第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)齊孟文第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用1.應(yīng)用15N研究土壤氮素1.1

15N用于生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)換的研究

15N定義為天然含氮樣品的15N相對(duì)大氣15N變化的百分?jǐn)?shù)：

式中，R為質(zhì)譜的峰29N2+與28N2+之比。土壤的

15N與土壤氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程有關(guān)，因此有可能成為生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的特征變量，用以進(jìn)行相關(guān)研究。對(duì)其分析的要求是，樣品制備過(guò)程不改變其同位素組成，且質(zhì)譜有較高的靈敏度和精確度。該方面研究尚不充分，目前僅有一些相關(guān)試驗(yàn)資料，還缺乏規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

現(xiàn)有研究的一些成果如下1）土壤全氮的

15N存在變異，包括:

①表層不同類型土壤全氮的

15N不同；②土壤剖面

15N分布存在分異，不同類型土壤

15N的剖面分布不同。2)土壤不同含氮組分

15N的分異及其影響，將為定量土壤-植物系統(tǒng)中氮循環(huán)提供依據(jù)。土壤中無(wú)機(jī)、有機(jī)含氮物質(zhì)的型態(tài)、數(shù)量可以表征土壤氮素的周轉(zhuǎn)過(guò)程。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

三種土壤中不同含氮組分的

15N值氮素形態(tài)紅壤水稻土黑鈣土暗棕壤

15N平均值全氮水解性總氮非水解性氮氨基酸態(tài)氮可礦化態(tài)氮固定態(tài)氮1.291.371.681.100.195.726.024.254.665.309.716.933.494.042.012.005.884.663.623.222.782.805.265.77第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用1.2土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究

NO2,N2NH3

反硝化土壤有機(jī)氮NH4+NO3

礦物固定

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

1.2.1礦化與固定

1）有關(guān)量的測(cè)定

土壤激發(fā)效應(yīng)因施肥而致土壤肥效的曾減效應(yīng)。當(dāng)P

1時(shí)為還激發(fā),P

1為負(fù)激發(fā)。氮肥的礦化率第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用式中,Np

作物吸的15N,Nl

施入15N的損失量,Nm

礦質(zhì)態(tài)15N，N

施入的15N。氮肥生物固定率

式中，Nr

土壤殘留15N，其它字母意義同上。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用2）施肥對(duì)礦化與固定的影響施用無(wú)機(jī)氮幾乎不影響土壤有機(jī)氮的總量，其作用僅表現(xiàn)為替換出土壤固定氮（沈善敏.土壤學(xué)報(bào),1986.23(1):10~15）。施有機(jī)肥氮,其礦化率少于殘留率時(shí),凈激發(fā)是負(fù)值,說(shuō)明增加了土壤有機(jī)氮的儲(chǔ)量(朱培立等.土壤激發(fā)效應(yīng)的探討,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1994.27(14))。當(dāng)無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮配合施用，無(wú)機(jī)氮可以提高有機(jī)氮的礦化率，有機(jī)氮可以提高無(wú)機(jī)氮的生物固定率。3）土壤氮激發(fā)效應(yīng)的影響因子除施肥外,影響土壤氮激發(fā)的因子有土壤C/N和肥料C/N及一些耕作措施。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

1.2.2硝化與反硝化硝化-反硝化是土壤氮素?fù)p失的主要途徑，直接測(cè)量方法具有重要意義。1）反硝化-15N氣體通量測(cè)定法將高豐度15N標(biāo)記肥料施入土壤,繼之收集反硝化氣體,用質(zhì)譜方法測(cè)定豐度，計(jì)算反硝化產(chǎn)出的15N，公式：第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用式中，V—?dú)怏w容積,0.975－標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)1ml空氣含有0.975mgN，氣體中

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

1.2.3土壤中NO3-15N的淋溶動(dòng)態(tài)

15N示蹤法,結(jié)合滲濾池及通量測(cè)定技術(shù)，可探明不同生態(tài)環(huán)境及種植制度下,土壤NO3－N移動(dòng)特點(diǎn)及淋溶動(dòng)態(tài)(陳子明,1995)。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

2.應(yīng)用32P研究土壤磷素

研究土壤磷的形態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性是合理施磷和提高其利用率的基礎(chǔ)性工作。2.1土壤磷的轉(zhuǎn)化及其有效性1）酸性土壤在酸性土壤，土壤有效磷的A值，與土壤非包蔽磷酸鹽,尤其是磷酸鐵鹽的數(shù)量密切相關(guān)(郭智芬，1992)，與其他磷鹽關(guān)系不大。2）石灰性土壤32P-過(guò)磷酸鈣施入石灰性土壤,只有13%～15%被植物利用,殘留土壤中的4.6%-7.2%為易利用磷（0.5M醋酸和1%碳酸銨）,24.5%--26.5%轉(zhuǎn)化為較吸收利用的磷（3M氫氧銨和0.2M硫酸）,68.2—68.9%轉(zhuǎn)化為難利用磷(郭智芳1992)。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

3)

土壤交換性磷

①

交換性磷的計(jì)算

式中31Pl

溶液中31P的含量(mg/ml),32P0,32Pt-分別為起始加入和平衡時(shí)殘留溶液中的32P。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

②32P標(biāo)記土壤吸持態(tài)磷的Hedley分級(jí)土壤磷按交換性的大小及其對(duì)作物的有效性不同可分為：最有效組分,陰離子交換樹(shù)脂磷(樹(shù)脂-P)；有效組分,0.5M碳酸氫鈉(PH8)提取磷(NaHCO3-P)；

鐵、鋁氧化物結(jié)合磷及小部分活性有磷，0.1M氫氧化鈉提取磷(NOH-P)；活性低的組分,1M鹽酸提取磷(HCl-P),主要為酸溶性磷酸鈣鹽。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

③土壤有機(jī)磷的積累與礦化土壤有機(jī)磷是土壤有效磷的來(lái)源之一,其礦化是在土壤磷酸酶的作用下進(jìn)行的。用32P示蹤可以方便地研究有機(jī)磷的積累與礦化程度及其影響因子。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

2.2石灰性土壤不同無(wú)機(jī)磷的有效性石灰性土壤無(wú)機(jī)磷分級(jí)體系見(jiàn)(蔣柏藩中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1989,22:48~51)。1）各形態(tài)磷的標(biāo)記方法要求低載體,高比活度，能代表土壤各種相關(guān)形態(tài),無(wú)其它放射染質(zhì)。①反應(yīng)堆輻照法用高純普通化合物，由31P(n,r)32P制備。Ca2-32P，Ca8-32P，Al-32P干擾主要是45Ca,測(cè)量時(shí)用吸收法可以分別甄別。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

②放化合成法

Fe-P,輻照同時(shí)產(chǎn)生55Fe和59Fe，半衰期較長(zhǎng)，且不易與32P區(qū)分，會(huì)產(chǎn)生干擾，因此采用放化合成法。

FeCl3+3NaH232PO4

Fe32PO4

+3NaCl+2H232PO4

2)石灰性水稻土中磷酸鹽的營(yíng)養(yǎng)評(píng)估用Fe-32PO4示蹤表明,石灰性水稻土在淹水條件下,磷酸鐵鹽對(duì)水稻磷營(yíng)養(yǎng)具有重要貢獻(xiàn)。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

3)石灰性旱地土壤不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷營(yíng)養(yǎng)特性某種形態(tài)磷的有效性用植物的吸收占全磷的百分比評(píng)價(jià)，32P示蹤表明,不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷的有效性Fe-32P≈Al-P

Ca2-32P

Ca8-32P(郭智芳1996)。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用3應(yīng)用示蹤法研究土壤有機(jī)質(zhì)

研究土壤有機(jī)質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和積累，非標(biāo)記法的不足是添加植物殘?bào)w后，需長(zhǎng)時(shí)間測(cè)定二氧化碳的釋放量，分析誤差大，而應(yīng)用14C示蹤法,可以在更接近田間實(shí)際情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和更可靠的測(cè)定。3.114C標(biāo)記示蹤1）植物殘?bào)w的分解速率步驟定量將14C—植物殘?bào)w與一定供試土壤混合,裝入砂濾管,用尼龍網(wǎng)布封口后,埋入田間表土層進(jìn)行腐殖試驗(yàn),經(jīng)一定時(shí)間,取出供試樣測(cè)定14C殘留量。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用①相關(guān)計(jì)算公式土壤中14C的殘留率

式中,A—加入的14C-植物殘?bào)w總活度（kBq），W1—腐解待測(cè)樣品的稱樣量（g）,W2—腐解待測(cè)樣品的總重量（g），S—待測(cè)樣品的活度（kBq）。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用14C-植物殘?bào)w的分解率

式中，B1—加入的14C-植物殘?bào)w的總活度，B2-腐殖化后樣品殘留的總活度。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

②.14C示蹤植物殘?bào)w的分解速率。研究植物殘?bào)w在土壤中的分解過(guò)程，對(duì)于評(píng)價(jià)其對(duì)培肥地力的作用有重要意義。進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w在微生物及酶作用下，部分徹底降解為二氧化碳，部分分解產(chǎn)物為微生物細(xì)胞利用，另一部分轉(zhuǎn)化為新的土壤有機(jī)質(zhì)。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用2）植物殘?bào)w在土壤中的礦化特征

14C植物殘?bào)w在淹水和旱地土壤及石灰性和非石灰性土壤的礦化特征。3）影響植物殘?bào)w分解的因素①溫濕條件，溫度與濕度共同促進(jìn)植物殘?bào)w的分解；②土壤的性質(zhì)，如質(zhì)地、粘土類型及PH的影響。粘土中的14C有機(jī)質(zhì)殘留較沙土的少,質(zhì)地影響沒(méi)有明顯的變化規(guī)律；③有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成對(duì)其分解有明顯影響，主要取決物料本身的水質(zhì)素含量，分解速率大小次序與質(zhì)素含量次序相反；④土壤利用方式等因素也都影響有機(jī)質(zhì)殘?bào)w的分解。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

3.213C原位示蹤1）δ13C的定義元素在自然界的循環(huán)與周轉(zhuǎn)過(guò)程中，其同位素因質(zhì)量間的差異發(fā)生熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)分餾，分餾過(guò)程受環(huán)境因子影響，因此不同自然來(lái)源的樣品其元素的同位素豐度存在變異，變異攜有相關(guān)環(huán)境因子的信息，利用其通過(guò)反演可可對(duì)相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行研究，或用其原位標(biāo)記特性進(jìn)行示蹤研究。在實(shí)際應(yīng)用中，由于同位素自然豐度的變異很小，為表達(dá)方便，常引入同位素相對(duì)比率(δ)，，式中R表示13C/12C原子數(shù)之比，p和s分別代表樣品和參比標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)常為PeeDeeBelemnite(一種簡(jiǎn)石)。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

2）土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)研究的δ13C法研究土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的14C示蹤法，一般存在實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，土壤某些組分標(biāo)記不上或標(biāo)記不均勻，以及14C本身具有放射性的問(wèn)題，因此應(yīng)用受到一定限制，而δ13C示蹤作為原位標(biāo)物，可供土壤長(zhǎng)期標(biāo)記，能保證所有分級(jí)組分(包括存留很長(zhǎng)的有機(jī)質(zhì)組分)都能被均勻標(biāo)記，因此是研究土壤有機(jī)周轉(zhuǎn)的理想示蹤方法。土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自植物殘?bào)w的礦化和腐殖化，在一個(gè)達(dá)到平衡的穩(wěn)定系統(tǒng)中，土壤碳的δ13C與來(lái)源植物十分接近，其變幅只有0.5‰～1.5‰，而在Ｃ３和Ｃ４不同植被轉(zhuǎn)換條件下，土壤δ13C的變幅可達(dá)12‰～14‰，因此可在植被轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，利用δ13C進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的示蹤研究。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

設(shè)土壤歷史上為C３植被背景，其時(shí)土壤的δ13C為δC３，后轉(zhuǎn)換為C４植被，且C４植被下土壤δ13C的本征值可由實(shí)驗(yàn)區(qū)域C４植物的典型值δC４估計(jì)，在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的δ13C是兩個(gè)碳源SOC３和SOC４的δ13C以各自貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)為的權(quán)重的加和，則土壤有機(jī)質(zhì)碳來(lái)自C４植物(SOC４)的比例為第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

根據(jù)上式，通過(guò)對(duì)植被轉(zhuǎn)換系統(tǒng)土壤的δ13C進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，就可得出土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)隨時(shí)間的變化關(guān)系。其變化一般可用指數(shù)函數(shù)描述，由指數(shù)衰減常數(shù)可求得半更替時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，還可進(jìn)一步對(duì)土壤進(jìn)行剖面分層和粒徑分級(jí)，以測(cè)定各賦存狀態(tài)有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)規(guī)律。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

3.3核磁共振技術(shù)的應(yīng)用固相核磁共振技術(shù)作為非破壞研究方法，可以直接測(cè)定土壤中碳、氮、磷等元素的賦存形態(tài)和分布模式。13C、15N和31P核磁共振譜在土壤有機(jī)質(zhì)組成、轉(zhuǎn)化及腐殖結(jié)構(gòu)等方面已取得顯著進(jìn)展。15NNMR譜研究表明，新形成的腐殖質(zhì)各組分（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）及吡咯等型態(tài)存在，其中酰胺占大部分。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

4.土壤有效養(yǎng)分的測(cè)定

4.1概念

假設(shè)：土壤有效養(yǎng)分與肥料養(yǎng)分等當(dāng)量，而植物從每一養(yǎng)分狀吸收的養(yǎng)分與各自養(yǎng)分源的含量成正比。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

4.2A值法

土壤A值—以肥料養(yǎng)分作為相對(duì)比較標(biāo)準(zhǔn)的土壤有效養(yǎng)分量。

第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

5.示蹤技術(shù)在土壤斷代，侵蝕研究中的應(yīng)用5.1土壤斷代研究利用核素?cái)啻夹g(shù)可以對(duì)受人為活動(dòng)影響較小的土壤的形成進(jìn)行斷代，以研究其自然發(fā)育過(guò)程，也可對(duì)有機(jī)質(zhì)中組分成土年齡斷代，進(jìn)而進(jìn)行成土過(guò)程及其影響的研究。5.2土壤侵蝕研究土壤侵蝕不僅會(huì)引起土地生產(chǎn)潛力降低和土地退化，還會(huì)引發(fā)諸如河道淤塞、水庫(kù)縮容和水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列重大的環(huán)境生態(tài)問(wèn)題，因此已成為當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的課題，受到廣泛關(guān)注。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

核素原位標(biāo)記土壤侵蝕示蹤法，已廣泛被證明是一種獨(dú)特而有效的方法。較之傳統(tǒng)方法其具有：1)土壤侵蝕的測(cè)定只需通過(guò)取樣分析就可完成，無(wú)需連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；2)能對(duì)取樣地點(diǎn)的侵蝕歷時(shí)情況進(jìn)行回朔性測(cè)定；3)同時(shí)能夠在同一地塊測(cè)定各點(diǎn)的凈侵蝕或凈沉積的分布模式。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

5.1137Cs示蹤法銫-137是一非自然存在的人工核爆放射性核素，其半衰期為30.2a。大氣核爆產(chǎn)物137Cs首先隨放射性塵埃進(jìn)入平流層，經(jīng)長(zhǎng)距離運(yùn)送和混合后重新進(jìn)入對(duì)流層，小部分以干塵降，大部分隨降雨重新落入地面，進(jìn)入地面后的137Cs很快被地表吸附。全球可探測(cè)到的137Cs沉降始于1954年，到1963年達(dá)到最大，1963年核禁條約生效后，逐年下降，到1980年后已基本可以忽略。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

137Cs作為土壤侵蝕示蹤劑的基本假設(shè)是：

其一，137Cs在區(qū)域的尺度空間，其沉降最初輸入是均勻分布的，作為土壤137Cs含量變化的參比標(biāo)準(zhǔn)具有確定性；其二，137Cs被土壤尤其是土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)強(qiáng)烈吸附于陽(yáng)離子交換位置，很難被置換，因此不易淋溶，化學(xué)和生物學(xué)運(yùn)移極小，僅隨土壤顆粒作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在土壤中含量的變化主要受土壤顆粒物理運(yùn)動(dòng)的影響。基于以上兩點(diǎn)，它是一種良好的土壤侵蝕示蹤劑。示蹤的基本方法是通過(guò)測(cè)定土壤137Cs總面積含量相對(duì)于參照背景值的變化，并將這種變化與土壤運(yùn)移量相聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤侵蝕的定量測(cè)定。該方法可用于中長(zhǎng)時(shí)間跨度、大空間尺度上土地侵蝕速率及其分布模式的研究。第13章.同位素示蹤在土壤研究中的應(yīng)用

5.2稀土元素示蹤法(REE)

稀土元素有與137Cs相似的地球化學(xué)性質(zhì)，其與土壤尤其是土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)具有很強(qiáng)的結(jié)合性，植物富集及淋溶不明顯，主要隨土壤作機(jī)械遷移，又因在黃土中的自然含量甚微，因此