同位素示蹤技術(shù)在土壤研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

花東文 陳科皓

【摘 要】同位素示蹤技術(shù)因具有示蹤、整合和指示功能，檢測快速、準(zhǔn)確，在生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和地球科學(xué)研究等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。本文通過梳理和分析同位素示蹤技術(shù)在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用方法與原理，綜述了同位素示蹤技術(shù)在土壤侵蝕和土壤碳循環(huán)等研究領(lǐng)域的新應(yīng)用和典型案例，同時(shí)指出這些應(yīng)用中存在的問題，以及在今后研究中的重點(diǎn)發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】同位素示蹤技術(shù);土壤侵蝕;土壤碳循環(huán)

1 前言

土壤侵蝕和碳循環(huán)是全球共同關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題。同位素示蹤技術(shù)是利用放射性或穩(wěn)定性同位素示蹤劑標(biāo)記研究靶標(biāo)物質(zhì)在土壤或動植物體中的遷移、轉(zhuǎn)化及分布規(guī)律，即將同位素原子引入研究對象，通過質(zhì)譜儀、核磁共振儀等分析儀器測定其反應(yīng)后的位置、數(shù)量等變化，從而了解其反應(yīng)的機(jī)理和途徑[1]。在同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用的早期，放射性同位素示蹤法因其靈敏度高，檢測方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，但由于其具有放射性和半衰期較短的缺點(diǎn)，也使其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域受到了很大程度限制。穩(wěn)定的同位素通常具有較長的半衰期，不受研究時(shí)間的限制，幾乎沒有毒性，使用起來更方便。因此，應(yīng)用穩(wěn)定同位素作為示蹤標(biāo)記物成為生態(tài)系統(tǒng)研究分析的主要手段之一。本文主要針對同位素示蹤技術(shù)在土壤侵蝕和土壤碳循環(huán)中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，同時(shí)指出這些應(yīng)用中存在的問題及重點(diǎn)研究方向，以期對今后的相關(guān)研究有所裨益。

2在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用

2.1原理及方法

土壤侵蝕是威脅環(huán)境生態(tài)的一個(gè)重要問題，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)有重要影響。目前，土壤侵蝕的研究方法包括徑流小區(qū)法、野外調(diào)查法、定位觀測法、遙感技術(shù)及核素示蹤法。其中核素示蹤法是利用上世紀(jì)50-60年代大氣核試驗(yàn)釋放的放射性核素在全球范圍內(nèi)的沉降，及某些核素與土壤顆粒牢固結(jié)合的特性，通過測定土壤中這些核素的深度和區(qū)域分布，來定量估算土壤的流失和堆積速率。該法具有高效、快速、準(zhǔn)確優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)τ陂L尺度的土壤侵蝕程度進(jìn)行評價(jià)。

2.2研究進(jìn)展

從20世紀(jì)80年代開始，核素示蹤技術(shù)被引進(jìn)到我國黃土高原地區(qū)用于土壤侵蝕研究，其研究成果主要集中在土壤侵蝕的空間變異規(guī)律及影響因子等方面，應(yīng)用較多的核素示蹤劑是137CS，張信寶、楊明義等用137CS示蹤技術(shù)在黃土高原羊圈溝小流域依據(jù)梁峁坡植被覆蓋較好，侵蝕產(chǎn)沙基本不含137CS;而溝壑區(qū)多為裸坡，侵蝕產(chǎn)沙中含有137CS這一特點(diǎn)開展了土壤侵蝕泥沙來源研究，發(fā)現(xiàn)溝壑區(qū)是泥沙的主要來源地 [2-3]。但由于137CS的半衰期較短（30.2a），其在土壤中的含量會隨著時(shí)間的推移而衰變降低，失去示蹤能力。近年來，許多研究者將其碳、氮穩(wěn)定同位素（δ13C、δ15N）作為指紋因子，在黃土高原小流域進(jìn)行沉積泥沙來源判別，得到了比較好的效果。安正鋒[4]利用δ13C、δ15N作為復(fù)合指紋因子在黃土高原皇普川小流域進(jìn)行侵蝕產(chǎn)沙來源判別，得出位于陡坡的砂巖是泥沙的主要來源。近年來，隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，與137Cs來源相同但半衰期更長的Pu同位素發(fā)展成為土壤侵蝕示蹤研究的理想元素。張偉超等利用239Pu和240Pu作為示蹤劑，對慶陽市南小河溝流域自然植被修復(fù)和人工植樹造林修復(fù)的2種不同土壤剖面樣品，進(jìn)行了土壤侵蝕深度和年均侵蝕速率估算，初步評價(jià)不同修復(fù)類型對于土壤侵蝕的抑制效果。

2.3問題與展望

近10年來，沉積物同位素示蹤技術(shù)發(fā)展迅速，但主要集中在指紋因子的應(yīng)用上。由于不同地區(qū)的核素濃度受地形地貌、降水以及人為活動等多種因素的影響，要獲得準(zhǔn)備的背景值，需采集的樣本量非常大，且不同核素之間的模型校正、多方法比較等方面的研究相對欠缺。因此，為確保同位素示蹤技術(shù)在土壤侵蝕來源研究方面的可靠性，應(yīng)通過大量研究從采樣到數(shù)據(jù)處理，從因子選擇到模型驗(yàn)證，形成一套規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)程序。

3 在土壤碳循環(huán)中的應(yīng)用

3.1方法及原理

從土壤理化性質(zhì)來看，土壤有機(jī)質(zhì)主要來自于陸地生長的植物。因此可根據(jù)植物體內(nèi)的δ13C來追蹤土壤有機(jī)質(zhì)的來源，闡明土壤碳庫的遷移與轉(zhuǎn)化，定量評價(jià)新老有機(jī)碳對碳儲量的相對貢獻(xiàn)，計(jì)算土壤有機(jī)質(zhì)各組分的周轉(zhuǎn)速率，以及揭示新老有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體中的循環(huán)過程。其方法是在實(shí)驗(yàn)土壤中加入13C標(biāo)記的底物（如丙氨酸、葡萄糖、木質(zhì)素、纖維素等），以未標(biāo)記的底物為對照，結(jié)合PLFA、氨基糖等生物標(biāo)志物技術(shù)，測定13C在土壤各組分有機(jī)碳的量及其來源，進(jìn)一步闡明外源碳對土壤碳儲量的貢獻(xiàn)。此外，13C同位素示蹤法技術(shù)可以很好地研究外源C對SOM周轉(zhuǎn)的影響，與其它方法相比，該方法適合研究從年到百年尺度的土壤碳循環(huán)過程[5]。例如，將13C標(biāo)記的有機(jī)物加入土壤進(jìn)行田間或室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過測定13CO2可以區(qū)分外源有機(jī)物和原有SOM來源的碳，量化外源有機(jī)物添加對SOM分解的影響。

3.2研究進(jìn)展

土壤有機(jī)碳是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和碳循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素，目前，許多學(xué)者利用碳穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)探究了土壤有機(jī)碳的來源、分解速率及其周轉(zhuǎn)速率 [6]。竇森等[7]應(yīng)用δ13C同位素示蹤技術(shù)研究了玉米秸稈分解過程中土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)新添加的玉米秸稈分解較快，而原土壤有機(jī)碳分解速度較慢。動植物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳的主要來源，由于C3和C4植物具有不同的13C含量，形成具有13C差異的土壤有機(jī)碳，可以用來示蹤土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的去向。顧鑫[8]等用δ13C示蹤技術(shù)研究了新有機(jī)碳在團(tuán)聚體有機(jī)碳組分中的轉(zhuǎn)化情況，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳的平均駐留時(shí)間隨團(tuán)聚體級別的減小而升高，新有機(jī)碳在微團(tuán)聚體中的周轉(zhuǎn)速率較慢，玉米秸稈中的碳隨培養(yǎng)時(shí)間延長從大團(tuán)聚體向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移。土壤微生物是土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化者，為土壤碳循環(huán)提供動力，二者之間的影響機(jī)制也是目前的研究熱點(diǎn)之一。應(yīng)用δ13C標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)植物光合碳固定在土壤中后，大部分轉(zhuǎn)化為了微生物量碳，根際微生物中的碳周轉(zhuǎn)速率要比土壤快。

3.3問題與展望

盡管穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在土壤有機(jī)質(zhì)源匯和各組分的周轉(zhuǎn)等方面的研究已日趨成熟，但仍存在許多問題和不足。首先是在分析手段上，同位素分餾效應(yīng)非常復(fù)雜，且價(jià)格不低，在溯源或定量區(qū)分研究中，需要建立和完善多同位素的源分析模型，以提高源分析的準(zhǔn)確性;其次是在研究內(nèi)容上，目前土壤微生物、動物（原生動物、節(jié)肢動物等）結(jié)構(gòu)、數(shù)量對土壤碳循環(huán)的作用及其循環(huán)機(jī)理研究較少，需要加強(qiáng)穩(wěn)定碳同位素示蹤與質(zhì)譜、光譜技術(shù)結(jié)合的原位示蹤研究以及結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)的土壤團(tuán)聚體固碳機(jī)理研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]令狐婷，劉少博，高耀，等.穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)在內(nèi)源性物質(zhì)代謝調(diào)控中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中草藥，2018，49（11）：2678-2685.

[2]張信寶，李少龍，王成華，等.黃上高原小流域泥砂來源的137CS法研究[J].科學(xué)通報(bào)，1989（3）：210-213.

[3]楊明義，田均良，劉普靈.應(yīng)用137CS研究小流域泥沙來源[J].水上保持學(xué)報(bào)，1999，5（3）：49-53.

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[6]雷帥，何春霞，張勁松，等.穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用[J].同位素，2020，33（01）：53-66.

[7]竇森，張晉京，等.用δ13C方法研究玉米秸稈分解期間土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量動態(tài)變化[J].土壤學(xué)報(bào)，2003，40（3）：328–334.

[8]顧鑫，安婷婷，李雙異，等. δ13C法研究秸稈添加對棕壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響[J].水上保持學(xué)報(bào)，2014，28（2）：243-247.

作者簡介：

花東文（1989-），男，河南信陽人，碩士研究生。主要從事水土保持、土地整治方面的研究。