如何在生态和环境科学研究中运用稳定同位素

上一篇 / 下一篇 2011-01-08 10:10:02

　　稳定同位素技术的出现加深了生态学家对生态系统过程的进一步了解，使生态学家可以探讨一些其它方法无法研究的问题。正如现代分子生物技术大大地推动了基因、生物化学和进化生物学的研究一样，稳定同位素技术对生态学研究也已产生了重要的影响。通过使用稳定性同位素技术，可以使生态学家测出许多随时空变化的生态过程，同时又不会对生态系统的自然状态和元素的性质造成干扰。在过去的十几年中，一些生态与环境科学的最令人瞩目的进步依赖于稳定性同位素技术，稳定性同位素能够被用来解决生态与环境科学的许多问题。包括：
1.植物如何有效地利用水分（13C）？
2.植物从土壤哪个层次获得水分（18O, 2H）？
3.植物通过氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-获得氮素相对比率（15N）？
4.如何确定土壤中碳和氮周转速率（13C, 15N）？
5.区分土壤呼吸释放CO2的来源（植物根系或土壤微生物）（13C, 18O）
6.区分光合和呼吸对净生态系统CO2交换或NEE的相对贡献（13C, 18O）
7.区分蒸腾和蒸发对净生态系统水交换或蒸散（ET）的相对贡献（2H, 18O）如何8.判定N2O的来源（硝化细菌或反硝化细菌）（15N, 18O）?
9.确定食物网初级消费者事物来源（13C, 34S）
10.确定食物链的长度（15N）
11.如何确定空气和水体污染物的来源（15N, 34S, 18O）
12.确定城市能源消耗对大气CO2, CO和氮化物的贡献(（13C , 15N, 18O）
13.判断动物如候鸟、蝴蝶等的迁徙路线（18O, 2H）
14.判定史前人类社会是否以谷物作为食物来源（13C）
15.确定植物的分布区域（15N, 18O, 2H）

与其它技术相比，稳定同位素技术的优点在于使得这些生态和环境科学问题的研究能够定量化并且是在没有干扰（如没有放射性同位素的环境危害）的情况下进行。有些问题还只能通过利用稳定同位素技术来解决。例如，植物在光合作用倾向于吸收含有轻碳同位素（12C）的CO2，其吸收程度受有效水含量和光合途径影响，水分有效性和光合途径是干旱或湿润环境植物的重要特性。因此，植物13C组成能够在时间尺度上整合反映植物的水分利用效率。通过测量植物茎水2H和18O组成，也能够判定植物对表层水和深层水的依赖程度。另一方面，通过向土壤添加15NH4+，并监测14NH4+对其稀释速率，就能够测定独立于硝化和固持（NH4+消耗过程）之外的土壤有机物质的矿化速率。通过在原位添加富含15N的NH4+或NO3-，并监测土壤中15N和14N，就能够量化每种微生物转化量。