【精品论文】农业生态系统中同位素示踪技术及发展趋势

1、农业生态系统中同位素示踪技术及发展趋势王平利，张成江水成都理工大学应用核技术与自动化工程学院，四川成都610059摘要：在土壤侵蚀硏究中，wes、2®b和?bc示踪技术已得到广泛应用，2i()pb主要用在沉积速率的测定及沉积年代的示踪 研究上，晰cs特别适用于大面积的水土流失普查和土壤侵蚀普查/be用于短期内土壤侵蚀研究。在土壤i巴效和植物营养元 素研究中，常用叱、32p和3及其化合物示踪定量评价土壤养分，追踪植物对养分的吸收、运转、分配和代谢过程。在环 境污染方面,用重金属如pb、hg、cd、zn等元素的同位素判别污染物质来源，硏究污染历史和污染元素在土-水气-植物 中的迁移转化以

2、及在动物有机体内的迁移累积。文章综述了同位素示踪技术在上述方面的应用现状和发展趋势。关键词:同位素示踪；农业生态系统；土壤侵蚀；土壤肥效；环境污染中图分类号：x124文献标识码：a文章编号：1672-2175 ( 2003 ) 04-0512-04同位素示踪是一种用同位素或其标记化合物 指示和追踪相应元素或化合物在生物体及其环境 介质中迁移、转化和积累的方法。自从20世纪20 年代以来，同位素示踪技术在农业生态系统中得到 了广泛的应用和迅猛发展，对营养元素、有毒有害 元素在土壤-水大气-生物中的迁移、转换、累积规 律以及土壤的侵蚀、污染历史等方面的硏究起了很 重要的作用，极大地推动了环境科学、

3、农业科学以 及生命科学的发展，现已成为这几门学科进行科学 研究的重要方法和工具之一。1农业上常用的同位素放射性同位素和稳定同位素都可作为同位素 示踪剂川。放射性同位素示踪中一般选取放射线能 量低、半衰期短、易探测的同位素。农业上常用的 同位素列于表u表1农业上常用的同位素元素同位素元素同位素c叱、叱hg2o3hgn,5nzn65zii , %p32pcr5,cr ,叱r113ljcd"'cd , ,l5cdbr82brse75sesr85sr , 86sr, 87sr , wsrcsn7cs , ,34cscc,43ce , ,44ccbe7bcnd,47ndpb2o4pb

4、, 206pb , 207pb2 土壤肥力和植物营养示踪同位素示踪技术从发展开始就被应用于土壤 化学、土壤肥力和植物营养的研究。20世纪20年 代,g hevesy就用天然放射性同位素研究了豆科植 物对铅的吸收并且进行了分析。在30年代，人们 掌握了人工生产放射性同位素技术和从天然同位 素中分离富集生产同位素技术后不久严p和15n等 示踪核素标记肥料就被用于植物对养分的吸收和 运移规律的研究。40年代末用32p标记肥料测定了 在室温和田间条件下作物对磷肥的利用率；用,5n 标记肥料测定生物固氮能力和作物氮肥利用率。 50-60年代，同位素技术被广泛应用：在土壤和植 物研究中用同位素稀释原理测定

5、了土壤中可交换 性及有效磷的含量；用,5n及其他放射性核素标记 化合物测定了土壤中各种有效养分的含量。70年代 发展了田间条件下测定生物固氮的“n示踪方法。近一二十年来，随着同位素分析技术的发展和 应用方法的改进，同位素示踪技术已成为土壤科学 硏究中的重要手段。目前,同位素示踪技术在土壤 科学和植物营养硏究中的应用可归纳为两个方面：(1 )根据同位素稀释原理进行养分的定量评 价，如土壤肥力评价,土壤可交换养分和对植物有 效养分的测定，肥料残效、月巴料有效性和田间的生 物固氮力测定等。(2 )应用同位素标记的化合物追踪植物对养分 的吸收、运转、分配和代谢过程，如土壤中肥料养 分的命运，土壤养分的

6、移动和转化过程。刘启明等卩国应用稳定碳同位素示踪硏究了农 林生态转换系统中土壤有机质的含量变化，用，3c 值探讨了其中有机碳的迁移规律，并总结了其降解 速率和赋存规律。李君用同位素技术对不同磷肥 对土壤及作物的有效性进行了研究，发现土壤中磷 的吸附及固定是较强的；在p2o5质量分数达到52 mg/kg及酸性土壤上施用磷肥对作物没有显著的效 果，只能导致磷肥的浪费；在p2o5质量分数只有 26 mg/kg及弱碱性土壤中施用不同磷肥均有显著的 效果，可以增加磷月巴的植物利用率。冯固等用32p 示踪研究了土壤磷素对不同作物生物有效性的差 异，结果表明，同一土壤条件下，种植玉米时土壤 供磷能力大于种植

7、棉花时的土壤供磷能力;由此指 出”评价土壤有效磷含量时,针对不同的作物要用 不同的指标。李法云等用32p示踪研究了白浆土 中磷肥的利用率，结果表明，表层土壤表现出一定 程度的供磷不足现象,白浆层土壤有效磷含量严重 缺乏;施用有机肥能明显提高白浆土有效磷含量, 加速土壤本身磷的活化。吕家珑等用32p示踪研 究了土壤中磷的运移情况,得出了影响磷运移的因 素。常志州等(用15n示踪硏究了石油污染对土壤 氮素矿化和硝化作用的影响。乌山和伸等用,5n 同位素稀释法测定了水田土壤氮素的有机化和矿 化速度，结果表明，湿润土渍水后随时间的迁移， 矿化和有机化速度都随时间增大,培养的风干土， 虽然渍水后矿化速度

8、高，但随着时间的推移逐渐减 慢,有机化速度在实验期(4d)基本为定值；温度 对有机化速度影响不大/而矿化速度在温度的影响 下呈指数增加。3 土壤侵蚀示踪，37cs. 210pb和7be示踪技术已在土壤侵蚀研究 中得到广泛应用，并取得重要进展。3.1单一核素示踪，37cs是20世纪5070年代大气层核试验和核 泄漏产生的放射性同位素，半衰期为30.1 a。这种 同位素被释放进入平流层后，通常以沉降物的形式 随降水而导致它在全球的分布和沉降。当它进入土 壤后即被强烈地吸附于粘土矿物颗粒和有机质中, 不易通过化学迁移和作物吸收而损失，只随土壤颗 粒发生机械迁移,即土壤中，37cs的再分配(富集 或流

9、失)与土壤的堆积或流失密切相关,且该关系 可以定量化z叫某一土壤剖面处137cs的面密度 低于或高于当地137cs的本底值，一般表明该土壤 剖面处有侵蚀或堆积发生,根据137cs的流失量或 堆积量，可以定性分析或定量计算该处的土壤流失 量或堆积量。7be是一种宇宙射线成因的放射性核素,半衰 期为53.3 d。在一走区域范围内be散落地表的 输入量近于常量。通过干湿沉降到达地表后，被表 层土强烈吸附i。在土壤中的性质和迁移方式与 137cs相似,因此也可以用于土壤侵蚀的研究。现在, 7be已较好地运用于湖泊、海湾沉积物表层微粒混 合作用的示踪研究，它作为季节性环境微粒示踪剂 的可能性也已被证卿叫

10、2】°pb是自然环境中存在的天然放射性核素，半 衰期为22.3 a。2,0pb能和土壤紧密结合，在土壤侵 蚀研究中,主要用在沉积速率的测定及沉积年代的 示踪研究上3.2复合核素示踪，37cs特别适用于大面积的水土流失普查和土 壤侵蚀普查。7be由于其半衰期短，可用于短期内 土壤侵蚀研究。二者联合使用，互相弥补不足，可 准确地研究土壤侵蚀强度、侵蚀速率和侵蚀方式。 复合示踪技术目前是核素示踪领域的_大热点i。总之,137cs. 2,()pb和7be示踪法硏究土壤侵蚀 具有快速、简便、可靠的特点，应用前景广阔。但 是，随时间的流逝，这些同位素会逐渐减少。因而, 需要发现类似的可替代的同位

11、素。4有毒有害元素污染示踪从总体上看，同位素示踪技术在该领域的硏究 程度较上述领域低得多。尽管涉足的时间较早，但 由于同位素分析技术等方面的原因，进展缓慢。最 近几年，这一领域的研究进展较大。同位素示踪技 术可有效地区分土壤、水、大气、生物中污染物的 来源、运移途径，区分自然污染和人为污染，并判 别其污染程度；还可以监测长、短期的环境变化， 定量评价人为活动释放污染物对环境质量的相对 贡献影响“铁因此，同位素示踪技术在环境污染 研究中有巨大的潜力和优势。 4.1污染物质来源的判别铅同位素由于其质量大，外界条件的变化对其 组成的影响很小。因此，铅同位素组成具有明显的 指纹"特征污染物质

12、与其源区的铅同位素 组成一致,可用其研究污染来源。pb同位素的组成 变化不仅遵循放射性衰变规律,而且还与其形成环 境有关。由于现有不同的环境介质的物质来源、成 因机制、形成环境及形成时间不一，因而就具有不 同的同位素标记特征。因此，环境物质的铅同位素 组成、环境信息、混合模型和源区参数的有机结合, 可强有力的示踪环境物质来源和运移规律”)。charalampides等曲用pb同位素作示踪剂硏究 了希腊一个农村地区的pb污染来源。通过分析当 地作物、土壤、大气以及希腊、澳大利亚、欧洲汽 油中yv(206pb)/vv严pb)的比值結果表明作物吸收的 铅主要来自大气污染物，并且推断它是从澳大利亚 运

13、移过来的。hansmann等阴用pb同位素作为土壤 污染物中的示踪剂，研究了瑞士国家公园和苏黎世 人口密集的北部地区的土壤污染情况。发现污染渗 透可达到2030 cm的深度；人类活动的pb净输入 量，公园土壤中大约为2.2 g/m2 ,苏黎世北部的土 壤中为15.7-17.5 g/m2o朱赖民等口利用pb同位素 示踪率先硏究了北极楚科奇海海洋大气中铅的可 能来源。通过与美国西部、加拿大的典型工业气溶 胶的严pb)/w严pb)比值、前苏联地表含铅矿物和 工业排放物中vv(206pb)/vv严pb)比值以及西欧诸国 使用的石油中的vv(206pb)/yp(207pb)bt值的比较，认为 此处大气中

14、铅可能是加拿大和前苏联工业释放的， 也可能是美国西部工业活动和海洋释放的铅。s1同 位素与pb同位素类似，也可用作环境污染的指示 iji,6|o vv(87sr)/vv(86sr)的比值可用来监测土壤植物 系统的污染，土样、煤飞灰中sr同位素质量分数比 值可指示煤飞灰在土壤中的分布、转移。因为，煤 飞灰中的sr旦进入土壤就极易被植物所吸收。 4.2污染历史示踪对沉积物、水、土壤、生物中铅同位素组成的 精细研究，可以查明不同时期污染的来源、强度， 从而探索环境污染随时间的变化规律。tommasin 等四用树木年轮中的铅同位素组成作为重金属污 染的生物地球化学指示剂，研究了 1950-1995年间

15、 的pb污染情况，发现树木年轮中pb同位素组成能 很好地指示重金属污染的历史。bellis等创研究发 现/树皮夹缝(bark pocket)中pb同位素组成也可 以作为环境污染的历史见证。4.3污染元素在土-水气-植物中迁移、转化示踪在环境地球化学研究中，特别是模拟实验中， 为了追踪分析元素在各种环境要素中的分布、分配 和迁移过程，常选择适当的放射性同位素作为示踪 剂,加入模拟系统中,然后测定它们的浓度在各要 素中随时间和空间的变化，以及在上述过程中的吸 收系数、解吸系数、扩散系数、累积系数等重要参 数,为环境评价提供重要依据i罗达玲等3用i作为示踪剂，研究了碘在土 壤-植物(白菜)间的转移系

16、数,发现它与季节、气 温、空气湿度变化有关。ciuffo等创在意大利一 个半天然草原上研究了 ®cs和40k从土壤到植物 的转移,发现高活性的，37cs存在于土壤表层，达 到10 cm深度时，就降彳氐一个数量级，40k与此相 反；尽管土壤中137cs的活性完全一致，但草样中 却大不相同。內cs的转移因数变化较大，而4°k的 转移因数变化较小；转移因数与土壤中核素的活性 无关。malek等回忧较了两个受切尔诺贝利事故污 染地区的植物经由三种方式(叶吸收、根吸收和污 染物粘附在叶表面)对9°sr和,37cs的吸收情况， 结果表明，放射性核素被吸附到土壤颗粒上时，sr

17、的可利用性比cs的高几个数量级；对sr而言，叶 子吸收系数比根吸收系数大；通过食物链循环，人 体内的9°sr累积效应大于137cso离事故点较远的地 区，核素在植物中的活度、植物的吸收率、人体内 累积效应剂量与离事故点较近的地区相反cs sro fircks等旳研究了 137cs和90sr在切尔诺贝利 事故污染区所种植的salix viminalis植物中的吸收 和分布情况。研究结果表明，9°sr在叶中的活度最 高，而，37cs在毛细根中的活度最高，并且，叶中 137cs和90sr的活度随季节而变化;土壤中钾肥的可 利用性对植物中，37cs的活度影响很大，钾肥的可 利用性越

18、低，植物中，37cs的活度越大；,37cs从土 壤转移到植物茎中的转移系数较低。brambilla等血1 用cs、嗨、陀口作示踪剂，研究了西红柿生长 过程中这些元素从土壤到果实和从叶到果实的迁 移过程。发现134cs从土壤到果实的转移系数比85sr 高两个数量级，比65zn高一个数量级，并且不同土 壤环境下迁移系数不同。cs主要在果实富集,85sr 主要在叶中富集，而"zn主要富集在茎中。他们ml 还利用同位素技术建立了这些核素从西红柿叶转 移到果实的动力学模型。史建君等i绚用，4'ce作为 示踪剂研究了放射性¥市在水-植物体系中行为及迁 移富集规律，发现水生植物对

19、水体中的，4，ce具有 较强的富集能力，其中金鱼藻的富集系数最高(可 达3473.7 ),金鱼藻可作为净化水体中放射性肺的 首选植物；底泥对于水体中的，4，ce也具有较强的 吸附和固着能力。4.4污染元素在动物有机体内的迁移累积示踪丰伟悦等用5,cr作为示踪剂通过灌胃方式 研究cr(iii)在wistar体内的代谢规律。他们发现铅 在雄性wistar体内的累积量次序是肝肌肉胰骨 骼肾；胰脏中铅的质量分数最高，表明胰脏可能 是体内铅的敏感器官；cr(iii)在大鼠体内吸收及在 组织脏器中的分布速率很快，在某些脏器及组织中 的蓄积稳定消除缓慢。labonne等】用 207pb作为示踪剂，研究了在贝

20、类动物(mytilus galloprovincialis )体系中 zn、cd、pb 的迁移富集 规律，发现贝类的壳、腮和消化腺对每种金属的吸 收动力学相似但各有特点。同位素示踪在土壤侵蚀、肥料的肥效、植物营 养元素在土壤植物间的分配、环境污染等方面已有 广泛的应用。同位素技术由于其特有的优点，今后 其应用前景将会更广阔。如果它与其他技术尤其是 高灵敏度的分析技术相结合，将会使它在环境污 染、农业科学等研究中发挥更大的作用。但是，由 于环境污染的历史久远，分布范围广泛，并且以同 位素为特征的污染源在时间上是变化的，因而利用 同位素技术追踪污染源在实际应用中还有待于进 一步发展和完善。参考文献

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