生态系统气体交换的环境同位素示踪

生态系统气体交换的环境同位素示踪及keeling作图分析方法齐孟文中国农业大学1.概述陆地生态系统-大气界面的气体交换，如CO2、N2O、CH4和H2O等，是生态系统中物质循环及其平衡的重要过程，在不同的时间和空间尺度上，测量和配分交换气体各成分的通量，研究其环境响应，分析源汇关系及平衡过程，是深入了解人类活动与生态的相互关系，构建功能生态环境和可持续发展战略的要求。由于不同来源的气体常具有独特的同位素指纹特征，或在单向演化过程中具有明显的分馏效应，因此天然环境同位素具有表征来源的示踪特性，常用于生态系统中气体交换过程的研究。通常的测量一般不能规避大气背景，测量的是发射源和大气背景的混合样品，此时可结合气体浓度和同位素分析，根据同位素质量守恒方程，利用keeling作图的方法，方便地求得发射源的同位素值，在此基础上进而计算各发射源的相对贡献，这已成为环境生态问题研究的重要工具。理论方程在大气环境下，为监测某一气体发射源或整合发射源，利用物质及同位素守恒关系，有（1）（2）式中，C为摩尔浓度，为同位素的相对丰度，下角标e、a和s分别表示生态环境、大气背景和发射源或整合发射源。saeCCCssaaeeCCC结合（1）和（2），有（3）上式为y=a/x+b形式的线性方程，是keeling作图（e—1/Ce）的基础，Ca（a-s）是线性关系的斜率a，s是y截距b，通过线性回归求解，可以得到发射源的值。sesaaeC1]-C[）（由以上推导可知，要满足keeling作图的线性条件，测定期间需使大气背景的浓度及其同位素值和发射源的值都保持稳定，为此常采用静态箱法，按一定时序取样；在冠层尺度上研究CO2气体的交换时，需在夜间于特定层恒定高度上进行采样测定。对于两个端源a和b的混合系统m，来自a源的相对贡献分数fa为（4）bamaammC-CCCbabmmaa--CCf2.应用2.1水汽（H2O）蒸腾蒸发（ET）是与作物生长密切相关的水汽循环过程，其由蒸发（E）和蒸腾（T）两个不同过程构成，提高作物的蒸腾而减小蒸发，是应对日益紧迫的水源限制，提高水分管理能力的途径，为此需要确定蒸腾的相对贡献及其环境响应，同位素测定为区分蒸腾和蒸发提供了基本手段，同时也有助于了解作物水分使用动态及其与环境的作用。使用H2O中的O或H同位素信号进行ET配分的基础是：蒸发的水汽会贫化同位素，而蒸腾一般则不会，其保持植物水源的同位素构成，因此二者的同位素信号明显不同，可以使用单同位素两端源物混合模型进行分析。图.生态系统H2O和CO2交换过程中，主要成分的同位素构成和重要的分馏过程。数据是大概值，随地理位置和环境条件可以有很大的变化。光合作用（贫化吸收），重同位素倾向于在大气中富集，而呼吸作用（贫化释放），重同位素倾向于在大气中贫化；叶片的蒸腾和土壤蒸发过程的同位素信号有明显区分，根和土壤的呼吸也不同。参考文献：Partitioningofevapotranspirationusingastableisotopetechniqueinanaridandhightemperatureagriculturalproductionsystem.AgriculturalWaterManagement179(2017)103–109一般方法蒸汽流成分的同位素值测定：ET（evapotranspiration）和E（evaporation）的测定采用静态箱集气法，在包括植物和裸露地面上分别测定，可以在田间用激光同位素分析仪（QLC）测定或通采集气体带回实验室由同位素质谱仪（IRMS）测定，而T（transpiration）采用植物叶室法测定。采用两源混合模型，蒸腾的相对分数有如下（5）式中，为相应源的同位素，可通过keeling作图求得，即水汽源（E、T和ET）同位素的值为keeling方程的y截距。（6）式中，M、A和S分别是混合水汽、大气环境和蒸散源水汽同位素的。ETEET--ETTSMAAMC1-CS2.2温室气体CO2陆生土壤是全球生态系统CO2通量的主要来源，其包括地上和地下生态圈，地下又包括自养（根、根际微生物）和异养（凋落物、土壤有机质）呼吸，而对不同成分碳通量的测定，是了解生态系统碳收支平衡及其环境响应的关键。参考文献：TheapplicationandinterpretationofKeelingplotsinterrestrialcarboncycleresearch.GLOBALBIOGEOCHEMICALCYCLES,VOL.17,NO.1,1022图.CO2交换的keeling作图。两端源：发射源CO2（13Cs）和背景源CO2（13Cb）用实心圆表示，样品测定用圆圈表示。凋落物对CO2通量的贡献利用采集于在补充化石燃料CO2温室中生长的树苗，所产生凋落物为试材，由于其同位素是贫化的，降解产生的CO2的同位素可与其它土壤成分（根、根际呼吸和土壤有机质矿化）的相区分，用以估算新鲜的凋落物降解对土壤CO2通量的贡献。实验设对照凋落物和贫化凋落物两个处理，两凋落物初始时的13C分别为-30.32‰和-49.96‰。相关计算利用单同位素线性混合模型，凋落物对土壤总CO2的相对贡献为（7）式中，两个端源物分别是凋落物L和地下土壤（包括根和土壤有机质）BG的CO2通量，F是土壤CO2的总通量，其可由keeling作图确定，而BG可通过以下假设求得：BGLBGL-/-/FF假设，对照和贫化两处理凋落物产生的相对通量FL/F没有差别，若分别用下标C和D表示，则（8）（9）式中，C和D通过分别的试验由keeling作图确定，LC和LD相应凋落物试材的同位素。参考文献：EstimatingthecontributionofleaflitterdecompositiontosoilCO2effluxinabeechforestusing13C-depletedlitter.GlobalChangeBiology(2005)11,1768–1776BGDLDBGDDL-/-F/FBGDLCBGDC-/-）（（LCDLDCLCDLDCBG--/)-2.3温室气体N2ON2O是一种重要的温室气体，在分子基上比较时，温室效应是CO2的300倍，全球大约70%来自陆地土壤，主要为微生物作用的结果，不同微生物过程中形成的N2O-15N，尤其是15N的位置偏好SP不同，因此同位素的测定结合keeling作图法，成为区分不同微生物过程的重要手段，而对N2O发射机制的了解，有利于对土壤进行有效管理和减轻N2O的发射。N2O为一线性结构分子N-N-O，15N取代的位置不同会形成2个不同15N同位素串14N15NO（15N）和15N14NO（15N），故此N2O分子的15N容积值（15Nbluk）和分子内的15N分布偏好（BP）定义为（10）（11）（12）其中，i为或，其同位素比值R为14N15NO/14N14NO或15N14NO/14N14NO，比较标准为大气中N2。10001-R/RNistd15isample15i15）（（‰）/2NNN1515bluk15N-NSP1515测定过程采用同位素质谱（IRMS）测定时，同位素丰度由对N2O和离子源中产生的碎片NO+信号的分析给出；采用量子级联激光吸收光谱（QCL）测定，同位素丰度由采集14N14NO、14N15NO和15N14NO的信号分析给出，浓度由4N14NO的信号的面积确定。应用举例1）不同微生物途径对N2O的同位素歧视效应实验过程对于羟胺氧化途径，取相应微生物M.Capsulatus和N.europaea细胞培养悬浮液2ml，加入300l0.01MNH2OH溶液顶空培养；对于硝化-反硝化途径，取N.europaea细胞培养悬浮液，2ml，加入300l0.01MNaNO2，顶空用N2冲刷和充满。培养一定时间后，用0.5ml气密的针头顶空取样，立即注入色质联用系统进行分析。图.N2O硝化和甲烷氧化消化途径实验结果消化过程M.CapsulatusN.europaea羟胺氧化途径SP5.5±3.3‰-2.3±1.9‰18O-N2O53.1±2.9‰-23.4±7.2‰亚硝酸盐还原SP----8.3±3.6‰18O-N2O---4.6±1.4‰图.储备标准气体15N-N2O的keeling作图（），其中表示15N-N2O，Q表示N2O的摩尔浓度，小角标m、a和b表示混合气体、剑桥标注和实验室标准。bmbaam/-QQ）（校正标准：样品测定用实验室储备标准气体（15N-N2O=0.83‰，18O-N2O=32.68‰）校正，而储备标准气体用于98%N-N2O（CambridgeIsotopeLaboratories,MA,USA)的气体校正，用储备标准气体稀释15N为10-170‰的稀释系列，测定并keeling作图。参考文献：NitrogenisotopomersitepreferenceofN2OproducedbyNitrosomonaseuropaeaandMethylococcuscapsulatusBath.RapidCommun.MassSpectrom.2003；17:738–7452）基于量子级联激光谱的土壤N2O发射15N分析测量装置采用静态箱法取样，箱盖上开有两个气孔，一个通向一定高度稳定的大气中，一个作为取样孔直接连接到QLC系统，取样时两个气孔被关闭聚集气体15min，然后打开在开路联通的条件下连续测量15min，14N14NO、14N15NO和15N14NO被QLC读数，每次读数180s。图.实验装置（MFC，质量流控制；QCLS，量子级联激光吸收光谱；PC，个人计算机）实验结果田间发射N2O的15N位置偏好SP是随时间变化的，变化范围-18.9～2.2‰，另外容积15Nbluk和18O-N2O的变化范围分别为-45.4～-31.0‰和27.5～30.4‰，认为主要是细菌反硝化，或/和硝化反硝化的贡献。参考文献：ProbingthebiologicalsourcesofsoilN2Oemissionsbyquantumcascadelaser-based15Nisotopoculeanalysis.SoilBiology&Biochemistry100(2016)175-1812.4温室气体CH4甲烷是继CO2之后最丰富的温室气体，同时其温室效应在一百年的时间尺度上是二氧化碳的25倍。甲烷主要来源包括：湿地、牛和其它反刍动物、林火、稻田，也包括垃圾填埋场、废水处理厂、化石燃料开掘等。对于CH4的13C和D，其微生物生产（13C，-65～-45‰；D，-350～-275‰）与热生产（13C，-45-～-30‰；D，-275～-100‰）有区别，产甲烷细菌和大气自由基氧化产生的CH4一般富集13C和D。甲烷的同位素信号被用于建立甲烷源汇收支过程的约束，分解和配分甲烷的来源，进而为对其进行干预和管理提供依据。应用举例MethaneIsotopeInstrumentValidationandSourceIdentificationatFourCorners,NewMexico,UnitedStates.J.Phys.Chem.A2016,120,1488−1494实验测定在FourCorners,NewMexico田间，于2012年5月到6月间对CH4浓度和13CH4进行测定，其浓度典型地表现为午夜升高而早晨下降，呈现为羽尾型时间特征，将峰值达到3.5ppm以上的羽尾事件加亮，进行keeling作图，9天15个羽尾事件分别被分析。图1.测量在2012年5月和6月完成，甲烷浓度CCH