同位素示蹤技術在土壤研究領域中的應用

花東文 陳科皓

【摘 要】同位素示蹤技術因具有示蹤、整合和指示功能，檢測快速、準確，在生態學、水文學和地球科學研究等領域中得到了廣泛應用。本文通過梳理和分析同位素示蹤技術在土壤生態系統中的應用方法與原理，綜述了同位素示蹤技術在土壤侵蝕和土壤碳循環等研究領域的新應用和典型案例，同時指出這些應用中存在的問題，以及在今后研究中的重點發展方向。

【關鍵詞】同位素示蹤技術;土壤侵蝕;土壤碳循環

1 前言

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

2在土壤侵蝕研究中的應用

2.1原理及方法

土壤侵蝕是威脅環境生態的一個重要問題，對農業生產、生態環境保護有重要影響。目前，土壤侵蝕的研究方法包括徑流小區法、野外調查法、定位觀測法、遙感技術及核素示蹤法。其中核素示蹤法是利用上世紀50-60年代大氣核試驗釋放的放射性核素在全球范圍內的沉降，及某些核素與土壤顆粒牢固結合的特性，通過測定土壤中這些核素的深度和區域分布，來定量估算土壤的流失和堆積速率。該法具有高效、快速、準確優點，能夠對于長尺度的土壤侵蝕程度進行評價。

2.2研究進展

從20世紀80年代開始，核素示蹤技術被引進到我國黃土高原地區用于土壤侵蝕研究，其研究成果主要集中在土壤侵蝕的空間變異規律及影響因子等方面，應用較多的核素示蹤劑是137CS，張信寶、楊明義等用137CS示蹤技術在黃土高原羊圈溝小流域依據梁峁坡植被覆蓋較好，侵蝕產沙基本不含137CS;而溝壑區多為裸坡，侵蝕產沙中含有137CS這一特點開展了土壤侵蝕泥沙來源研究，發現溝壑區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、氮穩定同位素（δ13C、δ15N）作為指紋因子，在黃土高原小流域進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作為復合指紋因子在黃土高原皇普川小流域進行侵蝕產沙來源判別，得出位于陡坡的砂巖是泥沙的主要來源。近年來，隨著質譜技術的發展，與137Cs來源相同但半衰期更長的Pu同位素發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和人工植樹造林修復的2種不同土壤剖面樣品，進行了土壤侵蝕深度和年均侵蝕速率估算，初步評價不同修復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發展迅速，但主要集中在指紋因子的應用上。由于不同地區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在土壤侵蝕來源研究方面的可靠性，應通過大量研究從采樣到數據處理，從因子選擇到模型驗證，形成一套規范和標準程序。

3 在土壤碳循環中的應用

3.1方法及原理

從土壤理化性質來看，土壤有機質主要來自于陸地生長的植物。因此可根據植物體內的δ13C來追蹤土壤有機質的來源，闡明土壤碳庫的遷移與轉化，定量評價新老有機碳對碳儲量的相對貢獻，計算土壤有機質各組分的周轉速率，以及揭示新老有機碳在土壤團聚體中的循環過程。其方法是在實驗土壤中加入13C標記的底物（如丙氨酸、葡萄糖、木質素、纖維素等），以未標記的底物為對照，結合PLFA、氨基糖等生物標志物技術，測定13C在土壤各組分有機碳的量及其來源，進一步闡明外源碳對土壤碳儲量的貢獻。此外，13C同位素示蹤法技術可以很好地研究外源C對SOM周轉的影響，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過程[5]。例如，將13C標記的有機物加入土壤進行田間或室內培養實驗，通過測定13CO2可以區分外源有機物和原有SOM來源的碳，量化外源有機物添加對SOM分解的影響。

3.2研究進展

土壤有機碳是維持陸地生態系統碳平衡和碳循環系統穩定的重要因素，目前，許多學者利用碳穩定同位素示蹤技術探究了土壤有機碳的來源、分解速率及其周轉速率 [6]。竇森等[7]應用δ13C同位素示蹤技術研究了玉米秸稈分解過程中土壤有機碳的動態變化，發現新添加的玉米秸稈分解較快，而原土壤有機碳分解速度較慢。動植物殘體是土壤有機碳的主要來源，由于C3和C4植物具有不同的13C含量，形成具有13C差異的土壤有機碳，可以用來示蹤土壤團聚體中有機碳的去向。顧鑫[8]等用δ13C示蹤技術研究了新有機碳在團聚體有機碳組分中的轉化情況，發現有機碳的平均駐留時間隨團聚體級別的減小而升高，新有機碳在微團聚體中的周轉速率較慢，玉米秸稈中的碳隨培養時間延長從大團聚體向微團聚體轉移。土壤微生物是土壤有機碳的轉化者，為土壤碳循環提供動力，二者之間的影響機制也是目前的研究熱點之一。應用δ13C標記技術發現植物光合碳固定在土壤中后，大部分轉化為了微生物量碳，根際微生物中的碳周轉速率要比土壤快。

3.3問題與展望

盡管穩定碳同位素技術在土壤有機質源匯和各組分的周轉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，同位素分餾效應非常復雜，且價格不低，在溯源或定量區分研究中，需要建立和完善多同位素的源分析模型，以提高源分析的準確性;其次是在研究內容上，目前土壤微生物、動物（原生動物、節肢動物等）結構、數量對土壤碳循環的作用及其循環機理研究較少，需要加強穩定碳同位素示蹤與質譜、光譜技術結合的原位示蹤研究以及結合分子生物學技術的土壤團聚體固碳機理研究。

參考文獻：

[1]令狐婷，劉少博，高耀，等.穩定同位素示蹤技術在內源性物質代謝調控中的應用進展[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].科學通報，1989（3）：210-213.

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

[4]安正峰.多沙粗沙區小流域侵蝕產沙來源與模擬[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2017.

[5]金鑫鑫，汪景寬，孫良杰，等.穩定13C同位素示蹤技術在農田土壤碳循環和團聚體固碳研究中的應用進展[J].土壤，2017，49（02）：217-224.

[6]雷帥，何春霞，張勁松，等.穩定碳同位素技術在生態系統研究中的應用[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質數量動態變化[J].土壤學報，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聚體有機碳的影響[J].水上保持學報，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。