箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO_2、CH_4)、氮(N_2O)和水汽(H_2O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心,是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ~(13)C)和氧稳定同位素比值(δ~(18)O)(CO_2)、δ~(13)C(CH_4)、氮稳定同位素比值(δ~(15)N)和δ~(18)O (N_2O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ~(18)O (H_2O)的观测成为可能,与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO_2及其δ~(13)C通量的箱式观测技术和方法为例,概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类,阐述了系统设计的理论要求和假设,综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题,展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

通量梯度法在温室气体及同位素通量观测研究中的应用与展望

通量梯度法与涡度相关法均是微气象学的物质和能量通量观测方法, 在没有高频气体分析仪或下垫面风浪区较小的情况下, 通量梯度法可以有效观测生态系统(或土壤)与大气之间的温室气体及其同位素通量, 同时也可以作为涡度相关法的配套观测和有益补充。该文回顾了通量梯度法的基本原理、概念和假设, 重点综述了温室气体浓度梯度以及相关湍流扩散系数的观测与计算的方法和理论, 概述了通量梯度法在森林、农田、草地、湿地和水体等生态系统观测温室气体通量的应用进展, 特别是在稳定同位素通量观测中的应用, 最后从影响温室气体和同位素的浓度梯度以及湍流扩散系数测定与计算等方面概述了应用注意事项及建议。     

生态系统光合与呼吸拆分的同位素理论、方法和应用进展

生态系统光合和呼吸是构成净生态系统CO₂交换量(NEE)的重要组分。涡度相关技术可直接观测生态系统NEE,并通过建立温度回归或光响应曲线等函数将NEE统计拆分为生态系统光合和呼吸,但是存在自相关和高估白天呼吸等问题。稳定同位素红外光谱技术的进步使高时间分辨率大气CO₂及其稳定碳同位素组成(δ¹³C)的连续观测成为可能,与涡度相关技术观测的NEE数据相结合,可实现昼夜和季节尺度生态系统光合和呼吸拆分。本文系统阐述了生态系统光合与呼吸的同位素通量拆分方法的基本理论与假设,阐述了同位素通量观测技术的发展及其应用进展,综述了同位素通量拆分理论解析生态系统光合与呼吸过程的新机制认识,最后总结并展望了同位素通量拆分理论的不确定性以及开展多种拆分方法综合比较的必要性。     

有机肥对农田土壤二氧化碳和甲烷通量的影响

研究了不同有机肥施用(鸡粪、猪粪、牛粪)对夏玉米田土壤CO2和CH4通量的影响.结果表明,不同处理的CO2通量具有相同的季节变化趋势,受土壤温度和湿度的共同影响,土壤CO ₂通量和大气温度、地表温度、地下温度呈显著正相关,当温度不是限制因子的时候,CO₂通量和土壤水分含量呈显著正相关(P<0.05).玉米整个生长季大部分时间土壤为CH₄的吸收汇,源汇的变化受环境因子的影响,但是相关分析并不显著.不同处理的土壤CO₂季节平均排放通量为0.5124～0.8518 g·m^-2·h^-1,和CK₂相比,玉米种植促进了CO₂的排放,施用有机肥也增加了CO₂的排放,所有有机肥处理的平均排放通量和CK₂差异显著,但只有S₂和P₂和CK₁的差异显著.不同处理农田土壤CH4的季节平均通量为-0.0068～-0.0484 mg·m^-2·h^-1,有机肥施用抑制了土壤对CH₄的吸收,施肥量高抑制作用强,但是统计分析差异并不显著.     

磷蛋白组的研究技术及其进展

真核细胞中蛋白质磷酸化是一个重要事件。真核细胞利用可逆的蛋白磷酸化来控制许多细胞过程包括信号转换、基因表达、细胞周期等。磷蛋白组的研究涉及磷蛋白的分离和鉴定,磷酸化残基定位和定量分析。由于蛋白质磷酸化是一个动态过程,在细胞中磷蛋白含量低,磷酸化位点可变,且磷酸肽的质谱信号常常会受到抑制,所以磷蛋白的分析存在更多的困难。本文介绍了国内外在磷酸蛋白的分离鉴定及定量分析方面的研究技术以及进展情况。目前,质谱仍然是核心的鉴定技术,寻找更好富集方法是最大的挑战。定量蛋白组学是对蛋白质的差异表达进行精确的定量分析。目前还不存在一种独立的方法可以完成磷蛋白的分离、鉴定,以及磷酸位点的定位和定量分析。随着样品分离技术和相关仪器的发展,磷酸蛋白快速、准确、全面分析鉴定将能够实现。     

磷蛋白组的研究技术及其进展

真核细胞中蛋白质磷酸化是一个重要事件。真核细胞利用可逆的蛋白磷酸化来控制许多细胞过程包括信号转换、基因表达、细胞周期等。磷蛋白组的研究涉及磷蛋白的分离和鉴定 ,磷酸化残基定位和定量分析。由于蛋白质磷酸化是一个动态过程 ,在细胞中磷蛋白含量低 ,磷酸化位点可变 ,且磷酸肽的质谱信号常常会受到抑制 ,所以磷蛋白的分析存在更多的困难。本文介绍了国内外在磷酸蛋白的分离鉴定及定量分析方面的研究技术以及进展情况。目前 ,质谱仍然是核心的鉴定技术 ,寻找更好富集方法是最大的挑战。定量蛋白组学是对蛋白质的差异表达进行精确的定量分析。目前还不存在一种独立的方法可以完成磷蛋白的分离、鉴定 ,以及磷酸位点的定位和定量分析。随着样品分离技术和相关仪器的发展 ,磷酸蛋白快速、准确、全面分析鉴定将能够实现。     

O值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分

利用稳定同位素技术和Keeling Plot方法可以有效分割地表蒸散量, 进而加深对陆地生态系统水循环的理解。该研究通过原位连续测定麦田的水汽同位素数据, 评价Keeling Plot方法在分割地表蒸散中的应用, 并揭示华北冬小麦(Triticum aestivum)蒸腾在总蒸散中的比例。实验于2008年3–5月在中国科学院栾城农业生态站进行, 利用国际上先进的H₂¹⁸O、HD¹⁶O激光痕量气体分析仪(TDLAS)为基础构建的大气水汽¹⁸O/¹⁶O和D/H同位素比原位连续观测系统, 同时利用涡度相关技术、真空抽提技术、同位素质谱仪技术, 获取了必要的数据。研究分析了一天中不同时间段的连续的大气水汽δ¹⁸O与水汽浓度倒数拟合Keeling Plot曲线的差异和可能的原因。结果显示, 中午时段的拟合结果较好, 这也暗示中午时段蒸腾速率高时最可能满足植物蒸腾的同位素稳定态假设。进一步的分析发现植物蒸腾的同位素稳定态并不总是成立, 尤其是水分胁迫下进入成熟期的小麦, 其蒸腾水汽同位素一般处于非稳定态。利用同位素分割结果显示, 生长盛期麦田94%–99%的蒸散来源于植物蒸腾。     

利用原位连续测定水汽δ~(18)O值和Keeling Plot方法 区分麦田蒸散组分

利用稳定同位素技术和Keeling Plot方法可以有效分割地表蒸散量,进而加深对陆地生态系统水循环的理解.该研究通过原位连续测定麦田的水汽同位素数据,评价Keeling Plot方法在分割地表蒸散中的应用,并揭示华北冬小麦(Triticum aes-tivum)蒸腾在总蒸散中的比例.实验于2008年3-5月在中国科学院栾城农业生态站进行,利用国际上先进的H_2~(18)O、HD~(16)O激光痕量气体分析仪(TDLAS)为基础构建的大气水汽~(18)O/~(16)O和D/H同位素比原位连续观测系统,同时利用涡度相关技术、真空抽提技术、同位素质谱仪技术,获取了必要的数据.研究分析了一天中不同时间段的连续的大气水汽δ~(18)O与水汽浓度倒数拟合Keeling Plot曲线的差异和可能的原因.结果显示,中午时段的拟合结果较好,这也暗示中午时段蒸腾速率高时最可能满足植物蒸腾的同位素稳定态假设.进一步的分析发现植物蒸腾的同位素稳定态并不总是成立,尤其是水分胁迫下进入成熟期的小麦,其蒸腾水汽同位素一般处于非稳定态.利用同位素分割结果显示,生长盛期麦田94%-99%的蒸散来源于植物蒸腾.     

模拟增温对荒漠生物土壤结皮-土壤系统CO_2、CH_4和N_2O通量的影响

目前,有关增温条件下荒漠生物土壤结皮(BSCs)-土壤系统与大气之间主要温室气体(CO2、CH4和N2O)通量变化的研究十分匮乏,以致很难准确地评估荒漠生态系统温室气体通量对气候变暖的响应与反馈的方向和程度。该文选择腾格里沙漠东南缘天然植被区由藻类、藓类以及二者混生的3种类型的BSCs覆盖土壤为研究对象,以开顶式生长室(OTC)为增温方式模拟全球变暖,采用静态箱-气相色谱法探究了2012年7月至2013年6月增温和不增温处理下CO2、CH4和N2O通量的变化特征。结果表明:增温和结皮类型对CO2、CH4和N2O通量没有显著影响。采样日期、结皮类型与采样日期,以及增温与结皮类型和采样日期的互作显著影响CO2和CH4通量,增温和采样日期互作显著影响CH4通量。BSCs-土壤系统的CO2、CH4和N2O年通量及其增温潜能在增温和不增温处理下的差异均不显著。CO2通量与5 cm深度的土壤温度呈显著的指数正相关关系,与10 cm深度的土壤湿度呈线性正相关关系;藓类、混生结皮的CH4通量与5 cm深度的土壤温度和10 cm深度的土壤湿度均呈显著的线性负相关关系;3种结皮类型的N2O通量与5 cm深度的土壤温度均无相关关系,藓类结皮的N2O通量与10 cm深度的土壤湿度呈显著的线性负相关关系。藓类结皮的CO2和CH4在增温和不增温两种处理下的通量差异与5 cm深度的土壤温度差异呈显著的负线性相关,藻类结皮N2O的通量差异与温度差异呈近似正相关关系(p=0.051)。以上结果说明:在全球变暖的背景下,荒漠BSCs-土壤系统主要温室气体通量不会有明显的变化,意味着荒漠生态系统温室气体的排放可能对气候变暖没有明显的反馈。     

质谱MRM技术结合稳定同位素标记法的应用进展

定量检测是生物化学研究中最常见的一种分析方法,可以显示蛋白质的差异表达及翻译后修饰情况,有助于了解酶的活性状态、信号通路及活性分子间相互作用网络。生物质谱以其高通量、高灵敏度、高分辨率等特点使定量检测技术有了质的飞跃,促进了蛋白质组学各个领域的发展。近年来出现的质谱多反应监测技术引起了众多研究者的关注,已被广泛应用在目标定量蛋白质组学研究中。通过查阅文献资料,综述了质谱多反应监测技术结合稳定同位素标记法在蛋白质组学研究中的应用原理及特点,总结了近年来的一些研究进展,最后分析了该技术的局限性及可能优化改进的方面,以便使该项技术能够被相关研究人员很好利用。     

Water isotope analysis for tracing ecosystem processes: measurement techniques,ecological applications,and future challenges

水分是生态系统的重要因子, 水同位素自然示踪和人工标记是研究生态系统水循环过程的重要方法, 利用水同位素所具有的示踪、整合和指示等功能特征, 通过测量和分析生态系统中不同组分所含水分的氢氧同位素比值的变化情况, 可实现生态系统蒸散发的拆分、植物水分来源判定和叶片水同位素富集机理研究, 是研究生态系统水循环过程机理和生态学效应不可或缺的技术手段。该文首先简要回顾了生态系统水同位素发展和应用的历史, 在此基础上阐述了水同位素技术和方法在生态学研究热点领域应用的基本原理, 概述了水同位素在植物水分来源判定、蒸散发拆分、露水来源拆分、降水的水汽来源拆分以及 ¹⁷O-excess的研究进展, 并介绍了植物叶片水富集机理及基于稳定同位素的碳水耦合研究。最后, 指出了水同位素研究亟待解决的问题, 展望了水同位素应用的前沿方向, 旨在利用水同位素分析加深对生态系统的水分动态、植被格局和生理过程的理解。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

Water sources of Populus euphratica and Tamarix ramosissima in Ejina Delta,the lower reaches of the Heihe River,China

Aims We aim to evaluate the water sources of typical riparian arbor species (Populus euphratica) and shrub species (Tamarix ramosissima), and analyze the spatial and temporal dynamics of plant water source in Ejina Delta, the lower reaches of the Heihe River, China.Methods Eight sampling sites were selected in the riparian zones along the East River and West River in Ejina. The plant xylem water, soil moisture, rainwater, stream water and groundwater were taken and pretreated during the growing season in 2015-2016, and the stable oxygen isotope ratio (δ¹⁸O) for each water sample was measured. The δ¹⁸O of plant xylem water and soil moisture were compared to estimate the dominant depth of root water uptake, and the linear-mixed model called “IsoSource” were applied to determine plant water sources and quantify their proportions.Important findings This study indicated that the main recharge sources for P. euphratica and T. ramosissima were stream water and groundwater. The contributions of rain water to them was negligible due to the limited amount and the shallow infiltration depth of local rainfall. As affected by groundwater level fluctuation, soil physical properties, as well as lateral and vertical recharge of stream water on soil moisture, the dominant depth of root water uptake spatially varied. However, the relative contributions of stream water or groundwater to plant water sources did not change significantly across space. Populus euphratica used more stream water (68%), while T. ramosissima used more groundwater (65%). Plant water sources were sensitive to environmental flow controls. The contributions of stream water to the water sources of the two species went up to 84% and 48% for P. euphratica and T. ramosissima respectively during the discharge period, but dropped to 63% and 30% during the non-discharge period. On the other hand, the contributions of groundwater decreased to 16% and 52% during the discharge period, but increased to 37% and 70% during non-discharge period. It is noteworthy that the high similarity of δ¹⁸O between stream water and groundwater due to extensive water exchange in the riparian zone made increase the uncertain in quantifying plant water sources.     

能量标签技术及其在红树林生态系统能流研究中的应用

传统上认为红树林输出的有机质产生巨大的能流,支持了巨大的河口和近岸水域生态系统的次级生产。但能量标签技术的研究结果却显示红树林输出的有机质的作用并没有如此巨大。用红树碎屑难消化特性来解释此现象,此外数学模型模拟分析发现潮汐的稀释作用也可以解释这种现象。但这两者都不能解释,在其他初级生产者稀少时,红树材输出的有机质可以被大量利用的现象。在有红树林的河口和近海岸水域生态系统中,藻类等非红树初级生产者具有比红树植物更高的初级生产力,而且更容易被动物获得和消化。可以认为是藻类等巨大初级生产力的竞争作用导致红树初级生产在消费者组织中很难被发现,如此上面提到的难题就能得到很好的解决。此外能量标签技术检测出的是红树的初级生产在消费者组织中的相对比率,不是绝对数量值,从此角度看,能量标签技术的结果与传统观点不是矛盾而是互相补充的关系。由此推测红树的初级生产应该还是被消费者所利用,只是它们在消费者初级营养来源组成中占的比例并不大,但其绝对数量并不少。这与传统观点认为的红树的初级生产被大量利用,支撑了具有巨大的次级生产稍有不同。此外,能量标签技术在红树林生态系统中的适用性尚未检验;计算食物组成的数学工具不是很完善;实验设计上考虑的不够全面;对定量研究有一定的影响。     

A review of the calibration methods for measuring the carbon and oxygen isotopes in CO2 based on isotope ratio infrared spectroscopy

稳定同位素红外光谱(IRIS)技术克服了传统的大气CO₂气瓶采样-同位素质谱(IRMS)技术时间分辨率低且耗时费力的缺点, 可以实现高时间分辨率和高精度的大气CO₂碳同位素组成(δ ¹³C)和氧同位素组成(δ ¹⁸O)的原位连续测定。基于IRIS技术测量CO₂ δ ¹³C和δ ¹⁸O的误差来源主要包括δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值对CO₂浓度变化的非线性响应(浓度依赖性)以及对环境条件变化的敏感性导致的漂移(时间漂移)。如何有效地校正浓度依赖性和时间漂移导致的误差是IRIS仪器应用的前提。该综述阐述了δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值的浓度依赖性产生的理论基础, 回顾了浓度依赖性的理论校正和经验方程校正方法和应用; 回顾了时间漂移的校正原理、方法和应用; 概述了数据溯源至国际标准的原理、方法与应用现状。结合实际情况推荐利用3个或3个以上已知CO₂浓度和δ ¹³C、δ ¹⁸O真值的CO₂标准气体涵盖待测气体CO₂浓度的浓度依赖性校正, 设置适当的校正频率校正时间漂移并进行数据溯源。指出应该加强不同仪器和校正方法的比对研究; 采用IRIS技术测定CH₄、N₂O和H₂O同位素组成也可以采取类似的校正方法。     

Accuracy, precision and quality control in age determination, including a review of the use and abuse of age validation methods

Many calcified structures produce periodic growth increments useful for age determination at the annual or daily scale. However, age determination is invariably accompanied by various sources of error, some of which can have a serious effect on age-structured calculations. This review highlights the best available methods for insuring ageing accuracy and quantifying ageing precision, whether in support of large-scale production ageing or a small-scale research project. Included in this review is a critical overview of methods used to initiate and pursue an accurate and controlled ageing program, including (but not limited to) validation of an ageing method. The distinction between validation of absolute age and increment periodicity is emphasized, as is the importance of determining the age of first increment formation. Based on an analysis of 372 papers reporting age validation since 1983, considerable progress has been made in age validation efforts in recent years. Nevertheless, several of the age validation methods which have been used routinely are of dubious value, particularly marginal increment analysis. The two major measures of precision, average percent error and coefficient of variation, are shown to be functionally equivalent, and a conversion factor relating the two is presented. Through use of quality control monitoring, ageing errors are readily detected and quantified; reference collections are the key to both quality control and reduction of costs. Although some level of random ageing error is unavoidable, such error can often be corrected after the fact using statistical ('digital sharpening)' methods.     

植物源和土壤有机质源土壤呼吸组分的拆分原理、方法与应用进展

区分土壤呼吸组分并揭示其与环境因素的相关关系,对于准确评估土壤碳过程及其环境影响机制至关重要。根据底物来源和作用机制的差异,土壤呼吸主要包括根系呼吸、根际微生物呼吸、凋落物分解、自然条件下和激发效应下土壤有机质（SOM）分解。现有土壤呼吸组分拆分方法可以分为基于植物源CO₂测定或土壤有机质源CO₂测定的差分拆分方法,以及基于土壤呼吸组分同位素信号差异的拆分方法。土壤呼吸组分拆分研究可以解决不同土壤呼吸组分对环境变化的响应机制、植物光合碳输入与地下土壤呼吸组分的交互作用、土壤呼吸组分变化对土壤碳库周转的影响机制等科学问题,但其理论假设、观测技术方法、潜在的误差来源等仍需要继续关注并系统研究。     

Proteinogenic amino acids labelled with 15N and/or 13C for application in peptide synthesis: A short review with a comprehensive list of published derivatives

A review is given of the literature dealing with the most common protected derivatives of ¹⁵N- and/or ¹³C-labelled amino acids of interest in peptide synthesis. The list contains all such Boc-, Z- and Fmoc-amino acids as well as published methyl, ethyl, t-butyl and benzyl esters.