稳定同位素~(202)Hg稀释技术测定土壤汞有效性——与化学提取方法比较

准确评价汞(Hg)在土壤中的有效性对预测污染土壤中Hg的潜在生态风险及其环境质量标准的修订具有十分重要的意义。本研究通过稳定同位素202Hg稀释技术及同位素交换动力学方法(IEK)分析红壤和潮土中同位素可交换Hg含量(E值)及同位素可利用态Hg含量(Ea),并与4种单一提取法和1种连续提取法(改进的BCR法)获得的土壤有效态Hg含量进行比较。结果表明,外源稳定同位素202Hg加入土壤后,红壤和潮土的悬浮液中同位素交换均在24 h后达到稳定状态。同位素交换动力学方程对悬浮液中同位素比值及土壤同位素交换态含量Et值的变化有比较理想的拟合效果,红壤三个间段的E值(E1 min、E1 min-24 h和E24 h)及所占全量的比例均高于潮土。两种土壤Ea(为E1 min与E1 min-24 h之和)所占全量的比例为38%~60%,显著高于单一提取法中提取率最高的0.03%TGA-1/15 mol L-1Na2HPO4(10%~15%)及连续提取的∑BCR(20%~27%,为酸可提取态、还原态和氧化态占全量之和),这表明与化学方法相比较,用土壤同位素可利用态Hg含量(Ea)作为土壤中有效态Hg含量的表征可能偏高,原因可能与外源同位素被土壤固持及土壤悬浮液的性质有关。     

同位素稀释分析在土壤氮素循环利用研究中的应用

同位素稀释分析是研究氮素在土壤植物体系中转化和迁移特征的有效方法。本文对国内外近十年利用同位素稀释技术研究土壤微生物和植物对不同形态的氮素的利用与竞争进行了总结,强调了土壤在植物和微生物养分利用中的双重作用。利用同位素稀释分析还可以研究所施氮肥的转化、迁移、和流失,推断土壤-植物系统N肥平衡状况,对提高肥料利用率,科学施肥,减少氮素污染有着科学的指导作用。     

磷酸盐氧同位素技术在土壤磷循环中的应用

磷是土壤生态系统中的重要组成元素,开展土壤磷循环研究对提高磷肥利用效率和降低磷的生态环境风险具有重要意义。磷酸盐氧同位素技术已经被证明是一种示踪环境中磷生物地球化学行为的有效方法。本文系统综述了磷酸盐氧同位素技术的研究进展和未来发展方向。详细介绍了磷酸盐氧同位素的技术原理、样品处理和测定方法;阐述了无机磷和有机磷的氧同位素特征及时空分布特征;从评估土壤磷微生物利用状况和示踪土壤磷循环两个方面探讨了磷酸盐氧同位素技术在土壤磷循环研究中的应用前景,分析了磷来源、环境条件、生物活动和样品前处理过程对土壤磷酸盐氧同位素特征的影响,最后展望了该技术未来的研究方向。以期为磷酸盐氧同位素技术在土壤学和环境科学领域的发展和应用提供新的视角和科学指导。     

镉同位素分馏在土壤-植物体系中的研究进展

镉污染土壤因其导致粮食作物超标以及通过食物链对居民健康构成威胁,引起了人们的高度关注。土壤镉的迁移转化、植物根部对镉的吸收、植物体内对镉的装载转运和贮存是土壤-植物体系镉生物地球化学循环的重要过程。近年来,稳定同位素分馏技术被广泛应用于土壤-植物系统中镉的迁移和储存,为研究镉在不同土壤库和植物部位中的迁移和转化提供了新的思路和视角。本文首先介绍了镉同位素组成分析的基本原理和方法;其次对土壤矿物溶解、共沉淀、吸附和有机质螯合配位等四个关键过程引起的镉同位素分馏方向和程度进行综述,并重点针对植物根部对镉的吸收、根部-地上部转运和籽粒储存等三个关键过程阐述植物体内镉同位素分馏机制;最后基于目前研究现状,展望了土壤-植物体系镉同位素分馏尚需解决的科学问题和未来的研究方向。有助于深入理解镉在土壤-植物体系中的生物地球化学过程与机制,以期为镉污染土壤的安全利用与治理修复、农产品减毒脱毒等应用技术的研发提供科学依据。     

土壤质量指标和评价方法

土壤质量是反映土壤保持生物生产力、环境质量以及动植物健康能力的土壤的内在属性。土壤质量评价是根据土壤内部属性对土壤综合状况进行表达。评价必须确定合适的时间和空间尺度,综合量化分析指标和不可量化的描述性指标。评价方法包括定性评价和定量评价,系统化的定性评价仍有其现实意义。定量评价要选择指标的最小数据集(MDS),采用最小数据集(MDS) 土壤变换函数(PTF)的方法将土壤质量指标和土壤功能相联系,对土壤的各个功能因子进行评价,在此基础上利用各种数学评价方法得到综合的量化土壤质量评价结果。     

15N同位素稀释法测定土壤氮素总转化速率研究进展

同位素稀释法是测定土壤中N素总转化速率最重要的方法之一.自从上世纪50年代Kirkham 和 Bartholomew提出同位素稀释法的基本原理以后,随着分析技术的长足发展,一些更精确的分析和数值优化方法被广泛使用,N转化概念模型已经日益完善,使测定N的总转化速率成为现实,对土壤N素循环机制的深入研究提供了可能性.然而,15N标记方法研究土壤中N的总转化速率仍然存在较大的不确定因素.本文综述了15N同位素稀释法测定土壤N素总转化速率的原理和计算方法,以期推动同位素稀释法的研究和发展.     

PLFAs稳定同位素技术及其在土壤微生物学中的应用

磷脂脂肪酸(PLFAs)是微生物细胞膜的重要组分,可作为活体微生物的生物标记物。稳定同位素技术与生物标记物相结合为揭示微生物种群结构及其功能提供了一种有效的方法,可用来阐明复杂土壤生态系统中微生物源有机质代谢途径以及个别微生物种群特征,将特定微生物种群与相应生物化学过程相联系。介绍了PLFAs稳定同位素分析技术,包括气相色谱-燃烧-同位素比例质谱(GC-c-IRMS),气相色谱-质谱联机(GC-MS)以及核磁共振(NMR),并描述上述方法在土壤微生物学中的应用以及其优缺点。     

15N同位素稀释技术和示踪技术在森林土壤N素研究中的应用

森林土壤N素形态、N库动态及其运移转化特征备受关注。采用稳定性~(15)N同位素稀释技术和示踪技术测定森林土壤总N转化速率和~(15)N回收率,可以揭示森林土壤N素特别是无机N的运移转化规律和持留机制。由此可见,稳定性~(15)N同位素技术在森林土壤N循环研究中的作用举足轻重。基于此,介绍~(15)N同位素稀释技术测定土壤总N转化速率的基本原理和~(15)N同位素示踪技术研究土壤N素运移规律的基本思路,并简要列举了稳定性~(15)N同位素技术和示踪技术在森林土壤N素转化、运移和持留机制研究中的应用实例,同时指出此法的不足和应用前景。     

磷同位素示踪技术在生态与资源环境科学研究中的新进展

同位素示踪技术广泛应用于土壤-植物-动物生产-环境系统中磷的活化、形态转化、吸收利用、迁移规律等方面的研究,极大地推动了生态、资源环境科学的发展。本文介绍了几种利用同位素示踪技术研究磷在土壤-植物-动物生产-环境系统中动态行为方法的进展,其中放射性同位素磷稀释技术已应用于盆栽和大田试验的研究,主要包括直接标记水溶性磷肥磷或土壤易交换性磷、间接标记难溶性磷和难溶性磷酸盐通过中子堆照活化3种方法。磷酸盐中氧稳定性同位素示踪技术是新近发展起来、并不断完善的方法,为磷从农田到水体环境迁移过程的定量研究提供了可能,但该技术在土壤-植物系统中的应用还存在一定的局限性,有待技术与理论上的进一步完善。核磁共振技术为生态系统中磷形态变化,尤其是有机磷形态的定性与定量研究提供新的研究手段。     

土壤活性有机质组分的分类方法及其研究进展

土壤活性有机质对农田管理措施和气候变化的响应敏感且快速,是表征土壤质量变化的重要指标,成为土壤生态学及环境土壤学交叉领域的研究热点。本文系统归纳了土壤活性有机质的物理组分(轻组有机质、颗粒有机质、大团聚体有机质、酸碱提取有机质和溶解有机质),化学组分(酸水解有机质和易氧化有机质),生物学组分(微生物生物量碳和氮、潜在可矿化碳和氮)和联合分组组分(游离态团聚体有机质、物理保护有机质和游离活性有机质)的分类方法,分析了不同组分的来源、典型数量(占土壤总有机质的比例)、性质和意义,评述了相关组分的研究进程、作用和影响因素,探讨了土壤活性有机质分组方法的整合应用及其研究进展,提出了补充和验证土壤活性有机质数量测定的不确定性和难比较性的可能技术途径,以期为科学解析土壤活性有机质在土壤质量变化研究中的作用提供理论依据和技术参考。     

Defining soil geochemical baselines at small scales using geochemical common factors and soil organic matter as normalizers

Purpose

The establishment of geochemical baselines is essential for accurate evaluation of the present state of surface environments. In this study, normalization procedures (NP), which can improve the explanation of the natural variation of elements, were conducted using geochemical common factors (GCF) and soil organic matter (SOM) as normalizers to define the geochemical baselines of soil trace elements.

Materials and methods

Soil samples (n?=?345) were collected in Luhe County, Jiangsu, China, a county with a complex geologic setting and intensive anthropogenic influence. Conservative elements, Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, and Ti; trace elements, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, and Zn; and SOM were measured. Normalization procedures were conducted using multiple linear regressions between soil trace elements and SOM and GCFs, acquired from factor analysis of the soil major elements. Normalization procedures using univariate linear regressions between soil trace elements and conservative elements Al, Fe, and Ti were also conducted for comparison.

Results and discussion

Comparison of NPs using GCFs and SOM as normalizers with NPs, which use single conservative elements as normalizers, shows that the former is more accurate than the latter for As, Pb, and Zn and is as accurate for Cd, Cr, Cu, Hg, and Ni, when the most appropriate single conservative element is chosen. Small-scale geochemical baselines in the county are significantly different from regional-scale geochemical baselines for Jiangsu Province, China.

Conclusions

The application of regional-scale geochemical baselines at small scales may lead to estimation errors in determining anomalies and assessing environments. Baselines obtained from the NPs using GCFs and SOM as normalizers are more accurate.     

贵州喀斯特地区草地开垦对土壤微量元素的影响与评价

为探明生态脆弱区土地利用方式转换对土壤有效态微量元素的影响,以贵州喀斯特地区草地及其相应开垦的农田为对象,采用成对设计的方法研究了草地开垦对土壤微量元素（铜、锰、铁、钼、硼、锌）的影响,并探索基于土壤微量元素密度的区域土壤微量元素丰缺评价指标。结果表明：研究区土壤有效态微量元素在土壤剖面上呈表面富集现象,其含量随土层深度的增加而降低;草地开垦导致土壤有效态铜、铁、硼和钼的含量出现不同程度的降低,降幅为4.97%～79.17%,而土壤有效锌含量则增加,增幅为11.76%～46.06%;开垦导致土壤有效锰含量在剖面上的下降速率加快。建立了研究区6种有效微量元素的丰缺评价指标,该指标以土壤微量元素密度为参数,以参数值的不同范围界定微量元素的丰缺程度,消除了微量元素空间异质性对判定结果的影响。根据该评价指标,研究区土壤有效铁、锰处于极高水平,草地开垦导致土壤有效铜、钼、硼的丰度下降,而有效锌的丰度上升;结合微量元素有效性评价指数,整个研究区土壤有效硼处于低水平,不能够满足植物正常生长发育的需要。该研究结果可为生态脆弱区土地的科学管理和土壤微量元素科学评价体系的建立提供参考。     

氢氧稳定同位素技术在土壤水研究上的应用进展

土壤水是水资源的重要组成部分,是连接自然界水循环的重要环节;一个地区的土壤水资源状况与当地作物生产、生态环境质量以及社会经济发展息息相关。应用稳定氢、氧同位素技术可从宏观和微观的结合上把握土壤水循环过程,阐明其相关机理;近年来这一技术有了长足进步,正在逐渐发展成为研究土壤水循环特别是探究土壤水分运移和转化规律的有效手段。在简述土壤水氢、氧同位素基本知识的基础上,从水的地球化学循环原理出发,讨论影响土壤水氢、氧同位素富集的因素,着重介绍了土壤水循环研究中的同位素技术的要点和特点,并对这一研究领域未来的发展进行了展望。     

广东阳春双滘原产地产品沙姜的特征元素

植物特征元素及其组合能一定程度上反映特定区域对该地植被生长产生的影响。为了探讨元素及其组合能否作为原产地产品的元素指纹标记,分析了广东阳春双滘地区沙姜与土壤中十多种元素的含量、相关性及元素吸收系数。该研究中微量元素在沙姜和土壤中均具有较好的传承性;沙姜对各种元素的吸收具有差异性,沙姜与土壤中元素也具有一定的相关性;通过权重分析初步认定该区域沙姜特征元素为Mn、Zn、Mg、Sr、Cu、Ni、Fe。区域地球化学背景对原产地产品的影响值得深入探讨。     

Use of Soil Survey Mapping and Sampling for Determining Geochemistry of Regions

Abstract

The U.S. National Cooperative Soil Survey (NCSS) information about geographic distribution of soils is based on landforms and soil‐forming factors. A recent effort was initiated to determine the geochemistry of soils that are sampled as part of the routine NCSS work. The objectives of this article are to describe the mapping and site selection procedures, utility of these procedures in the geochemical analysis of soils, and the work and future direction of the Soil Geochemistry Program that was developed for this effort. This program was created within the U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service (USDA‐NRCS), for the purposes of instituting and monitoring the quality of laboratory geochemical methods and data, investigating the distribution of natural elemental concentrations in soils, and providing leadership in the application of geochemical data for NRCS. The soil survey has typically used the representative pedon concept as a basis for site selection, determined from the evaluation of soil morphology and component landforms within mapping units. The intent of this concept is to extend limited point data to geographic coverage. A geospatial database was compiled, containing major and trace element data for selected NCSS pedons. These data are provided with depth for major diagnostic horizons. Although initial geochemistry efforts have concentrated on benchmark soils to facilitate evaluation of source factors and broaden the utility of the data, this dataset includes both anthropogenic and nonanthropogenic soils. Future efforts require the investigation of geochemical variability of mapping units and the pedogenic redistribution of trace elements within soil landscapes.     

湖南张家界典型植烟土壤地球化学特征研究

为了研究张家界山地植烟区域土壤的成土环境及地球化学元素的丰缺状况和迁移富集规律,为烟区优质特色烟叶的生产和布局提供科学依据,本文采集23个长期耕种的典型植烟土壤剖面样品,测定分析了25种地球化学元素(氧化物)的含量,并对土壤的风化发育状况和元素(氧化物)的迁移富集特征进行了研究。结果表明,张家界烟区主要成土母质如石灰岩、板页岩、紫色砂页岩风化物均受到了较强的风化作用,化学风化指数(CIA)介于73.19～88.03之间,总体上土壤具有Ca、Na贫乏而Fe、Al相对富集的化学组成特征。其中紫色砂页岩风化物发育形成的紫色土的风化作用较强,土壤的淋溶作用较强;石灰岩风化物发育形成的土壤富铝化程度较低。黄壤、水稻土、紫色土中地球化学元素多数表现出一定的富集特征,大量有益营养元素的富集对于提高烟叶产量具有重要作用。土壤剖面淋溶层中元素(氧化物)P、B、Se、Mn、Zn、Cu、Ni、Y、Sc、La、Fe2O3、SiO2的含量均高于中国或世界土壤元素(氧化物)中值(均值),而N、S、Cl、Mo、Co、Sr、Br、I、CaO、MgO、K2O、Na2O、Al2O3的含量偏低,其中元素(氧化物)N、P、S、Mo、Se、Mn、Zn、Br、I、CaO、MgO在土壤剖面中的含量变化较大。通过对元素(氧化物)富集系数的聚类分析,将元素(氧化物)分为3类:呈较强富集特征的元素N、P、S、Se;呈较强迁移特征的元素(氧化物)Br、I、Mn、CaO;变化较稳定的其他元素。微量元素B、Zn、Cu和稀土元素Y、Sc、La含量较丰富且变化相对稳定,表明除了常量元素N、P、S以外,微量元素Se、B、Zn、Cu和稀土元素Y、Sc、La可能是影响张家界烟区烤烟品质的重要特征元素。     

Enriched stable isotopes for determining the isotopically exchangeable element content in soils

The proportion of metals in soils in equilibrium with soil solution can be determined using isotopic dilution. For this purpose, an isotope dilution mass spectrometric (IDMS) technique has been applied for the elements Cd, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Tl and Zn. Conventionally, sorbed amounts of heavy metals in soils are analysed by ethylenediamine tetra-acetic acid (EDTA) extraction. The IDMS technique and EDTA extraction were both applied to 115 soil samples and compared. For Cd, Cu, Ni, Pb and Zn, the results of the IDMS technique correlated well with the results of EDTA extractions ( r _s(Cd) = 0.965, r _s(Cu) = 0.916, r _s(Ni) = 0.878, r _s(Pb) = 0.922, r _s(Zn) = 0.962; all at P < 0.001). For Cd and Zn, no significant differences between the results of both methods could be observed, which suggests that EDTA and IDMS determined the same pool. EDTA extracted more Cu, Ni and Pb than was determined by IDMS (7, 26 and 13%, respectively). The correlation between EDTA extraction and IDMS for Cr was significant but weak ( r _s(Cr) = 0.361). For Tl and Mo, EDTA extraction and IDMS did not correlate, and IDMS yielded larger concentrations than EDTA. This can be explained by the fact that Tl and Mo do not form stable EDTA complexes, which are essential for the EDTA technique. Recovery experiments demonstrated that added Cd, Cu, Mo, Ni, Pb, Tl and Zn could be recovered successfully by IDMS analysis (mean recovery = 103 ± 9%). Adsorption isotherms for soil samples were determined for Tl, thereby demonstrating that IDMS gave a better estimation of the native content of sorbed Tl in soils than EDTA extraction.     

稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体 固碳研究中的应用进展

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解直接影响陆地生态系统碳贮藏与全球碳平衡。土壤团聚体是土壤结构的物质基础和土壤肥力的重要载体,也是土壤有机碳的固定场所。稳定~(13)C同位素示踪技术是研究土壤碳动态变化的有效手段,能够揭示新输入碳在土壤及团聚体中赋存状态、周转过程以及微生物的调节机制。本文主要归纳与阐述了稳定~(13)C同位素示踪技术在农田土壤有机碳循环及土壤团聚体固碳机理方面的研究进展,提出~(13)C同位素示踪技术在未来土壤碳循环和固碳机制方面的主要研究方向。     

Comparison of NH4 pool dilution techniques to measure gross N fluxes in a coarse textured soil

We compared gross N fluxes by ¹⁵N pool dilution in a coarse-textured agricultural soil when ¹⁵N was applied to the soil NH₄⁺ pool by either: (i) mixing a ¹⁵NH₄NO₃ solution into disturbed soil or (ii) injection of ¹⁵NH₃ gas into intact soil cores. The two techniques produced similar results for gross N mineralization rates indicating that NH₄⁺ production in soil was not altered by soil disturbance, method of application (gas vs. solution), or amount of N applied. This was not the case for immobilization rates, which were twofold higher when ¹⁵N label was applied to the soil NH₄⁺ pool with the mixing technique compared to the injection technique. This was attributed to the fact that more NH₄⁺ was applied with the mixing technique. Estimates of gross nitrification were accompanied by large error terms meaning differences between ¹⁵N labeling methods could not be accurately assessed for this process rate.