同位素示踪在土壤研究中的应用

1、第13章.同位素示踪在土壤研究中的应用1同位素示踪在土壤研究中的应用1.应用15N研究土壤氮素1.1 15N用于生态系统氮素转换的研究 15N定义为天然含氮样品的15N相对大气15N变化的百分数： 式中，R为质谱的峰29N2+与28N2+ 之比。土壤的15N与土壤氮的转化过程有关，因此有可能成为生态系统中氮循环的特征变量，用以进行相关研究。对其分析的要求是，样品制备过程不改变其同位素组成，且质谱有较高的灵敏度和精确度。该方面研究尚不充分，目前仅有一些相关试验资料，还缺乏规律性的认识。 2 现有研究的一些成果如下1）土壤全氮的15N存在变异，包括: 表层不同类型土壤全氮的15N不同； 土壤剖面1

2、5N分布存在分异 ，不同类型土壤15N的剖面分布不同。2)土壤不同含氮组分15N的分异及其影响，将为定量土壤-植物系统中氮循环提供依据。土壤中无机、有机含氮物质的型态、数量可以表征土壤氮素的周转过程。3 三种土壤中不同含氮组分的15N值氮素形态 红壤水稻土黑钙土 暗棕壤 15N平均值全氮水解性总氮非水解性氮氨基酸态氮可矿化态氮固定态氮 1.29 1.37 1.68 1.10 0.19 5.72 6.02 4.25 4.66 5.30 9.71 6.93 3.49 4.04 2.01 2.00 5.88 4.66 3.62 3.22 2.78 2.80 5.26 5.77 41.2 土壤氮素转化

3、的研究 NO2,N2 NH3 反硝化 土壤有机氮 NH4+ NO3 矿物固定5 1.2.1 矿化与固定1）有关量的测定土壤激发效应 因施肥而致土壤肥效的曾减效应。当P1时为还激发, P1为负激发。氮肥的矿化率6式中,Np作物吸的15N,Nl 施入15N的损失量,Nm矿质态15N， N 施入的15N 。氮肥生物固定率 式中，Nr 土壤残留15N，其它字母意义同上。72）施肥对矿化与固定的影响 施用无机氮几乎不影响土壤有机氮的总量，其作用仅表现为替换出土壤固定氮（沈善敏.土壤学报,1986.23(1):1015）。施有机肥氮,其矿化率少于残留率时,净激发是负值,说明增加了土壤有机氮的储量(朱培立等

4、.土壤激发效应的探讨,中国农业科学,1994.27(14) )。当无机氮和有机氮配合施用，无机氮可以提高有机氮的矿化率，有机氮可以提高无机氮的生物固定率。3）土壤氮激发效应的影响因子 除施肥外,影响土壤氮激发的因子有土壤C/N和肥料C/N及一些耕作措施。 8 1.2.2 硝化与反硝化 硝化-反硝化是土壤氮素损失的主要途径，直接测量方法具有重要意义。1）反硝化-15N气体通量测定法 将高丰度15N标记肥料施入土壤,继之收集反硝化气体,用质谱方法测定丰度，计算反硝化产出的15N，公式：9式中，V气体容积, 0.975标准状态 1ml空气含有0.975mgN，气体中 10 1.2.3土壤中NO3-1

5、5N的淋溶动态 15N示踪法,结合渗滤池及通量测定技术，可探明不同生态环境及种植制度下,土壤NO3N移动特点及淋溶动态(陈子明,1995)。 11 2. 应用32P研究土壤磷素 研究土壤磷的形态、转化和有效性是合理施磷和提高其利用率的基础性工作。2.1 土壤磷的转化及其有效性1）酸性土壤 在酸性土壤，土壤有效磷的A值，与土壤非包蔽磷酸盐,尤其是磷酸铁盐的数量密切相关(郭智芬，1992) ，与其他磷盐关系不大。2）石灰性土壤 32P-过磷酸钙施入石灰性土壤,只有13%15%被植物利用,残留土壤中的 4.6%-7.2%为易利用磷（0.5M醋酸和1%碳酸铵）, 24.5%-26.5%转化为较吸收利用

6、的磷（3M氢氧铵和0.2M硫酸）,68.268.9%转化为难利用磷(郭智芳1992)。 12 3)土壤交换性磷 交换性磷的计算 式中 31Pl溶液中31P的含量(mg/ml) ,32P0, 32Pt -分别为起始加入和平衡时残留溶液中的32P。13 32P标记土壤吸持态磷的Hedley 分级 土壤磷按交换性的大小及其对作物的有效性不同可分为：最有效组分,阴离子交换树脂磷(树脂-P) ；有效组分,0.5M碳酸氢钠(PH8) 提取磷(NaHCO3-P)； 铁、铝氧化物结合磷及小部分活性有磷，0.1M氢氧化钠提取磷(NOH-P)；活性低的组分,1M盐酸提取磷(HCl-P),主要为酸溶性磷酸钙盐。 1

7、4 土壤有机磷的积累与矿化 土壤有机磷是土壤有效磷的来源之一,其矿化是在土壤磷酸酶的作用下进行的。用32P示踪可以方便地研究有机磷的积累与矿化程度及其影响因子。 15 2.2石灰性土壤不同无机磷的有效性 石灰性土壤无机磷分级体系见 (蒋柏藩 中国农业科学,1989,22:4851)。1）各形态磷的标记方法 要求低载体,高比活度，能代表土壤各种相关形态,无其它放射染质。反应堆辐照法 用高纯普通化合物，由31P(n,r) 32P 制备。 Ca2-32P ，Ca8-32P ，Al-32P 干扰主要是45Ca, 测量时用吸收法可以分别甄别。16 放化合成法 Fe-P,辐照同时产生55Fe和59Fe，半

8、衰期较长，且不易与32P区分，会产生干扰，因此采用放化合成法。 FeCl3 +3NaH232PO4 Fe32PO4 +3NaCl+2H232PO42) 石灰性水稻土中磷酸盐的营养评估 用Fe-32PO4示踪表明, 石灰性水稻土在淹水条件下,磷酸铁盐对水稻磷营养具有重要贡献。 17 3)石灰性旱地土壤不同形态无机磷营养特性 某种形态磷的有效性用植物的吸收占全磷的百分比评价，32P示踪表明,不同形态无机磷的有效性Fe-32PAl-PCa2-32PCa8-32P (郭智芳 1996) 。 183 应用示踪法研究土壤有机质 研究土壤有机质的分解、转化和积累，非标记法的不足是添加植物残体后，需长时间测定

9、二氧化碳的释放量，分析误差大，而应用14C示踪法, 可以在更接近田间实际情况下进行实验和更可靠的测定。3.1 14C标记示踪1）植物残体的分解速率步骤 定量将14C植物残体与一定供试土壤混合,装入砂滤管,用尼龙网布封口后,埋入田间表土层进行腐殖试验, 经一定时间,取出供试样测定14C残留量。 19相关计算公式土壤中14C的残留率 式中,A加入的14C-植物残体总活度（kBq），W1腐解待测样品的称样量（g）,W2腐解待测样品的总重量（g），S待测样品的活度（kBq）。2014C-植物残体的分解率 式中，B1加入的14C-植物残体的总活度，B2-腐殖化后样品残留的总活度。21 .14C示踪植物残

10、体的分解速率。 研究植物残体在土壤中的分解过程，对于评价其对培肥地力的作用有重要意义。进入土壤的植物残体在微生物及酶作用下，部分彻底降解为二氧化碳，部分分解产物为微生物细胞利用，另一部分转化为新的土壤有机质 。222）植物残体在土壤中的矿化特征 14C植物残体在淹水和旱地土壤及石灰性和非石灰性土壤的矿化特征。3） 影响植物残体分解的因素 温湿条件，温度与湿度共同促进植物残体的分解；土壤的性质，如质地、粘土类型及PH的影响。粘土中的14C有机质残留较沙土的少,质地影响没有明显的变化规律；有机质的化学组成对其分解有明显影响，主要取决物料本身的水质素含量，分解速率大小次序与质素含量次序相反；土壤利用

11、方式等因素也都影响有机质残体的分解。 23 3.213C原位示踪1）13C的定义 元素在自然界的循环与周转过程中，其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影响，因此不同自然来源的样品其元素的同位素丰度存在变异，变异携有相关环境因子的信息，利用其通过反演可可对相关环境因子进行研究，或用其原位标记特性进行示踪研究。在实际应用中，由于同位素自然丰度的变异很小，为表达方便，常引入同位素相对比率()， ，式中R表示13C/12C原子数之比，p和s分别代表样品和参比标准，标准常为Pee Dee Belemnite(一种简石)。24 2）土壤有机质周转研究的13C法 研究土壤有机质周

12、转的14C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14C本身具有放射性的问题，因此应用受到一定限制，而13C示踪作为原位标物，可供土壤长期标记，能保证所有分级组分(包括存留很长的有机质组分)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，在一个达到平衡的稳定系统中，土壤碳的13C与来源植物十分接近，其变幅只有0.51.5，而在和不同植被转换条件下，土壤13C的变幅可达1214，因此可在植被转换系统，利用13C进行土壤有机质周转的示踪研究。 25 设土壤历史上为C植被背景，其时土壤的13C为C，后转换为C植被，且C植被下土

13、壤13C的本征值可由实验区域C植物的典型值C估计，在转换系统中土壤有机碳的13C是两个碳源SOC和SOC的13C以各自贡献的百分数为的权重的加和，则土壤有机质碳来自C植物(SOC)的比例为26 根据上式，通过对植被转换系统土壤的13C进行连续监测，就可得出土壤有机质周转随时间的变化关系。其变化一般可用指数函数描述，由指数衰减常数可求得半更替时间。在实际应用中，还可进一步对土壤进行剖面分层和粒径分级，以测定各赋存状态有机质的周转规律。 27 3.3核磁共振技术的应用 固相核磁共振技术作为非破坏研究方法，可以直接测定土壤中碳、氮、磷等元素的赋存形态和分布模式。13C、15N和31P核磁共振谱在土壤

14、有机质组成、转化及腐殖结构等方面已取得显著进展。15N NMR 谱研究表明，新形成的腐殖质各组分（胡敏酸、富里素及胡敏素中的胡敏酸）的氮素均以酰胺、芳胺（或脂肪胺）及吡咯等型态存在，其中酰胺占大部分。28 4.土壤有效养分的测定 4.1 概念假设：土壤有效养分与肥料养分等当量，而植物从每一养分状吸收的养分与各自养分源的含量成正比。 29 4.2 A值法 土壤A值以肥料养分作为相对比较标准的土壤有效养分量。 30 5.示踪技术在土壤断代，侵蚀研究中的应用5.1土壤断代研究 利用核素断代技术可以对受人为活动影响较小的土壤的形成进行断代，以研究其自然发育过程，也可对有机质中组分成土年龄断代，进而进行

15、成土过程及其影响的研究。5.2土壤侵蚀研究 土壤侵蚀不仅会引起土地生产潜力降低和土地退化，还会引发诸如河道淤塞、水库缩容和水体富营养化等一系列重大的环境生态问题，因此已成为当今可持续发展迫切需要解决的课题，受到广泛关注。 31 核素原位标记土壤侵蚀示踪法，已广泛被证明是一种独特而有效的方法。较之传统方法其具有：1)土壤侵蚀的测定只需通过取样分析就可完成，无需连续现场监测；2)能对取样地点的侵蚀历时情况进行回朔性测定；3)同时能够在同一地块测定各点的净侵蚀或净沉积的分布模式 。32 5.1 137Cs示踪法 铯-137是一非自然存在的人工核爆放射性核素，其半衰期为30.2a。大气核爆产物137C

16、s首先随放射性尘埃进入平流层，经长距离运送和混合后重新进入对流层，小部分以干尘降，大部分随降雨重新落入地面，进入地面后的137Cs很快被地表吸附。全球可探测到的137Cs沉降始于1954年，到1963年达到最大，1963年核禁条约生效后，逐年下降，到1980年后已基本可以忽略。33 137Cs作为土壤侵蚀示踪剂的基本假设是： 其一，137Cs在区域的尺度空间，其沉降最初输入是均匀分布的，作为土壤137Cs含量变化的参比标准具有确定性； 其二，137Cs被土壤尤其是土壤粘粒和有机质强烈吸附于阳离子交换位置，很难被置换，因此不易淋溶，化学和生物学运移极小，仅随土壤颗粒作机械运动，在土壤中含量的变化

17、主要受土壤颗粒物理运动的影响。 基于以上两点，它是一种良好的土壤侵蚀示踪剂。示踪的基本方法是通过测定土壤137Cs总面积含量相对于参照背景值的变化，并将这种变化与土壤运移量相联系，以实现对土壤侵蚀的定量测定。该方法可用于中长时间跨度、大空间尺度上土地侵蚀速率及其分布模式的研究。 34 5.2稀土元素示踪法 (REE) 稀土元素有与137Cs相似的地球化学性质，其与土壤尤其是土壤粘粒和有机质具有很强的结合性，植物富集及淋溶不明显，主要随土壤作机械迁移，又因在黄土中的自然含量甚微，因此可作为黄土高原土壤迁移的示踪剂。用作示踪的常用的稀土元素是La、Se、Nd、Sm、Eu、Dy等元素的氧化物，常采用与条块样方混均回填标的方法进行坡面侵蚀情况的示踪测定。侵蚀坡面处理的示意图如下： 35 图.稀土元素示踪处理示意图36 取样测量 在侵蚀坡面坡脚下建立径流沉淀收集池，采集沉淀样品，风干并混均，网格法取100g ，研磨过100目筛，取50100mg，装入铝箔袋，经中子活化分析，求算样品中元素的浓度C(Bqkg-1)。数据分析 设第i种元素示踪面积区土壤侵蚀量为Gi(k