同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用
如何在生態(tài)和環(huán)境科學(xué)研究中運(yùn)用穩(wěn)定同位素？(From ibcas SELLER)
穩(wěn)定同位素技術(shù)的出現(xiàn)加深了生態(tài)學(xué)家對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的進(jìn)一步了解，使生態(tài)學(xué)家可以探討一些其它方法無(wú)法研究的問(wèn)題。正如現(xiàn)代分子生物技術(shù)大大地推動(dòng)了基因、生物化學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)的研究一樣，穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)生態(tài)學(xué)研究也已產(chǎn)生了重要的影響。通過(guò)使用穩(wěn)定性同位素技術(shù)，可以使生態(tài)學(xué)家測(cè)出許多隨時(shí)空變化的生態(tài)過(guò)程，同時(shí)又不會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)和元素的性質(zhì)造成干擾。在過(guò)去的十幾年中，一些生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的最令人矚目的進(jìn)步依賴于穩(wěn)定性同位素技術(shù)，穩(wěn)定性同位素能夠被用來(lái)解決生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的許多問(wèn)題。包括：
1.植物如何有效地利用水分（13C）
2.植物從土壤哪個(gè)層次獲得水分（18O, 2H）
3.植物通過(guò)氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-獲得氮素相對(duì)比率（15N）
4.如何確定土壤中碳和氮周轉(zhuǎn)速率（13C, 15N）
5.區(qū)分土壤呼吸釋放CO2的來(lái)源（植物根系或土壤微生物）（13C, 18O）
6.區(qū)分光合和呼吸對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換或NEE的相對(duì)貢獻(xiàn)（13C, 18O）
7.區(qū)分蒸騰和蒸發(fā)對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)水交換或蒸散（ET）的相對(duì)貢獻(xiàn)（2H, 18O）如何8.判定N2O的來(lái)源（硝化細(xì)菌或反硝化細(xì)菌）（15N, 18O）
9.確定食物網(wǎng)初級(jí)消費(fèi)者事物來(lái)源（13C, 34S）
10.確定食物鏈的長(zhǎng)度（15N）
11.如何確定空氣和水體污染物的來(lái)源（15N, 34S, 18O）
12.確定城市能源消耗對(duì)大氣CO2, CO和氮化物的貢獻(xiàn)(（13C, 15N, 18O）
13.判斷動(dòng)物如候鳥(niǎo)、蝴蝶等的遷徙路線（18O, 2H）
14.判定史前人類社會(huì)是否以谷物作為食物來(lái)源（13C）
15.確定植物的分布區(qū)域（15N, 18O, 2H）
與其它技術(shù)相比，穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于使得這些生態(tài)和環(huán)境科學(xué)問(wèn)題的研究能夠定量化并且是在沒(méi)有干擾（如沒(méi)有放射性同位素的環(huán)境危害）的情況下進(jìn)行。有些問(wèn)題還只能通過(guò)利用穩(wěn)定同位素技術(shù)來(lái)解決。例如，植物在光合作用傾向于吸收含有輕碳同位素（12C）的CO2，其吸收程度受有效水含量和光合途徑影響，水分有效性和光合途徑是干旱或濕潤(rùn)環(huán)境植物的重要特性。因此，植物13C組成能夠在時(shí)間尺度上整合反映植物的水分利用效率。通過(guò)測(cè)量植物莖水2H和18O組成，也能夠判定植物對(duì)表層水和深層水的依賴程度。另一方面，通過(guò)向土壤添加15NH4+，并監(jiān)測(cè)14NH4+對(duì)其稀釋速率，就能夠測(cè)定獨(dú)立于硝化和固持（NH4+消耗過(guò)程）之外的土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化速率。通過(guò)在原位添加富含15N的NH4+或NO3-，并監(jiān)測(cè)土壤中15N和14N，就能夠量化每種微生物轉(zhuǎn)化量。
穩(wěn)定同位素技術(shù)的出現(xiàn)加深了生態(tài)學(xué)家對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的進(jìn)一步了解，使生態(tài)學(xué)家可以探討一些其它方法無(wú)法研究的問(wèn)題。正如現(xiàn)代分子生物技術(shù)大大地推動(dòng)了基因、生物化學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)的研究一樣，穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)生態(tài)學(xué)研究也已產(chǎn)生了重要的影響。通過(guò)使用穩(wěn)定性同位素技術(shù)，可以使生態(tài)學(xué)家測(cè)出許多隨時(shí)空變化的生態(tài)過(guò)程，同時(shí)又不會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)和元素的性質(zhì)造成干擾。在過(guò)去的十幾年中，一些生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的最令人矚目的進(jìn)步依賴于穩(wěn)定性同位素技術(shù)，穩(wěn)定性同位素能夠被用來(lái)解決生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的許多問(wèn)題。包括：
1.植物如何有效地利用水分（13C）
2.植物從土壤哪個(gè)層次獲得水分（18O, 2H）
3.植物通過(guò)氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-獲得氮素相對(duì)比率（15N）
4.如何確定土壤中碳和氮周轉(zhuǎn)速率（13C, 15N）
5.區(qū)分土壤呼吸釋放CO2的來(lái)源（植物根系或土壤微生物）（13C, 18O）
6.區(qū)分光合和呼吸對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換或NEE的相對(duì)貢獻(xiàn)（13C, 18O）
7.區(qū)分蒸騰和蒸發(fā)對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)水交換或蒸散（ET）的相對(duì)貢獻(xiàn)（2H, 18O）如何8.判定N2O的來(lái)源（硝化細(xì)菌或反硝化細(xì)菌）（15N, 18O）
9.確定食物網(wǎng)初級(jí)消費(fèi)者事物來(lái)源（13C, 34S）
10.確定食物鏈的長(zhǎng)度（15N）
11.如何確定空氣和水體污染物的來(lái)源（15N, 34S, 18O）
12.確定城市能源消耗對(duì)大氣CO2, CO和氮化物的貢獻(xiàn)(（13C, 15N, 18O）
13.判斷動(dòng)物如候鳥(niǎo)、蝴蝶等的遷徙路線（18O, 2H）
14.判定史前人類社會(huì)是否以谷物作為食物來(lái)源（13C）
15.確定植物的分布區(qū)域（15N, 18O, 2H）
與其它技術(shù)相比，穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于使得這些生態(tài)和環(huán)境科學(xué)問(wèn)題的研究能夠定量化并且是在沒(méi)有干擾（如沒(méi)有放射性同位素的環(huán)境危害）的情況下進(jìn)行。有些問(wèn)題還只能通過(guò)利用穩(wěn)定同位素技術(shù)來(lái)解決。例如，植物在光合作用傾向于吸收含有輕碳同位素（12C）的CO2，其吸收程度受有效水含量和光合途徑影響，水分有效性和光合途徑是干旱或濕潤(rùn)環(huán)境植物的重要特性。因此，植物13C組成能夠在時(shí)間尺度上整合反映植物的水分利用效率。通過(guò)測(cè)量植物莖水2H和18O組成，也能夠判定植物對(duì)表層水和深層水的依賴程度。另一方面，通過(guò)向土壤添加15NH4+，并監(jiān)測(cè)14NH4+對(duì)其稀釋速率，就能夠測(cè)定獨(dú)立于硝化和固持（NH4+消耗過(guò)程）之外的土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化速率。通過(guò)在原位添加富含15N的NH4+或NO3-，并監(jiān)測(cè)土壤中15N和14N，就能夠量化每種微生物轉(zhuǎn)化量。
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