稳定碳、氮同位素在生态系统研究中的应用

在简要介绍了稳定同位素测定方法之后 ,对稳定碳、氮同位素在生态系统领域中关于系统的碳源、能量流动、营养结构、污染物的生物放大作用及系统稳定性变化的应用研究作了较为系统的论述 ,并对稳定碳、氮同位素在赤潮研究、环境污染治理、生态动力学建模及有机分子化合物系列示踪技术等方面的应用提出展望     

海洋同位素示踪技术的研究进展

海洋同位素示踪技术是利用各种同位素组成的变化特征作为示踪剂，揭示海洋各种沉积作用过程中不同物质来源及其不同源区的混合状况。近年来，铅、锶、钕和锇同位素示踪技术已应用到海洋科学研究的诸多领域，尤其在海洋沉积物和大洋锰结核（壳）中这方面的研究已有了很大的进展。     

硼同位素地球化学应用研究进展

硼的2个稳定同位素(10 B和11B)间较大的同位素相对质量差导致自然界明显的硼同位素分馏,加上硼易溶于水和活泼的化学性质,使其在不同的地质环境下具有不同的同位素组成.现已查明自然界硼同位素组成(δ11 B)的变化范围为-70‰～+75‰.较负的δ11B值见于非海相蒸发硼酸盐矿物和某些电气石,而较正的δ11 B值见于盐湖卤水和蒸发海水.20世纪80年代以来,随着硼同位素测量方法的建立和改进,硼同位素地球化学研究领域不断拓宽.目前,硼同位素已成功地应用于判别沉积环境、示踪地下水污染、研究矿床成因、示踪海水入侵、重建古海洋与古气候条件和研究大陆化学风化等方面.综合概述了硼同位素的分馏机理、硼同位素在自然界的分布及其硼同位素在地球化学领域研究中取得的成果、最新进展以及研究中存在的问题,以促进硼同位素地球化学研究在我国的进一步发展.     

中国近海生态环境变化的同位素示踪研究

同位素在确定物质来源、指示生物地球化学循环路径、定量生物地球化学过程速率等方面具有独特的优势，本文以近海生态环境变化研究中常用的稳定同位素（13C、15N、18O）和放射性核素（14C、234Th、232Th、230Th、228Th、210Po、210Pb、137Cs、226Ra、228Ra、224Ra、223Ra）为对象，介绍它们在揭示海洋有机质来源、食物网结构、水体缺氧机制、氮循环过程、颗粒动力学、海底地下水输入、有机地球化学过程、沉积年代学等方面的应用，侧重于总结我国近海生态环境研究中同位素示踪取得的进展。伴随着我国经济的发展，近百年来我国近海生态环境也发生了明显的变化，基于同位素示踪揭示的近海富营养化和沉积环境的演变规律表明，我国近海生态环境自20世纪50年代起经历持续的变化，特别是在过去20~30年时间里，近海生态环境的变化尤为剧烈，反映出人类活动是我国近海生态环境变化的主要驱动力。未来需要通过发展新的同位素技术及拓展更广泛的应用，围绕近海海洋生态环境变化的突出问题，重点揭示近海生态环境变化的响应特征、变化速率和作用机制，从而系统地掌握近海生态环境的时空变化规律。     

桂林洞穴滴水对应CaCO3沉积物的稳定同位素特征与环境意义

桂林地区降水及茅茅头大岩滴水滴速和现代碳酸盐的碳氧同位素研究表明:(1)滴水沉积的δ18O达到了同位素沉积平衡,洞穴滴水的δ18O与同期降雨的δ18O值呈正相关关系;(2)在旱季和湿季交替时,滴水δ18O值滞后于降雨δ18O,受活塞效应的影响;(3)δ13C难以达到同位素沉积平衡,主要受滴水动力学影响;(4)同一洞穴不同滴水对环境的响应不同,如果洞穴顶板覆盖较厚,水分在土壤和岩层中滞留时间较长,滴水则反映受到平滑作用的降雨,反之则波动较大.     

钦州湾河流沉积物中镭的解吸行为

放射性镭同位素在海底地下水排放（SGD）等海洋物质变化过程的研究中具有优良的示踪作用，估算SGD通量时需要计算河流悬浮颗粒物的解吸通量。因此，对河流沉积物/悬浮颗粒物中镭同位素解吸行为的研究不可或缺，而目前对于粒度较小范围内镭同位素的解吸特征及其机理的研究依然不足。本文选用钦州湾河流沉积物，通过室内实验探究粒度和盐度对沉积物中镭同位素解吸行为的影响。结果表明，在沉积物平均粒径0.9~136.0 μm范围内，随着粒径增大，沉积物中镭同位素在海水（盐度为33.9）中解吸活度逐渐减小，且变化趋势也逐渐变缓，平均粒径大于43.7 μm后，解吸量几乎不变；在海水盐度4.9~33.9范围内，随着盐度增大，沉积物中镭同位素解吸活度逐渐增大，盐度大于24.9后，解吸量趋于不变。本文创新性地建立了沉积物表面分形结构的镭解吸理论模型，拟合得到钦州湾河流沉积物表面最大可交换态224Ra、226Ra和228Ra活度分别为1.13 dpm/g、0.17 dpm/g和0.85 dpm/g，以干重计；沉积物中224Ra、226Ra和228Ra最大解吸比分别为30%、7%和18%。钦州湾河流沉积物颗粒表面最大可交换态224Ra和226Ra活度分别处于全球中等水平和较低水平，而其最大解吸比分别处于全球较高水平和较低水平。本研究结果有助于更好地理解镭同位素的解吸行为，以帮助更准确地估算SGD通量。     

秋季红沿河核电站海域水龄分布及其对水母丰度分布的影响

本研究调查了秋季红沿河核电站海域镭、氡同位素的活度水平及分布情况，结合镭同位素表观年龄模型计算该海域的水体年龄，进而得出研究区域的水体运移方向，初步探讨了水母丰度分布与水体运移的相关关系。得到结论如下:(1)红沿河核电站海域表层水体中224Ra、226Ra及222Rn的活度水平分别为2.9～62.4 dpm/(100 L)，11.9～57.4 dpm/(100 L)及0.1～1.3 dpm/L，镭同位素活度呈现出近岸高、远岸低的分布趋势，氡同位素的分布则更大程度上受水温控制；(2)通过224Ra/226Ra表观年龄模型计算得出红沿河海域表层水体年龄范围介于0～16 d，平均年龄(10.9±3.6) d，水体主体流向为北偏东方向，流速为7.2 cm/s；(3)水母丰度分布与水体流向呈现出较为一致的对应关系，在主体流向方向上，水体年龄较大的海域水母丰度最高。     

新的痕量同位素示踪剂在全球变化研究中的应用

最近，用高精度多通道电感耦合等离子体质谱仪测定某些过渡金属，如Mo,Fe,Cu,Zn等同位素的组成，表明它们可作为全球变化研究中生物地球化学过程的示踪剂，现有的研究文献表明，Mo的同位素可用于古氧化还原环境研究，初步结果显示，海水中δ^97/95Mo的变化与海洋有氧与缺氧沉积物有直接的关系，可记录缺氧沉积物的来源，以此为基础，可用δ^97/95Mo的收支来估算从陆地进入海洋中Mo的通量和全球Mo同位素的收支；Fe同位素在一定程度上控制着海洋生物生产力的水平，其丰度也对气候变化有影响，但生物与非生物过程都可引起铁同位素的分馏，其δ^56/54Fe的变化都可达1‰，所以Fe同位素不能单独用来界定地质记录的Fe参与的过程是生物还是非生物控制，Cu,Zn的同位素也被用来研究生物地球化学过程的示踪剂，但目前报道不多，综述了这一领域的主要进展，集中阐述了同位素示踪样品的制备、纯化与测定方法，同位素在海洋环境变化研究中的应用，最后提出了这一领域可能的发展方向。     

海洋硅藻稳定同位素研究进展

对海洋初级生产力贡献约40%的硅藻,在全球气候与碳循环中扮演着重要的角色。硅藻稳定同位素(δ30Si和δ18O,δ13C和δ15N)测试对象分别为从海洋沉积物中提取的纯硅藻壳体的生物硅和氧及其内嵌有机质的碳和氮。联合运用各种物理分离(去有机质、碳酸盐,筛分,差异沉降,重液浮选以及微池分流重力场流分离技术)和化学纯化技术从沉积物中提纯出硅藻是其稳定同位素古海洋学应用的前提。确定硅藻δ15N两种制样过程(燃烧和湿式消解)中是否分别存在大气N2和非NO3-组分的污染;δ30Si分析中氟化剂使用的避免、制样方法的改进以及MC-ICP-MS对硅同位素分辨能力的提高;δ18O分析中硅藻壳体外层不稳定氧的完全有效去除,是其同位素古海洋学应用范围扩大和精度提高的关键。硅藻δ13C能评估大气PCO2和海洋初级生产力变化;δ15N和δ30Si可定量示踪海洋硝酸盐和硅酸等营养物利用程度;δ18O则记录了海表温度和海水氧同位素组成。硅藻稳定同位素信号单一,受后期改造作用弱,生命效应低,解译针对性强,在两极和赤道少(或缺)有孔虫海区应用广泛。在此基础上,对目前该领域中存在的问题及未来的研究方向进行了阐述。     

现代海底热液沉积物中硫化物集合体和其单矿物之间的硫同位素关系及其意义

硫化物集合体的硫同位素比值介于其单矿物中硫同位素比值的最大和最小值之间。当｜δ2-δ1｜<Δ时 ,δ(1 2 ) 与矿物中硫同位素组成最大和最小值的距离均小于Δ。当｜δ2-δ1｜>Δ时 ,δ(1 2 ) 与δ1 和δ2 的距离有可能大于Δ。对现代海底热液沉积物来讲 ,排除了生物和有机质的影响后 ,直接测定其硫化物集合体的硫同位素比值进行同位素示踪研究是可行的。     

中国近海沉积物中钍同位素的分布

本文对采自中国7个近岸海域的沉积物中钍(铀)同位素的分布进行了研究。发现表层沉积物中,~(230)Th/~(232)Th)_(A.R.)均小于1.0且呈均匀分布的态势。但~(230)Th/~(232)Th)_(A.R.)的数值及其深度分布特征与深海沉积物截然不同。~(230)Th/~(232)Th)_(A.R.)与水深呈良好的正相关。钍系不平衡普遍存在,其特征是~(228)Th/~(232)Th)_(A.R.)<1.0,据此推测了沉积物中可溶化学物质与上覆海水发生交换的深度。研究了沉积物中~(232)Th的含量、比度和~(232)Th/~(238)U)_(C.R.)的分布特征。从~(234)Th_(ex.)的深度分布求出秀屿站的表层混合系数(0.49×10~(-6)cm~2/s)和沉积柱中~(234)Th_(ex.)的总量。     

Nitrate δ15N and δ18O evidence for active biological transformation in the Changjiang Estuary and the adjacent East China Sea

The Changjiang Estuary has been considered as one of the most polluted estuaries in the world due to high nitrate (NO-3) input, especially in spring and summer. In this study, δ15N and δ18O of NO-3 , along with other chemical parameters in this area, were measured in spring to evaluate NO-3 biogeochemical processes. A simple two end-members mixing model was used to examine the relative contribution of the Changjiang River Diluted Water and marine water to NO-3 sources in the Changjiang Estuary and the adjacent East China Sea. The isotopic signals show that NO-3 behaved relatively and conservatively in Transect F and Transect P where assimilation was weak possibly due to vertical mixing, while active assimilation and weak nitrification occurred in Transect D. Spatial difference in assimilation was indicated by the～1:1 enrichment of δ15N and δ18O in the three transects, while spatial difference in nitrification was reflected by deviations of δ15 N and δ18O from assimilation line. Our results suggest that the input of the Changjiang River Diluted Water promoted NO-3 assimilation possibly by stratifying the water column which favored the phytoplankton growth.     

植物生长过程中碳同位素分馏对气候的响应

探讨C4植物的碳同位素组成对气候的响应是碳同位素示踪研究的重要任务。观察了典型的C4植物玉米生长过程的碳同位素效应，结果表明，玉米在其生长季节里碳同位素组成有明显的变化。不同部位的叶片碳同位素组成变化不一样，顶部叶片变化较大，下部叶片变化则相对较小。这种变化受温度、水分和光照强度等多种气候要素的影响。同一株玉米，其顶部的叶片δ^13C值比下部叶片要偏正，而且随着玉米的不断生长，这一现象更加明显，温度和光照强度则是引起这一现象的主要气候因子。     

太平洋结核结壳中的锶铅同位素关系研究

依据多金属结核、铁锰结壳的记录 ,研究了太平洋海水结核结壳中锶、铅同位素的关系 ,结果表明 ,太平洋海水中锶同位素与铅同位素无明显的相关性。作者认为这是由于太平洋海水中锶、铅的滞留时间相差很大 ,达 4个数量级 ,锶同位素记录了 10 0 0 0 0 a至百万年时间尺度上全球性大洋范围内海水物质来源的变化 ,而铅同位素能在较小的时间尺度上反映局部的大洋海水物质来源的信号 ,是高分辨率的物源示踪剂     

夏季大亚湾悬浮颗粒有机物碳、氮同位素组成及其物源指示

2015年夏季开展了大亚湾悬浮颗粒有机物碳（POC）、氮含量（PN）及其同位素组成的研究,结果表明,δ13C_POC和δ15N_PN的变化范围分别为-25.7‰~-17.4‰和-6.3‰~10.4‰,平均值分别为-20.2‰和8.2‰。大亚湾悬浮颗粒有机物含量及其碳氮同位素组成的空间变化反映了不同有机质来源的影响:喜洲岛附近海域表现出高POC、PN、δ13C_POC和δ15N_PN的特征,指征着浮游植物水华的主导贡献;东北部范和港附近海域具有高POC、PN、低δ13C_POC和高δ15N_PN的特征,反映了河流/河口水生有机物的影响;湾顶白寿湾附近海域的δ13C_POC和δ15N_PN出现低值,体现了陆源有机质和人类污水排放的影响。借助δ13C_POC和δ15N_PN的三端元混合模型,定量出海洋自生有机质、陆源有机质、河流/河口水生有机质等3个来源的贡献平均分别为70%、13%和17%,其中海洋自生有机质是夏季大亚湾悬浮颗粒有机物的最主要来源。从这3种来源颗粒有机物含量的空间变化看,海洋自生有机质含量由湾内向湾外减少,与初级生产力的空间变化相对应;河流/河口水生有机质含量在大亚湾东北部出现高值;陆源有机质含量在表、底层出现不同态势,表层陆源有机物含量在湾中部海域最低,而底层则呈现出自湾内向湾口增加的趋势,主要受控于离岸距离和珠江冲淡水、粤东沿岸上升流输送的影响。     

Geochemical characteristics of gases from the largest tight sand gas field (Sulige) and shale gas field (Fuling) in China

This study performed a detailed geochemical analyses of the components, stable carbon isotopes of alkane gas and CO₂, stable hydrogen isotopes of alkane gas and helium isotopes of reproducing gas from the largest tight gas field (Sulige) and shale gas (Fuling) field in China. The comparative study shows that tight gas from the Sulige gas field in the Ordos Basin is of coal-derived origin, which is characterized by a positive carbon and hydrogen isotopic distribution pattern (δ¹³C₁ > δ¹³C₂ > δ¹³C₃ > δ¹³C₄; δ²H₁ > δ²H₂ > δ²H₃), i.e., the carbon and hydrogen isotopes increase with increasing carbon numbers. Carbon dioxide from this field are of biogenic origin and the helium is crust-derived. Shale gas from the Fuling shale gas field belongs to oil-derived gas which has complete carbon and hydrogen isotopic reversal of secondary alteration origin (δ¹³C₁ < δ¹³C₂ < δ¹³C₃; δ²H₁ < δ²H₂ < δ²H₃), i.e., the carbon and hydrogen isotopes decrease with increasing carbon numbers. Such complete isotopic reversal distribution pattern is due to the secondary alteration like oil or gas cracking, diffusion and so on under high temperature. In that case, positive carbon or hydrogen isotopic distribution pattern will change into complete isotopic reversal as the temperature increases. Carbon dioxide is of abiogenic origin resulting from the thermal metamorphism of carbonates and helium is crust-derived.     

海洋铪同位素演化及其对大陆物源与洋流变化的启示

尽管海洋铪(Hf)同位素早在20世纪80年代就有报道,但直到最近几年随着分析测试技术的发展,它作为示踪陆源风化输入和洋流循环改变的新指标才越来越受到关注。综述了全球大洋Hf同位素现代分布以及新生代演化特点,其中最重要的现象是Nd-Hf同位素投影图上海水与岩石具有不一致的趋势线。在这些观测资料的基础上着重讨论了围绕海洋Hf同位素物源争议的一系列问题,阐述了海洋热液系统、大陆差异风化、洋岛陆架沉积物溶解等对海洋Hf的贡献以及Hf,Nd存留时间不一致等对海洋Hf同位素的影响等。弄清Hf的海洋地球化学行为,对深入认识海洋Hf的循环以及古海洋演化具有着重要的意义。     

南海珠江口海区人工放射性核素~(90)Sr,~(173)Cs分布特征的研究

一、调查区域与分析方法 珠江口调查海区是指北起虎门、南至北纬22°00′,东起大亚湾、西至东经113°30′的海域。设水质调查站20个,表层沉积物调查站14个,采集了3个生物样品。并在8个珠江入海口门处设水质和表层沉积物调查站。     

铵锌镉还原法测试硝酸盐氮、氧同位素方法研究

本研究利用铵锌镉还原法将海水、湖水和自来水水体中硝酸盐转化为N₂O气体测试氮、氧同位素, 结果表明当反应体系的pH值在6～8之间, NO₃^-还原为NO₂^-的转化率大于95%, NO₂^-还原为N₂O的转化率大于99%。配置5种丰度的硝酸盐氮、氧同位素标样, 将实验结果与理论值绘制校准曲线, 氮同位素校准曲线斜率为0.48, 相关性良好(R²=0.999 8), 5种丰度δ¹⁵N_N2O标准偏差在0.18‰～0.43‰之间(n=5);氧同位素校准曲线斜率为0.70, 相关性良好(R²=0.999 6), 5种丰度δ¹⁸O_N2O标准偏差在0.27‰～0.46‰之间(n=5)。铵锌镉还原法与镉柱还原法测定硝酸盐氮、氧同位素结果的精密度和准确度一致, 同时海水、湖水和自来水3种不同类型水样的硝酸盐氮、氧同位素测试数据满足实验要求, 而且在实验流程的简洁性和高效性方面更具优势。     

镭、氡同位素示踪调水调沙对黄河口水体运移及营养盐分布特征的影响

为研究调水调沙影响下的镭、氡同位素和营养盐在黄河口的分布特征,于2013年7月调水调沙期间在黄河口及其邻近海域进行了多点的连续观测。研究发现:(1)黄河口海域镭、氡同位素分布呈现明显的“分区”现象,南北两区分别为“调水调沙影响非显著区域”和“调水调沙影响显著区域”,北部海域镭、氡同位素浓度高值主要来源于陆源输入(包括河流输入和海底地下水排放);(2)调查期间,北部海域水体年龄为(2.9±1.6)d,南部海域水体年龄为(5.0±2.1)d;水龄随潮汐变化表现出涨潮时水龄增大、落潮时水龄减小的波动趋势;(3)北部海域溶解无机氮(DIN)和溶解硅(DSi)含量明显高于南部海域,而溶解无机磷(DIP)在两个区域的含量相差不大。