【精品論文】農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中同位素示蹤技術(shù)及發(fā)展趨勢

1、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中同位素示蹤技術(shù)及發(fā)展趨勢王平利，張成江水成都理工大學應用核技術(shù)與自動化工程學院，四川成都610059摘要：在土壤侵蝕硏究中，wes、2®b和?bc示蹤技術(shù)已得到廣泛應用，2i()pb主要用在沉積速率的測定及沉積年代的示蹤 研究上，晰cs特別適用于大面積的水土流失普查和土壤侵蝕普查/be用于短期內(nèi)土壤侵蝕研究。在土壤i巴效和植物營養(yǎng)元 素研究中，常用叱、32p和3及其化合物示蹤定量評價土壤養(yǎng)分，追蹤植物對養(yǎng)分的吸收、運轉(zhuǎn)、分配和代謝過程。在環(huán) 境污染方面,用重金屬如pb、hg、cd、zn等元素的同位素判別污染物質(zhì)來源，硏究污染歷史和污染元素在土-水氣-植物 中的遷移轉(zhuǎn)化以

2、及在動物有機體內(nèi)的遷移累積。文章綜述了同位素示蹤技術(shù)在上述方面的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。關鍵詞:同位素示蹤；農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；土壤侵蝕；土壤肥效；環(huán)境污染中圖分類號：x124文獻標識碼：a文章編號：1672-2175 ( 2003 ) 04-0512-04同位素示蹤是一種用同位素或其標記化合物 指示和追蹤相應元素或化合物在生物體及其環(huán)境 介質(zhì)中遷移、轉(zhuǎn)化和積累的方法。自從20世紀20 年代以來，同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中得到 了廣泛的應用和迅猛發(fā)展，對營養(yǎng)元素、有毒有害 元素在土壤-水大氣-生物中的遷移、轉(zhuǎn)換、累積規(guī) 律以及土壤的侵蝕、污染歷史等方面的硏究起了很 重要的作用，極大地推動了環(huán)境科學、

3、農(nóng)業(yè)科學以 及生命科學的發(fā)展，現(xiàn)已成為這幾門學科進行科學 研究的重要方法和工具之一。1農(nóng)業(yè)上常用的同位素放射性同位素和穩(wěn)定同位素都可作為同位素 示蹤劑川。放射性同位素示蹤中一般選取放射線能 量低、半衰期短、易探測的同位素。農(nóng)業(yè)上常用的 同位素列于表u表1農(nóng)業(yè)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 土壤肥力和植物營養(yǎng)示蹤同位素示蹤技術(shù)從發(fā)展開始就被應用于土壤 化學、土壤肥力和植物營養(yǎng)的研究。20世紀20年 代,g hevesy就用天然放射性同位素研究了豆科植 物對鉛的吸收并且進行了分析。在30年代，人們 掌握了人工生產(chǎn)放射性同位素技術(shù)和從天然同位 素中分離富集生產(chǎn)同位素技術(shù)后不久嚴p和15n等 示蹤核素標記肥料就被用于植物對養(yǎng)分的吸收和 運移規(guī)律的研究。40年代末用32p標記肥料測定了 在室溫和田間條件下作物對磷肥的利用率；用,5n 標記肥料測定生物固氮能力和作物氮肥利用率。 50-60年代，同位素技術(shù)被廣泛應用：在土壤和植 物研究中用同位素稀釋原理測定

5、了土壤中可交換 性及有效磷的含量；用,5n及其他放射性核素標記 化合物測定了土壤中各種有效養(yǎng)分的含量。70年代 發(fā)展了田間條件下測定生物固氮的“n示蹤方法。近一二十年來，隨著同位素分析技術(shù)的發(fā)展和 應用方法的改進，同位素示蹤技術(shù)已成為土壤科學 硏究中的重要手段。目前,同位素示蹤技術(shù)在土壤 科學和植物營養(yǎng)硏究中的應用可歸納為兩個方面：(1 )根據(jù)同位素稀釋原理進行養(yǎng)分的定量評 價，如土壤肥力評價,土壤可交換養(yǎng)分和對植物有 效養(yǎng)分的測定，肥料殘效、月巴料有效性和田間的生 物固氮力測定等。(2 )應用同位素標記的化合物追蹤植物對養(yǎng)分 的吸收、運轉(zhuǎn)、分配和代謝過程，如土壤中肥料養(yǎng) 分的命運，土壤養(yǎng)分的

6、移動和轉(zhuǎn)化過程。劉啟明等卩國應用穩(wěn)定碳同位素示蹤硏究了農(nóng) 林生態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中土壤有機質(zhì)的含量變化，用，3c 值探討了其中有機碳的遷移規(guī)律，并總結(jié)了其降解 速率和賦存規(guī)律。李君用同位素技術(shù)對不同磷肥 對土壤及作物的有效性進行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤中磷 的吸附及固定是較強的；在p2o5質(zhì)量分數(shù)達到52 mg/kg及酸性土壤上施用磷肥對作物沒有顯著的效 果，只能導致磷肥的浪費；在p2o5質(zhì)量分數(shù)只有 26 mg/kg及弱堿性土壤中施用不同磷肥均有顯著的 效果，可以增加磷月巴的植物利用率。馮固等用32p 示蹤研究了土壤磷素對不同作物生物有效性的差 異，結(jié)果表明，同一土壤條件下，種植玉米時土壤 供磷能力大于種植

7、棉花時的土壤供磷能力;由此指 出”評價土壤有效磷含量時,針對不同的作物要用 不同的指標。李法云等用32p示蹤研究了白漿土 中磷肥的利用率，結(jié)果表明，表層土壤表現(xiàn)出一定 程度的供磷不足現(xiàn)象,白漿層土壤有效磷含量嚴重 缺乏;施用有機肥能明顯提高白漿土有效磷含量, 加速土壤本身磷的活化。呂家瓏等用32p示蹤研 究了土壤中磷的運移情況,得出了影響磷運移的因 素。常志州等(用15n示蹤硏究了石油污染對土壤 氮素礦化和硝化作用的影響。烏山和伸等用,5n 同位素稀釋法測定了水田土壤氮素的有機化和礦 化速度，結(jié)果表明，濕潤土漬水后隨時間的遷移， 礦化和有機化速度都隨時間增大,培養(yǎng)的風干土， 雖然漬水后礦化速度

8、高，但隨著時間的推移逐漸減 慢,有機化速度在實驗期(4d)基本為定值；溫度 對有機化速度影響不大/而礦化速度在溫度的影響 下呈指數(shù)增加。3 土壤侵蝕示蹤，37cs. 210pb和7be示蹤技術(shù)已在土壤侵蝕研究 中得到廣泛應用，并取得重要進展。3.1單一核素示蹤，37cs是20世紀5070年代大氣層核試驗和核 泄漏產(chǎn)生的放射性同位素，半衰期為30.1 a。這種 同位素被釋放進入平流層后，通常以沉降物的形式 隨降水而導致它在全球的分布和沉降。當它進入土 壤后即被強烈地吸附于粘土礦物顆粒和有機質(zhì)中, 不易通過化學遷移和作物吸收而損失，只隨土壤顆 粒發(fā)生機械遷移,即土壤中，37cs的再分配(富集 或流

9、失)與土壤的堆積或流失密切相關,且該關系 可以定量化z叫某一土壤剖面處137cs的面密度 低于或高于當?shù)?37cs的本底值，一般表明該土壤 剖面處有侵蝕或堆積發(fā)生,根據(jù)137cs的流失量或 堆積量，可以定性分析或定量計算該處的土壤流失 量或堆積量。7be是一種宇宙射線成因的放射性核素,半衰 期為53.3 d。在一走區(qū)域范圍內(nèi)be散落地表的 輸入量近于常量。通過干濕沉降到達地表后，被表 層土強烈吸附i。在土壤中的性質(zhì)和遷移方式與 137cs相似,因此也可以用于土壤侵蝕的研究?，F(xiàn)在, 7be已較好地運用于湖泊、海灣沉積物表層微?；?合作用的示蹤研究，它作為季節(jié)性環(huán)境微粒示蹤劑 的可能性也已被證卿叫

10、2】°pb是自然環(huán)境中存在的天然放射性核素，半 衰期為22.3 a。2,0pb能和土壤緊密結(jié)合，在土壤侵 蝕研究中,主要用在沉積速率的測定及沉積年代的 示蹤研究上3.2復合核素示蹤，37cs特別適用于大面積的水土流失普查和土 壤侵蝕普查。7be由于其半衰期短，可用于短期內(nèi) 土壤侵蝕研究。二者聯(lián)合使用，互相彌補不足，可 準確地研究土壤侵蝕強度、侵蝕速率和侵蝕方式。 復合示蹤技術(shù)目前是核素示蹤領域的_大熱點i?？傊?137cs. 2,()pb和7be示蹤法硏究土壤侵蝕 具有快速、簡便、可靠的特點，應用前景廣闊。但 是，隨時間的流逝，這些同位素會逐漸減少。因而, 需要發(fā)現(xiàn)類似的可替代的同位

11、素。4有毒有害元素污染示蹤從總體上看，同位素示蹤技術(shù)在該領域的硏究 程度較上述領域低得多。盡管涉足的時間較早，但 由于同位素分析技術(shù)等方面的原因，進展緩慢。最 近幾年，這一領域的研究進展較大。同位素示蹤技 術(shù)可有效地區(qū)分土壤、水、大氣、生物中污染物的 來源、運移途徑，區(qū)分自然污染和人為污染，并判 別其污染程度；還可以監(jiān)測長、短期的環(huán)境變化， 定量評價人為活動釋放污染物對環(huán)境質(zhì)量的相對 貢獻影響“鐵因此，同位素示蹤技術(shù)在環(huán)境污染 研究中有巨大的潛力和優(yōu)勢。 4.1污染物質(zhì)來源的判別鉛同位素由于其質(zhì)量大，外界條件的變化對其 組成的影響很小。因此，鉛同位素組成具有明顯的 指紋"特征污染物質(zhì)

12、與其源區(qū)的鉛同位素 組成一致,可用其研究污染來源。pb同位素的組成 變化不僅遵循放射性衰變規(guī)律,而且還與其形成環(huán) 境有關。由于現(xiàn)有不同的環(huán)境介質(zhì)的物質(zhì)來源、成 因機制、形成環(huán)境及形成時間不一，因而就具有不 同的同位素標記特征。因此，環(huán)境物質(zhì)的鉛同位素 組成、環(huán)境信息、混合模型和源區(qū)參數(shù)的有機結(jié)合, 可強有力的示蹤環(huán)境物質(zhì)來源和運移規(guī)律”)。charalampides等曲用pb同位素作示蹤劑硏究 了希臘一個農(nóng)村地區(qū)的pb污染來源。通過分析當 地作物、土壤、大氣以及希臘、澳大利亞、歐洲汽 油中yv(206pb)/vv嚴pb)的比值結(jié)果表明作物吸收的 鉛主要來自大氣污染物，并且推斷它是從澳大利亞 運

13、移過來的。hansmann等陰用pb同位素作為土壤 污染物中的示蹤劑，研究了瑞士國家公園和蘇黎世 人口密集的北部地區(qū)的土壤污染情況。發(fā)現(xiàn)污染滲 透可達到2030 cm的深度；人類活動的pb凈輸入 量，公園土壤中大約為2.2 g/m2 ,蘇黎世北部的土 壤中為15.7-17.5 g/m2o朱賴民等口利用pb同位素 示蹤率先硏究了北極楚科奇海海洋大氣中鉛的可 能來源。通過與美國西部、加拿大的典型工業(yè)氣溶 膠的嚴pb)/w嚴pb)比值、前蘇聯(lián)地表含鉛礦物和 工業(yè)排放物中vv(206pb)/vv嚴pb)比值以及西歐諸國 使用的石油中的vv(206pb)/yp(207pb)bt值的比較，認為 此處大氣中

14、鉛可能是加拿大和前蘇聯(lián)工業(yè)釋放的， 也可能是美國西部工業(yè)活動和海洋釋放的鉛。s1同 位素與pb同位素類似，也可用作環(huán)境污染的指示 iji,6|o vv(87sr)/vv(86sr)的比值可用來監(jiān)測土壤植物 系統(tǒng)的污染，土樣、煤飛灰中sr同位素質(zhì)量分數(shù)比 值可指示煤飛灰在土壤中的分布、轉(zhuǎn)移。因為，煤 飛灰中的sr旦進入土壤就極易被植物所吸收。 4.2污染歷史示蹤對沉積物、水、土壤、生物中鉛同位素組成的 精細研究，可以查明不同時期污染的來源、強度， 從而探索環(huán)境污染隨時間的變化規(guī)律。tommasin 等四用樹木年輪中的鉛同位素組成作為重金屬污 染的生物地球化學指示劑，研究了 1950-1995年間

15、 的pb污染情況，發(fā)現(xiàn)樹木年輪中pb同位素組成能 很好地指示重金屬污染的歷史。bellis等創(chuàng)研究發(fā) 現(xiàn)/樹皮夾縫(bark pocket)中pb同位素組成也可 以作為環(huán)境污染的歷史見證。4.3污染元素在土-水氣-植物中遷移、轉(zhuǎn)化示蹤在環(huán)境地球化學研究中，特別是模擬實驗中， 為了追蹤分析元素在各種環(huán)境要素中的分布、分配 和遷移過程，常選擇適當?shù)姆派湫酝凰刈鳛槭聚?劑,加入模擬系統(tǒng)中,然后測定它們的濃度在各要 素中隨時間和空間的變化，以及在上述過程中的吸 收系數(shù)、解吸系數(shù)、擴散系數(shù)、累積系數(shù)等重要參 數(shù),為環(huán)境評價提供重要依據(jù)i羅達玲等3用i作為示蹤劑，研究了碘在土 壤-植物(白菜)間的轉(zhuǎn)移系

16、數(shù),發(fā)現(xiàn)它與季節(jié)、氣 溫、空氣濕度變化有關。ciuffo等創(chuàng)在意大利一 個半天然草原上研究了 ®cs和40k從土壤到植物 的轉(zhuǎn)移,發(fā)現(xiàn)高活性的，37cs存在于土壤表層，達 到10 cm深度時，就降彳氐一個數(shù)量級，40k與此相 反；盡管土壤中137cs的活性完全一致，但草樣中 卻大不相同。內(nèi)cs的轉(zhuǎn)移因數(shù)變化較大，而4°k的 轉(zhuǎn)移因數(shù)變化較??；轉(zhuǎn)移因數(shù)與土壤中核素的活性 無關。malek等回憂較了兩個受切爾諾貝利事故污 染地區(qū)的植物經(jīng)由三種方式(葉吸收、根吸收和污 染物粘附在葉表面)對9°sr和,37cs的吸收情況， 結(jié)果表明，放射性核素被吸附到土壤顆粒上時，sr

17、的可利用性比cs的高幾個數(shù)量級；對sr而言，葉 子吸收系數(shù)比根吸收系數(shù)大；通過食物鏈循環(huán)，人 體內(nèi)的9°sr累積效應大于137cso離事故點較遠的地 區(qū)，核素在植物中的活度、植物的吸收率、人體內(nèi) 累積效應劑量與離事故點較近的地區(qū)相反cs sro fircks等旳研究了 137cs和90sr在切爾諾貝利 事故污染區(qū)所種植的salix viminalis植物中的吸收 和分布情況。研究結(jié)果表明，9°sr在葉中的活度最 高，而，37cs在毛細根中的活度最高，并且，葉中 137cs和90sr的活度隨季節(jié)而變化;土壤中鉀肥的可 利用性對植物中，37cs的活度影響很大，鉀肥的可 利用性越

18、低，植物中，37cs的活度越大；,37cs從土 壤轉(zhuǎn)移到植物莖中的轉(zhuǎn)移系數(shù)較低。brambilla等血1 用cs、嗨、陀口作示蹤劑，研究了西紅柿生長 過程中這些元素從土壤到果實和從葉到果實的遷 移過程。發(fā)現(xiàn)134cs從土壤到果實的轉(zhuǎn)移系數(shù)比85sr 高兩個數(shù)量級，比65zn高一個數(shù)量級，并且不同土 壤環(huán)境下遷移系數(shù)不同。cs主要在果實富集,85sr 主要在葉中富集，而"zn主要富集在莖中。他們ml 還利用同位素技術(shù)建立了這些核素從西紅柿葉轉(zhuǎn) 移到果實的動力學模型。史建君等i絢用，4'ce作為 示蹤劑研究了放射性¥市在水-植物體系中行為及遷 移富集規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水生植物對

19、水體中的，4，ce具有 較強的富集能力，其中金魚藻的富集系數(shù)最高(可 達3473.7 ),金魚藻可作為凈化水體中放射性肺的 首選植物；底泥對于水體中的，4，ce也具有較強的 吸附和固著能力。4.4污染元素在動物有機體內(nèi)的遷移累積示蹤豐偉悅等用5,cr作為示蹤劑通過灌胃方式 研究cr(iii)在wistar體內(nèi)的代謝規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)鉛 在雄性wistar體內(nèi)的累積量次序是肝肌肉胰骨 骼腎；胰臟中鉛的質(zhì)量分數(shù)最高，表明胰臟可能 是體內(nèi)鉛的敏感器官；cr(iii)在大鼠體內(nèi)吸收及在 組織臟器中的分布速率很快，在某些臟器及組織中 的蓄積穩(wěn)定消除緩慢。labonne等】用 207pb作為示蹤劑，研究了在貝

20、類動物(mytilus galloprovincialis )體系中 zn、cd、pb 的遷移富集 規(guī)律，發(fā)現(xiàn)貝類的殼、腮和消化腺對每種金屬的吸 收動力學相似但各有特點。同位素示蹤在土壤侵蝕、肥料的肥效、植物營 養(yǎng)元素在土壤植物間的分配、環(huán)境污染等方面已有 廣泛的應用。同位素技術(shù)由于其特有的優(yōu)點，今后 其應用前景將會更廣闊。如果它與其他技術(shù)尤其是 高靈敏度的分析技術(shù)相結(jié)合，將會使它在環(huán)境污 染、農(nóng)業(yè)科學等研究中發(fā)揮更大的作用。但是，由 于環(huán)境污染的歷史久遠，分布范圍廣泛，并且以同 位素為特征的污染源在時間上是變化的，因而利用 同位素技術(shù)追蹤污染源在實際應用中還有待于進 一步發(fā)展和完善。參考文獻

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