第13章.同位素示踪在土壤研究中的应用

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。%10015标标样RRRN现有研究的一些成果如下1）土壤全氮的15N存在变异，包括:①表层不同类型土壤全氮的15N不同；②土壤剖面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1.291.371.681.100.195.726.024.254.665.309.716.933.494.042.012.005.884.663.623.222.782.805.265.771.2土壤氮素转化的研究NO2,N2NH3反硝化土壤有机氮NH4+NO3矿物固定硝化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P1时为还激发,P1为负激发。氮肥的矿化率无肥植物吸收的养分来自肥料的养分）施肥植物（吸收的养分P100%)NNNNmlp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，其它字母意义同上。100%NNNmr）固定率（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):10~15）。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：VamgNNair975.0100366.0)(1515式中，V—气体容积,0.975－标准状态1ml空气含有0.975mgN，气体中%10012/1N15rrrra228230NNr228229NNr1.2.3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NO3－N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，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%转化为较吸收利用的磷（3M氢氧铵和0.2M硫酸）,68.2—68.9%转化为难利用磷(郭智芳1992)。3)土壤交换性磷①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。ttlePPPPP323203231)/(②32P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。③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,1989,22:48~51)。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。①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。②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-32P≈Al-PCa2-32PCa8-32P(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。3.114C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。①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）。100%C1214WAWS）（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。100%C12114BBB）（②.14C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①温湿条件，温度与湿度共同促进植物残体的分解；②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；③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；④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）δ13C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(δ)，，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PeeDeeBelemnite(一种简石)。10001-RR/CSp00013）（）（2）土壤有机质周转研究的δ13C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δ13C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δ13C与来源植物十分接近，其变幅只有0.5‰～1.5‰，而在Ｃ３和Ｃ４不同植被转换条件下，土壤δ13C的变幅可达12‰～14‰，因此可在植被转换系统，利用δ13C进行土壤有机质周转的示踪研究。设土壤历史上为C３植被背景，其时土壤的δ13C为δC３，后转换为C４植被，且C４植被下土壤δ13C的本征值可由实验区域C４植物的典型值δC４估计，在转换系统中土壤有机碳的δ13C是两个碳源SOC３和SOC４的δ13C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C４植物(SOC４)的)/()(343CCCCf34)1(CffCC根据上式，通过对植被转换系统土壤的δ13C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。15NNMR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。肥料养分源植物中来自肥料的养分供给的养分总量植物中养分总量土壤养分源植物中来自土壤的养分4.2A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。施肥量植物中来自肥料的养分植物中来自土壤的养分值A植物总养分植物中来自肥料的养分植物总养分植物中来自土壤的养分//施肥量dffdfSNN5.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。5.1137Cs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