同位素与水文

同位素技术在水文地理学中的应用1同位素分类根据原子结构的稳定性稳定同位素原子核的质子数和中子数以及原子核结构都是稳定不变的，自然界中多数原子核都属于这一类，如2H、18O。应用：示踪放射性同位素原子核含有较多的中子或质子，它就会发生裂变以形成一个稳定的核。原子核不稳定能自发进行放射性衰变或核裂变而转变成其它一类核素的同位素称为放射性同位素，如天然同位素3H、14C等。应用：测龄，示踪2同位素分类根据同位素来源天然同位素地理学中最常用的天然同位素是稳定同位素2H、18O、15N、13C和放射性同位素3H、14C；人工同位素通过人工方法（如核反应、粒子加速器等）制造出来的同位素，如核爆产生的3H等。3同位素示踪的基本原理同位素分馏由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象1H1H16O2H2H18O蒸发过程重同位素分子有较低的活动性：质量大的分子具有较小的速度，与其他分子的碰撞频率较小，这也就是质量轻的分子反应速度快的原因4思考：随温度升高，同位素分馏程度如何变化？同位素示踪的基本原理同位素分馏实质：轻重同位素分子结合力的差异造成的分子活性差异自然界中的化学反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应都能引起同位素分馏。应用：经过同位素分馏作用，同一元素的同位素在不同物质或同一物质的不同相态的轻重同位素含量不同，为分析物理、化学及生物反应提供了条件。5同位素含量的描述同位素丰度一种元素的各种同位素在原子中所占的百分比称为同位素丰度氢氧同位素丰度（%）同位素丰度1H99.98516O99.7572H（D）0.01517O0.038

3H（T）

18O0.205氘氚6同位素比率同位素比率是一种元素的两种同位素丰度之比7千分差值δ值是指样品中两种稳定同位素的比值相对于标准样品同位素比值的千分之偏差值能反映出样品同位素组成相对于标准样品的变化方向和程度。如值为负值，表明样品中的稀有元素比标准样品少，反之，表明样品中稀有元素比标准样品多。8常见同位素的标准样品2H,18O

维也纳标准海洋水（VSMOW）。13C美国南卡罗莱州白垩纪皮狄组的拟箭石（PDB）9稳定同位素技术在相关研究领域中的应用2H（D）,18O在水循环研究中的应用15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用13C,15N在生态系统研究中的应用稳定同位素在气候变化研究中的应用109.22H,18O在水循环研究中的应用2H(D),18O是水中的天然示踪剂蒸发及降水过程中D与18O是怎么变化的？11水中D与18O有什么关系？海洋18O：0‰水汽18O：-10‰降水18O：-7‰降水后水汽18O：-13‰河流18O：-5‰土壤18O：-4‰大气降水同位素特征全球大气降水线方程（GMWL）：δD=8δ18O+10区域大气降水线方程（LMWL）同位素富集同位素贫化大气降水中δD和δ18O的富集或贫化与什么因素有关？12大气降水的同位素效应温度效应从以上资料可看出，大气降水的同位素组成与当地气温的关系密切，且呈正相关变化，但不同地区变化差异很大。地点平均气温（℃）18O值（‰）18O-t线性方程相关系数乌鲁木齐7.66-12.0118O=0.417t-15.2020.886包头12.69-8.4818O=0.181t-10.7710.624拉萨13.6-18.8718O=0.667t-27.8070.74石家庄13.87-7.9518O=0.121t-9.6350.371太原14.53-5.5318O=0.008t-5.6470.662张掖15.89-6.818O=0.54t-15.380.662兰州17.21-6.3718O=0.327t-11.9960.63613大气降水的同位素效应纬度效应从低纬度到高纬度，随着温度的降低，降水的重同位素逐渐贫化14大气降水的同位素效应季节效应不同地区由于温度、湿度和气团运移等因素存在季节性的变化，因此降水的同位素组成也会有季节性的变化。大陆效应大陆效应也称离岸效应，也就是大气降水的同位素组成随远离海岸线逐步降低15大气降水同位素特征研究大气降水同位素特征有什么意义？利用同位素研究流域水循环的基础地表水、土壤水及地下水从降水中“继承”了氢氧同位素特征，并在水循环过程中发生改变分析区域降水水汽来源不同水汽来源的降水氢氧同位素特征不同研究古气候利用冰芯中保留的古降水中的氢氧同位素特征，推断古代气温变化16土壤水与地下水同位素特征受土壤水蒸发的影响，在土壤剖面上同位素在地表富集地下水某农田剖面的氧同位素观测数据17土壤水与地下水同位素特征蒸发后的土壤水分和随后降水补给水分的混合补给地下水。蒸发线18湿润干旱同位素在径流分割中的应用降水后径流成份组成示意图19同位素在径流分割中的应用利用同位素分割径流成分同位素混合方程sig20同位素研究地下水补给降水入渗补给过程同位素示踪补给方式估算补给速度降水入渗21活塞式入渗捷径式入渗（优先流入渗）同位素研究地下水补给地下水补给的复杂性山前平原（沙漠）当地降水；山区降水；冰川融水现代降水；古降水同位素研究地下水补给主要应用于什么气候类型的地区？为什么？22研究实例陈建生等在Nature（2004）发表论文：Groundwatermaintainsdunelandscape利用氢氧稳定同位素分析，得到结论：中国西北阿拉善高原的巴丹吉林沙漠下隐藏着大量的淡水资源，其与500公里以外的祁连山冰川积雪之间，更存在着一条巨大的“调水通道”——祁连山深大断裂。23土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素18O在大气－植物－土壤界面上的传递和分馏示意图（数据来源:Dawson（2002）andYakir（2000））如何利用氢氧同位素研究土壤-植物-大气系统的水循环过程？24土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素研究植物根系吸水深度根系在吸水过程中不存在同位素的分馏作用25研究实例问题的提出玉米在不同生长阶段根系主要利用的是哪个深度的土壤水？有什么意义？26研究实例问题的提出玉米在不同生长阶段根系主要利用的是哪个深度的土壤水？传统的研究方法根系挖掘缺点？同位素示踪方法前提条件？27研究实例玉米不同生长期的主要根系吸水深度拔节期开花期完熟期28土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素分割蒸散发（同位素贫化）299.413C,15N在生态系统中的研究应用不同区域植物中存在稳定同位素(H,C,N,O)组成差异不同地理分布的植物存在不同的δ13C值植物δ13C值还受土壤含水量、湿度、光照、温度和大气CO2浓度等环境因子的影响C3类植物C4类植物CAM类植物13C：-22‰~-30‰13C：-9‰~-14‰13C：-10‰~-30‰水稻、小麦、大麦、燕麦、黑麦、马铃薯、甘薯、豆类、茄果类、叶菜类玉米、高粱、甘蔗、谷子菠萝30稳定同位素在研究动物分布格局及活动原理陆地上不同区域植物同位素组成(δD,δ13C,δ15N和δ18O)有明显差异动物组织中的同位素组成总是与其食物中的同位素组成相一致动物从一个地方迁移到其他地方时,动物组织中的同位素特征就会转化为新食物的同位素组成这种转化是一种动态的渐变过程,原来食物的同位素特征还会在动物组织中保留一段时间31稳定同位素研究动物分布格局及活动Hobson和Wassenaar利用大陆上δD的分布格局研究了新热带区鸟类在繁殖地与越冬地间的迁移活动.他们分析了北美洲落叶阔叶林中6种候鸟羽毛δD值时发现,羽毛δD值与该地区降水中的平均δD值密切相关(R2=0.89),并且随地理纬度变化呈现明显规律性变化.329.5稳定同位素在气候变化研究中的应用气候变化研究方法湖泊沉积物沉积物粒度：降水量多少碳酸盐沉积：代表相对湿润的气候稳定同位素（13C，18O）地球化学指标：Sr,Rb……年轮年轮宽度、密度、灰度：降水量、气温稳定同位素（13C，18O，2H）33稳定同位素在气候变化研究中的应用冰芯冰川积累量：降水量稳定同位素（18O，2H）：气温地球化学指标微生物石笋稳定同位素（18O，2H）：降水量，气温，大气CO2浓度石笋微层：降水量地球化学指标孢粉：植物-气候海洋沉积物，珊瑚34树木年轮稳定同位素研究气候变化3512CO213CO2植物体内的δ13C相比空气CO2是大还是小？光合作用中13C同位素分馏原理植物体内的δ13C的影响因素降水降水少，植物体内水分少，气孔变小，植物体内CO2分压减小，δ13C分馏减小，δ13C值变大温度温度高，植物蒸腾作用强，气孔变大，δ13C值变小大气CO2浓度大气CO2浓度减小，δ13C值变大36国外应用同位素生态水文方面的研究河岸植物对不同水源（降水、地下水、河水）的利用情况；干旱区、半干旱区植物的水分来源