环境同位素示踪法在农业中的应用 LOREM IPSUM DOLOR

环境同位素示踪法 环境同位素示踪是指利用元素稀有同位素核素自然丰度变异对元素演 变的自然环境进行反演,或利用其原位标记的特性对物质的运动规律进 行示踪的方法。它能够提供其它方法不能或不易提供的信息。 元素在自然界的循环与周转过程中,同位素因质量间的差异发生热力学 或动力学分馏。分馏过程受环境因子的影响,因此不同来源样品的元素, 其同位素丰度存在变异,变异携有环境因子的信息,利用其可对相关环境 因子进行时空反演。 同时因其具有原位标记特性,可用于生态系统中物质周转的示踪研究。

碳同位素示踪法的应用 放射性碳同位素14C的应用主要有两方面 一方面是用于测年,其主要原理为14C与12C的比值在自然界(包括大气 圈和生物圈)中保持不变,当生物体死亡后,新陈代谢停止,不再摄入14C, 而14C又继续衰变,因此比值不断增大,就可以通过该比值的测定来计算 植物死亡的年代 另一方面的应用是标记作用,即用14C取代化合物中12C,与未标记化合 物相比,物理化学性质没有改变,只是带有放射性,通过放射性的测量就 可以清楚的得到化合物移动的路径和过程。这一方法被广泛应用医学、 地质、农业、水利等行业。

在农药残留代谢、降解和代谢中的应用 在过去的几年里,放射性同位素示踪技术及其在我国农药科学中的应用 研究已取得了较大成就,放射性同位素示踪技术是迄今农药代谢研究中 最常见最灵敏和最有效的一种分析技术。特别是在放射性同位素化学 标记合成技术、利用示踪手段研究在动植物体中的农药残留、降解和 代谢、在环境中的行为和归宿以及农药安全使用技术等方面均有较大 进展。仅中国农业科学院原子能利用研究所同位素应用研究室已合成 了80余种农用标记化合物,包括杀虫剂、杀菌剂、杀螨剂、除草剂、化 肥和生物试剂等。

δ13C示踪法 稳定性同位素13C的天然丰度仅为12C的1.11%,在不同来源的有机化合物中 有一定的分异。δ13C值就是描述样品与标准化合物相比较13C天然丰度变异 程度的指标。 空气中CO2的δ13 C值为- 7‰ ,由于形成13C— 12C键比形成12C— 12C键需 要较多的能量,所以植物在进行光合作用时,依据光合作用途径的不同,所形成 的光合作用产物的δ13C值均有不同程度的降低。 注：标准化合物通常为Pee Dee Belemnite(一种箭石,简称PDB),它是在南加里 福尼亚由Pee Dee形成的一种甲壳纲软体动物Belemnitella americana的碳酸 盐骨骼。 δ(‰)=(R样/R标-1)×1000

在植物光合作用途径鉴别中的应用 绿色植物通过光合作用吸收CO2气体合成有机质,按照羧化过程中形成 的过度产物的不同,光合作用可分为3种类型即C3植物、C4植物、和 CAM植物。 不同光合作用途径的植物,CO2在叶片气孔中扩散及固定时遇到的阻抗 不同,同位素分馏不同,致使W13C取值范围不同,因此可以用叶片的 W13C鉴定植物的光合作用类型。

在植物光合作用途径鉴别中的应用 C3植物（小麦、大豆、水稻、森林植被）的W13 C为-2.3%～ -4% ,平均为- 2.7% CAM植物（芦荟）的W13C平均值介于前二者之间,为-1.7% 实际应用中,只需测定植物叶片的W13 C,就可以判定其光合作用的类型

土壤有机质周转研究 研究土壤有机质周转的14 C示踪法,一般存在实验周期长,土壤某些组分 标记不上或标记不均匀,以及因放射性应用受到一定限制等问题。而13C 作为原位标记,可供土壤长期标记,能保证所有分级组分(包括存留时间很 长的有机质组分)都能被均匀标记,因此是研究土壤有机周转的理想示踪 方法。土壤有机质主要来自植物残体的矿化和腐殖化。在稳定系统中,土 壤碳的W13C与来源植物的十分接近,其变幅只有0.05%～ 0.15% ,而C3 与C4植被转换条件下,土壤W13C的变幅可达1.2%～ 1.4% ,因此在植被 转换系统,可利用W13 C进行土壤有机质周转的示踪。

土壤有机质周转研究 设初始时系统为C3植被,土壤W13C为WC3,后系统转换为C4植被,则转 换系统中土壤有机碳的W13C(为WC)是系统剩余C3植被时的老碳 (SOC3)和转换为C4植被后形成的新碳(SOC4)的W13 C(为WC4)以其 相对贡献作为权重的平均,即: 土壤有机质碳来自C4植物(SOC4)的比例为:

土壤有机质周转研究 C4植被下土壤W13C的本征值可由实验区内植物的典型值估计。根据 上式,通过监测植被转换系统土壤的W13C,就可得出土壤有机质的周转 规律,其变化一般可用指数函数描述,由指数衰减常数可估算土壤有机质 的半更替时间。更进一步研究,可对土壤进行剖面分层和粒径分级,以测 定有机质的赋存状态及其变化规律。

δ13C值的测定 δ13 C值一般用特定的仪器进行测定。δ13C值测定方法的一般原理是 通过使干燥的样品在一密封的有过量氧气的石英玻璃管中燃烧,使样品 中所有的碳都转化为CO2,然后通过低温蒸馏使产生的CO2与其它的燃 烧产物分离,然后使得到的纯净CO2，在双入口的同位素质谱仪中进行 测定,从而得到样品的δ13C值。

13C方法的优点 13C方法是近年来用于植物土壤有机质动态研究的一种新的方法,并且 正在得到越来越广泛的应用。比较起来,该法除了具有14C示踪法的优 点外,还可以提供长期(甚至几千年)的标记,并能使所有的有机质组分都 能被均匀标记(包括那些平均存留时间很长的有机质组分)。该方法是 天然标记,无放射性。此外,该方法的一个独特优点是能够计算不同植物 来源的土壤有机质的比例。应用δ13C方法,既能研究土壤有机质总体 的动态情况;也可以研究不同颗粒大小或密度部分有机质的动态变化;还 可以研究不同农业措施以及不同环境条件对土壤有机质动态的影响。

参考文献： 1.窦 森,张晋京. 用δ13C值研究土壤有机质周转的方法及其评价 .吉林 农业大学学报 2李玉平,江小清,刘苑秋.碳、氮同位素示踪法在农林业中的应用.江西科 学 3.刘启明,王世杰,林河春,等.稳定性碳同位素示踪农林生态转换系统中土 壤有机质的含量变化.环境科学