《環(huán)境同位素示蹤》PPT課件

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1、環(huán)境同位素示蹤中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)齊孟文背景環(huán)境元素的同位素因直接參與元素在環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中演化過程，在這些演化過程因同位素判別作用，存在同位素?zé)崃W(xué)和/或動(dòng)力學(xué)分餾效應(yīng)，這些效應(yīng)受環(huán)境因子的影響，因此其同位素構(gòu)成整合了生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和生物地球化學(xué)過程在時(shí)間和空間尺度上對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的信息。當(dāng)天然同位素構(gòu)成因其在地球化學(xué)原產(chǎn)地具有特異性或在演化過程中具有單向同位素分餾效應(yīng)，而具有特定環(huán)境和過程“指紋”的特性，便可利用環(huán)境同位素對(duì)背景環(huán)境或過程進(jìn)行示蹤研究。PhotosynthesisleafstemrootAllocationstorageMicrob

2、ialcommunityStabilizedSOMSoilrespirationLitterandSOMdecompositionEcosystemrespirationRootRespirationFireLossbyleaching,erosionKeeling曲線“KeelingPlot”方法，是描述的是生態(tài)系統(tǒng)邊界層中某種氣體(CO2或H2O)的穩(wěn)定同位素比與其濃度倒數(shù)之間的線性關(guān)系(Keeling,1961)。為環(huán)境同位素示蹤的重要計(jì)量關(guān)系之一。關(guān)系式推導(dǎo)：以CO2為例，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)與大氣環(huán)境的界面層，設(shè)Ca、Cb、Cs分別為界層某氣體的總濃度，

3、源于背景的濃度和源于生態(tài)系統(tǒng)導(dǎo)入的濃度，?13Ca、?13Cb、?13Cs為相應(yīng)部分的13C比率，則由質(zhì)量守恒有：由同位素守恒，有合并以上兩式并整理，最終有由上式，?13CaVS1/Ca作圖，直線在Y軸的截距即為?13Cs1.δ18O示蹤和KeelingPot用于區(qū)分田間蒸散組分田間水分蒸散由蒸發(fā)和蒸騰兩部分組成。由于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分餾作用，蒸發(fā)水汽的同位素相對(duì)土壤水被貧化，但研究表明(Flanaganetal.,1991;Wang&Yakir,2000),在蒸騰處于同位素穩(wěn)定態(tài)時(shí)，蒸騰水汽的同位素組成近似于根根莖部木質(zhì)部水的同位素組成。因此土壤蒸發(fā)水汽與

4、植物蒸騰水汽的同位素比有顯著的差異,這是利用水汽的氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行蒸散組分區(qū)分的理論基礎(chǔ)(Yepezetal.,2003;Williamsetal.,2004)。由于蒸散的水汽由蒸發(fā)水汽和蒸騰水汽組成，設(shè)CET、CT、CE分別為蒸散、蒸騰、蒸發(fā)水汽濃度，?ET、?T、?E為相應(yīng)部分的δ18O,則由同位素守恒：整理,有最終，有FT為植物蒸騰在總的地表蒸散中所占百分比。為了測(cè)定確定FT，各相部分關(guān)同位素比率的測(cè)定或確定方法過程如下：1）土壤蒸發(fā)水汽的同位素比率土壤蒸發(fā)水汽比率的采用Craig-Gordon模型計(jì)算(Gat,1996)。其中，?s為土壤蒸發(fā)水體

5、的同位素比率，h為大氣水汽相對(duì)于土壤蒸發(fā)點(diǎn)溫度的相對(duì)濕度，?V為大氣水汽的同位素比率，?V/L為水汽從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)過程的分餾系數(shù)。相關(guān)參數(shù)計(jì)算:式中，n是描述分子擴(kuò)散阻力與分子擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)性的一個(gè)常數(shù),對(duì)于不流動(dòng)的氣層而言(土壤蒸發(fā)或葉片蒸騰),一般取值為1(Barnes&Allison,1988),對(duì)大的開放水體,n一般取值0.5;θ表示分子擴(kuò)散分餾系數(shù)與總擴(kuò)散分餾系數(shù)之比,對(duì)于蒸發(fā)通量不會(huì)顯著擾動(dòng)環(huán)境濕度的小水體而言(包括土壤蒸發(fā)),一般取值為1(Gat,1996),大的水體θ取值在0.5–0.8之間;CD為描述分子擴(kuò)散效率的參數(shù)，對(duì)H18O來(lái)說(shuō)一般

6、取值28.5‰(Gat,1996)。2）蒸騰水汽的同位素比率植物的根系從土壤中吸收水分,以及在植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)倪^程一般認(rèn)為不發(fā)生同位素分餾作用(Dawson&Ehleringer,1993;Ehleringeretal,2000;Williamsetal.,2004),因此木質(zhì)部水具有與其利用水源相同的同位素特征(Dawson&Ehleringer,1993)。這稱為同位素穩(wěn)定態(tài)，在蒸騰速率很大時(shí),這種穩(wěn)定態(tài)假設(shè)基本成立。因此，實(shí)踐中可用莖水的同位素比率代替植物蒸騰水汽的同位素比率。3）蒸散水汽同位素比率蒸散水汽同位素比率由Keelingpot求得。其具體表

7、達(dá)式為：式中，CV和?V分別為測(cè)定的邊界層水汽的濃度和同位素比率，Ca為背景大氣水汽的濃度，?ET為蒸散水汽的同位素比率。實(shí)例參見：袁國(guó)富等.利用原位連續(xù)測(cè)定水汽δ18O值和KeelingPlot方法區(qū)分麥田蒸散組分.植物生態(tài)學(xué)報(bào)2010,34(2):170–178方法：大氣水汽的同位素比率在80m和180m兩高度，用激光痕量氣體分析系統(tǒng)，利用H216O和H218O激光吸收光譜的微小差異,對(duì)其的摩爾濃度及同為組成比率進(jìn)行原位連續(xù)觀測(cè)。蒸騰水汽同位素比率定時(shí)采集的莖樣，將樣品快速裝入玻璃瓶，用帕拉膠密封,并冷凍保存。提真空抽提儀抽取土莖樣中的水分,水樣的同位

8、素比率由FinniganMAT-253型質(zhì)譜儀測(cè)定。微氣象數(shù)據(jù)的測(cè)