IRMS）技术建立了白酒中乙醇δ13C值的测定方法。分析了白酒挥发性组分对乙醇δ13C值测定的干扰，研究了流动相流速和色谱柱温度对白酒中乙醇分离及对δ13C值测定的影响，优化后的色谱条件为流速0.35 mL/min，柱温30℃，样品中乙醇浓度范围为0.14～1.08 g/L。方法的重复性和再现性标准偏差均优于0.09‰（n=10）。用该法和气相色谱-燃烧-稳定同位素比值质谱技术同时测定10个白酒样品，两种方法的测定结果具有显著相关性关系（R2=0.999）。该法操作简单，检测限可低至0.14 g/L，且结果更稳定、准确。

重庆农田土壤有机碳稳定性同位素空间分布特征

对重庆182个典型农田土壤剖面有机碳稳定性同位素组成(δ^(13)C_(SOC))的测定结果表明,所有剖面土壤δ^(13)C_(SOC)值均随采样深度增加逐渐趋正,表、中和底层均值分别为(-23.63±1.53)‰、(-22.43±1.59)‰和(-21.42±1.90)‰.就地域而言,渝东北土壤δ^(13)C_(SOC)值偏负程度最高,渝中土壤则偏正.水田δ^(13)C_(SOC)值明显偏负,旱地偏正,水旱轮作则居中;三者表层土壤δ^(13)C均值分别为(-25.32±0.93)‰、(-23.17±1.37)‰和(-24.75±1.28)‰;不同类型土壤表层δ^(13)C均值依序为:水稻土<潮土<紫色土<石灰(岩)土<黄壤.回归树分析表明,表层土壤δ^(13)C_(SOC)值主要受作物类型控制,中底层则主要与土壤类型有关;其它因素如土壤性质(总氮、SOC和pH)和气象条件(降雨量和气温)等也有一定的影响.换言之,表层土壤稳定性碳同位素分布主要受碳源的影响,中底层主要与土壤碳循环过程有关.

中亚热带山区深层土壤有机碳库对土地利用变化的响应

通过对中亚热带丘陵山区4种典型的土地利用方式(天然林以及由此转变而来的杉木人工林、板栗园和坡耕地)1 m深土壤剖面碳储量、δ13C值和细根生物量的研究,结果表明:土地利用变化7a后,土壤剖面(1 m)有机碳储量与天然林相比降低了26%—36%,且40 cm以下深层矿质土壤碳储量下降了19%—45%。1 m深土壤δ13C平均则升高1‰—3‰,说明植物群落的光合类型发生了变化,C4植物种对土壤有机碳的贡献增加。天然林转变后,严重的水土流失、人为扰动和植物物种组成的变化,诱发深层土壤碳输入减少以及碳流失和矿化损失增加,是导致深层土壤碳储量大幅下降的主因。土地利用变化后,60 cm深细根生物量锐减50%—99%,且细根主要集中于表土层。这主要与土壤理化性状劣化、资源有效性大幅降低及天然林转变后植被幼龄化有关,反映土地利用变化后土地生产力大幅退化。上述研究结果揭示在中亚热带山地开发、利用和土地转变过程中,加强天然林保育和中幼林抚育,创新减轻坡土扰动的农艺措施和加强陡坡地退耕,严控水土流失,科学施肥补充损失的土壤有机质和养分,对于维系山地土壤生产力和山区可持续经营具有长远意义。

青藏高原20种灌木幼苗生物量分配、水分利用效率及叶片δ^(13)C比较

以青藏高原地区各地分布的柠条(Caragana korshinskii)等20种灌木树种为试验材料在苗圃培育,通过测定其生物量、根冠比、叶片瞬时净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率及碳同位素组成δ13C,对比灌木树种间生物量分配和水分利用效率的差异,并综合评价灌木树种抗旱性。结果表明,灌木树种间各指标均有显著性差异(p<0.05),取值范围分别为根冠比0.11~0.80、叶片蒸腾速率3.24~6.61 mmol·m-2·s-1、水分利用效率1.85~4.43μmol·mmol-1和δ13 C-26.09‰^-30.22‰。植物的抗旱适应机制主要包括叶片旱生形态型、节水型、高根冠比型和高水分利用效率型,不同属植物和同属不同种植物之间抗旱性均有明显差异,其中沙棘属植物总体抗旱性较差。此外,灌木抗旱性与原产地有一定的联系,其中青海地区灌木总体抗旱性优于西藏和甘肃地区。综合分析抗旱性生理指标发现,金露梅、蔷薇、尼泊尔锦鸡儿、三颗针和胡颓子抗旱性能较好,总体上属于低耗水、高生产效率、抗旱性强树种,在干旱地区造林时可以优先考虑。

水肥耦合效应对楸树苗木叶片δ^(13)C的影响

以楸树(Catalpa bungei)无性系004-1苗木为研究对象,采用三因素五水平二次回归通用旋转组合设计进行盆栽试验,通过测定6、7和8月份20个处理楸树苗木叶片碳同位素组成δ^(13)C、总氮含量和总磷含量,建立数学模型,分析土壤水分、施氮量和施磷量的主因子效应、单因素效应及其耦合效应对叶片δ^(13)C的影响,以及叶片碳同位素组成δ^(13)C与其总氮含量和总磷含量的关系。结果表明:(1)楸树苗木叶片δ^(13)C存在明显的月动态变化特征,总体上呈现出6月份高于7、8月份的趋势,20个处理苗木叶片δ^(13)C平均值(6~8月)变化范围介于-29.12‰^-26.60‰之间;(2)土壤水分对叶片δ^(13)C有显著负效应,施氮量对叶片δ^(13)C有显著正效应,并且施氮量主效应大于土壤水分主效应,但施磷量对叶片δ^(13)C无显著主效应;单因素效应分析表明,楸树苗木叶片δ^(13)C随土壤水分或施氮量的增加均呈先增加后减小的"抛物线型"关系;土壤水分×施N量对楸树苗木叶片δ^(13)C有显著耦合负效应,土壤水分和施氮量耦合效应图表明,叶片δ^(13)C随土壤水分降低、施氮量增加而逐渐增加;(3)6月、7月和8月份楸树苗木叶片δ^(13)C与其叶片总氮含量均呈显著正相关关系(P<0.05;n=100),但叶片δ^(13)C与总磷含量无显著相关关系(P>0.05;n=100)。研究认为,楸树苗木叶片碳同位素组成δ^(13)C随生长期表现出动态变化特征,它受到土壤水分、水氮耦合的显著负向影响,以及施氮量的显著正向影响,可以通过合理水肥配施措施大幅提高楸树苗木δ^(13)C。

发酵乙醇中^(13)C/^(12)C分布的影响因素研究

乙醇的碳稳定同位素组成(13C/13C,δ13C)对饮料酒的真实性鉴别具有重要意义。实验研究发现,乙醇δ13C比发酵原料偏负,且偏负程度随δ13C的变小而增大,但二者呈现显著正相关(R2=0.997);正交试验结果显示,对于乙醇δ13C变化影响较大的发酵条件依次为发酵温度(20~30℃),糖浓度(60~200 g/L)和酵母种类,而初始p H值(4.0~5.0)的影响最小,但F检验表明,4种因素对乙醇δ13C的影响均不显著。本研究为今后应用δ13C识别乙醇的原料来源奠定了应用基础。