生態(tài)系統(tǒng)氣體交換的環(huán)境同位素示蹤及keeling作圖分析方法

齊孟文中國農(nóng)業(yè)大學

1.概述

陸地生態(tài)系統(tǒng)-大氣界面的氣體交換，如CO2、N2O、CH4和H2O等，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)及其平衡的重要過程，在不同的時間和空間尺度上，測量和配分交換氣體各成分的通量，研究其環(huán)境響應，分析源匯關系及平衡過程，是深入了解人類活動與生態(tài)的相互關系，構(gòu)建功能生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

由于不同來源的氣體常具有獨特的同位素指紋特征，或在單向演化過程中具有明顯的分餾效應，因此天然環(huán)境同位素具有表征來源的示蹤特性，常用于生態(tài)系統(tǒng)中氣體交換過程的研究。

通常的測量一般不能規(guī)避大氣背景，測量的是發(fā)射源和大氣背景的混合樣品，此時可結(jié)合氣體濃度和同位素分析，根據(jù)同位素質(zhì)量守恒方程，利用keeling作圖的方法，方便地求得發(fā)射源的同位素

值，在此基礎上進而計算各發(fā)射源的相對貢獻，這已成為環(huán)境生態(tài)問題研究的重要工具。

理論方程在大氣環(huán)境下，為監(jiān)測某一氣體發(fā)射源或整合發(fā)射源，利用物質(zhì)及同位素守恒關系，有

（1）

（2）

式中，C為摩爾濃度，

為同位素的相對豐度，下角標e、a和s分別表示生態(tài)環(huán)境、大氣背景和發(fā)射源或整合發(fā)射源。

結(jié)合（1）和（2），有

（3）

上式為

y=a/x+b形式的線性方程，是keeling作圖（

e—1/Ce）的基礎，Ca（

a-

s）是線性關系的斜率a，

s是y截距b，通過線性回歸求解，可以得到發(fā)射源的

值。

由以上推導可知，要滿足keeling作圖的線性條件，測定期間需使大氣背景的濃度及其同位素

值和發(fā)射源的

值都保持穩(wěn)定，為此常采用靜態(tài)箱法，按一定時序取樣；在冠層尺度上研究CO2氣體的交換時，需在夜間于特定層恒定高度上進行采樣測定。

對于兩個端源a和b的混合系統(tǒng)m，來自a源的相對貢獻分數(shù)fa為

（4）

2.應用

2.1水汽（H2O）

蒸騰蒸發(fā)（ET）是與作物生長密切相關的水汽循環(huán)過程，其由蒸發(fā)（E）和蒸騰（T）兩個不同過程構(gòu)成，提高作物的蒸騰而減小蒸發(fā)，是應對日益緊迫的水源限制，提高水分管理能力的途徑，為此需要確定蒸騰的相對貢獻及其環(huán)境響應，同位素測定為區(qū)分蒸騰和蒸發(fā)提供了基本手段，同時也有助于了解作物水分使用動態(tài)及其與環(huán)境的作用。

使用H2O中的O或H同位素信號進行ET配分的基礎是：蒸發(fā)的水汽會貧化同位素，而蒸騰一般則不會，其保持植物水源的同位素構(gòu)成，因此二者的同位素信號明顯不同，可以使用單同位素兩端源物混合模型進行分析。圖.生態(tài)系統(tǒng)H2O和CO2交換過程中，主要成分的同位素構(gòu)成和重要的分餾過程。數(shù)據(jù)是大概值，隨地理位置和環(huán)境條件可以有很大的變化。光合作用（貧化吸收），重同位素傾向于在大氣中富集，而呼吸作用（貧化釋放），重同位素傾向于在大氣中貧化；葉片的蒸騰和土壤蒸發(fā)過程的同位素信號有明顯區(qū)分，根和土壤的呼吸也不同。

參考文獻：Partitioningofevapotranspirationusingastableisotopetechniqueinanaridandhightemperatureagriculturalproductionsystem.AgriculturalWaterManagement179(2017)103–109

一般方法

蒸汽流成分的同位素

值測定：

ET（evapotranspiration）和

E（evaporation）的測定采用靜態(tài)箱集氣法，在包括植物和裸露地面上分別測定，可以在田間用激光同位素分析儀（QLC）測定或通采集氣體帶回實驗室由同位素質(zhì)譜儀（IRMS）測定，而

T（transpiration）采用植物葉室法測定。

采用兩源混合模型，蒸騰的相對分數(shù)有如下

（5）

式中，

為相應源的同位素，可通過keeling作圖求得，即水汽源（

E、

T和

ET）同位素的

值為keeling方程的y截距。

（6）

式中，

M、

A和

S分別是混合水汽、大氣環(huán)境和蒸散源水汽同位素的

。

2.2溫室氣體CO2

陸生土壤是全球生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的主要來源，其包括地上和地下生態(tài)圈，地下又包括自養(yǎng)（根、根際微生物）和異養(yǎng)（凋落物、土壤有機質(zhì)）呼吸，而對不同成分碳通量的測定，是了解生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡及其環(huán)境響應的關鍵。

參考文獻：TheapplicationandinterpretationofKeelingplotsinterrestrialcarboncycleresearch.GLOBALBIOGEOCHEMICALCYCLES,VOL.17,NO.1,1022圖.CO2交換的keeling作圖。兩端源：發(fā)射源CO2（

13Cs）

和背景源CO2（

13Cb）用實心圓表示，樣品測定用圓圈表示。

凋落物對CO2通量的貢獻利用采集于在補充化石燃料CO2溫室中生長的樹苗，所產(chǎn)生凋落物為試材，由于其同位素是貧化的，降解產(chǎn)生的CO2的同位素可與其它土壤成分（根、根際呼吸和土壤有機質(zhì)礦化）的相區(qū)分，用以估算新鮮的凋落物降解對土壤CO2通量的貢獻。實驗設對照凋落物和貧化凋落物兩個處理，兩凋落物初始時的

13C分別為-30.32‰和-49.96‰。

相關計算利用單同位素線性混合模型，凋落物對土壤總CO2的相對貢獻為

（7）

式中，

兩個端源物分別是凋落物

L和地下土壤（包括根和土壤有機質(zhì)）

BG的CO2通量，F(xiàn)是土壤CO2的總通量，其

可由keeling作圖確定，而

BG可通過以下假設求得：

假設，對照和貧化兩處理凋落物產(chǎn)生的相對通量FL/F沒有差別，若分別用下標C和D表示，則

（8）

（9）

式中，

C和

D通過分別的試驗由keeling作圖確定，

LC和

LD相應凋落物試材的同位素

。

參考文獻：EstimatingthecontributionofleaflitterdecompositiontosoilCO2effluxinabeechforestusing13C-depletedlitter.GlobalChangeBiology(2005)11,1768–1776

2.3溫室氣體N2O

N2O是一種重要的溫室氣體，在分子基上比較時，溫室效應是CO2

的300倍，全球大約70%來自陸地土壤，主要為微生物作用的結(jié)果，不同微生物過程中形成的N2O-

15N，尤其是15N的位置偏好SP不同，因此同位素的測定結(jié)合keeling作圖法，成為區(qū)分不同微生物過程的重要手段，而對N2O發(fā)射機制的了解，有利于對土壤進行有效管理和減輕N2O的發(fā)射。N2O為一線性結(jié)構(gòu)分子N-N-O，15N取代的位置不同會形成2個不同15N同位素串14N15NO（15N

）和15N14NO（15N

），故此N2O分子的15N容積

值（

15Nbluk）和分子內(nèi)的15N分布偏好（BP）定義為

（10）

（11）

（12）

其中，i為或，其同位素比值R為14N15NO/14N14NO或15N14NO/14N14NO，比較標準為大氣中N2。（‰）

測定過程

采用同位素質(zhì)譜（IRMS）測定時，同位素豐度由對N2O和離子源中產(chǎn)生的碎片NO+信號的分析給出；采用量子級聯(lián)激光吸收光譜（QCL）測定，同位素豐度由采集14N14NO

、14N15NO和15N14NO的信號分析給出，濃度由4N14NO的信號的面積確定。

應用舉例

1）不同微生物途徑對N2O的同位素歧視效應

實驗過程

對于羥胺氧化途徑，取相應微生物M.Capsulatus和N.europaea細胞培養(yǎng)懸浮液2ml，加入300

l

0.01MNH2OH

溶液頂空培養(yǎng)；對于硝化-反硝化途徑，取N.europaea細胞培養(yǎng)懸浮液，2ml，加入300

l

0.01MNaNO2，頂空用N2沖刷和充滿。培養(yǎng)一定時間后，用0.5ml氣密的針頭頂空取樣，立即注入色質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)進行分析。圖.N2O硝化和甲烷氧化消化途徑

實驗結(jié)果消化過程M.CapsulatusN.europaea羥胺氧化途徑SP5.5±3.3‰-2.3±1.9‰

18O-N2O53.1±2.9‰-23.4±7.2‰亞硝酸鹽還原SP----8.3±3.6‰

18O-N2O---4.6±1.4‰圖.儲備標準氣體

15N

-N2O的keeling作圖（

），其中

表示

15N

-N2O，Q表示N2O的摩爾濃度，小角標m、a和b表示混合氣體、劍橋標注和實驗室標準。校正標準：樣品測定用實驗室儲備標準氣體（

15N-N2O=0.83‰，

18O-N2O=32.68‰）校正，而儲備標準氣體用于98%N

-N2O（CambridgeIsotopeLaboratories,MA,USA)的氣體校正，用儲備標準氣體稀釋

15N

為10-170‰的稀釋系列，測定并keeling作圖。參考文獻：NitrogenisotopomersitepreferenceofN2OproducedbyNitrosomonaseuropaeaandMethylococcuscapsulatusBath.RapidCommun.MassSpectrom.2003；17:738–7452）基于量子級聯(lián)激光譜的土壤N2O發(fā)射15N分析

測量裝置采用靜態(tài)箱法取樣，箱蓋上開有兩個氣孔，一個通向一定高度穩(wěn)定的大氣中，一個作為取樣孔直接連接到QLC系統(tǒng)，取樣時兩個氣孔被關閉聚集氣體15min，然后打開在開路聯(lián)通的條件下連續(xù)測量15min，14N14NO

、14N15NO和15N14NO被QLC讀數(shù)，每次讀數(shù)180s。圖.實驗裝置（MFC，質(zhì)量流控制；QCLS，量子級聯(lián)激光吸收光譜；PC，個人計算機）

實驗結(jié)果

田間發(fā)射N2O的15N位置偏好SP是隨時間變化的，變化范圍-18.9～2.2‰，另外容積

15Nbluk和

18O-N2O的變化范圍分別為-45.4～-31.0‰和27.5～30.4‰，認為主要是細菌反硝化，或/和硝化反硝化的貢獻。

參考文獻：ProbingthebiologicalsourcesofsoilN2Oemissionsbyquantumcascadelaser-based15Nisotopoculeanalysis.SoilBiology&Biochemistry100(2016)175-181

2.4溫室氣體CH4

甲烷是繼CO2之后最豐富的溫室氣體，同時其溫室效應在一百年的時間尺度上是二氧化碳的25倍。甲烷主要來源包括：濕地、牛和其它反芻動物、林火、稻田，也包括垃圾填埋場、廢水處理廠、化石燃料開掘等。對于CH4的

13C和

D，其微生物生產(chǎn)（

13C，-65～-45‰；

D，-350～-275‰）與熱生產(chǎn)（

13C，-45-～-30‰；

D，-275～-100‰）有區(qū)別，產(chǎn)甲烷細菌和大氣自由基氧化產(chǎn)生的CH4一般富集

13C和

D。甲烷的同位素信號被用于建立甲烷源匯收支過程的約束，分解和配分甲烷的來源，進而為對其進行干預和管理提供依據(jù)。

應用舉例

MethaneIsotopeInstrumentValidationandSourceIdentificationatFourCorners,NewMexico,UnitedStates.J.Phys.Chem.A2016,120,1488?1494

實驗測定

在FourCorners,NewMexico田間，于2012年5月到6月間對CH4濃度和

13CH4進行測定，其濃度典型地表現(xiàn)為午夜升高而早晨下降，呈現(xiàn)為羽尾型時間特征，將峰值達到3.5ppm以上的羽尾事件加亮，進行keeling作圖，9天15個羽尾事件分別被分析。圖1.測量在2012年5月和6月完成，甲烷濃度CCH4（紅線，ppm）和

13CH4（綠線，‰）,CCH4超過3.5ppm的羽尾事件被加亮，CCH4與

13CH4正相關者用綠色加亮，負相關者用者用紅色加亮，所有加亮羽尾事件分別被進行keeling作圖。

測定結(jié)果

（13

其中，標準為ViennaPee

Dee

Belemnite

（VPDP）。Keelin