太白山佛爷池湖泊沉积理化分析反映的8000aBP以来环境变化

封闭湖泊沉积物比较完整地记录了环境演化信息,是研究古环境变化的理想材料。通过对太白山佛爷池湖心剖面沉积物样品粒度参数、总有机碳、有机碳同位素、（TiO₂/K₂O）、碳酸盐含量等气候环境代用指标的分析,结合剖面的岩性特征与¹⁴C测年,指出本区气候环境经历了四个变化阶段:（1）8200aBP～5900aBP的温暖潮湿阶段,出现较为适宜的气候;（2）5900aBP～4400aBP气候变得恶劣,较为冷干;（3）4400aBP～2700aBP气候恢复为温湿类型;（4）2700aBP以后气候再一次急剧变冷干,大至到900aBP逐渐变得温湿,与太白山地区现代气候类型相符。     

黄土高原泾河小流域泥沙碳、氮同位素与生态环境示踪

以泾河(陕西彬县境内)4条支流表层沉积物为研究对象,对其有机质的稳定碳、氮同位素组成进行测定和研究.结果表明,4条河流表层沉积物有机质的碳同位素(δ13C)值变化范围为(-29.1‰)～(-20.4‰),平均值为-25.4‰.其δ13C值从上游到下游都有逐渐偏正的趋势,表明从上游到下游植被覆盖类型的变化影响了沿河表层沉积物有机质的δ13C值.4条河流表层沉积物有机质的氮同位素(δ15N)值和碳氮比(C/N)的变化范围分别为0～4.6‰和1.4～17.2,平均值分别为2.8‰和7.3.从上游到下游其δ15N值逐渐偏正,表明沿岸进入河中的泥沙比例越来越大,人类活动等对自然环境的影响增强.徐家河和拜家河下游采样点表层沉积物有机质的δ15N值有偏负趋势,可能与下游煤炭开采,煤等有机质进入河流表层沉积物有关.因此,对河流表层沉积物中有机质的碳、氮同位素组成特征和变化研究可以揭示流域土壤侵蚀状态和生态环境的变化.     

气候变化对土壤有机碳库分子结构特征与稳定性影响研究进展

气候变化与土壤碳库之间的相互作用及耦合机制一直是学术界研究的热点与难点。虽然目前在群落—生态系统、区域—全球等不同尺度上开展了大量研究,然而在分子尺度上探究气候因子波动对土壤有机碳库化学结构特征影响机制方面却鲜有研究。本文综述了近年来气候因子变化及其导致的环境、生态因子变化与土壤有机碳库分子结构特征的关系。气温升高不仅将改变土壤中源自植物部分的有机碳来源特征,同时也会将加速土壤木质素等碳组分分解,排水或者旱化引起有机质分解加速,土壤中C=O键增加。植被演替、土壤动物及微生物等与气候变化密的切相关的生态因子则会影响输入土壤植被残体性质,加速糖类、脂类及木质素分解、并改变有机碳结构的生物分子标志物;土壤中有机碳稳定性与分子结构特征密切相关,土壤中具有高的苯环结构(芳香族化合物)及O-烷基碳通常表明土壤碳库具有更高的稳定性,而之前认为较为稳定的木质素等结构在气候变暖背景下可能并不稳定。未来研究中应着重关注与土壤有机碳分子标志物的识别与生态意义判读、生物对土壤有机碳分子结构转换过程的调控作用及机制、大尺度环境/生态过程与碳库分子结构转变的耦合机制及新的土壤有机碳分子结构辨识技术及判读等方面的研究。     

植物标志物在森林土壤碳循环研究中的应用

森林土壤有机质的稳定机制对于森林长期碳吸存研究具有重要意义。土壤中难分解的生物大分子构成了土壤稳定性有机质库。稳定性土壤碳库主要来自于植物、动物、真菌和细菌,每一种土壤有机质的来源均有具体的天然生物标志物（biomarker）。本文回顾了近20年来植物标志物在土壤碳循环研究中的进展,概述了植物标志物在推断土壤有机质的植物来源以及有机质的分解程度方面的应用,并介绍了植物标志物的稳定性同位素分析在定量估算土壤有机质周转时间上的应用。本文还详细介绍了土壤中植物标志物的化学分析方法,为今后我国应用植物标志物开展土壤有机质研究提供参考。     

吉林西部全新世晚期土壤碳酸盐中碳稳定同位素记录的古气候信息

土壤碳酸盐中碳稳定同位素是记录古气候变化信息的重要载体。本文对吉林省西部大安市姜家甸草场土壤剖面中的δ13C值特征进行了详细分析,并在此基础上推得C3、C4植物生物量;结合野外观察到的剖面特征,作者认为全新世晚期以来,该地区气候曾经历过从干-热～湿-暖～干-热的演变过程。现今吉林西部的干旱化环境正是全新世晚期以来气候持续演化的结果。     

土壤有机碳稳定同位素的古环境指示意义及影响因素

土壤有机C稳定同位素受控于生长其上的植物类型及其生物量,而后者又取决于环境条件。因此利用土壤有机质δ13C值可以反映地质历史时期C3、C4植被变化,从而进一步揭示环境变化进程。目前,土壤有机C稳定同位素特征分析已成为古生态与古环境恢复、古气候重建、全球变化研究的重要内容。由于大气湿度、CO2分压、温度和微生物分解等众多因素的影响,土壤有机质δ13C特征、C3与C4植物组成比例、区域环境(主要是气候)三者间并不完全呈现一一对应关系,因此,其应用机理和影响因素尚需要进一步探讨。今后应着重加强现代地表植被特征与土壤有机质δ13C关系、人类活动方式对土壤有机C稳定同位素特征的影响、土壤-植物-大气系统C循环过程等方面研究,才能使土壤有机C稳定同位素特征研究获得更为广泛的应用。     

乌梁素海表层沉积物营养盐的分布特征及环境意义

采用现场采样及室内测试方法,对乌梁素海表层沉积物营养元素（TN、NH4＋-N、NO3--N、TP和TOC）的分布特征进行了分析,系统研究了沉积物碳-氮-磷两两之间的相互耦合关系及其环境意义,并对乌梁素海沉积物的有机污染状况进行了评价。结果表明,乌梁素海表层沉积物TOC/TN比平均值为12.70,反映出有机质来源可能是湖泊水生生物和陆源输入,其中外源输入略占主导;TOC/TP比值高于TOC/TN,沉积物中的有机质主导着TOC/TP比值的变化趋势;TN/TP比值的分布表现出与TOC/TP比值相似的变化特征。有机污染评价结果显示,全湖的有机指数均值为0.42,处于尚清洁状态,w（ON）的均值为0.17%,属于有机氮污染状态。     

利用稳定同位素进行农产品溯源研究进展

随着消费者对农产品质量与安全要求的提高,农产品溯源保持着良好的发展态势。稳定同位素在农产品研究中应用广泛,主要包括农产品产地溯源、真伪鉴别等。在产地溯源方面,研究较多的是牛肉、羊肉、牛奶、葡萄酒、蜂蜜、水产品、茶叶、谷物等农产品。一直以来,缩小溯源区域范围是产地溯源的难点和重点。稳定同位素技术与矿物元素技术、氨基酸技术、脂肪酸技术相结合是缩小溯源区域范围的最佳方法。在农产品真伪鉴别方面,农产品掺杂掺假形式多样、手段复杂,消费者难以辨别。在农产品加工过程中稳定同位素分馏方面,研究已经展开,且逐步深入。本文综述了2015—2020年稳定同位素在农产品产地溯源、真伪鉴别以及加工过程中的分馏研究进展,阐述了稳定同位素与其他技术结合进行农产品溯源区域范围的研究,并对利用稳定同位素进行农产品溯源研究予以总结和展望。     

乡村小流域不同土壤景观表土有机质团聚体分布与分子组成变化

  【目的】  探讨丘陵山区乡村不同土壤景观表土有机质积累的团聚体分布及其化学组成的变化,为认识自然条件和人为利用下土壤有机质的空间变化特点提供新视角。  【方法】  选取江苏省南京市溧水区芳山小流域内保护林地、园地、旱地和稻田等景观样地,采集0—20 cm土壤样品,分析有机碳(SOC)总量。将土壤样品通过湿筛法分出宏团聚体(2000～250 μm)、微团聚体(250～53μm)和粉黏粒(<53 μm) 3个粒径组,测定其中有机碳含量,计算土壤中各团聚体结合态碳的比例。再者,对土壤样品依次进行总溶剂(TSE)提取,碱水解(BHY) 提取和氧化铜氧化(CUO)提取,分别主要得到游离脂、结合态脂和木质素酚,采用气相色谱–质谱联用仪(GC-MS)测定各组分中生物标志物有机分子丰度,计算分子多样性指数。  【结果】  与林地相比,园地、旱地和稻田表土本体有机碳含量分别降低70%、57%和51%,其中宏团聚体结合有机碳的含量分别降低了85%、81%和71%,微团聚体结合有机碳分别降低了74%、79%和67%,粉黏粒结合有机碳则分别降低了48%、18%和3%。表土中提取得到游离态脂类、结合态脂类和木质素酚类的有机分子丰度分别介于2.24～6.74、4.81～14.87和3.51～6.16 mg/g SOC;不同土壤景观间,这些提取态生物标志物分子丰度的变化趋势均表现为林地>稻田>园地>旱地。而木质素酚类丰度表现为林地和稻田相近。相对于林地,园地、旱地和稻田的脂肪酸丰度、烷醇、甾类及萜类等生物标志物分子丰度显著降低,但烷烃分子丰度明显增加,同时微生物来源有机质对土壤有机质的贡献提高;林地及园地土壤中结合态脂类组分以羟基酸丰度较高,而旱地和稻田则以烷酸为主。通过计算的生物标志物分子多样性指数的变化,发现游离态脂类和结合态脂类是林地和稻田高于旱地和园地,而木质素酚是稻田高于旱地,旱地又高于园地和林地。  【结论】  自然林地和农用地土壤的有机碳含量和团聚体结构具有较大差异,在提取态有机分子的组成上也具有不同的组成特征。林地土壤有机碳含量高,宏团聚体、微团聚体和粉黏粒比例均衡,有机碳的团聚体分配也均衡,而且有机质主要以植物源有机碳为主,具有碳链长、分子多样性高等特点。因之,稳定性也高。相反,园地、旱地的有机碳总量低,宏团聚体和微团聚体趋于分解,团聚体结合态有机碳显著减少,而且结合态和游离态脂类有机分子的多样性均显著降低,微生物来源有机碳对土壤有机碳的贡献更高。而稻田土壤有机碳和分子多样性均高于旱地及园地。因此,合理的土壤管理特别是有机物料的投入是提高农地土壤健康程度的重要途径。     

水系物质迁移过程示踪及其在环境中的应用

水是环境中污染物迁移的重要介质,水系污染物也可以直接作用于生物体。本文概述了对水系物质迁移过程示踪的各种方法,包括人工示踪剂方法、生物标志法、微量元素及同位素示踪方法等,指出了它们的环境应用价值。在人工示踪法中叙述了中子活化示踪沙技术和稀土元素-DTPA螯合物示踪法。生物标志物主要叙述了木质素、正构烷烃、脂肪酸的指示意义。微量元素示踪主要涉及到Sr、Ca、Mg和REE的示踪。同位素示踪法着重阐述了较先进的碳、氮、氧和铅同位素的示踪。最后展示了水系物质示踪的应用前景。     

Prospects and problems of using the methods of geochemistry of stable carbon isotopes in soil studies

A review of world investigations into the geochemistry of stable isotopes—a new area for soil science—is presented. Studies of the behavior of stable isotopes in soils are being developed in two major directions: reconstruction of the environmental conditions and indication of the soil processes. Investigations into the reconstruction of the environmental conditions are based on the assumption that the isotopic composition of carbon in the soil humus is inherited from and reflects the isotopic composition of carbon in the corresponding vegetation (the source of soil humus). At the same time, studies into the indication of soil processes are based on the effects of fractionation of carbon isotopes in the course of transformation of carbon compounds. In this case, the isotopic composition of carbon in the soil humus should differ from that in the initial plant material. The analysis of available data suggests that the current state of research does not allow assessing the entire diversity of the effects of isotopic fractionation in soils. New data on the isotopic composition of carbon of soil organic matter and carbonates are being actively accumulated at present. However, it is obvious that the effect of isotopic fractionation should be taken into account in the paleoenvironmental and paleoclimatic reconstructions.     

陕西省土壤有机质含量及其与影响因素的关系

[目的]分析陕西省土壤有机质空间分布特征及其影响因素,并揭示土壤有机质与地形、植被类型、气候和土壤其他属性的关系,为该区土壤碳汇(碳源)功能变化研究提供科学基础。[方法]通过采集陕西省12个样区不同植被类型和地形条件下的85个表层土壤样品,并利用SPSS 16.0中的K-means聚类和Canoco 4.5软件中的冗余(RDA)方法进行分析。[结果]土壤有机质浓度在2~6级之间;并表现为由南至北,由西至东大致呈降低趋势;在各样区,最大值是最小值的1.89~14.84倍;同一样区不同样地土壤有机质含量等级不同;各影响因素中,除经度和无霜期的影响不显著外,其他各环境因子的影响均显著,退耕年限和植被类型的影响最大,坡度和坡向的影响程度较低,且交互影响作用明显。[结论]除农地转变为果园外,农地退耕能够显著提高土壤有机质含量,并随着恢复年限的延长,有机质含量增加日益显著,生态系统逐渐由碳源转变为碳汇。     

作物植硅体形态的应用及其封存有机碳研究进展

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在维系生命的生长发育和环境的动态平衡等方面起着至关重要的作用，在其生长发育和环境演变的过程中储存大量的环境变化信息，能够反映古农业的发展变迁。植硅体是一种长期稳定存在于土壤中的非晶质二氧化硅颗粒物，它可以指示气候变化。近年来，植硅体分析主要应用在农业考古、古气候重建、生物地球化学循环和全球碳汇潜力估算的研究中。世界上作物分布广泛，作物栽培历史悠久，研究作物植硅体与植硅体碳，对探讨农业起源与发展，估算农田生态系统植硅体碳汇潜力，应对全球气候变化具有重要意义。本文在查阅国内外与作物植硅体研究相关文献的基础上，综述了作物植硅体的形态研究、植硅体在考古学中的应用、作物植硅体碳含量与分布、碳汇潜力以及植硅体碳汇在全球碳汇中的贡献，阐明了作物植硅体未来的研究方向。1）不同作物产生的植硅体形态不同，而且对作物植硅体形态的研究较多处于优势的禾本科中，其他作物的研究较少；2）作物植硅体碳含量与其本身的固碳能力和效率有关，不完全由植硅体含量的多少决定，此外，植硅体碳含量的多少也可能受生长环境和植物基因型的影响；3）不同生态系统中气候、地表植被、土壤环境等诸多因素直接或间接地影响区域植硅体的碳汇潜力；4）农田生态系统不同作物植硅体碳汇存在显著差异，施加硅肥或硅-磷复合肥、种植高植硅体含量和高植硅体碳含量的作物等均可显著提高农田生态系统碳汇潜力。今后应进一步研究不同作物植硅体碳汇，以帮助识别过去的农业碳汇，评估当前农业碳汇潜力；加强植物、根系、土壤迁移规律的探讨，进一步分析不同作物植硅体积累与碳汇效应；阐明不同植物吸硅机制、植物根系硅化过程与其植硅体含量、植硅体碳含量间的关系；了解西南喀斯特生态脆弱区农业碳汇潜力，以期为作物科学种植、农田生态系统碳汇估算等提供参考。     

The fat that matters: Soil food web analysis using fatty acids and their carbon stable isotope signature

Chemical taxonomy based upon the composition of lipids is widely applied to investigate microbial communities and fatty acids have recently been employed to connect soil microbial and faunal food webs as well as to elucidate functional groups at higher trophic levels. The additional use of compound-specific isotopic analysis of ¹³C/¹²C ratios in fatty acids allows assessing specific trophic links and belowground carbon fluxes. In this review systematic patterns and processes underlying variations in the composition of fatty acids and their ¹³C/¹²C ratio are described. The emphasis is on biomarker fatty acids, their incorporation and modification, effects of pool size, and analytical methods. Further development of the application of fatty acid profiling to soil ecology should include both advances in experimental research and growth of theory. Accordingly, areas in which future experimentation can lead to progress in soil food web analysis are identified. Overall, combining fatty acid biomarker and their isotopic ratios will allow detailed insight into belowground trophic interactions.     

应用~(13)C核磁共振技术研究土壤有机质化学结构进展

土壤有机质化学结构对准确评价土壤有机质的稳定性及其在土壤中的功能具有重要意义。土壤有机质化学结构的研究方法中,固态~(13)C核磁共振波谱技术(Solid-state ~(13)C-NMR spectroscopy)具有独特优势,对土壤有机质化学结构的解析更贴近真实状态,近年来已取得诸多新进展和新突破。综述了近年来应用~(13)C-NMR测定土壤全土、团聚体和密度组分、腐殖质组分的有机碳化学结构特征,分析了影响化学结构变化的因素。不同气候条件、植被类型、土地利用管理方式、土壤类型、土壤有机碳含量的全土中有机碳化学结构比较相似,均表现为烷氧碳比例最高,其次为烷基碳和芳香碳,羧基羰基碳比例最低。土壤有机碳主要来源于外源植物残体,植物残体化学结构的相似性可能是导致土壤有机碳化学结构相似的主要原因,环境条件、土壤自身属性和微生物活性的差异使土壤有机碳化学结构产生微小差异。土壤颗粒及化学组分间的有机碳分子结构差异较大,大颗粒有机碳中烷氧碳比例最高,小粒径及与矿物颗粒结合的有机碳中烷基碳和羧基羰基碳比例更高,粉黏粒和腐殖酸组分的有机碳化学结构在土壤类型间差异较大。今后的研究重点应更多地关注土壤有机质来源的定量化分析、土壤微生物对土壤有机碳组分和结构稳定性的贡献及调控机制、土壤有机碳稳定性的生物物理化学保护机制、空间大尺度环境因子/土壤生态过程与微观尺度的有机碳化学分子结构的耦合作用机制、跨学科的多种土壤有机碳化学分子结构测定辨识技术等方面的研究。     

Tracing the source of cooking oils with an integrated approach of using stable carbon isotope and Fatty Acid abundance

We report a new approach to identify swill-cooked oils that are recycled from tainted food and livestock waste from commercial vegetable and animal oils by means of carbon isotope values and relative abundance of fatty acids. We test this method using 40 cooking oil samples of different types with known sources. We found significant differences in both total organic carbon isotope as well as compound-specific isotope values and fatty acid C(14)/C(18) ratios between commercial vegetable oils refined from C(3) plants (from -35.7 to -27.0‰ and from 0 to 0.15) and animal oils (from -28.3 to -14.3‰ and from 0.1 to 0.6). Tested swill-cooked oils, which were generally refined by mixing with animal waste illegally, fall into a narrow δ(13)C/fatty acid ratio distribution: from -25.9 to -24.1‰ and from 0.1 to 0.2. Our data demonstrate that the index of a cross-plotting between fatty acid δ(13)C values and C(14)/C(18) ratios can be used to distinguish clean commercial cooking oils from illegal swill-cooked oils.     

陆地碳循环中的微生物分解作用及其影响因素

土壤微生物是有机物的主要分解者,在陆地生态系统碳循环中扮演着重要角色,土壤微生物活性与底物性质和环境因子密切相关,环境条件的改变对微生物的分解活动影响很大。本文概述了制约有机物分解的因素,包括有机物自身的物理化学性质、非生物因素(温度、水分和通气状况、pH值、粘粒含量、激发效应等)和生物因素等。人为活动(如土地利用/覆被变化)和气候变暖对土壤微生物活性具有一定的影响并产生相应的陆地碳循环变化。最后提出了陆地生态系统碳循环与土壤微生物驱动相关联的研究热点问题。     

Reconstruction of Late Glacial and Holocene landscape-climatic changes in the central Selenga Middle Mountains based on the isotopic composition of organic matter

The results of investigation into the composition of stable carbon and nitrogen isotopes of organic matter in the soils developed within soil–sedimentary sequences in the central part of the Selenga Middle Mountains in the Late Glacial and Holocene are presented. In the past 15000 years, the organic matter of the investigated soils has only been formed from the biomass of C3 plants (without the participation of C4 plants). This is confirmed by the of δ¹³С values from–27.00 to–23.35‰. A combined analysis of the parameters of the organic matter (С_org, N_total, C/N, δ¹³С, and δ¹⁵N) of soils formed in different periods makes it possible to assume that the isotopic composition of carbon and nitrogen reflects changes in the climate humidity during the Late Glacial and Holocene periods. The specified intervals of soil formation correspond to the climate humidification and stabilization of the surface owing to the development of dense vegetation. Aridization periods were characterized by the accumulation of sediments that buried soil horizons. The most pronounced stages of climate aridization occurred at the transition from the Late Glacial to the Holocene, from the Boreal to the Atlantic, and from the Atlantic to the Subboreal periods. The optimum soil-forming conditions existed in the periods of 11700–11000, 8800–6900, and 4700–1000 years ago, which is confirmed by the published data on the landscape-climatic changes in the adjacent areas in the past 15000 years.     

Lignin turnover in arable soil and grassland analysed with two different labelling approaches

When modelling the carbon dynamics of temperate soils, soil organic carbon (SOC) is often represented by three kinetic pools, i.e. fast, slow and passive/inert. Lignin is often considered to be relatively resistant to decomposition, thus possibly contributing to the passive SOC pool. One way to assess SOC turnover under natural conditions is to follow the fate of ¹³C-labelled biomass in soils. We used compound-specific isotope analysis to analyse CuO oxidation products of lignin from grassland topsoils and from an arable topsoil that had received a natural (by C3-C4 vegetation change) or an artificial (by fumigation with labelled CO₂) isotopic label for 9–23 years. Results indicate faster apparent turnover for lignin (5–26 years in grassland, 9–38 years in arable soil) compared with bulk SOC (20–26 years in grassland, 51 years in arable soil). Although these calculated lignin turnover times cannot be extrapolated to the whole soil profiles, this paper provides isotopic evidence that lignin in soils is not preferentially preserved, which is a consistent result from both ways of isotopic labelling. It also demonstrates, however, that a considerable proportion of lignin in temperate soils can be stabilized for at least a few decades.