放射性碳同位素在土壤碳循环中的应用下载_在线阅读_8

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放射性碳同位素在土壤碳循环中的应用第 !" 卷第 # 期 !$$# 年 % 月地理科学进展 &’()’*++ ,- )*()’.&/0 1234!"!-24# 56378 !$$# !"#$"!$$#9$:; %&’$%?!&!女!在读博士生!主要从事陆地生态系统格局与过程方面的研究’ *9@AB3? ! " !"## $%& !# ’() !# *+& !, -./ !"# #:4 中国科学院地理科学与资源研究所! 北京 :$$:$:; !4 中国科学院研究生院! 北京 :$$$">J& @ A" 文中介绍了放射性碳同位素方法在土...

第 !" 卷第 # 期 !$$# 年 % 月地理科学进展 &’()’*++ ,- )*()’.&/0 1234!"!-24# 56378 !$$# !"#$"!$$#9$:; %&’$< !$$#9$"4 ()*+"国家自然科学基金重点项目##$"":$$=$资助4 ,-./"王琳%:>%?!&!女!在读博士生!主要从事陆地生态系统格局与过程方面的研究’ *9@AB3< 3CADEFBEGDHH4AI4ID 01234567893:;<=>? ! " !"## $%& !# ’() !# *+& !, -./ !"# #:4 中国科学院地理科学与资源研究所! 北京 :$$:$:; !4 中国科学院研究生院! 北京 :$$$">J& @ A" 文中介绍了放射性碳同位素方法在土壤碳循环中的应用! 分析了在土壤有机质( 土壤 K(!气体研究中的主要方法和模型! 并指出土壤有机质的放射性测定可以研究较长时间尺度的碳循环#十几年(几十年至更长时间尺度&!而土壤 K(!气体的放射性测定可以研究短期#季节变化和年变化&内碳的动态’ 放射性碳同位素用于土壤中细根周转时间的计算(土地利用变化等方面的研究成果及方法也在文中分别作了介绍和分析’ 最后提出了国内研究应加强的领域和未来利用放射性碳同位素方法研究土壤碳循环的重点研究方向和发展趋势’ B C D" 放射性碳同位素) 土壤碳循环 : 引言土壤中储存的碳大约是储存在大气中碳的 !倍!是储存在活植物体中的 " 倍N:8!O!土壤中碳的*汇+*源+状态将在很大程度上影响全球碳的收支与平衡’所以对于碳的研究!尤其是对于土壤中碳的累积和周转动态的研究具有重要的意义’ 然而由于缺乏对土壤有机质动态的深入了解N:8"8#O!陆地碳循环的最终机制还未搞清楚!这势必影响全球碳循环及土壤碳库对气候和土地利用变化的响应程度和时间的相关研究NMP%O’ 碳的同位素!尤其是放射性碳同位素! 为我们提供了一个研究在不同时间尺度的土壤碳循环动态的有效方法N?P:$O!从而可以用来评估土壤碳库对于全球环境变化的响应’ 自然的放射性碳同位素是由于大气中宇宙射线产生的中子与稳定性氮同位素 %:#-$相互作用而产生的!其反应式如下":#-QD!:#KQR%D是中子!R是质子$’ 大气中的 :#K很快被氧化成 :#K(!! 并通过光合作用和食物链进入动植物体内’ 动植物体内的 :#K 值同大气中的一致! 但是当动植物体死亡后! 吸收碳的代谢作用停止! 就只有碳的衰变而没有新的补充’ .HD23S 和 TBUU7N::O首先发现碳的这种衰变有一个固定的衰变率!并且首次测定出放射性碳的半衰期是 MM=?年’经过 :$个半衰期后!原样品中的放射性碳所剩无几’ 通过测定样品中剩余的放射性碳!再经现代碳

标准

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的校正!即可以计算样品死亡以后的时间’ :#K值可以用以下几种方式表示N:!8:"O" !"#VRWHIWDX @2SWHD IAHU2DJYV.GDZ.GXADSAHSJ":$$$ %:$ 地理科学进展 !"卷 !#$%&!’(&!"#)#**+#’"#*** !!" !#$%,!-(&$./0123)$.4/56/76+#-"#*** !"" 其中#$./0123是样品中碳的放射性$$.5是样品碳放射性校正到 !#"%#$!8!时的值%$.4/56/76 是绝对国际标准 9:;草酸的碳放射性值& 目前%放射性碳同位素方法被广泛应用于土壤碳循环中%集中起来%主要应用于以下几方面#土壤有机质周转速率的测定%土壤呼吸释放的 %!?@?A?#$B#CD& 在核试验禁止后%大气中 #$%含量逐渐降低%但是到目前其值仍高于核试验以前的值>#*?#C?#AD& 对于在核试验以前的样品其年龄及有机质分解速率的计算可由 !#$% 计算公式直接算出%受到核试验干扰的样品%测定起来比较困难%而这部分样品往往是全球变化研究中的重点% 所以对于核试验后样品的年龄校正是目前放射性碳同位素测土壤有机质年龄及分解速率研究中的热点& 目前的多种关于有机质周转时间的计算大多是基于时间模型% 通过模拟土壤有机质核试验 #$%的摄取来把核试验 #$%的信息转化成有机质的周转时间& 假定有机质分解遵从一级动力学方程% 则土壤中有机碳和 #$% 的变化可以用下列方程表示# %4(%4+#E"+F%4+# ,$’ % #$ 4 (% #$ 4+# E"#$+,FE#’% #$ 4+# !8’ 其中%#%+#是前一年的碳含量%# #$ %&#是前一年的 #$% 含量%" 是有机碳的输入率%’ 是有机碳的周转率##)周转时间!4"%$是 #$%的衰变常数!*G***#!$8)年"& 假如核试验前的土壤样品存在%可以测定其碳和 #$% 的含量%则可以选择最合适的平均输入率和土壤有机质分解率%采取重复迭代方法%使其代入方程!$"!8"后得到的 % 和 #$% 含量与测量值最接近& 这种方法需要同一土壤过去和现在的样品以便测定其 % 和 #$% 的含量% 一般情况下这一点很难达到&这一方法的假设前提是##"假定土壤有机质的分解率是一个常数%不随时间’ 气候和土壤性质的转变而变化&在这一前提下%测得的碳周转率和输入率代表的是在几年到几十年内的一个平均值& !"假定在任一给定年份输入的碳和当年大气中的碳的 #$% 含量相同%也就是说碳的输入和碳的固定之间的时滞不超过 # 年&这一假定在有些情况下是不成立的%例如针叶林%其叶子在成为凋落前会在枝上停留许多年%这样当其成为地面枯落物时%它的 #$%值就与当年大气的 #$%值不一样%大约有 #*年的滞后期>!*D& 在 H.I3J>#@D描述的方法中也是基于以上假设%但是不需要土壤过去的样品& 然而由于大 $$ !期王琳等" 放射性碳同位素在土壤碳循环中的应用气中核试验 #!$ 的升降效应!用这种方法计算出的周转时间有时会出现 % 个值" 例如!如果在 #&’! 年收集的土壤样品的 #!$ 值为 #()*+$!则其对应的周转时间有 , 或 %# 两个值#图 #$% 这时!就需要有其它测量值&如凋落物’土壤 $-%气体和土壤碳含量$来进行判断" 用这种方法得出的周转时间仍是一个在短期内&几年或几十年$的平均值" $./0123415 和 60781239%#:&#&&($计算碳周转时间的方程为( $ #! ;#&<<= $ #! 4>?3@?0@ A !!"! &,$ $ #! > A$ #! >B# B;1C!=$ #! >B# C1$! #! > &D= 其中( $ #! ;#&<<=为土壤有机质 #&<< 年的 #!$放射性) $! #! > 是在采样年大气的 #!$放射性) $ #! 4>?3@?0@是现代标准碳的 #!$放射性!$ #! > ’$ #! >B# ’!’1代表的意思与式&<$一样% 在该方程中!假设植物从大气中吸收的 #!$是在 # 年以后随凋落物进入土壤的% 大气的碳放射性值可从文献中查阅9%%E%!:% 计算时先给一 ! 值!据式&,$可知 $ #! ;#&<<=!将 $ #! ;#&<<=和 ! 代入式&D$!重复迭代可得采样年的碳放射性值!选择合适的 1值!直至计算和实际测得的值精度达到 )F)))#G年% $./0123415 模型最大的优点就是不需要核试验前的土壤样品!也不需在两个值中进行再判断% 但其假设条件也有所限制(假设土壤上层部分&小于核试验效应能影响到的土壤最大深度$易受大气 #!$-%的影响!其 #!$ 值等于大气 #!$ 值!且忽略工业效应的影响9%<:!则 #&<< 年大气 #!$-%值近似等于现代碳标准的 #!$!由此!&,$式可由&D$式推出% $./3 等9%,:&%))%$利用该方法对中国亚热带地区的鼎湖山保护区的土壤剖面进行研究! 分层计算出土壤有机质的周转率!并利用周转率’土壤有机质碳含量’土壤容重和土层厚度等参数估算出有机质分解释放的 $-%% 图 # 不同周转时间的活动土壤碳库的 #!$ 含量&*+$$&摘自 H42/.I#&&($ J2KF# #!$ L73>/3> ;*+$= 7M ?L>28/ N-$ O77P4 Q2>. 8?027R4 >R0378/0 >2S/4 ;?M>/0 H42/.I #&&(= ( 放射性碳同位素测定土壤呼吸释放的 $-% 土壤有机质的分解速率不仅可以通过土壤有机质的碳放射性来测定! 还可根据土壤呼周转时间&年$ 量含 !< 地理科学进展 !"卷吸释放 #$!的碳放射性来测定%!&’! 土壤呼吸可分为两部分"土壤有机质的微生物分解#异养呼吸$和根呼吸%区分土壤有机质的微生物分解&异养呼吸$和根呼吸具有重要的意义’常规方法如用物理干扰土壤和根的方法’以及用同位素标定的方法都有一定的局限性%!(’% 到目前为止还没有较好的方法% )*+,等%!&’&!---$

设计

领导形象设计圆作业设计 ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计

了一个土壤呼吸释放 #$!的放射性同位素测量的设备’通过建立模型将土壤呼吸释放的 #$!的碳放射性值和土壤碳循环联系起来’并分离出根呼吸和异养呼吸% 模型可用公式表示如下" !!"!#$!% .(/ !%"!!&’()"*+, .01 .23#1-.4.25&1.23#1/,06 &723#1-10 .2-1 其中’!!是土壤释放的总 #$!(!2是根呼吸产生的 #$!(!3是微生物分解产生的 #$!(( 是土壤有机质的分解率#该分解率是气候因子和土壤质地的函数$() 是土壤碳含量(4 是土壤有机质分解释放的 #$!的比率(, 是土壤有机质的周转时间(.23#1-. 为土壤呼吸释放的总 #$!的 23# 含量(.23#1-10和.23#1/,0分别为有机质分解释放和根呼吸释放的 #$!#同大气 #$!的值相同$的 23#值% 从以上式子可推出" 84%.23#1-.5.23#1/,0’9%.23#1-105.23#1/,0’ .221 (’!!4+) .2!1 如果 #$! 气体量#!!$’土壤碳含量#)$’土壤呼吸释放的 #$! 的 23# 含量’大气 #$! 的 23#含量和土壤有机质分解释放的 #$!的 23# 可测得’则用上式可估计出 4’即土壤有机质分解释放的 #$!的比率和土壤有机质的分解率#:$% 然后可以估算出异养呼吸和根呼吸的量% 在这种方法中有一个基本的假设’ 即土壤有机质呼吸释放的 #$!的 23# 可以以植物在非生长季生命活动最小时的土壤呼吸释放的 #$!的值来近似估计% 但是这种假设的正确性还有待于进一步探讨%2-’% 用这种方法 )*+,%!&’#!---$研究了加利弗尼亚土壤呼吸释放的 #$!的季节性变化’表明有机质分解和根呼吸都有明显的季节变化% 异养呼吸所占的量在生长季约 !-;<=-;’而在非生长季几乎达到 2--;% 除了土壤温)湿度外’土壤特性不同&如粘粒含量’凋落物质量’土壤质地等$’土壤呼吸和有机质分解也不同’但是土壤矿物和土壤质地影响土壤呼吸的机制还有待于进一步研究% 通过测土壤呼吸释放 #$!的 23# 来测定土壤有机质分解速率的方法与通过直接测定土壤有机质 23#的方法所得出的结果是不一样的&表 2$% 一般来说’直接测量土壤碳含量在短期内的变化是非常困难的’ 因为这种短期的变化与土壤碳储量和碳库的自然变化相比是非常小的%!0>"-’% 而测定土壤呼吸释放 #$!的 23#含量’可以有效地测定土壤碳库在短期内&季度和 2 年$的变化’从而大大拓宽了利用 23# 测定土壤碳循环的时间尺度’有助于我们更好地了解土壤碳循环的机制% 3? !期王琳等" 放射性碳同位素在土壤碳循环中的应用 ! ! "#$%&’( "#$) %&"*"#$+,-./#$012)34 ’()*% ’+, -.//,0,12, ),34,,1 3+, 4(56 7/ 8,(690.1: 3+, %&" 7/ "#$ (1- ;#< ! 放射性碳同位素测土壤细根的年龄土壤中粗根!直径#$%%"主要起支持作用#而细根!直径&$%%"则直接参与土壤中碳$氮等养分循环’()*#细根占整个陆地植物生物量的+$,-.#若假定根是一年内生长和死亡#则细根接收全球净初级产量!/00"的 )12’(3*% 这部分土壤中的碳库周转时间的正确计算关系到整个陆地生态系统碳循环的估算%传统的细根周转计算所采用的方法有直接估算法&连续土柱法 !4567589:;< =>?:8@"$内生长根柱法!:8A@?>B9C ?>>9 =>?54"$根筛法 !?>>9 4=?5584"$微根际法 !%:8:?C:D>9?>84"$凋落物袋法!<:995? E;@4"’22F2!*’间接估算法如 /预测法’2-*% 这些方法在测定细根周转时都有不同程度的限制’2G*% H;7I:84J:’(G*!3KK)"运用碳放射性同位素方法#用两个方法来测定土壤中细根的年龄%方法一&假设根中的所有结构碳仅在一年内生长#且以后根中不再吸收新碳#则根的平均年龄可以通过将根的 !)!L 值与大气 LM3的 !)!L 值的比较而得出% 这种方法适于单一的根年龄的测定% 对于混合的根样品要用第二种方法来计算&运用基于时间的稳定态模型#假设根的年龄符合正态分布#即根的年龄指数递增#方程为& !N"O!#$%%"N"&’(!)*"+,"O-.,"/)O!)$%%","/)O!N0/1/!O N)2O 其中#!是细根的碳含量#(是细根的年输入量#1是细根的周转率#!是碳的放射性衰变常数% )$%%"和 )*"+分别为细根和大气的碳放射性% H;7I:84J:’2G*!$KK)"运用该方法研究了美国东部三个林分中细根的年龄在 2+)P 年之间# 并指出放射性碳同位素是一个有效的研究土壤中细根动态的方法% 用 )!L 方法测出的平均年龄代表植物中储存的碳在分配到根生长前的时间#加上根的平均生命史#再加上根分解的平均时间% 细根的年龄随土壤深度增加而增加#随根直径的增加而增加#并且和根的位置有关#如主根和侧根的 )!L 年龄不同% 由于方法的限制#用放射性碳同位素所测得的细根年龄与其它传统方法相比#其年龄偏长% Q:5?85R 和 S;C5R’2T*!3KK3"比较了测定细根年龄的 )!L 方法和微根法!%:8:?C:D>9?>8"#指出同位素方法在测细根年龄方面存在偏差#因为根中含有土壤库中的碳#有新生长增加的碳#有共生菌根中的碳等等#只有将根分为相对较为一致的群体#并且正确模拟根年龄的分布#才能使同位素测定的细根年龄更接近于真实% - 放射性碳同位素在研究土地利用变化中的应用 U;8@’3*选取草地和耕地$森林和采伐迹地两组自然和干扰土壤来研究 )!L 在不同土地利用类型下的分布%结果显示#自然和干扰土壤中的 !)!L有很大不同%干扰土壤表层的有机质 !)!L 值远低于相应的自然土壤#表明干扰土壤表层碳分解速率大于自然土壤#即干扰土壤 �� CO � ��C �� ! "#�$%&’ ��() !T 地理科学进展 !"卷易于损失表层碳! 然而"干扰土壤中表层之下的土壤 #$% 值却很高"表明在这些层中累积的碳较多! 自然草地中"表层根系丰富"在表层以下至 "&’(根系大量减少! 在耕作土壤中"根系大部分分布在 ) 层"* 层几乎无肉眼可见的根分布! 所以浅根至深根的转换把碳输入到土壤的不同深度! 采伐迹地中 "&’(以下 #$%值的明显增加可能是富含 #$% 值的死树根的分解而造成"也可能是由于表层年轻碳以溶解碳形式渗入到下层! 利用#活动态$土壤有机质 #$% 年龄的测定"+,-./!0推算出自然土壤表层碳的周转非常快"自然草地为 12$ 年"森林土壤小于 !&年%土壤表层有机质的快速周转表明表层土壤对土地利用变化和气候变化等干扰的响应较敏感! 34’5678/"90则从相反的角度"研究了造林后土壤中有机质的周转变化! 他利用美国南部一个 $&年的森林试验地"该地从 #:;1年开始在农田中造林"在不同时间段采用相同的方法在相同位置取样"分析时间序列上土壤有机质周转的变化! 森林凋落物的 !#$% 值在大气 #$% 达到极值的一年后&#:<;年’达到=1&&!"到 #::& 年" 其 !#$% 值小于="&&!"滞后于大气 #$%>!的下降"这是由于凋落物中吸收了一些 #$% 含量较高的难分解的腐殖质% 矿质土壤虽然 #$%值变化平稳"但在大气 !#$% 值达到极值后"其 !#$% 值都有所上升"到 #:1! 年"整个 &?<&’( 土层的 !#$% 均值达到=#!;!"大大高于 #:内容

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也仅限于对于块状土壤有机质平均周转时间的计算" 将土壤分成不同粒级进行周转的测定更能准确地反映土壤有机质不同组分的周转率!这方面的工作还有待于进一步进行"同时应加强对土壤碳循环小尺度#如几年至十几年$ 领域的研究!如对土壤排放 #$%及土壤中细根周转的研究% 放射性碳同位素的应用为我们更好地深入了解土壤碳循环的动态和碳的累积过程提供了一个很实用的方法!这种土壤碳循环的量化为目前生态系统模型参数的确定提供依据!有助于研究未来气候变化&土地覆被和土地利用变化下的土壤变化"未来放射性碳同位素方法将应用于土壤碳循环过程和机理更深入的探讨中!并获得更广阔的应用前景" !"#$ &’( )*+,-./01-2 3 45 67/8-0*- 92:; *+2:0:.-<=-0*- .>=8/-. 9:2 ? ,:@ *?2A:0B.>:2?1- C:>-0>/?, :9 .:/,5 D?>=2-5 ’EEFG H!I" %H%!%H!5 &%( 3?01 JG K;=08.:0 L5 M+- /;C?*> :9 ,?08 =.- *+?01- :0 # >=20:7-2 /0 .:/,.5 N,:A?, O/:1-:*+-;/*?, #P*,-.5 ’EEEG ’H Q’R" !S!TS5 &H( $?8-. U V5 M+- 2->-0>/:0 :9 :21?0/* ;?>>-2 /0 .:/,.5 O/:1-:*+-;/.>2P5 ’EE!G T" HT!SF5 &!( )*+/;-, W )5 M-22-.>2/?, -*:.P.>-;. ?08 >+- *?2A:0 *P*,-5 N,:A?, #+?01- O/:,:1P5 ’EETG ’" SS!E’5 &T( 陈庆强! 沈承德! 易惟熙等5 土壤碳循环研究进展5 地球科学进展5 ’EEI!’H’X$(TTT!TXH5 &X( M:20 V )G M2=;A:2- ) 6G #+?28@/*Y $ KG -> ?,5 V/0-2?, *:0>2:, :9 .:/, :21?0/* *?2A:0 .>:2?1- ?08 >=20:7-25 D?>=2-5 ’EESG HIE" ’SF!’SH5 &S( M2=;A:2- ) 65 #:;C?2/.:0 :9 *?2A:0 8P0?;/*. /0 >2:C/*?, ?08 >-;C-2?>- .:/,. =./01 2?8/:*?2A:0 ;-?.=2-;-0>.5 N,:A?, O/:1-:*+-;/*?, #P*,-.5 ’EEHG SQ%R" %ST!%EF5 &I( O?,-.8-0> U5 M+- >=20:7-2 :9 .:/, :21?0/* 92?*>/:0. -.>/;?>-8 AP 2?8/:*?2A:0 8?>/015 )*/ M:>?, 607/2:05 ’EISG X%" !FT!!FI5 &E( M2=;A:2- ) 6G Z:1-, U )G ):=>+:0 U L5 KV) ’!# ;-?.=2-;-0>. :9 92?*>/:0?>-8 .:/, :21?0/* ;?>>-2" ?0 ?CC2:?*+ >: 8-*/C+-2/01 >+- .:/, *?2A:0 *P*,-5 L?8/:*?2A:05 ’EIEG H’" X!!!XT!5 &’F( 3?01 JG 4./-+ J [5 \0*-2>?/0>/-. ?08 0:7-, C2:.C-*>. /0 >+- .>=8P :9 >+- .:/, *?2A:0 8P0?;/*.5 #+-;:.C+-2-5 %FF%G !E" SE’!IF!5 &’’( K20:,8G U LG ]/AAP 3 ^5 K1- 8->-2;/0?>/:0. 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放射性碳同位素在土壤碳循环中的应用

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