什么是穩(wěn)定同位素？

　　由于原子核所含有的中子數(shù)不同，具有相同質(zhì)子數(shù)的原子具有不同的質(zhì)量，這些原子被稱為同位素。例如，碳的3個(gè)主要同位素分別為¹²C、¹³C和¹⁴C，它們都有6個(gè)質(zhì)子和六個(gè)電子，但中子數(shù)則分別為6、7和8。與質(zhì)子相比，含有太多或太少中子均會(huì)導(dǎo)致同位素的不穩(wěn)定性，如¹⁴C。這些不穩(wěn)定的“放射性同位素”將會(huì)衰變成穩(wěn)定同位素。而¹²C和¹³C則因?yàn)橘|(zhì)子和中子所*的穩(wěn)定結(jié)合，不發(fā)生衰變，即為穩(wěn)定同位素。

穩(wěn)定同位素含量如何測(cè)量？

　　在生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究中的是碳、氮、硫、氧和氫的穩(wěn)定同位素，這些穩(wěn)定性同位素可以通過氣體同位素比率質(zhì)譜分析法測(cè)得。首先將樣品轉(zhuǎn)化成氣體（如CO₂，N₂，SO₂或H₂），在離子源中將氣體分子離子化（從每個(gè)分子中剝離一個(gè)電子，導(dǎo)致每個(gè)分子帶有一個(gè)正電荷），接著將離子化氣體打入飛行管中。飛行管是彎曲的，磁鐵置于其上方，帶電分子依質(zhì)量不同而分離，含有重同位素的分子彎曲程度小于含輕同位素的分子。在飛行管的末端有一個(gè)法拉第收集器，用以測(cè)量經(jīng)過磁體分離之后，具有特定質(zhì)量的離子束強(qiáng)度。

　　以CO₂為例，需要有三個(gè)法拉第收集器來收集質(zhì)量分別為44、45和46的離子束。不同質(zhì)量離子同時(shí)收集，從而可以精確測(cè)定不同質(zhì)量離子之間的比率。

　　圖 CO₂的三個(gè)最常見質(zhì)量——44（¹²C,¹⁶O,¹⁶O）、45（¹³C,¹⁶O,¹⁶O）和46（¹²C,¹⁸O,¹⁶O）在質(zhì)譜儀飛行管中的分布圖。進(jìn)入飛行管的CO₂在通過離子源時(shí)，每個(gè)分子都被剝離一個(gè)電子，形成帶正電的離子。

　　在飛行管中，磁場(chǎng)導(dǎo)致離子發(fā)生偏離，偏離半徑與離子的質(zhì)量/電荷比率成比例。重離子比輕離子偏離小（偏離半徑大）。以CO₂為例，質(zhì)量為46的離子偏離半徑最大，質(zhì)量為44的離子偏離半徑最小，質(zhì)量為45的離子則介于兩者之間。電荷也會(huì)影響偏離半徑，但對(duì)于絕大多數(shù)分子而言，由于離子源僅剝離一個(gè)電子，因此，離子電荷數(shù)基本是恒定的。

　　穩(wěn)定同位素豐度表示為樣品中兩種含量最多同位素比率與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中響應(yīng)比率之間的比值，用符號(hào)（δ）表示。由于樣品與標(biāo)準(zhǔn)參照物之間比率差異較小，所以穩(wěn)定同位素豐度表示為樣品與標(biāo)準(zhǔn)之間偏差的千分?jǐn)?shù)。以碳為例：

δ¹³C_樣品 ；= {(¹³C/¹²C_樣品) / (¹³C/¹²C ；_{標(biāo)準(zhǔn)})  -1} x 1000

　　標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的穩(wěn)定同位素豐度被定義為0‰。以碳為例，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為Pee Dee Belemnite，一種碳酸鹽物質(zhì)，其普遍*的同位素絕對(duì)比率（¹³C/¹²C）為0.0112372。如果某種物質(zhì)的¹³C/¹²C比率>；0.0112372，則具有正值；若其13C/12C比率<；0.0112372，則具有負(fù)值。下表列出了5種環(huán)境穩(wěn)定同位素的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及其絕對(duì)同位素比率。氧和氫等穩(wěn)定同位素具有多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

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？

　　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法研究的問題。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解決生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的許多問題。 包括：

植物如何有效地利用水分（¹³C）？
植物從土壤哪個(gè)層次獲得水分（¹⁸O, ²H）？
植物通過氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-獲得氮素相對(duì)比率（¹⁵N）？
如何確定土壤中碳和氮周轉(zhuǎn)速率（¹³C, ¹⁵N）？
區(qū)分土壤呼吸釋放CO2的來源（植物根系或土壤微生物）（¹³C, ¹⁸O）
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）
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）
如何判定N2O的來源（硝化細(xì)菌或反硝化細(xì)菌）¹⁵N, ¹⁸O）?
確定食物網(wǎng)初級(jí)消費(fèi)者事物來源（¹³C, ³⁴S）
確定食物鏈的長(zhǎng)度（¹⁵N）
如何確定空氣和水體污染物的來源（¹⁵N, ³⁴S, ¹⁸O）
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）
判斷動(dòng)物如候鳥、蝴蝶等的遷徙路線（¹⁸O, ²H）
判定人類社會(huì)是否以谷物作為食物來源（¹³C）
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)問題的研究能夠定量化并且是在沒有干擾（如沒有放射性同位素的環(huán)境危害）的情況下進(jìn)行。有些問題還只能通過利用穩(wěn)定同位素技術(shù)來解決。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⁺消耗過程）之外的土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化速率。通過在原位添加富含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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