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1、1,同位素技术在水文地理学中的应用,2,课程目的,3,9.1 什么是同位素,核内质子数相同，所含中子数不同的一类核素在化学元素周期表中占据相同位置，它们具有相同的核外电子排布结构，因而总的化学性质相同，只是质量不同。,氘(D)氚(T),4,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,5
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。,6,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,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,思考：随温度升高，同位素分馏程度如何变化？,7,同位素示踪的基本原理,同位素分馏
3、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。,8,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,氘氚,9,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,10,千分差值,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
4、少，反之，表明样品中稀有元素比标准样品多。,11,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）34S美国迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁的硫（CDT）15N大气N2,12,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,13,9.2 2H,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？,水中D与 18O有什么关系？,海洋 18
5、O：0,水汽 18O：-10,降水 18O：-7,降水后水汽 18O：-13,河流 18O：-5,土壤 18O：-4,14,大气降水同位素特征,全球大气降水线方程（GMWL）：D=818O+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D和18O的富集或贫化与什么因素有关？,15,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。,16,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,17,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
6、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,18,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,19,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,20,土壤水与地下水同位素特征,蒸发后的土
7、壤水分和随后降水补给水分的混合补给地下水。,蒸发线,21,同位素在径流分割中的应用,降水后径流成份组成示意图,22,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,s,i,g,23,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,活塞式入渗,捷径式入渗（优先流入渗）,24,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？,25,研究实例,陈建生等在Nature（2004）发表论文：Groundwatermaintains dune la
8、ndscape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。,26,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）and Yakir（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？,27,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,28,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？,
9、29,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？,30,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,31,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）,32,9.3 15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,硝酸盐（NO3）污染的危害硝酸盐在消化道中可被还原成有毒的亚硝酸盐，亚硝酸盐将低铁红蛋白氧化成高铁红蛋白，使之失去输送氧的能力，另外亚硝酸盐还可与仲胺类化合物反应生成具有致癌作用的亚硝胺类物质。长期饮用含高浓度硝酸盐的水，会使人畜中毒。典型的是是“蓝婴儿综合征”，症状为婴
10、儿身体发蓝色，呼吸短促。是引起水体富营养化的重要物质,33,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,硝酸盐（NO3）的污染来源天然硝酸盐大气沉降土壤氮硝化作用产生的NO3人为硝酸盐农业合成氮肥生活污水、人畜粪汁,如何识别硝酸盐污染来源？,34,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,不同来源NO3的15N和18O取值范围示意图修改自Kendall(1998)、Xue et al.(2009)和Nestler et al.(2011),35,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,研究实例,Li S.,Liu C.,Li J.,Liu X.,Chetelat B.,Wang B.,W
11、ang F.Assessment of the Sources of Nitrate in the Changjiang River,China Using a Nitrogen and Oxygen Isotopic Approach.Environmental Science&Technology.2010,44(5):1573-1578.,36,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,研究实例,37,15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用,研究实例,38,9.4 13C,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
12、的13C值植物13C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,39,同位素在食物链中的传递,判断动物的营养级有什么意义？,40,同位素在食物链中的传递,在一定环境条件下,动物组织15N值在相邻营养级间差异(15N)明显,且比较恒定,大约为3.0 5.0化分动物的营养级,相邻营养级间13C值的差值(13C)较小,约为0.41.0,15N和13C哪个更适合于判断动物的营养级？,41,13C,15N研究食物链结构,42,13C,15N研究食物链结构,传统的食物链结构研究方法通过直接观察、胃容物分析、食物残留物分析及其粪便分析等来实现.数据只能反映动物最近取食情况,很难调查动
13、物的食物变化,尤其是较长时间段内或是动物一生的取食变化情况;数据只能反映表面现象,对于有些食物,动物虽然采食了,但并没有被消化吸收对于有些体型很小的动物(昆虫和土壤动物),调查更为困难.,缺点,43,13C,15N研究食物链结构,动物组织同位素值反映食物的同位素组成特征动物呼出气体和血液同位素值反映的是几小时到几天的食物特征;脂肪、肌肉和毛发等组织同位素值反映的是几周、几个月甚至几年的食物特征;骨骼、牙齿则反映其几十年、一生的食物变化特征,44,实例研究,利用稳定同位素示踪技术,分析崇明东滩盐沼湿地夏季不同生境大型底栖动物的食物来源和营养结构,45,实例研究,天津厚蟹和无齿相手蟹的食物主要来源
14、于沉积有机质和维管束植物,中华拟蟹守螺的食物来源较多,沉积有机质、悬浮颗粒有机质和植物都占一定比例,反映出其对食物的选择性不大,弹涂鱼的15N值较高,以捕食小动物为食,46,实例研究,利用同位素研究食物来源在考古学的应用,47,实例研究,利用同位素研究食物来源在考古学的应用原理,动力肌肉，富集1,骨骼中骨胶原，富集5,骨骼中羟磷灰石，富集12,48,实例研究,利用同位素研究食物来源在考古学的应用原理：15N规律,豆科植物：0%；非豆科植物：23,食草类动物的15N,大约为37,一级食肉类动物以及各种鱼类,15N 值为912,大气N2 15N，0,二级食肉类动物,15N 值更高,49,实例研究,
15、贾湖先民主要以C3 类食物为食,食谱属于杂食类,50,实例研究,狩猎和捕捞业,作物种植,家畜驯养,由15N分析不同阶段古人类食物结构的变化,采集,51,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(D,13C,15N和18O)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,52,稳定同位素研究动物分布格局及活动,Hobson和Wassenaar利用大陆上D的分布格局研究了新热带区鸟类在繁殖地与越
16、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 D值时发现,羽毛 D值与该地区降水中的平均 D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.,53,有机质迁移、来源分析,54,冬季较负的13C和15N值分布主要归因于陆源输入的贡献,55,实例分析,利用13C估算有机质陆源贡献率和水生生物贡献率陆源(-27.1)和水生生物(-23.6),56,稳定 同位素在农产品安全中的应用,鉴别蜂蜜蜜源植物属C3 植物,13C约为-30-22 高果糖玉米糖浆的植物属C4 植物,13C约为-14-9鉴别果汁追溯动物的饲料和地理起源13C,D,18O,57,9.5 稳定同位素在气
17、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）,58,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,59,实例研究,冰芯氧同位素为什么可以研究气候变化？,60,实例研究,从格陵兰冰芯氧同位素变化要以得到什么结论？,61,实例研究,62,实例
18、研究,63,实例研究,氧同位素对气温的指示,64,实例研究,冰川积累量对降水量的指示,65,实例研究,66,树木年轮稳定同位素研究气候变化,12CO213CO2,植物体内的13C相比空气CO2是大还是小？,67,光合作用中13C同位素分馏原理,植物体内的13C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，13C分馏减小，13C值变大温度温度高，植物蒸腾作用强，气孔变大，13C值变小大气CO2浓度大气CO2浓度减小，13C值变大,68,实例研究,69,实例研究,70,实例研究,多个气象因素合成一个复合因子TH=温度-降水量TH大，暖干；TH小，冷湿,71,实例研究,应用
19、同位素进行气候重建,72,9.6 放射性同位素,原子核自发放射出各种射线的现象称为放射性，放射性射线主要由、三种射线组成。衰变：原子核中的过剩中子转变为质子并放出一个电子和反中微子n p+Q+衰变：原子核中过剩质子转变成中子并放出+粒子和中微子（v）p+n+Q电子俘获(EC)：p+e n+Q 衰变：,73,放射性同位素,原子核自发放射出各种射线的现象称为放射性，放射性射线主要由、三种射线组成。射线：即光子，波长很短，穿透力强射线：即氦核，质量大，穿透力弱，电离作用强射线：即电子，穿透力弱，电离作用弱,74,放射性衰变规律,单位时间内衰变的原子核数目与t时刻存在的原子核数目成正比式中：Nt时刻母
20、体的原子核数目；-dN/dt衰变速率，负号表示随时间而减少；衰变常数，表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。,75,放射性衰变规律,N：t时刻母体的原子核数目；-dN/dt：衰变速率，负号表示随时间而减少；：衰变常数积分可得当t=0时，N=N0，则将C值代入得到指数衰减公式得出原子核由N0衰变到N的时间,-lnN=t+C,C=-lnN0,ln(N/N0)=t,N=N0et,ln(N/N0)=t,N=N0et,76,半衰期(t1/2),半衰期放射性原子核的数目衰减到原有数目的一半所需要的时间不同核素的半衰期差异很大，3H半衰期为12.43年，14C的半衰期为5730年，36Cl半衰期为30万
21、年。,77,放射性同位素单位表示,放射性活度（或放射性强度）时间内的衰变次数，常用Becquerel(贝可，Bq)表示，即每秒放射性衰变一次（1dps）为1Bq。另外一个表示单位为居里（Curie,Ci），定义为每秒衰变3.71010 次放射性比度表示液体和气体样品的放射性浓度单位一般为Bq/m3。表示固体样品的放射性浓度单位为Bq/g，,78,3H和14C同位素组成的表示,天然水中3H（氚）浓度常用“氚单位”TU（Tritium unit）表示1氚单位相当于1018中氢原子中存在1个氚原子的放射性强度。14C含量通常用样品的放射性浓度表示，即Bq/g。由于直接测定14C的绝对浓度非常困难，在
22、实际应用中常用相对浓度单位表示，即样品的放射性比度与标准样品的放射性比度相比，也称样品的现代碳百分含量（pmC）,（pmC）,79,放射性同位素定年,长半衰期的放射性同位素（14C、36Cl和81Kr等）可用来测定古地下水年龄；较短半衰期的放射性同位素（3H、37Ar、85kr等）可测定近几十年以来的地下水测龄范围介于年轻地下水与古地下水之间的“次现代”水年龄的39Ar和32Si等。目前，比较成熟且常用的放射性同位素有3H和14C。3H主要测定近50年以来的“年轻”地下水，14C常用于测定2000-20000年的古地下水年龄。,80,3H法测定地下水年龄,氚（3H或T）是氢的放射性同位素，它的
23、半衰期为12.43年。3H的来源：宇宙射线；人工核实验3H法估算地下水年龄是根据地下水是否受到20世纪60年代核爆试验期间产生的大量核爆氚的标记，将地下水形成时间划分为核爆试验前和核爆试验后两个阶段。1953年核爆试验之前，全球大气降水氚浓度的背景值为10TU左右，1953年至20世纪6070年代全球大规模的核爆试验产生的巨量氚使大气降水的氚浓度急剧增大,81,北半球陆地降雨中3H平均含量的历时分布曲线,82,3H法测定地下水年龄,Ian Clark 和Peter Fritz（1997）针对大陆地区提出如下的地下水年龄的经验划分方案：30TU相当一部分可能为20世纪6070年代补给；50TU主
24、要在20世纪6070年代补给。,83,14C法测定地下水年龄,14C测定年龄介于2,000-20,000年古地下水的重要手段。利用地下水14C年龄测定结果可以很好地确定地下水流向和地下水的循环速度，并结合其他气候变化指标恢复地下水形成的古气候古环境条件，以及作为约束条件提高地下水流模型数值模拟的精度。,84,14C法测定地下水年龄的假设条件,初始14C含量在所确定的年龄范围内是一个常数一般假设大气CO2的14C浓度为104.3pmc，土壤二氧化碳中14C含量一般为100pmc。14C在地下水系统中的浓度仅受放射性衰变影响碳酸盐矿物的溶解稀释、碳酸盐矿物的沉淀分馏以及同位素交换反应等因素会影响地
25、下水中14C浓度，实际应用时需要利用模型校正年龄。,85,地下水中14C的浓度,地下水14C测年是应用地下水中的溶解无机碳（DIC）作为示踪剂，测定地下水中溶解无机碳的年龄。一般认为地下水中的溶解无机碳与土壤CO2隔绝后便停止与外界14C的交换地下水14C年龄是指地下水和土壤CO2隔绝后“距今”的时间。,86,影响地下水14C浓度的主要因素,碳酸盐矿物的溶解稀释反应碳酸盐矿物多为地质历史时期形成，所以其14C浓度一般为0pmc。碳酸盐矿物溶解进入地下水中会使地下水14C浓度减小，即“稀释反应”。碳酸盐矿物的沉淀反应碳酸盐矿物的沉淀过程会产生同位素的分馏，在沉淀过程中地下水14C浓度减小。同位素
26、交换反应包气带中土壤CO2 与地下水DIC之间以及在含水层饱和带中碳酸盐矿物与地下水DIC之间存在同位素交换反应,87,地下水中3H 和 14C的关系,88,地下水CFCs定年,CFCs是Chlorofluorocarbons（氯氟烃，又名氟利昂Freon）的缩写，是分子结构中含有氯氟和碳、化学性质稳定、无毒、挥发性强的一类有机化合物的总称其中的CFC-11(CCl3 F)、CFC-12(CCl2 F2)、CFC-113(C2Cl3 F3)是化学上稳定的纯人工的化合物。,89,大气CFCs浓度变化,北美大气CFCs浓度和CFC比值曲线(据Use of Chlorofluorocarbons In Hydrology,IAEA,2006),90,实例研究,91,实例研究,92,实例研究,93,实例研究,主要结论,94,9.7 同位素实验测量,95,同位素实验测量,96,同位素实验测量,
