δ13C方法在土壤有机质研究中的应用

δ13C方法是近年来用于土壤有机质动力学研究的一种新方法,该方法除了具有14C标记法的优点外,还具有无放射性,可以提供长期的标记,并能使所有的土壤有机质组分都能被均匀标记,相对经济、在实验地采样后直接进行研究等特殊优点,从而在土壤有机质及其组分的来源、周转和C3/C4植被的历史变化研究中得到广泛应用。随着该方法的迅速发展以及各种分析δ13C值技术的不断改进,δ13C方法在研究土壤过程特别是土壤碳循环中显示出新的活力。为了推动δ13C方法在国内土壤有机质研究中的应用,本文对影响土壤有机质δ13C值的因素、国内外近年来该方法在土壤有机质研究中的应用和δ13C值的分析方法作了较全面的综述。     

农耕地土壤137Cs与210Pbex深度分布过程对比研究

探讨了137Cs与210Pb_ex在农耕地土壤深度分布过程的差异。基于137Cs与210Pb_ex的不同沉降过程,考虑到核素由犁耕层向犁底层的扩散,对农耕地土壤137Cs、210Pb_ex的深度分布过程进行了理论推导,并以杨凌符家庄麦田剖面的实测数据予以验证,同时讨论了实测符家庄麦田剖面137Cs、210Pb_ex深度分布的规律特征及其原因,以此阐明了137Cs与210Pb_ex在农耕地土壤深度分布过程的差异。137Cs源于大气核试爆,没有持续沉降补充,犁耕层和犁底层土壤137Cs深度分布一直处于随时间变化的非稳定态;而210Pb_ex是天然核素,存在大气沉降的持续补充,犁耕层和犁底层土壤210Pb_ex深度分布最终呈稳定态。农耕地土壤137Cs、210Pb_ex深度分布的实测值曲线与理论值曲线的差异,尤其210Pb_ex,可能与耕作深度的变化历史或土地利用(覆被)变化有关。     

喀斯特区不同岩性发育的土壤上植物-枯落物-土壤系统δ13C值变化特征

为了解喀斯特区不同岩性发育的土壤上林分碳元素循环特征,采用稳定碳同位素技术,研究贵州省喀斯特区白云岩、白云质砂岩、石灰岩3种岩性发育的土壤上猴樟(Cinnamomum bodinieri)、柏木(Cupressus funebris)、马桑(Coriaria nepalensis)、光皮桦(Betula luminifera)、桤木(Alnus cremastogyne)和圆果化香(Platycarya longipes)6种树种为优势种构建的林分的优势种植物-枯落物-土壤系统δ~(13)C值的变化和土壤有机质更新。结果表明:(1)部分树种在不同岩性上的δ~(13)C存在差异,石灰岩上柏木δ~(13)C值与其他岩性呈极显著性差异(P0.001),桤木在石灰岩与白云岩上呈显著性差异(P=0.024);不同树种表现为猴樟、柏木、马桑3个树种相互间或与其他树种多表现出显著性或极显著差异(P0.05或P=0.001);树种各器官δ~(13)C值呈叶片枝杆根的分配格局。(2)3种岩性上,各树种林分变化规律基本一致,均为植物叶片(新鲜枯落物)枯落物分解层枝杆根上层土壤下层土壤。土壤层与植物体、枯落物之间的δ~(13)C值存在极显著差异(P0.001),土壤层与枯落物层比较,增幅较大的是白云质砂岩上的猴樟林和柏木林,分别为11.68‰,11.10‰,增幅较小的是白云岩上的马桑林和石灰岩上的桤木林,分别为1.07‰,2.73‰。(3)土壤有机质更新率最大为白云岩上马桑林43.84%,其次为石灰岩上桤木林34.17%,最低为石灰岩上的圆果化香林1.15%。白云岩上植物群落的有机碳周转率回归方程斜率K值为3.15,石灰岩上为0.85。白云质砂岩上林分的有机碳含量与δ~(13)C值无相关性。研究结果对揭示喀斯特地区C元素循环及迁移特征和养分迁移特征具有重要意义。     

坡面片蚀泥沙有机碳组分及13C同位素不均匀富集对水动力学参数的响应

[目的] 探究片蚀泥沙轻组有机碳(LF_OC)和重组有机碳(HF_OC)不均匀富集的水动力学和碳同位素特征,为正确理解水蚀作用下土壤有机碳库变化提供理论与技术支撑。[方法] 以陕西省咸阳市杨凌区土为研究对象,采用改进"三区"移动式变坡钢制土槽,结合人工模拟降雨技术,测定径流水动力学参数和泥沙各粒径团聚体有机碳组成及其δ¹³C值,并辅以棕壤侵蚀泥沙有机碳δ¹³C值和水力参数,验证土试验结果的准确性。[结果] ①雨强和坡度较小时,侵蚀泥沙LF_OC和HF_OC易发生富集,且相较黏粉粒和微团聚体,大团聚体LF_OC与HF_OC含量受雨强和坡度的影响更大; ②侵蚀泥沙黏粉粒中有机碳δ¹³C值与其有机碳活跃分数(λ)呈负相关,而其他粒径团聚体有机碳δ¹³C值与其λ呈显著正相关(p<0.05); ③流速与黏粉粒λ显著正相关(p<0.05),雷诺数与各粒径团聚体有机碳δ¹³C值均呈显著负相关(p<0.01),片蚀过程中流速越大,黏粉粒中LF_OC越易于优先输移,而紊流加剧则促进低δ¹³C值团聚体有机碳的优先输移; ④对于侵蚀泥沙黏粉粒,流速和雷诺数越大,其有机碳δ¹³C值越小,λ越大;对于微团聚体和大团聚体,雷诺数越小,其有机碳δ¹³C值与λ越大。[结论] 片蚀过程中轻重组有机碳流失与流速和雷诺数密切相关。并进一步验证了¹³C同位素对侵蚀泥沙有机碳示踪的有效性。     

土壤有机质研究中的δ13C方法

鉴于国内在土壤学研究中应用δ     

用13C脉冲标记方法研究施肥与地膜覆盖对玉米光合碳分配的影响

基于沈阳农业大学棕壤长期定位试验站不同施肥与地膜覆盖处理,采用原位¹³CO₂脉冲标记的方法示踪了¹³C在玉米-土壤系统中的转移与分配,探讨了施肥与地膜覆盖对玉米光合碳动态变化的影响。结果表明：玉米-土壤系统光合固定碳转移较快,且分配差异较大,其δ¹³C值在标记1 d表现为茎叶>根>根际土壤>土体,且同一施肥处理下传统栽培高于覆膜栽培。标记15 d玉米植株和根际土壤δ¹³C值降低,而土体δ¹³C值却略有升高。传统栽培不施肥处理对¹³C富集程度最大,其中茎叶和根δ¹³C值在标记1 d分别为1 568‰和598‰;标记15 d为178‰和147‰。玉米-土壤系统¹³C固定比例在标记1 d和15 d分别为64.01%和38.65%,且¹³C分配按茎叶、根、根际土壤、土体顺序依次降低。覆膜施有机肥处理显著提高了光合固定¹³C数量及¹³C在玉米和土壤中的分配比例,是促进¹³C同化与分配的主要方式。     

用δ13C方法研究玉米秸秆分解期间土壤有机质数量动态变化

通过室内培养实验 ,应用δ1 3C方法研究了玉米秸秆分解期间 ,土壤中胡敏酸 (HA)和富里酸 (FA)数量的动态变化。结果表明 :培养期间 ,新加入的玉米秸秆以及原土有机C都减少 ,但后者分解速度较慢。培养初期 ,FA的形成速度大于HA ;随培养时间延长 ,FA转化为HA或相互转化。原土有机质中 ,HA、FA也发生了相互转化 ,但与新形成的HA、FA相比转化速度较慢。用δ1 3 C方法研究短期培养 (几个月～几年 )条件下新加入有机质在土壤中的分解动力学是可行的。     

土壤有机质研究中的δ13C方法

鉴于国内在土壤学研究中应用δ13C方法较少,本文对此方法进行了较全面的综述,以推动该方法的应用.     

抽穗后干旱复水对双季杂交晚稻产量形成和叶片δ13C及内源激素水平的影响

为探明生育后期干旱复水对双季杂交晚稻不同产量潜力品种产量的影响及其形成的生理机制,选择超级稻品种五丰优T025和对照品种金优207,于抽穗后进行干旱8d复水处理,分析了2个品种结实和产量、干旱前后倒二叶稳定碳同位素组成(δ13C)及内源激素含量的差异性。结果表明,干旱复水处理下2个品种水稻的结实率、千粒重及单株产量较对照(保持水层)表现出不同程度下降。其中,结实率五丰优T025和金优207分别下降12.07%和7.67%,千粒重下降5.23%和9.09%,单株产量下降13.54%和27.14%,差异均达显著或极显著水平,未发现产量补偿效应。抽穗后干旱处理下倒二叶δ13C值,五丰优T025大幅上升,复水后呈现出先下降,至第6天又开始上升的特点,金优207则大幅下降,复水后呈现先上升后下降再上升的特点,五丰优T025较金优207干旱复水处理与对照之间的差距更大。总体上,对照条件下,抽穗至其后20d,随生育推进,2个品种倒二叶内源ABA和GA₃含量呈上升而IAA含量则下降趋势,ZR表现出先上升再下降特点。干旱处理下2个品种表现为ABA含量上升,复水后呈先下降后上升特点,五丰优T025较金优207处理与对照之间差距更大;干旱复水处理条件下:2个品种IAA含量均下降,五丰优T025处理与对照间的差距明显小于金优207;五丰优T025 GA₃含量表现出先上升后下降再上升,金优207表现出干旱处理结束日急剧下降至最低点,复水后缓慢上升特点;2个品种ZR含量呈现出先上升至最高值再下降特点,五丰优T025较金优207处理与对照之间差距更小。抽穗后干旱处理将启动稻株体内抗衰老机制,复水后将在一定程度一定时间内激活稻株体内生长促进因子并抑制生长抑制因子,但其效果十分有限。     

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。     

固态13C和15N核磁共振法研究15N标记土壤的腐殖质组分

Five humic fractions were obtained from a uniformly ^15N-labelled soil by extraction with 0.1 mol L^-1 Na4P2O7,0.1mol L^-1 NaOH ,and HF/HCl-0.1 mol L^-1 NaOH,consecutively,and analyzed by ^13C and ^15N CPMAS NMR (cross polarization and magic angle spinning nuclear magnetic resonace).Compared with those of native soils humic fractions studied as a whole contained more alkyls ,methoxyls and O-alkyls,being 27%-36%,17%-21%and 36%-40%,respectively,but fewer aromatics and carboxyls(bein 14%-20% and 13%-90%,respectively),Among those humic fractions ,the humic acid(HA)and fulvic acid(FA) extracted by 0.1 mol L^-1 Na4P2O7 contained slightly more carboxyls than corresponding humic fractions extracted by 0.1 mol L^-1 NaOH ,and the HA extacted by 0.1 mol L^-1 NaOH after treatment with HF/HCl contained the least aromatics and carboxyls.The distribution of nitrogen functional groups of soil humic fractions studied was quite similar to each other and also quite similar to that of humic fraction from native soils.More than 75% of total N in each fraction was in amide from,with 9%-13% present as aromatic and /or aliphatic amines and the remainder as heerocyclic N.     

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。     

不同施肥处理对光合碳在花生-土壤系统中分配的影响

通过室内花生盆栽,设置NPK(常规氮磷钾施肥)、NPKS(常规氮磷钾加玉米秸秆)、NPKA(常规氮磷钾加腐殖酸)和CK(不施肥对照)4个不同的施肥处理,采用3次~(13)CO2脉冲标记的方法对不同施肥处理下光合碳在花生-土壤系统中的分配进行定量研究。结果表明:不同施肥处理对标记期内花生总生物量影响不显著,但是NPKA处理显著提升了花生根系生物量,较CK、NPK和NPKS分别高22.04%、19.47%和53.38%。NPKS处理地上部~(13)C丰度最高,但土壤中~(13)C丰度最低,NPKA处理土壤中~(13)C丰度最高。各处理地上部的~(13)C含量无显著差异,NPKA处理根系的~(13)C含量显著高于NPK且土壤~(13)C含量显著高于其他处理。NPKA处理地上部的~(13)C分配比例最低而土壤中分配比例最高,根系~(13)C分配比例与其他处理无显著差异,根系与土壤~(13)C分配比例之和显著高于其他处理。本研究表明腐殖酸能显著促进花生光合碳向地下部的转运。     

施氮量对嘎啦幼苗~(15)N、~(13)C分配利用特性影响

【目的】采用15N、13C同位素示踪技术,通过对不同施氮量下嘎啦幼苗生长状况及氮、碳分配、利用特性等的研究,以期为苹果生产合理施肥提供依据。【方法】将2年生盆栽嘎啦幼苗进行低、中、高三个氮水平处理,同时进行15N标记。在新梢旺长初始期、新梢旺长期、新梢缓长期分别进行整株13C标记,72小时后,整株解析为叶、梢、根三部分,进行15N、13C测定。样品全氮用凯氏定氮法测定,15N丰度用ZHT-03质谱计测定。13C丰度用DELTA V Advantage同位素比率质谱仪测定。【结果】1)中、高氮水平的施肥处理可在不同程度上提高整株及叶片干物质量和新梢长度。新梢旺长初始期和新梢缓长期嘎啦幼苗整株干物质量、新梢旺长期叶片干物质分配比率在中、高氮水平处理间差异不显著,中氮水平经济有效。新梢旺长期以后新梢长度以中氮高氮低氮,三者间差异性显著,中氮处理有利于新梢生长。2)在新梢旺长初始期,低氮处理植株叶片15N分配率达50%,比其他处理高出13个百分点左右,表明低氮处理更多的氮被叶片所利用,中氮和高氮处理间差异不显著,说明在本试验施氮条件下中氮供应水平已能满足氮素营养需求。3)新梢旺长期和新梢缓长期幼苗13C固定量均以中氮处理最高,新梢旺长初始期3个处理间根系13C分配率中氮高氮低氮,表明中氮处理有利于碳同化物在嘎啦幼苗中的分配。4)不同施氮量处理的嘎啦幼苗,15N利用率随施氮水平提高而降低,高氮处理对碳同化物分配没有显著贡献。【结论】低、中、高氮不同处理新梢缓长期碳同化物在各器官间的分配比较均衡,氮素水平不能影响碳同化物的分配。盆栽试验表明,中氮水平在保证营养供应的同时,能够促进新梢生长和树势健壮。     

用13C示踪研究CO2浓度倍增对枸杞光合产物积累的影响

CO2作为光合作用的底物,其浓度的高低直接影响植物光合作用能力的大小,为探究近年来大气CO2浓度升高对宁夏枸杞光合产物的影响,应用碳同位素示踪技术与开顶气室法,测定分析2种CO2浓度(倍增浓度(720±20)μmol/mol;对照(360±20)μmol/mol)处理下宁夏枸杞苗木各器官中光合产物积累与分配的差异。结果表明:CO2浓度倍增处理下,宁夏枸杞叶片净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、水分利用效率均明显高于对照;在速生期,叶片蒸腾速率较对照显著降低,在生长后期没有差异。CO2浓度倍增处理下,未进行标记的宁夏枸杞各个器官的13C自然丰度值相对于对照均有不同程度的下降。13C标记90 d时,对宁夏枸杞各器官在24 h、48 h和7 d的δ13C值进行测定,并与未标记之前的δ13C值比较发现宁夏枸杞叶片δ13C值在24 h最大,根和茎δ13C值在标记结束后48 h最大,之后开始下降,根部δ13C值下降的幅度较小,光合产物总体呈现的是叶向茎,再向根部转移的规律。在CO2浓度倍增处理90和120 d时,宁夏枸杞δ13C值在枸杞根、茎和叶中均有不同程度的升高。处理90 d时δ13C值较对照增加的百分比分别为茎(65.53%)根(27.39%)叶(18.05%),120 d时为果实(145.04%)叶(143.56%)根(49.96%)茎(43.26%)。因此大气CO2浓度倍增,增强了宁夏枸杞的光合能力,增加了光合产物在各器官中的积累,在速生期光合产物在茎中的增加比例最大,而生长后期则在果实和叶中的增加比例较大。     

14C标记秸秆碳素在老成土和变性土中的转化

Hg vertial transference in soil-water system was studied by analyzing Hg vertical ditribution in soil column after adding Hg and one of the two leacheates,deionzied water or acid rain,into soil column.The results indicated that Hg was hardly transferable in puple soil.About 86%-88% of the total soil Hg was distributed in the top layer (0-2cm) and to Hg was detected in the leakage when the purple soil column was leached by deionized water and simulated acid rain.But Hg was more movalbe in yellow soil with only about 20%-22% of the total soil Hg distributed in the top layer (0-2cm),and about 17%-25% washed out from the soil column by deionized water and simulted acid rain,Incremant in soil bulk density colud reduce Hg leaching,thus the more the Hg kept in soil,the less the Hg leached into underground water,Deionized water and acid rain almost played the same role in leaching Hg.Bentioint was most effecient in preventing Hg from vertcal transferring in the soil coulumn.     

利用13C标记和自然丰度三源区分玉米根际CO2释放

石灰性土壤中,根际土壤释放的CO2有三个来源,即根源呼吸、土壤有机碳(SOC)分解和土壤无机碳(SIC)溶解,三源区分土壤释放的CO2是量化土壤碳平衡的前提.分别在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期进行7 h的13CO2脉冲标记,经过27 d示踪期后破坏性取样,测定13C标记与自然丰度处理中,玉米地上部、根系、土壤和土壤CO2...     

Natural abundance δN and δC of DNA extracted from soil

We report the first simultaneous measurements of δ¹⁵N and δ¹³C of DNA extracted from surface soils. The isotopic composition of DNA differed significantly among nine different soils. The δ¹³C and δ¹⁵N of DNA was correlated with δ¹³C and δ¹⁵N of soil, respectively, suggesting that the isotopic composition of DNA is strongly influenced by the isotopic composition of soil organic matter. However, in all samples DNA was enriched in ¹³C relative to soil, indicating microorganisms fractionated C during assimilation or preferentially used ¹³C enriched substrates. Enrichment of DNA in ¹⁵N relative to soil was not consistently observed, but there were significant differences between δ¹⁵N of DNA and δ¹⁵N of soil for three different sites, suggesting microorganisms are fractionating N or preferentially using N substrates at different rates across these contrasting ecosystems. There was a strong linear correlation between δ¹⁵N of DNA and δ¹⁵N of the microbial biomass, which indicated DNA was depleted in ¹⁵N relative to the microbial biomass by approximately 3.4‰. Our results show that accurate and precise isotopic measurements of C and N in DNA extracted from the soil are feasible, and that these analyses may provide powerful tools for elucidating C and N cycling processes through soil microorganisms.