13C同位素技术在土壤有机碳研究中的应用-丁维新

13C同位素技术在土壤有机碳研究中的应用丁维新中国科学院南京土壤研究所一、碳同位素C同位素自然界中的碳以12C、13C、14C等多种同位素的形式存在，12C和13C的相对丰度分别为98.93%、1.07%；14C只有极微量且具放射性，半衰期为5730年。14C产生从太阳射来的高能粒子流进入大气层遇到空气产生了快中子，快中子轰击占空气中78%的氮原子核后产生放射性元素14C，核反应方程为：0n1+7N14→6C14+1H1（H1氕、H2氘—重氢、H3氚—超重氢）宇宙射线在大气中能够产生放射性14C，与氧结合成CO2，后进入所有活组织，先为植物吸收，后为动物纳入。当有机体死亡后，即会停止呼吸14C，其组织内的14C便以5730年的半衰期开始衰变并逐渐消失。对于任何含碳物质，只要测定剩下的放射性14C含量，就可推断其年代。(一).研究背景14C产生核爆产生14C，核反应方程为：0n1+7N14→6C14+1H1（H1氕、H2氘—重氢、H3氚—超重氢）(一).研究背景（Wangetal.,1999,GBC)14C产生(一).研究背景13C同位素天然物质的碳同位素组成由13C/12C比值确定的δ13C表示，以美国南卡罗莱纳州白垩系PeeDee组拟箭石化石（简称PDB）作为标准品。20世纪50年代以来，浓缩和分析技术的突破，利用13C同位素的质量和磁性的同位素效应提供的信息，已广泛用于研究。(一).研究背景大气13CO2、13CH4的δ13C和15N2O的δ15NCO2（曹亚澄等，2008，土壤学报）二、13C同位素分析仪中国科学院南京土壤研究所MAT253元素分析仪—固体物质中的CN同位素2005年于日本国立农业环境技术研究所(NIEAS)，MAT251Pre-Con——气体CO2、N2O同位素（NO不行）多用途样品制备装置（GasBench）、三、13C自然丰度应用(一).研究背景小麦大豆、烟草、棉花等玉米(一).研究背景(一).研究背景C3途径(C3pathway)：亦称卡尔文(Calvin)循环。CO2受体为RuBPC4途径(C4pathway)：亦称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径(一).研究背景C3植物δ13C值范围从-23‰到-40‰，平均为-27‰C4植物的δ13C值范围为-9‰到-19%，平均为-12‰大气CO2的δ13C=~-7‰13C举例1.互花米草入侵对土壤有机碳的影响沿海湿地植物入侵盐蒿或碱蓬—C3植物沿海湿地植物入侵盐蒿或碱蓬—C3植物互花米草—C4植物米草(C4植物，δ13C=13‰)盐蒿(C3植物，δ13C=29‰)沿海滩涂冲积土江苏沿海米草不同入侵年限系列土壤(1995、1997、2001、2008)——δ13C同位素示踪技术盐蒿和米草生物量和δ13C值互花米草入侵对沿海湿地土壤有机碳含量和δ13C影响计算方法TheconcentrationofS.alterniflora-derivedC(Csa)inS.alterniflorasoiliscalculatedasfollowing:Csa=f×SOCwhereSOCistheconcentrationoforganicC(gCkg-1)andf(%)istheproportionofS.alterniflora-derivedCinthesoil.TheproportionofS.alterniflora-derivedCinthesoilwascalculatedbasedon:(1)the13CofthesoilafterinvasionofS.alterniflora(13Cnew),(2)the13CofthesoilbeforeinvasionofS.alterniflora(13Cold)and(3)the13CofS.alterniflora(13Csa)(Chiangetal.,2004;Chengetal.,2006):13Cnew=f×13Csa+(1–f)×13Coldwhere13Csaisthemean13CofS.alternifloraplantmaterialsenteringthesoilandisthemeanvalueoflitters,rhizomes,androotsfromS.alterniflora,13Cnewisthemean13CoftheSOCinS.alterniflora-invadedsoil,13Coldisthemean13CoftheSOCinS.salsasoil,and(1–f)istheproportionofCfromS.salsa.计算方法Equationcanbesolvedforfasfollows:f=(13Cnew–13Cold)/(13Csa–13Cold)×100TheconcentrationofS.alterniflora-derivedC(gCkg-1fraction)inthesoilfractionwasalsocalculatedusingtheaboveequation.互花米草入侵土壤有机碳累积速率团聚体分级大团聚体微团聚体粉砂+粘粒bulk250µm53µm53-250µm原土新增有机质在土壤团聚体中的分配团聚体质量有机碳含量有机碳的13CTheCandS.alterniflora-derivedCstorage(Cstorage,gCkg-1)insoilfractioniscalculatedbythefollowingequation:Cstorage=Ccon×MiwhereCconrepresentsCandS.alterniflora-derivedCconcentrationinfractioni(gCkg-1fraction),andMiisthemassproportionoffractioniinthewholesoil(gkg-1soil).Theaccumulativerate(R,gCkg-1soilyear-1)ofSOCandS.alterniflora-derivedCinsoilandsoilfractioniscalculatedasR=Cin/twhereCinisassumedtobetheincreasedstorageofSOCandS.alterniflora-derivedC(gCkg-1soil)inS.alterniflorasoilcomparedtoinS.salsasoil,andtistheS.alterniflorainvasiontime(year).植物入侵对团聚体质量的影响植物入侵对团聚体质量的影响植物入侵对团聚体质量的影响(Zhangetal.,SoilBiology&Biochemistry,2010,42,1712-1720)0-10cm土层年累积C：213kgCha-1，全剖面(0-60cm)估计：～800kgCha-1，是农田(151)的4倍多，华南老林地(61)的10倍多y=0.0781x-0.0691R2=0.945y=0.1422x-0.1049R2=0.9624y=0.0641x-0.0358R2=0.97740.000.501.001.502.002.503.000246810121416Invasiontime(year)IncreasedSOC(gCkg-1soil)C3-derivedC4-derivedSOC新增有机C(gCkg-1)入侵年限(年)53-250μm250μm2-53μm53-250μm250μm2-53μmC3植物(低C/N比)C4植物(高C/N比)粉砂粉砂举例2.生物质炭对土壤有机质分解的影响我国粮食主产区土壤肥力状况小麦高产农田不足30%，70%属于中低产田玉米高中低高效提升土壤有机质含量是我国农业面临的重大挑战之一美国土壤有机碳含量农田：2.20%林地：12.41%草地：2.59%1.7-2.6%中国土壤有机碳含量农田—水田：1.56%农田—旱地：0.96%林地：2.61%0.64%2.20%我国土壤有机质现状生物质炭提高土壤有机碳含量，是否影响原有土壤有机碳？13C-biochar13CO2自然丰度13C的biochar高丰度13C标记的biochar红薯-小麦长期轮作农田Thesoil,witha13Cvalueof-24.50.3‰(SE)玉米秸秆生物质炭Biocharhada13Cvalueof-11.90.2‰(SE)土壤和生物质炭性质Theexperimentwascarriedoutunderlaboratoryincubationandincludedfourtreatments:noamendment(Control)biocharamendment(BC)inorganicNamendment(IN)combinationofbiocharandNamendments(BN).SoilCO2effluxesandDOCcontentAbundanceandcommunitystructureofmicroorganisms13CanalysisofSOC,DOCandCO2培养试验测定指标试验设计Calculation3total21gcorr-/10FCCMVWMVt'corr0.02241273.15/273.15MVTii+1i+1ii1=+/2-nTFFttSoilCO2efflux(Ftotal,mgCkg-1h-1)wascalculatedasfollows(vanZwietenetal.,2010):whereC1andC2istheconcentration(µll-1)ofCO2ingasessampledatzerotimeand4hafterflaskenclosure,respectively,MisthemolecularweightofCO2-C(12gCmol-1),Vgistheheadspacevolumeofincubationflasks(m3),Wisthesoilmass(kg),t’istheenclosuretime(4h),andMVcorristemperature-correctedmolecularvolume(m3mol-1)andwascalculatedasfollows:whereTisthetemperatureatgassampling(25°C),0.02241(m3)isthemolarvolumeofanidealgasat1atmand273.15K(AylwardandFinlay,1974).where,FiandFi+1aresoilCO2effluxesattheithand(i+1)thincubationtime(mgCkg-1h-1),respectively,ti+1-tiistheintervalbetweentheithand(i+1)thincubationtime(h),andnisthetotalincubationtimes.SoilcumulativeCO2emission(T,mgCkg-1)duringtheincubationperiodwascalculatedbythefollowingequation:CalculationCalculation结果——对土壤呼吸影响对照单加生物质炭无机氮无机氮+生物质炭结果——对土壤原有有机碳分解的影响对照单加生物质炭无机氮无机氮+生物质炭结果——排放CO2来源氮肥刺激土壤有机碳分解生物质炭显著有效减缓土壤有机碳分解生物质炭与氮肥联用可以抑制氮肥对土壤有机碳分解的刺激作用对照单加生物质炭无机氮无机氮+生物质炭结果——