^(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。

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。

基于稳定性同位素核酸探针技术的同化利用玉米秸秆碳微生物群落演替研究

[目的]研究秸秆分解过程中同化利用秸秆碳源的微生物生态演替过程,明确参与秸秆分解的主要微生物类群,为秸秆高效利用提供科学依据。[方法]采用^(13)C标记高丰度玉米秸秆。微宇宙室内培养试验的供试土壤为华北平原石灰性潮土。共设置3个处理:不添加秸秆(soil)、添加自然丰度秸秆(soil+^(12)C-straw)和添加13C标记秸秆(soil+^(13)C-straw)。培养30天时,结合同位素示踪与高通量测序等技术,测定秸秆添加对土壤有机碳的激发效应,分析利用秸秆碳源的细菌、真菌群落结构及其与土壤胞外酶活性的关系。[结果](1)秸秆添加显著提高了土壤CO^(2)排放,添加秸秆对土壤有机碳的激发效应在培养第1天达到峰值,土壤和秸秆CO^(2)排放比例均在培养第3天达到峰值。(2)整个培养时期共发现参与秸秆碳同化利用的细菌微生物操作分类单元(operational taxonomic units,OTU_(s))238个,真菌OTU_(s)24个。细菌OTU_(s)主要属于细菌变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)与绿弯菌门(Chloroflexi),真菌OTU_(s)主要为子囊菌门中的粪壳菌纲(Sordariomycetes)。(3)秸秆分解不同时期的微生物群落结构存在显著差异,在整个培养时期,以热单胞菌属(Thermomonas)与溶杆菌属(Lysobacter)为代表的7个细菌属快速响应秸秆添加,以假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)与土生单胞菌属(Terrimonas)为代表的6个细菌属延迟响应;两个真菌属枝鼻菌属(Cladorrhinum)与葡萄穗霉属(Stachybotrys)表现为对秸秆添加的快速响应,新赤壳属(Neocosmospora)与unclassified_f_Halosphaeriaceae为延迟响应。(4)曼特尔分析表明,细菌热单胞菌属(Thermomonas)、溶杆菌属(Lysobacter)、绿弯菌门(Chloroflexi)以及真菌裂壳菌属(Schizothecium)与碳氮转化相关土壤胞外酶活性呈显著正相关关系。[结论]外源秸秆添加对土壤有机碳产生正激发效应,显著增加了土壤CO^(2)排放。同化秸秆碳源的微生物随培养时间延长发生群落演替,细菌的热单胞菌属(Thermomonas)、溶杆菌属(Lysobacter)、绿弯菌门(Chloroflexi)以及真菌的裂壳菌属(Schizothecium)在玉米秸秆分解过程中具有重要作用,可为秸秆高效腐熟菌剂的研发提供依据。

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。

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.

气相色谱法测定稳定同位素^13(C)标记辛酸纯度的不确定度评定

根据行业标准《稳定同位素^13(C)标记的辛酸》(HG/T 5941—2021),采用气相色谱法测定稳定同位素^13(C)标记的辛酸纯度,对测定过程中的不确定度来源进行了分析,主要为标准溶液配制、标准曲线拟合、样品制备和样品测量重复性等。按《测定不确定度评定与表示》(JJF 1059.1—2012)的规定进行不确定度计算,稳定同位素^13(C)标记的辛酸纯度的测量不确定度来源主要为标准溶液配制与标准曲线拟合,其合成标准不确定度为0.817%,扩展不确定度为1.6%,测定结果为99.0%±1.6%(k=2)。

液相色谱-稳定同位素比值质谱法测定针叶樱桃粉中抗坏血酸的碳稳定同位素比值

该文建立液相色谱-稳定同位素比值质谱联用(liquid chromatography-stable isotope ratio mass spectrometry,LC-IRMS)检测抗坏血酸δ^(13)C值的分析方法,用于鉴别针叶樱桃粉中抗坏血酸天然来源的真实性。样品中抗坏血酸经液相色谱在线分离纯化,优化后色谱条件为:Syncronis C18(250 mm×4.6 mm,5μm)色谱柱,流动相为水-pH 2的硫酸溶液(90∶10,体积比),流速0.250 mL/min,色谱柱温度30℃,进样量10μL,通过LC-IsoLink实现目标物全部氧化为CO_(2)气体,最终以气态形式进入稳定同位素质谱仪,直接检测样品中抗坏血酸的δ^(13)C,该方法结果稳定、准确。分别测定了7个合成来源的维生素C片和19个针叶樱桃粉,结果表明,天然来源抗坏血酸δ^(13)C值为-25.00‰~-22.01‰,合成来源抗坏血酸δ^(13)C值为-11.74‰~-10.28‰,两者分布显著性差异,该方法可用于抗坏血酸产品标识的真实性鉴别研究。

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。

中国南沙群岛滨珊瑚高分辨率δ^(13)C的环境记录

南沙群岛永暑礁滨珊瑚月～季分辨率的稳定同位素分析结果表明,珊瑚δ^(13)C总体上具有比较清楚的年际变化周期,可以反映永暑礁日照时数、总云量和降雨量等的变化,对El Nino事件有比较明显的记录.1950年至1999年δ^(13)C存在非常显著的长期下降趋势,反映近50年来南沙群岛年总日照时数呈减少的趋势、年平均总云量和年雨量呈增加的趋势.

稳定同位素^(13)C分离二塔级联耦合优化设计与实验研究

采用均匀实验与Aspen Plus模拟耦合的计算方法优化13 C分离二塔级联工艺操作参数。经实验验证,实验值与耦合优化的模拟值吻合较好,相对误差为6.5%;在不增大能耗费用的同时,优化实验得到二塔釜的13 C丰度为14.1%,较二塔级联初始实验结果提高25%以上。结果表明,建立的耦合优化设计方法经实验验证可行,可为13 C产业化级联工艺设计提供理论参考,也可为其他传统精馏工业优化设计提供指导。

稳定同位素^(13)C分离用高效丝网波纹填料表面降膜流动研究

由于碳同位素分离系数小,分离难度大,需要采用高效规整填料实现^(13)C的分离。本文通过计算流体力学(CFD)数值模拟研究,采用流体体积函数(VOF)方法,研制了用于^(13)C分离的高比表面积丝网波纹规整填料(PACK-^(13)C),建立了PACK-^(13)C填料表面伴随有气相逆流的局部液体降膜流动模型,选用CO(l)-CO(g)为模拟计算物系,考察了板面结构、丝网目数等因素对液膜流动的影响,并对填料表面气液相界面进行追踪,探究了气液相界面波动对传质效率的影响,研究表明,改善填料壁面结构能够增强气液相界面波动,可以实现强化传质过程。填料表面局部降膜流动的研究方法,可应用于填料气液传质过程中涉及的多尺度流动及传质现象的可视化研究,为优化填料结构提供基础性理论指导。

稳定同位素^(13)C在生物医学研究中的应用

稳定同位素13C因其具有安全、无损伤和非侵害性等特点己被广泛应用于生物医学等研究领域。尤其是应用不同的13C标记物所进行的呼气试验,更是在生物学、临床医学的诊断与研究中发挥了重要作用,应用前景广阔。

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。

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

液相色谱-稳定同位素比值质谱测定燕窝中唾液酸的碳稳定同位素比值

该文建立了适合液相色谱-稳定同位素比值质谱(liquid chromatography-stable isotope ratio mass spectrometry,LC-IRMS)测定干燕窝中唾液酸δ^(13)C值的方法。样品前处理方法加标回收率为75.2%~100.6%,前处理方法可显著降低蛋白质等大分子对色谱柱的影响且不会干扰碳稳定同位素的准确分析;研究并优化了LC-IRMS对唾液酸δ^(13)C值测定的影响,优化后的色谱条件:采用Hyper REZ XP Carbohydrate H+(300 mm×7.7 mm,8μm)柱,柱温30℃,在0.250 mL/min流速下用90%B(H_(2)O)+10%D(pH_(2)的H_(2)SO_(4))洗脱。方法稳定性、重复性均良好,可准确测定样品δ^(13)C值。对6个干燕窝样品和4个市售唾液酸进行测定,其唾液酸δ^(13)C值分别为(-29.55±0.39)‰和(-15.18±2.45)‰,2种不同来源唾液酸碳稳定同位素特征显著。可检测到燕窝中的非法掺入市售唾液酸比例最低为10%。该方法的建立可为后续鉴别燕窝制品外源添加唾液酸提供基础。

土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展

土壤有机碳是地球表层储量最高且储存周期最长的生态系统碳库之一。如何提高土壤有机碳稳定性和增强土壤固碳减排能力,是陆地生态系统碳管理可持续战略的关键科学问题。国际学术界一致认为农田生态系统在固碳方面的作用越来越明显,在实现碳中和的进程中发挥重要的作用。农田管理实践方式会扰动土壤碳循环过程,采取有效的管理方式会使其成为碳汇。目前,国内研究主要集中在耕作方式、施肥和灌溉水平、秸秆还田对农田生产力、碳固持速率、温室气体排放方面的影响,但就农田生态系统有机碳稳定性对不同农田管理方式的响应机制以及与土壤碳排放之间的关系认识尚未明确。^(13)C同位素技术是研究农田土壤碳循环过程的有力工具,通过测定土壤碳排放过程中不同有机碳组分的同位素丰度,能够精准区别土壤呼吸组分和来源,从而更好地揭示土壤有机碳稳定性对农田管理措施的响应机制,为增强土壤碳汇效应和农业可持续发展提供科学依据。以往的研究大多集中在模拟试验以及小范围、短时间监测,与实际差距较大,测量结果会高估或低估实际值。因此,在未来的农田土壤碳循环研究过程中要采取多点、长时间实时原位监测,并结合^(13)C同位素技术,实现土壤CO_(2)排放实时分解,达到揭示土壤有机碳稳定性机制的目的。

利用稳定性同位素区分河岸C4草地生态系统夜晚碳通量

河岸生态系统在全球碳循环过程中起着重要作用。涡度相关技术虽然能够被用来测量整个生态系统的净碳通量,但是,把净碳通量区分为组分通量的贡献将显著提高人们对生态系统碳循环的理解。稳定性同位素技术能够把净碳通量区分为具有不同同位素特征的组分通量。实验结果表明,因为考虑了同位素及CO2在取样和分析过程中的不确定性,与传统的Ordinary Least Square法相比,Bayesian法所获得的生态系统夜间呼吸释放CO2的同位素值(δ13CR)显著减小了标准误差。δ13CR具有明显的季节变化,并且受土壤含水量和大气水汽压亏缺(VPD)的影响。δ13CR与土壤含水量之间存在着正相关关系,而与VPD之间存在着负相关关系。2006年和2007年生长季,以及2005年旱季,土壤呼吸对夜晚河岸C4草地生态系统呼吸的贡献约为80%。2005年雨季,土壤呼吸只占河岸C4草地生态系统呼吸的40%左右。年际间土壤呼吸的贡献率的变化很有可能是2006年的水淹造成的。因为,通过沉降作用,水淹可以为C4草地生态系统提供额外的可供微生物分解的有机质。

基于动态模拟计算的低温精馏分离^13C同位素丰度分析

低温精馏法分离碳同位素(12CO/^13CO)的分离系数仅为1.007,且分离操作工况苛刻,富集平衡时间长,为降低工业化装置运行风险,实现^13C同位素富集的动态过程理论预测是工业化技术研究中亟需解决的问题。为此,本文通过采用Aspen Dynamics模拟研究CO低温精馏分离碳同位素的动态过程,获取^13C同位素在全回流、浓缩富集、连续精馏操作条件下的丰度分布等值图,实现^13C同位素在时间和空间两个维度内丰度变化过程的可视化。将上述操作条件下的动态模拟值与试验值进行对比分析,结果显示,两者吻合较好,且富集平衡时塔底^13C丰度和富集平衡时间的相对误差均在15%以下,验证了所建立的低温精馏分离^13C同位素动态模拟计算方法的准确性,可进一步用于高丰度^13C同位素生产装置中丰度变化过程的理论预测。

碳稳定同位素技术在植物水分胁迫研究中的应用

植物体的碳稳定同位素组成主要由植物本身的生物学特性决定 ,但环境胁迫对其影响也十分明显。综述了碳稳定同位素技术在研究植物水分利用效率、生物量高低及判断历史气候依据等研究领域的进展 ,阐明了植物体的 δ1 3C值对干旱、盐分及其它环境因素的变化所引起的水分胁迫的响应 。