磷酸盐氧同位素技术在环境科学中的研究进展

近年来,由于磷素流失造成的环境问题日益严重,查明环境中磷的来源及迁移转化对于改变目前现状具有重要意义。而磷酸盐氧同位素作为一种地球化学示踪剂在水体环境、土壤以及古环境研究中得到了广泛应用。本文总结了不同自然界物质中磷酸盐氧同位素组成(δ~(18)O_P),分馏机理,分离、纯化和测试方法以及在环境科学中的应用研究进展。在此基础上,提出未来研究工作展望:根据不同样品的基本性质选择不同的分离、纯化方法,磷酸盐氧同位素分馏机制及原因仍存在不确定性,需进一步研究,磷酸盐氧同位素应用前景有待进一步扩展。     

锌稳定同位素分析方法及其在环境科学研究中的应用

锌的广泛使用使得大量锌通过冶金、农业、能源使用等途径进入到环境中,随着多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的出现,锌同位素在环境污染源示踪方面逐渐得到应用。本文对近年来锌同位素的研究成果及锌同位素体系进行了总结,分别从纯化分离与浓缩富集、仪器质量歧视校正、锌同位素的组成与分馏机理以及锌同位素在土壤、沉积物、水体、大气和植物污染源示踪中的应用等方面进行了论述。锌元素是生物体所需的必要元素,生物吸收、矿物吸附、蒸发冷凝等作用都会导致其分馏,深入开展锌同位素分馏机理研究、完善锌同位素在各物质储库中的分布,将有助于推动锌同位素在环境科学领域的广泛应用。     

利用氮、氧稳定同位素识别水体硝酸盐污染源研究进展

水体硝酸盐污染已经成为一个相当普遍且重要的环境问题.为了保证人类的身体健康、水环境的良性演化,有效识别水体中硝酸盐污染的来源就显得尤为重要.水体中不同来源的硝酸盐具有不同的氮、氧稳定同位素组成,因此,可以利用氮、氧稳定同位素对水体中的硝酸盐污染进行源识别.本文介绍了氮、氧稳定同位素在氮循环主要过程中的分馏系数和主要硝酸盐来源的氮、氧稳定同位素组成,对比了5种硝酸盐氮、氧同位素分析预处理方法的优缺点,综述了国内外学者在该方向的研究进展并划分为3个阶段:单独使用氮稳定同位素;同时使用氮、氧稳定同位素;结合数学模型的应用.最后,对该领域今后的研究方向进行了展望.     

脂类抽提对北太平洋柔鱼肌肉碳、氮稳定同位素测定结果的影响

稳定同位素技术可深层次地分析头足类的摄食习性和栖息地等方面的重要信息.稳定同位素分析多选取动物肌肉为研究组织,然而,肌肉中的脂类含量会影响对其稳定同位素信息的准确解析.北太平洋柔鱼是重要的大洋经济性头足类,在海洋生态系统中具有重要的生态地位.本研究选取了53尾北太平洋柔鱼,通过分析脂类抽提对胴体肌肉稳定同位素比值的影响,探讨脂类物质对稳定同位素比值的干扰机制,对比不同碳稳定同位素比值校正模型的适用性,并提出适用于北太平洋柔鱼胴体肌肉δ¹³-C校正模型.结果表明： 北太平洋柔鱼肌肉的脂类抽提会引起稳定同位素测定结果的显著变化,δ¹³-C和δ¹⁵-N分别平均升高0.71‰和0.47‰,在分析组织碳稳定同位素比值时,脂类抽提在样品预处理过程中十分必要,其能消除脂类对样品稳定同位素分析的干扰,从而更加准确地分析研究对象食性与栖息地的变化.在单独进行氮稳定同位素比值分析时,则不需要进行脂类抽提.     

基于稳定同位素的湿地食物源判定和食物网构建研究进展

湿地生物营养动力学是湿地生态系统结构和功能评价研究的基础.碳、氮稳定同位素作为识别营养关系的方法,已在湿地生态系统食物来源、组成和食物链传递研究中得到广泛运用.本文系统综述了稳定同位素食物贡献度计算模型和营养级确定的基本方法和理论;讨论了动物营养分馏值和基线的选择依据;概括了湿地生态系统典型食物源及其稳定同位素变化特征;总结了草食、杂食和肉食等不同营养级动物的食物来源.指出了稳定同位素在湿地食物源溯源和食物网研究中的不足;基于国内外研究现状和发展趋势及需求,展望了未来同位素技术在湿地食物网生态学研究中的运用前景和研究重点,提出需要加强稳定同位素营养分馏和基线的影响因素、样品处理和保存方式研究以及胃含物、分子标记物和多元素同位素结合分析.     

氨基糖单体碳氮同位素的分析及其应用

氨基糖(AS)作为有机质中在分子水平识别的重要组分,研究其来源与转化能更好地认知微生物对有机质的调控作用。作为一种新兴技术,氨基糖单体同位素分析(CSIA-AS)为研究氨基糖各组分在自然环境中的变化特征提供了更详细的信息。本文系统总结了CSIA-AS技术的测定方法及其在氨基糖循环转化研究中的应用,气相色谱-同位素比值质谱法(GC-IRMS)和离子色谱-同位素比值质谱法(IC-IRMS)作为2种主要的氨基糖同位素测定方法,各有利弊,但进行相应的校正后均可实现可靠的测定结果。氨基糖各组分在土壤有机质中具有相对较低的周转时间,细菌来源的胞壁酸相对葡萄糖胺、半乳糖胺和甘露糖胺具有更高的矿化速率。氨基糖在环境中的来源和代谢转化受底物的影响,这与微生物群落对不同碳、氮源的特异性响应有关。CSIA-AS技术的推广需要进一步的方法优化并将其与微生物甄别等其他手段相结合,以此来更好地阐释有机质的来源、转化和归宿及其调控机制。     

稳定性碳同位素技术在生态学研究中的应用

 植物光合作用是自然界产生碳同位素分馏的最重要过程,也是碳同位素技术在生态学研究中应用的基础。最初,碳同位素主要应用于光合途径的鉴别。随着技术的不断完善和研究的不断深入,目前此项技术在生态学研究的许多领域都得到了广泛的应用。作者从植物叶片、功能群、群落冠层、生态系统以及全球等几个不同的尺度上,对碳同位素技术在生态学研究中的主要应用进行了简要的总结。     

环境条件对植物稳定碳同位素组成的影响

植物稳定碳同位素技术是近年兴起的一项快速、可靠的技术。利用稳定碳同位素技术可以揭示碳同化的过程的许多方面的信息。1 3C和1 2 C同位素效应 ,使它们在进行碳循环时发生稳定碳同位素的分馏。植物光合作用过程中CO2 经气孔扩散分差和RUBPCase及PEPCase羧化分馏是造成植物稳定碳同位素比率 (R =1 3C/ 1 2 C)不同于源CO2 中碳同位素比率的主要原因。遗传因素和环境因子同时决定植物碳同位素组成。植物稳定碳同位素技术同时还是古气候重建和预测未来环境变化的理论基础。本文综述了光照、温度、水分、二氧化碳、矿质营养、盐分和大气污染物等环境因素对植物稳定碳同位素组成影响方面的研究进展。     

环境条件对植物稳定碳同位素组成的影响

植物稳定碳同位素技术是近年兴起的一项快速、可靠的技术。利用稳定碳同位素技术可以揭示碳同化的过程的许多方面的信息。13C和12C同位素效应,使它们在进行碳循环时发生稳定碳同位素的分馏。植物光合作用过程中CO2经气孔扩散分差和RUBPCase及PEPCase羧化分馏是造成植物稳定碳同位素比率(R=13C/12C)不同于源CO2中碳同位素比率的主要原因。遗传因素和环境因子同时决定植物碳同位素组成。植物稳定碳同位素技术同时还是古气候重建和预测未来环境变化的理论基础。本文综述了光照、温度、水分、二氧化碳、矿质营养、盐分和大气污染物等环境因素对植物稳定碳同位素组成影响方面的研究进展。     

大气颗粒物稳定同位素组成的研究进展

大气颗粒物成分复杂,容易对环境和人体健康产生较大影响,是雾霾的主要来源。如何对大气颗粒物及其成分的来源、形成和迁移转化过程进行表征一直是大气环境科学研究中的重要课题。近年来,稳定同位素技术被广泛应用到环境污染物的来源示踪研究中。本文综述了大气颗粒物的研究进展,重点围绕大气颗粒物中的轻稳定同位素组成(主要包括碳、氮、硫和氧的稳定同位素),结合大气颗粒物的时空变化特征及特定的同位素数学模型,对大气颗粒物中物质的来源、形成过程和贡献等研究进行分析总结,并对稳定同位素技术在未来大气颗粒物研究中的应用发展趋势进行探讨。     

湖泊水生植物稳定碳同位素分馏机制与应用研究进展

水生植物是维持湖泊生态系统健康发展的重要基础与支撑。与陆地植物相比,水生植物稳定碳同位素(δ~(13)C)的分馏过程较复杂,为系统的了解水生植物δ~(13)C的分馏过程及其在湖泊现代生态系统和古环境研究中的应用,调研了国内外相关研究进展。总结已有研究表明,水生植物的δ~(13)C主要与其吸收利用的碳源和水体环境要素等密切相关,影响因素较复杂,而且目前在利用水生植物的δ~(13)C研究不同时间尺度上湖泊环境变化时所选用的载体存在差异。植物不同组分样品的选择对解释水生植物δ~(13)C与环境之间的关系至关重要。因此,以太湖典型水生植物为研究实例,探讨了水生植物不同组分稳定碳同位素的分布特征及其对环境因子的响应差异,结果显示水生植物不同组分的δ~(13)C存在一定的差异,而且对环境的响应也不同,未来在利用水生植物δ~(13)C研究湖泊环境变化时对于水生植物样品组分的选择应谨慎考虑。     

稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析

稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统、特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为"水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏"。生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件。但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性。综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性、水源同位素的季节性变化、蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考。     

水域生态学中生物稳定同位素样品采集、处理与保存

稳定同位素分析技术由于能够刻画复杂的食物网结构并追踪食物网中的能量流而成为水域生态学研究中的重要手段。但是当水生生物样品采集、处理和保存过程中存在不确定性时, 营养关系分析中的同位素结果可能会产生误导性解释。文章采用数据模拟分析和文献总结的方法, 研究了水域生态系统中样品采集、处理和保存对于稳定同位素的影响, 概括性地建议了水域生态系统中适合应用稳定同位素分析技术开展生态学研究的样品采集、处理和保存的注意事项。但今后仍需进一步评估样品采集、处理和保存对稳定同位素比值的影响效果, 确定化学动力学在水生生物样品采集、处理和保存中的作用, 以进一步完善水生生物样品的采集、处理和保存稳定同位素生态学研究规范。     

稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用

近20a稳定同位素技术在植物生态学研究中的应用得到了长足发展,使得对植物与水分关系也有了更深一步的了解。介绍稳定同位素性碳、氢、氧同位素在研究植物水分关系中的应用及进展,以期能为国内植物水分利用研究提供参考。由于植物根系从土壤中吸收水分时并不发生同位素分馏,对木质部水分同位素分析有助于对植物利用水分来源,生态系统中植物对水分的竞争和利用策略的研究,更好地了解生态系统结构与功能。稳定碳同位素作为植物水分利用效率的一个间接指标,在不同水分梯度环境中,及植物不同代谢产物与水分关系中有着广泛的应用。同位素在土壤-植被-大气连续体水分中的应用,有助于了解生态系统的水分平衡。随着稳定同位素方法的使用,植物与水分关系的研究将取得更大的进展。     

稳定同位素红外光谱技术测定CO_2同位素校正方法的研究进展

稳定同位素红外光谱(IRIS)技术克服了传统的大气CO_2气瓶采样-同位素质谱(IRMS)技术时间分辨率低且耗时费力的缺点,可以实现高时间分辨率和高精度的大气CO_2碳同位素组成(δ~(13)C)和氧同位素组成(δ~(18)O)的原位连续测定。基于IRIS技术测量CO_2δ~(13)C和δ~(18)O的误差来源主要包括δ~(13)C和δ~(18)O测量值对CO_2浓度变化的非线性响应(浓度依赖性)以及对环境条件变化的敏感性导致的漂移(时间漂移)。如何有效地校正浓度依赖性和时间漂移导致的误差是IRIS仪器应用的前提。该综述阐述了δ~(13)C和δ~(18)O测量值的浓度依赖性产生的理论基础,回顾了浓度依赖性的理论校正和经验方程校正方法和应用;回顾了时间漂移的校正原理、方法和应用;概述了数据溯源至国际标准的原理、方法与应用现状。结合实际情况推荐利用3个或3个以上已知CO_2浓度和δ~(13)C、δ~(18)O真值的CO_2标准气体涵盖待测气体CO_2浓度的浓度依赖性校正,设置适当的校正频率校正时间漂移并进行数据溯源。指出应该加强不同仪器和校正方法的比对研究;采用IRIS技术测定CH_4、N_2O和H_2O同位素组成也可以采取类似的校正方法。     

镁同位素在森林生态系统研究中的应用

镁元素是常量元素之一,也是生物维持生命活动的重要物质之一。含镁矿物的风化产物经河流输送到达海洋,并在此过程参与生态系统的物质循环,最终通过碳酸盐沉淀重新成岩,这一过程与全球的碳循环密切相关。近年来,随着非传统金属同位素体系的不断完善,以及MC-ICP-MS(多接收器电感耦合等离子质谱仪)的使用,镁同位素的测试精度与便利程度都有提升,镁同位素因为其广泛参与化学风化过程以及与生命活动密切相关,从而成为示踪表生环境中物质来源与各类生物地球化学过程的有效工具。因此,研究镁同位素在各类生态系统中的组成特征与分馏机理,可以帮助我们了解生态系统内发生的各类地球化学过程,进而探寻全球物质循环与气候变化规律。本文系统阐述了森林生态系统中各组分镁同位素的组成和分馏的影响因素,提出了目前森林生态系统研究存在的问题,并基于现有研究成果对未来森林生态系统中镁同位素的研究方向进行了探讨。     

锶同位素在森林生态系统研究中的进展

放射性成因锶同位素(87Sr/86Sr)作为一种有效的示踪工具,对理解陆相生态系统结构有极其重要的作用.而非传统稳定同位素δ88/86Sr可以揭示以前所忽略的阳离子在植被中的迁移过程.本文对锶元素在森林生态系统中的循环过程以及定量计算方法进行了综述,阐明了利用放射性成因锶同位素87Sr/86Sr在低温地表迁移过程中不分馏的特性示踪物质来源以及循环途径,利用非传统稳定锶同位素δ88/86Sr来示踪生态系统中生物分馏过程,以及锶元素在植被中的内循环机理,总结采用锶同位素在环境响应和生态系统演化的应用.指出非传统稳定锶同位素与放射性成因锶同位素联立应用将是其在陆地生态系统研究中的发展方向.     

植物叶片水稳定同位素研究进展

植物叶片水稳定同位素变化可以直接沟通植物叶片内部与外界的物质和能量联系,并能够反映植物生长周围的气候与生态信息.另外,植物叶片水作为参与水循环的一个重要环节,了解叶片水稳定同位素组成有助于揭示其在局地水体稳定同位素循环中的分配与贡献.概述了国内外叶片水稳定同位素研究现况;介绍了叶片水稳定氢、氧同位素在植物体中的分馏过程及形式(热力学平衡分馏、动力学分馏以及生化分馏)以及影响叶片水稳定同位素组成的气象和生态因子;阐述了叶片水稳定同位素修正的Craig-Gordon稳态模型、string-of-lakes模型、Péclet效应的稳态模型、非稳态效应的模型、Péclet效应的非稳态模型以及二维模型的构建与完善过程;最后讨论了植物叶片水稳定同位素研究存在的问题,并从叶片水稳定同位素与气象、生态因子的关系,叶片水蒸腾线的斜率和截距及过量氘的意义,模型适用性的验证以及叶片水稳定同位素在水文循环的应用等方面展望了研究方向.     

稳定同位素分析在昆虫生态研究中的应用

综述了稳定同位素分析的原理与方法以及应用于昆虫生态研究的理论基础与进展,并对其发展前景进行初步探讨。该方法的应用以寄主植物同位素组成差异为前提,常用的同位素包括 D,13C,15N和18O,主要涉及确定食物来源,探寻寄主间转移规律及迁移路线、生态系统中物质与能量流动、食物网构建等方面。对长期保存标本与昆虫化石的同位素分析则扩展了研究的时间范围。同位素转化时间的确定、质量平衡方程和混合模型的应用则是验证相关生态问题的重要步骤;生态、生理和生化过程对同位素分馏的影响尚需深入研究。     

基于单体氨基酸氮同位素的鄱阳湖水生生态系统食物网结构

过去的数十年内,利用单体化合物(尤其是氨基酸)氮同位素分析技术追踪氮的来源、转化和归宿,已经成为生态学和生物地球化学研究中的重要手段.在氨基酸代谢过程中,以苯丙氨酸为代表的"源"氨基酸分馏极小(0.5‰),而以谷氨酸为代表的"营养"氨基酸极度偏正(+6‰～+8‰),因此比较不同氨基酸氮同位素差异可以用来高精度定量生物营养级位置.本研究应用成熟可靠的氨基酸氮同位素测定方法,解析了鄱阳湖水生生态系统中主要生物的营养级位置,结合不同食物来源的相对贡献,建立了从初级生产者到顶级捕食者的水生生物网营养结构图.作为一种前沿的手段,单体氨基酸氮同位素方法建立在氨基酸代谢的生物化学理论基础上,因此能够可靠地确定生物体营养级位置.