生态系统气体交换的环境同位素示踪课件

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。理理论方程方程 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。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（e1/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。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）2.应用应用 2.1水汽（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：Partitioning of evapotranspiration using a stable isotope technique inan arid and high temperature agricultural production system.Agricultural Water Management 179(2019)103109 一般方法一般方法 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。2.2 温室气体温室气体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：The application and interpretation of Keeling plots in terrestrial carbon cycle research.GLOBAL BIOGEOCHEMICAL CYCLES,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。凋落物对凋落物对CO2通量的贡献通量的贡献 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：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：Estimating the contribution of leaf litter decomposition to soil CO2 efflux in a beech forest using 13C-depleted litter.Global Change Biology(2019)11,17681776 2.3 温室气体温室气体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。（）测定过程测定过程 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300l0.01MNH2OH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300l0.01MNaNO2，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 实验结果实验结果消化过程消化过程M.CapsulatusN.europaea羟胺氧化途径SP5.53.3-2.31.918O-N2O53.12.9-23.47.2亚硝酸盐还原SP-8.33.618O-N2O-4.61.4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。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：Nitrogen isotopomer site preference of N2O produced by Nitrosomonas europaea and Methylococcus capsulatus Bath.Rapid Commun.Mass Spectrom.2019；17:738745 2）基于量子级联激光谱的土壤N2O发射15N分析 测量装置测量装置 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：参考文献：Probing the biological sources of soil N2O emissions by quantum cascade laser-based 15N isotopocule analysis.Soil Biology&Biochemistry 100(2019)175-181 2.4温室气体温室气体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。应用举例应用举例 Methane Isotope Instrument Validation and Source Identification at Four Corners,New Mexico,United States.J.Phys.Chem.A 2019,120,14881494 实验测定实验测定 在FourCorners,NewMexico田间，于2019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2019年5月和6月完成，甲烷浓度CCH4（红线，ppm）和13CH4（绿线，）,CCH4超过3.5ppm的羽尾事件被加亮，CCH4与13CH4正相关者用绿色加亮，负相关者用者用红色加亮，所有加亮羽尾事件分别被进行keeling作图。测定结果测定结果 （13其中，标准为ViennaPeeDeeBelemnite（VPDP）。Keeling方程为（14）式中，13CH4是被测甲烷的碳同位素的值（），M0是常量，CH4是甲烷的浓度（ppm），13Cplume羽尾源碳同位素的值。由各羽尾测定的13Cplume分布在一区间，结果如下图供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)