稳定性同位素技术.ppt

稳定性同位素技术在生态学研究中的应用 黄建辉 中国科学院植物研究所 2004-11-6 什么是同位素？ Natural abundance of stable isotopes 常用稳定性同位素种类 2H（D）同位素 13C同位素 15N同位素 18O同位素 “?” 符号 ?X = [(Rsample / Rstandard) – 1 ] x 1000 X代表13C, 15N, 34S，R 为 重/轻同位素比例, 13C/12C, 15N/14N, 34S/32S ?13C = 13C/12C sample – 1 x 1000 13C/12C standard 物质中的同位素含量 0.011时， ?13C 1，否则 1 同位素的标准物质： C, Pee Dee Belemnite (PDB) , 13C/12C = 0.0112372 N, 大气 15N/14N = 0.0036765 分差 D = ? consumer - ? source 稳定性同位素比例的变化 例如: 陆地C3植物, ? 13C = -28, 大气 = -7.4, D = -20.4 消费者对N 的分差 ? = +3.4 ‰ (Minagawa and Wada 1984, DeNiro and Epstein 1978, Post 2002) 排泄分差 再脱氨基和转氨作用过程中，代谢产物通常较轻（这样重同位素逐渐被浓缩） 同化分差 在蛋白质合成过程中偏好利用重同位素 营养级模型 (Cabana and Rasmussen 1994) 2种来源的比例计算模型 dt = fA dA + fB dB fA + fB = 1 在生态学上的应用 追踪食物的来源 养分和污染物的来源 种群的迁移 水分利用效率 硝化/反硝化 其他应用 真伪鉴别 毒品追踪 净生态系统交换（NEE） 加入同位素测定后 研究实例 1 岛屿化后植物－动物营养关系的研究 在岛上设置了三个海拔梯度的调查样地(160m、160~200m和200m以上)，分别采用鼠夹和鼠笼的方法，在不同样地上分别进行了样方调查和普查工作，总的调查夹日数为4450个，共捕获老鼠53只 根据动物不同组织?13C和?15N值，计算出的食物组成以及一段时间内食物变化情况 结论 皇华岛啮齿类动物群落以田鼠，褐家鼠为优势种，而小林姬鼠和黑线姬鼠为常见种； 水位进一步升高时，在2个优势种和2个常见种中，受影响最大的将是黑线姬鼠； 能够利用同位素定量区分啮齿类动物的食物来源，并且能在不同时间尺度（周、月、季）上进行整合； 所分析的三种鼠当前的食物来源差异很大，田鼠和大足鼠主要以非豆科的C3植物(水稻和红薯)为主，分别占到其食物总量的47.0%和60.5%；而褐家鼠则以C4植物为主，占到其食物总量的55.9% 研究实例2 三峡水库岸边不同海拔高度植物碳固定与水分关系研究 本工作在木鱼岛上完成，主要研究岛上3个海拔高度优势植物植物水分来源和水分利用效率以及叶片CO2交换，预测未来水位上升对三峡库区岸边植物生长的潜在影响。 结论 大多数植物只利用少量的河水，大部分的水分来源为雨水； 不同植物之间对水分的利用效率有显著的差异，但不同海拔之间的差异不显著； 植物对水分的不同利用影响了植物叶片的CO2交换过程； 植物水势有明显的季节变化，但不同植物之间的变化幅度有明显的不同； 植物不同来源的水分?D和?18O存在明显的季节变化，可能影响到植物吸收水分?D和?18O的季节动态。 * * HDO D2O HD18O或者D218O H2O Isotope: 12C Mass (protons + neutrons) = 12 Stable Isotope: 13C Mass = 13 Stable Isotope: 14C Mass = 14 Unstable; half-life = 5,730 years proton neutron electron M. Fogel and B. Fry, Woods Hole Stable Isotope Workshop, 1986 Hobson 1999 Oecologia Colorado Stable Isotope Lab, NAU, URL: /~bah/cpsil.html IRMS: isotope ratio mass spectrometer CO2 (air) ? CO2 (leaf) → Carboxylation (Ps) 羧化作用 快: ?13C = -7 D = -4 ?13C = -11