磷酸盐氧同位素示踪环境中磷的来源与转化:原理、方法与应用

磷是地表环境中重要的生命元素。由于研究手段的限制,目前有关磷生物地球化学循环过程及机制的认识仍然匮乏。作为一种新兴示踪剂,磷酸盐氧同位素(δ~(18)O_p)成为当前研究磷生物地球化学循环的潜在有效工具。本文综述了δ~(18)O_p示踪环境中磷来源与循环的基础原理,不同环境介质中δ~(18)O_p的分离纯化及测试方法的研究进展,梳理了近年来δ~(18)O_p在环境科学领域的应用,重点是土壤、沉积物和水生生态系统(河流、湖泊和海洋)。在此基础上,提出了δ~(18)O_p在未来工作上的展望:进一步扩展δ~(18)O_p分析测试技术(如低磷、高溶解有机质的样品),在藻类、微生物体系中分馏效应的探索。     

利用δ15N-NO3-和δ18O-NO3-示踪北京城区河流硝酸盐来源

为定量化识别北京城区河流硝酸盐来源,采用δ~(15)N-NO~-_3和δ~(18)O-NO~-_3双同位素示踪法对北京城区河流河水硝酸盐的氮氧稳定同位素组成进行分析,利用稳定同位素混合模型追溯北京城区河流硝酸盐来源,并评估各污染源的贡献率.结果表明:1北京河流无机氮污染以硝酸盐氮(NO~-_3-N)污染为主,且河流下游硝酸盐氮污染较为严重.2北京城区地表河流δ~(15)N-NO~-_3值范围为6.26‰~24.94‰,δ~(18)O-NO~-_3值范围为-0.41‰~11.74‰;下游δ~(15)N-NO~-_3值比上游大.3根据稳定同位素混合模型,北京河流中硝酸盐贡献率平均值分别为:粪肥及生活污水61.2%、土壤有机氮31.5%、大气沉降7.3%.     

典型岩溶槽谷区土壤水δD和δ18O时空分布特征:以重庆市中梁山岩溶槽谷为例

为了揭示岩溶槽谷区土壤水氢氧同位素的时空分布特征,以重庆市北碚区中梁山为研究基地,于2017年5月和2017年9月收集降水及3种不同土地利用方式(耕地、草地和林地)不同深度的土壤水,利用稳定同位素技术研究不同土地利用方式下0~15 cm、15~45 cm土壤剖面的土壤水氢氧同位素时空变化特征.结果表明:(1)土壤水δD和δ~(18)O的平均值分别为-50.0‰±33.6‰和-7.9‰±4.3‰,其值均在大气降水线(LMWL)周围,说明降水是该区土壤水的主要补给来源;(2)土壤水δD和δ~(18)O具有明显的季节变化,5月(土壤水δD和δ~(18)O的平均值-19.4‰±6.8‰和-4.1‰±1.0‰)9月(土壤水δD和δ~(18)O的平均值-82.2‰±14.0‰和-11.9‰±2.2‰);(3)土壤水δD和δ~(18)O在不同土地利用方式下没有表现出明显差异;(4)土壤水δD和δ~(18)O随土壤深度呈梯度变化,5月耕地、草地和林地土壤水稳定同位素以垂直递减趋势为主,9月耕地和林地以递增趋势为主,草地以递减的趋势为主.     

南京地区大气PM2.5潜在污染源硫碳同位素组成特征

基于南京地区大气PM_(2.5)潜在污染源,采用EA-IRMS技术分别测定了样品中硫碳同位素组成,并分析不同污染源之间的关联性.结果表明,南京地区煤炭烟灰δ~(34)S值范围为1.8‰~3.7‰,δ~(13)C值范围为-25.50‰~-23.57‰;机动车尾气δ~(34)S值范围为4.6‰~9.7‰,δ~(13)C值范围为-26.32‰~-23.57‰;生物质烟灰δ~(34)S值范围为5.2‰~9.9‰,δ~(13)C值范围为-19.30‰~-30.42‰;扬尘δ~(13)C值为-13.45‰.南京地区煤炭烟灰颗粒物的硫同位素较轻,扬尘的碳同位素较重.对比国内外不同污染源δ~(34)S与δ~(13)C值,南京地区大气PM_(2.5)中的潜在污染源的δ~(34)S与δ~(13)C具有明显的区域性.因此,潜在污染源的δ~(34)S、δ~(13)C值可为南京地区大气PM_(2.5)的源解析提供同位素组成源谱支持.     

硫氧同位素示踪南京北郊大气PM2.5中硫酸盐来源

采用EA-IRMS联用技术对2014年1月南京北郊大气细粒子(PM2.5)中硫酸盐的硫和氧同位素组成进行了分析,结合大气颗粒物化学组成,追溯南京北郊大气PM2.5中硫酸盐的来源,并评估了各污染源的贡献率.结果表明,2014年1月南京北郊硫酸盐气溶胶的硫同位素组成(δ34S)范围为2.7‰~6.4‰,平均值为5.0‰±0.9‰(n=16);氧同位素组成(δ18O)值范围为10.6‰~16.1‰,平均值为12.5‰±1.37‰(n=16).通过气溶胶与可能污染源的δ34S值对比和后向轨迹分析,得出结论:研究区域大气中硫同位素组成主要受当地燃煤中硫的影响,其次是远距离传输硫.此外,有低δ34S值硫源存在,但贡献比较小,可能来自生物成因硫.绝对主因子分析结果显示:人为成因硫和远距离传输硫贡献率分别为46.74%和31.54%.     

典型绿洲不同土壤类型有机碳含量及其稳定碳同位素分布特征

土壤有机碳及其稳定同位素组成反映了生态系统碳循环的关键信息,对研究全球变化下陆地生态系统碳动态及碳资源的可持续发展具有重要意义.本研究以阿拉尔绿洲4种土壤类型为研究对象,测定不同深度土壤有机碳(SOC)含量和δ~(13)C值,探讨不同土壤类型有机碳分布、δ~(13)C_(SOC)丰度差异及其与土壤环境因子的关系.结果表明:(1)土壤整体有机碳含量由高到低依次为灌漠土、棕漠土、盐土、风沙土,且在表层(0~20 cm层)具有较大值;δ~(13)C_(SOC)变化范围在-26‰~-23‰,表层(0~20 cm)由正趋负为盐土风沙土灌漠土棕漠土.(2)土壤有机碳含量受土壤类型、深度及其交互作用极显著影响,δ~(13)C_(SOC)受土壤类型、交互作用显著影响;进一步交互效应检验中土壤有机碳受因素水平影响极强,同位素相对较弱.(3)冗余分析发现土壤有机碳与土壤无机碳、全氮、土壤含水量、容重均存在显著或极显著正相关关系,与C/N具有显著负相关关系;δ13CSOC与电导率存在显著正相关关系,与土壤无机碳、土壤含水量均存在极显著负相关关系.土壤环境因子的重要性排序为土壤含水量土壤无机碳容重全氮C/N电导率pH.分析得出土壤有机碳及其同位素在不同土壤类型中呈现出不同变化规律,其土壤类型的效应强于土壤深度,受土壤含水量影响最甚.     

基于硫氧同位素研究南京北郊夏季大气中硫酸盐来源及氧化途径

采用EA-IRMS联用技术对2014年夏季南京北郊大气PM_(2.5)中硫酸盐的硫和氧同位素组成进行了分析,计算了SO_2氧化为硫酸盐的异相和均相氧化过程的贡献率以及一次、二次硫酸盐的比例.结果表明,2014年夏季南京北郊大气中硫酸盐气溶胶的硫同位素组成(δ~(34)S)范围为1.7‰~4.8‰,平均值为3.2‰±1.0‰(n=15);氧同位素组成(δ~(18)O)值范围为7.5‰~12.9‰,平均值为9.3‰±1.7‰(n=15).通过比较气溶胶硫酸盐及可能污染源的δ~(34)S,该研究区域夏季大气中的硫源主要来自当地燃煤与尾气排放.大气气溶胶中的硫酸盐主要为二次硫酸盐,且SO_2的氧化途径以均相氧化为主,比例为59.3%.夏季大气中SO_2的异相氧化以过量O_2下的Fe~(3+)催化氧化为主,均相氧化的主要机制包括O_3氧化反应及NO_2氧化反应.     

典型温冰川区湖泊的稳定同位素空间分布特征

2014年8月对拉市海表层及不同深度湖水进行采样,分析拉市海湖水的氢氧稳定同位素的空间变化及其影响因素,探讨典型温冰川区域湖泊的水文补给特征.结果表明,拉市海表层湖水的δ~(18)O、δD值分别在-12.98‰~8.16‰和-99.42‰~-73.78‰之间波动,平均值分别为-9.75‰和-82.23‰;表层湖水的δ~(18)O及过量氘表现出相反的空间变化特征,有河水注入的区域δ~(18)O值较低而过量氘值较高;垂直方向上过量氘随深度变化较小,表明湖水在垂直方向上混合较充分,不同深度层上过量氘表现出自东向西先增大后减小的变化趋势,这可能与入湖河流的分布、湖泊所处的地理位置及自然条件等密切相关;同位素对比研究发现,拉市海的主要补给源为大气降水及河水,冰雪融水可能间接补给拉市海;对拉市海与青藏高原地区典型湖泊和非冰川区湖泊的氧同位素组成对比发现,冰川区湖泊中稳定同位素表现出明显的高程效应(拉市海除外),δ~(18)O随海拔升高而降低.非冰川区湖泊蒸发效应较为明显,同位素值明显偏正.     

江西省表层土壤和苔藓硫含量及硫同位素组成对比研究

为探讨土壤受大气硫源的影响,采集了江西省北部地区的表层森林土壤样品,分别测定了土壤不同形态硫(总硫、水溶态硫、吸附态硫和有机硫)的含量以及同位素组成.并随机采集土壤样品附近的石生苔藓样品,测定其硫含量和同位素组成,再与土壤样品进行比较.江西省苔藓组织硫含量平均为0.34%±0.20%,同位素组成除丰城外(-3.31‰),均偏正,平均为5.64‰±2.23‰.土壤总硫平均含量在189.0~793.5 mg·kg-1之间,有机硫是土壤硫的主要形态,水溶态硫含量最少.土壤总硫同位素值在4.45‰~10.28‰之间变化.各形态硫同位素值均偏正,有机硫同位素值最大,水溶态硫与吸附态硫的同位素值接近.土壤总硫含量明显低于苔藓硫含量,且与苔藓硫含量无明显相关.除有机硫外(R=0.50,P>0.05),土壤总硫、水溶态硫、吸附态硫均与苔藓硫同位素值有着较为显著的线性关系(R均在0.7以上,P<0.01),即随着苔藓硫同位素值的增大而增大,说明土壤总硫、SO2-4受大气硫源的直接影响较大,而有机硫受大气硫的直接影响较小.     

喀斯特坡地土壤硫同位素变化指示的土壤硫循环

用土壤硫形态连续提取方法分离测定了喀斯特坡地土壤总硫、有机硫、SO24-和FeS2的硫同位素组成及其含量.总体来看,土壤剖面表层各形态硫δ34S值FeS2最低,介于-6.86‰~-4.22‰,其次为SO24-(-2.64‰~-1.34‰),第三为总硫(-3.25‰~-1.03‰),最高为有机硫(-1.63‰~0.50‰),随土壤剖面加深各形态硫δ34S值均有增大的趋势.SO24-和FeS2的δ34S值深度分布具有共变性,这与SO24-异化还原有关;而总硫和有机硫的δ34S值随剖面加深而平行增大,则与有机硫循环有关.硫同位素组成可鉴别土壤硫源,同时SO24-异化还原和有机硫矿化有明显的硫同位素分馏,而硫化物氧化及SO24-同化基本不产生同位素分馏,则土壤各形态硫的硫同位素组成的垂直变化可以很好地记录与深度相关的硫循环过程.并且,通过对比各形态硫含量及其硫同位素组成的深度分布特征,也可以很好地判别土壤内部的SO24-和有机硫组分的迁移过程.     

大气降水中稳定同位素研究进展

酸雨是目前人类所面临的主要环境问题之一,中国已成为继欧洲和北美之后的世界第三大酸雨区。大气降水化学组成、物质来源及其贡献是酸沉降研究的重要内容,可以为酸雨成因、发展趋势和制定相应政策提供依据。大气降水同位素组成是解析和确定降水物质来源及其贡献的重要手段。大气中的二氧化硫和氮氧化合物是导致雨水酸化的两个主要组分,另外我国大气降水中还含有大量碱性离子可以中和雨水中的酸性物质。本文对硫、氮、锶同位素在大气降水中物质示踪方面的应用进行了总结,并提出了一些值得重视的研究方向。     

稳定同位素追踪水体中的氮来源的研究现状

氮是水体中的主要污染物之一。近几十年来,随着工农业的发展,使得水体中氮的污染呈上升趋势,并在今后可能会持续,最根本的解决方法是找到源头,从根本上切断污染途径以达到消除氮源的污染。在查阅相关文献的基础上,阐述了水中用同位素追踪研究氮的来源的研究进展和存在的问题,对于评价氮的污染现状、污染控制和环境管理具有十分重要的意义。     

东营凹陷沙河街组沉积岩碳氧同位素组成的古环境记录

分析了东营凹陷沙河街组沉积碳酸盐的碳氧同位素组成,结果显示,东营凹陷沙河街组沉积碳酸盐δ13CPDB值介于-2.45‰～+6.44‰之间,平均值为+2.43‰;δ18OPDB值介于-13.98‰～-5.68‰之间,平均值为-9.47‰。δ13CPDB、δ18OPDB之间具有良好的正相关性,指示沙河街组沉积时期,东营凹陷为相对封闭的湖泊环境。在纵向上,沙三段沉积碳酸盐碳氧同位素发生了负漂移,具有最低的δ18OPDB和δ13CPDB,而沙二段沉积碳酸盐具有最高的δ18OPDB和δ13CPDB。东营凹陷古近系湖泊沉积碳酸盐碳氧同位素组成的变化是沉积环境综合作用的结果,指示了区域古气候条件由沙四期的干旱气候,向沙三期的湿润气候转变,至沙二期,气候又经历了短暂的干热阶段。东营凹陷沙河街期的沉积环境特征直接控制了各阶段发育的泥质岩类型及其沉积有机质特征。     

黑龙江老柞山金多金属矿床地质地球化学初探

通过对老柞山金多金属矿床地质背景、硫同位素、铅同位素、碳氧同位素以及包裹体和岩石化学的研究 ,得出产金矿带成矿热液为高温岩浆热液 ,并有地壳物质混入 ,该矿床形成于活动大陆边缘钙碱系列环境。     

有机氧同位素分馏作用研究进展

植物有机质的氧同位素分馏机制较为复杂,受着多种因素的影响,限制了其在农业、生态学和古环境方面的广泛应用。本文探讨了植物有机质中氧元素的来源、氧同位素分馏机制及影响因素,以期有助于有机氧同位素的应用研究。     

地表环境氮循环过程中微生物作用及同位素分馏研究综述

综述了氮循环过程中的微生物作用及其研究进展 ,阐述了生物固氮、微生物吸收同化、有机氮素矿化、硝化和反硝化的反应机理及反应过程中的同位素分馏 ,提出了微生物驱动氮循环的简要模型。微生物驱动的氮循环中不同过程有不同的同位素分馏特征 ,生物固氮、土壤有机氮矿化过程中分馏效应小 ,而吸收同化、硝化和反硝化过程中同位素分馏较大 ,利用各个过程不同的同位素分馏特征可示踪含氮物质的来源、转化和迁移等。     

河西走廊中部大气降水δ~(18)O变化特征及水汽输送

河西走廊中部地区气候条件特殊,小循环过程独特复杂,因而应用降水等各种水体中的氢氧稳定同位素信息来明晰水循环特征,成为近年较为常用的方法.利用GNIP张掖站点大气降水稳定同位素资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过研究张掖站11年大气降水的氢氧稳定同位素组成,建立了张掖局地大气降水线方程,结合西水、莺落峡、平川、正义峡4个辅助站点资料,分析了河西走廊中部地区氢氧稳定同位素的时间变化规律,并建立水汽输送模式.结果表明,除西水外,其余站点区域大气降水线方程的斜率与截距均低于全球和中国大气水线,说明河西走廊中部地区降水主要来源于大尺度水汽循环,局地蒸发较为强烈且降水过程中张掖站点的蒸发作用强于其他站点.河西走廊中部地区大气降水中δ18O与温度、水汽压之间呈现较为显著的正相关关系;在全年尺度下,降水量效应不明显;由于干旱区降水主要集中在气温较高的月份,在暖季,温度效应掩盖了降水量效应,使得降水量效应无法体现.对过量氘和水汽输送的研究表明,西风带的水汽输送为河西走廊中部地区提供了基本的水汽来源,西风带季节变化对其水汽输送通量散度和d值季节变化有直接的作用.从d值的变化来看,河西走廊中部具有明显的季节变化特征,暖季d值明显小于冷季,且呈现一种先降后升的变化趋势;从数值来看,暖季d值小于10‰的次数多于d值大于10‰的次数,冷季d值大于10‰的次数多于d值小于10‰的次数,说明冷季水汽在运行过程中受到地表水汽补给的作用明显.     

河流中碳、硫稳定同位素的研究进展

河流系统是全球生物地球化学循环的关键环节,是将陆地侵蚀物质输入海洋的主要通道.自然风化是河流水物源的主要营力,人为活动的影响使河流污染物的来源更加复杂,仅仅依靠主要离子组成不能很好的区分河流中物质的不同来源,而稳定碳、硫同位素可以示踪河流中物质的来源.本文综述了当代河流系统中碳、硫同位素的研究现状和分析方法,并对未来河流研究中碳-硫耦合循环研究进行了展望.     

长沙近地面水汽中稳定同位素的监测与分析

根据长沙地区于2014年11月12日~2015年4月13日监测的大气水汽中δ18O和δ2H及观测的气象要素,分析了长沙近地面水汽中δ18O和δ2H变化特征以及与温度、绝对湿度、降水量的关系.结果表明:1长沙大气水汽中δ18O和δ2H季节变化显著,在冬季表现为高值.冬季大气水汽中δ18O和δ2H与绝对湿度存在正相关关系.δ18O和δ2H在监测期间存在较大波动,尤其是有降水事件发生时.降水事件对长沙大气水汽中δ18O和δ2H的变化影响显著,水汽稳定同位素的低值与降水事件有关.2不同天气条件下长沙大气水汽中δ18O和δ2H的日变化实质上与绝对湿度有关,而绝对湿度的大小又主要受控于局地的蒸散发和大气湍流的强度.单次降水过程中大气水汽δ18O和δ2H存在显著的类似于降水中稳定同位素的"降雨量效应".3长沙大气水汽中δ18O和δ2H总是低于降水中δ18O和δ2H,逐日变化基本一致,它们之间的平均差值分别为8.6‰和66.82‰.4长沙冬半年大气水汽线方程为δ2H=7.18δ18O+10.58,水汽线的斜率和截距总是小于同时段大气水线的斜率和截距,春季水汽线的斜率和截距明显高于冬季水汽线的斜率和截距.     

鄱阳湖湿地土壤有机碳氮同位素特征及其环境意义

通过对2011年鄱阳湖及其主要入湖河流(赣江、抚河、信江、修水及饶河)15个湿地土壤样品中δ¹³C及δ¹⁵N的测定,分析探讨了鄱阳湖及其主支流湿地土壤有机质和氮素来源.结果表明:鄱阳湖湖区湿地土壤中总有机碳(TOC)的含量在0.45%~1.58%之间,总氮(TN)含量变化范围为0.06%~0.17%;各入湖河流TOC含量为0.41%~1.18%, TN含量在0.05%~0.13%之间.鄱阳湖湖区湿地土壤有机质δ¹³C及δ¹⁵N变化范围分别为-28.35‰~-18.58‰和3.27‰~6.84‰;各入湖河流湿地土壤δ¹³C和δ¹⁵N分别为-25.93‰~-22.66‰和2.97‰~5.41‰.有机质来源分析表明:除湖口处主要来源于C4植物外,鄱阳湖区及其入湖河流湿地土壤有机质的主要来源是C3植物.湖区湿地土壤氮素来源分析表明吴城处主要受农业化肥使用的影响,而其他采样点湿地土壤有机质氮素主要来源于生活污水;入湖河流湿地土壤氮素来源较复杂,生活污水、化肥及工业污水是其主要来源.