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1、第13章.同位素示踪在土壤研究中的应用,中国农业大学齐孟文,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。,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
2、壤剖面15N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。,三种土壤中不同含氮组分的15N值,1.2 土壤氮素转化的研究 NO2,N2 NH3 反硝化 土壤有机氮 NH4+NO3 矿物固定,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,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
3、它字母意义同上。,2）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.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。,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
4、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：,式中，V气体容积,0.975标准状态 1ml空气含有0.975mgN，气体中,土壤中NO3-15N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)。,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，19
5、92)，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)。,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。,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,0.5
6、M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。,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。,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)3
7、2P 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。,放化合成法 Fe-P,辐照同时产生55Fe和59Fe，半衰期较长，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。,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
8、-32P(郭智芳 1996)。,3 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。,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
9、）。,14C-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。,.14C示踪植物残体的分解速率。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。,2）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
10、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；土壤利用方式等因素也都影响有机质残体的分解。,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
11、常为Pee Dee Belemnite(一种简石)。,2）土壤有机质周转研究的13C法 研究土壤有机质周转的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
12、机质周转的示踪研究。,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,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。,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
13、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。,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。,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。,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
14、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。,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。,5.1 137Cs示踪法 铯-137是一非自然存在的人
15、工核爆放射性核素，其半衰期为30.2a。大气核爆产物137Cs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。,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
16、运移极小，仅随土壤颗粒作机械运动，在土壤中含量的变化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。,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
17、、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：,图.稀土元素示踪处理示意图,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(kg)，该产沙部位示踪元素的浓度为Ci(Bqkg-1)，元素的背景浓度值为Bi(Bqkg-1)，调查坡面的总土壤侵蚀量为G(kg)，径流泥沙中第i种元素的浓度为Ci*(Bqkg-1)，则由示踪元素的质量守恒关系有：,由上式计算出各示踪部位的相对侵蚀比率Gi/G，再乘以各产沙部位所代表的面积系数，即可求得各部位的相对侵蚀率。,Soil Density Gauge,Uses an Am241/Be9 source to generate neutrons and a Bismuth/germanium solid state detector,
