稳定碳同位素在滨海湿地碳生物地球化学循环中的应用*
陈 菀 郗 敏 李 悦**
孔范龙 孔凡亭
(青岛大学化学化工与环境学院,山东青岛266071)
摘 要 碳作为滨海湿地中重要的生命元素,其生物地球化学循环过程是滨海湿地研究的核心内容之一三稳定同位素技术越来越多地被应用到滨海湿地碳生物地球化学循环过程的研究中,提高了其研究水平,并推动了其研究的进程三本文从有机物质生产二土壤有机质来源二食物链传递二温室气体排放以及可溶性有机碳输出5个方面,综述了滨海湿地碳生物地球化学循环过程的稳定同位素研究进展三通过植物及土壤δ13C 值的测定进行有机质的生产机理研究及外源追溯,通过对比各生物种群的δ13C 值分析碳在生态系统中的流动过程,通过湿地排放温室气体及可溶性有机碳δ13C 值的测定揭示影响碳输出的环境因子三最后,文章总结了当前研究中存在的问题,并对其研究前景进行了展望三关键词 生物地球化学;稳定同位素;滨海湿地;碳循环
中图分类号 P597;X142 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2013)6-1613-07Applications of stable carbon isotope to the studies of carbon biogeochemical cycle in coast?al wetland :A review.CHEN Wan,XI Min,LI Yue **,KONG Fan?long,KONG Fan?ting (College of Chemical and Environmental Engineering ,Qingdao University ,Qingdao 266071,Shandong ,China ).Chinese Journal of Ecology ,2013,32(6):1613-1619.
Abstract :Carbon is an important element of life,and its biogeochemical cycle is one of the core contents in the study of coastal wetland.Stable isotope technique is more and more applied in this domain,having improved the research level and promoted the research progress.This paper sum?marized the advances in the stable isotope research on the carbon biogeochemical cycle in coastal wetland from the aspects of organic matter production,soil organic matter traceability,transfer?ring process of food chain,greenhouse gases emission,and dissolved organic carbon output.The mechanisms and extraneous sources of organic matter production are investigated by the measure?ment of plant?and soil δ13C values,the carbon flow in the wetland ecosystem is analyzed through the comparison of the δ13C values of various species,and the environmental factors affecting the carbon output of wetland ecosystem are revealed via the measurement of the δ13C values of emit?ted greenhouse gases and dissolved organic carbon.By the end of this paper,the existing prob?lems and the future directions of related studies were discussed and prospected.Key words :biogeochemistry;stable isotope;coastal wetland;carbon cycle.
*国家自然科学基金项目(41101080)二山东省自然科学基金项目(ZR2011QD009)二山东省高等学校科技计划项目(J12LC04)和青岛市公共领域科技支撑计划项目(12?1?3?71?nsh)资助三**通讯作者E?mail:qdenv@https://www.doczj.com/doc/3d1573608.html,
收稿日期:2012?09?06 接受日期:2013?02?07
生物地球化学循环是指各种化学元素在不同层
次二不同大小的生态系统内,乃至生物圈里,沿着特定的途径从环境到生物体,又从生物体再回到环境,不断地进行着流动和循环的过程(熊汉锋和王运
华,2005)三碳元素在湿地中的生物地球化学循环过程可以简单地描述为初级生产者进行有机物质的生产,形成生物量的积累,然后通过食物链,经微生物分解排放到大气中(王红晋等,2006)三通常,自然湿地分为内陆湿地和滨海湿地两大类,滨海湿地作为海陆过渡带,是一个多功能的复杂生态系统,与周边生态系统间物质交换频繁,从而滨海湿地碳生物地球化学循环过程的研究工作存在许多困难(张
生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2013,32(6):1613-1619
晓龙等,2005;周俊丽,2005)三稳定同位素技术作为一项日渐成熟的新兴技术,在很大程度上推动了滨海湿地碳生物地球化学循环过程的研究进程三稳定同位素技术的应用包括两个方面:自然丰度测定和同位素示踪三稳定同位素在自然界中各种生物地球化学过程中产生的丰度变化是由分馏效应造成的,从而导致不同物质或同一物质内部不同部分的同位素分布不均匀,通过自然丰度的测定可以判别这种差异;稳定同位素示踪法是把富集或贫化的稳定性同位素制成所需的标记化合物作示踪剂,将其施入待检测对象,追踪标记物在生命活动中的变化规律(曹芳和毛治超,2010;林光辉,2010)三随着稳定同位素技术的逐步完善,稳定同位素在滨海湿地碳生物地球化学循环过程中的应用也越来越广泛(Yakir&Sternberg,2000;董子为等,2009;Sun et al.,2011)三
本文主要从有机物质生产二土壤有机质来源二食物链传递二温室气体排放以及可溶性有机碳输出5个方面,概述了滨海湿地碳生物地球化学循环过程的稳定同位素研究进展,提出了研究中需考虑的几个问题,为滨海湿地碳生物地球化学循环的进一步研究提供参考三
1 有机物质生产和土壤有机质来源的稳定同位素
1.1 有机物质生产
滨海湿地进行有机物质生产的初级生产者即具有光合作用能力的植物三CO2通过植物光合作用转化为自身的生物量而进入滨海湿地生态系统中,最终达到固碳的目的(Bondavalli et al.,2000;郭雪莲等,2007)三滨海湿地有机质生产的稳定同位素研究主要集中于植物光合作用过程中的稳定碳同位素分馏效应的研究三
不同光合作用类型植物的稳定碳同位素分馏效应不同,从而植物体内δ13C值不同三由于不同的光合途径,C4植物吸收的CO2效率较高,所以其体内13C同位素含量较C3植物更高一些(沙晨燕等, 2011)三一般陆生C3植物的δ13C值范围在-23‰~ -34‰,C4植物的δ13C值范围在-9‰~-17‰,CAM 植物的δ13C值处于二者之间(郑永飞和陈江峰, 2000)三滨海湿地植物的δ13C值基本在上述范围之内三王伟伟(2011)对长江口潮滩湿地植物调查发现,该区C3植物的δ13C值范围是-24.3‰~ -30.0‰,C4植物的δ13C值范围是-12.3‰~-14.6‰,包括浮游植物与底栖藻类在内的藻类植物的δ13C值范围是-15.7%~-22.8‰三Cloern等(2002)对旧金山海湾盐沼湿地的868种水生和陆生植物进行了调查,发现C4盐沼植物的δ13C值为-12.8‰~-17.7‰,C3盐沼植物的δ13C值为-22.1‰~-31.3‰三滨海湿地生态系统具有高度多样性,不同种类的植物交替生长,测定植物的δ13C 值有助于调查滨海湿地中的植被类型,这对于研究滨海湿地区域碳输入及生态系统的碳库组成具有重要的意义三丁喜贵等(2011)在2006 2009年对黄河三角洲的植被进行了稳定碳同位素调查,发现该研究区生态系统以喜湿的C3植被类型为主,同时也生长少量的C4植物三薛博(2007)对漳江口红树林湿地的主要优势植物进行了δ13C值测定,结果显示,该湿地内3种主要红树林植物秋茄二白骨壤和桐花树叶片δ13C平均值分别为-29.50‰二-29.97‰和-29.98‰,是典型的C3植物三
植物光合作用的稳定碳同位素分馏除了受光合作用类型的影响外,还直接或间接地受到生长环境的影响(韩兴国等,2000)三杨盛昌等(1996)对红树林光合作用的研究发现,红树植物的光合作用受盐分二光照二季节变化等环境因子的影响三不同生长环境能够影响滨海湿地有机物质的生产,调查研究不同环境条件下植物δ13C值的差异可以更好地了解植物光合作用进行有机质生产过程中对外界环境要素的响应机制三由于滨海湿地是受海洋影响产生的特殊生态环境,盐分胁迫是滨海湿地区别于内陆淡水湿地及其他生态系统的特殊环境因子三对许多植物的研究结果显示其δ13C值与盐分梯度显著正相关(Winter&Holtum,2005;Jiang et al.,2006),同时在滨海湿地红树林物种中也观察到了δ13C值随盐分的增加而变重的现象(Kao et al.,2001;Sobrado, 2005;Wei et al.,2008)三如,Sobrado(2005)对不同盐度下红树植物Laguncularia racemosa叶片δ13C值的研究结果显示,盐分从15‰增加到30‰,植物δ13C值明显变重,Kao等(2001)对秋茄的研究也发现植物叶片的δ13C值随盐度的增加而变重三这可能是由于盐分胁迫诱导了某些C3植物光合途径转换为C4代谢或CAM代谢,从而使植物的δ13C值增大(韦莉莉等,2008)三此外,盐分环境对植物δ13C 值影响的另一个方面是:盐分胁迫通过抑制植物叶片的气孔导度二光合作用二蒸腾效率等一系列生理反应而对13C产生歧视,使植物组织的13C含量降低,
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滨海湿地处于陆地和海洋相互作用的界面,大
量陆源相二海源相和自生相有机质在滨海湿地土壤
混合堆积三不同来源有机质的稳定同位素组成特征
存在着显著差异,因而能够通过分析沉积物及陆源
相二海源相和自生相等有机质的δ13C值来推断滨海湿地土壤有机质的来源三高建华等(2005)对苏北
潮滩湿地表层沉积物以及不同生态带柱状沉积物与
植被中的δ13C值进行分析,发现光滩以及光滩和互花米草滩过渡带内表层沉积物中的δ13C值和海水中的浮游植物以及藻类的δ13C值比较接近,说明其物源以海源为主三余婕(2008)结合地球化学分析测试与同位素示踪等方法,调查研究了长江口潮滩湿地有机质来源,发现南岸边滩沉积有机质的δ13C 值从淡水区到咸水区逐渐变重,显示出有机质由混合程度不同的海源和河源输入三
由于滨海湿地土壤有机质的输入受河流入海径
流量和泥沙含量的绝对控制,从而导致其稳定碳同
位素明显季节性变化现象三例如,余婕(2008)对崇
明东滩有机质来源的定量研究发现,有机质中稳定
碳同位素表现出冬季陆源输入偏重而夏季海源输入
偏重的现象三此外,许多研究都发现,人类活动也能
对滨海湿地土壤有机质产生影响三Wang等(2004)
研究了4个美国河口高分子溶解有机质的碳二氮同
位素组成,发现污水的输入可能使有机质的δ13C值偏小,这是由于污水的δ13C值往往偏负,其输入会使悬浮颗粒有机质的δ13C值降低,从而影响土壤有机质(Sweeney et al.,1980;van Dover et al.,1992)三Thien等(2010)对人类活动和气候变化下的哈德逊河潮汐沼泽湿地进行了研究,观察到土壤沉积层δ13C值剧烈的波动,反映了加剧的农业活动对湿地土壤有机质产生了极其复杂的影响三
2 食物链传递的稳定同位素
碳元素通过食物链的传递在生命体中进行流
动三在滨海湿地生态系统中,各生物种群间的摄食
关系二食物网及营养级结构是一个难题,而稳定同位
素方法为这一难题的研究提供了新的手段(陈玲和的食物来源,并利用IsoSource软件进行分析,发现有机碎屑对尼罗罗非鱼食物组成的贡献比例超过
50%,同时红树植物二盐沼植物和浮游植物也是尼罗罗非鱼消化食物的组成部分三Abrantes等(2008)对一个热带河口湿地水生食物网进行了稳定同位素分析,发现一些鱼类和无脊椎物种的主要食源是红树和盐沼植物三可见,植物是滨海湿地食物网中鱼类的主要食源,但许多研究发现,植物并不是滨海湿地底栖动物的主要食源(Page&Lastra,2003;余婕, 2008;Mazumder&Saintilan,2010)三余婕(2008)对长江口盐沼湿地食物网进行的δ13C值分析表明,湿地优势植物的活植物体不是大型底栖动物的主要食源,大部分底栖消费者的食物基础是沉积有机质,这与国外学者的研究一致三Mazumder和Saintilan (2010)用δ13C值分析确定了澳大利亚红树林的一种蟹类的主要食源不是红树林树叶,而是底栖有机物质三Page等(2003)对Ría de Arosa潮间带双壳类进行食源分析也发现其主要食源是底栖生物,如底栖微藻等三
通过测定滨海湿地生态系统中不同生物的δ13C 值能测定食物网结构和生物营养级,稳定碳同位素法营养级计算公式为:TL=(δ13C consumer-δ13C baseline)/δ13C+2,式中,δ13C consumer为消费者的稳定碳同位素比值,δ13C baseline为该系统的同位素基线值,δ13C为消费者与其食物间的同位素营养富集度(Cabana&Ras?mussen,1996)三Mazumder等(2011)测定了从澳大利亚新南威尔士州博尼特湾的Towra Point自然保护区红树林二盐沼湿地和海草生境收集的不同生态系统组分的δ13C值,在对营养级进行了计算的基础上建立了生境和物种二捕食者和被捕食者间营养结构模型三在分析食物网及营养级结构时,通常结合碳二氮稳定同位素来进行测定和分析三Doi等(2005)用碳二氮稳定同位素对Kitakami River河口生态系统进行了食物网的研究三蔡德陵等(2001, 2005)对崂山湾水体和潮间带食物网结构进行了碳二氮稳定同位素研究,并建立了黄东海水体食物网连续营养谱,勾勒出黄东海食物网营养结构图三
3 温室气体排放和可溶性有机碳输出的稳定碳同位素
3.1 温室气体排放
碳的输出大部分以CH4二CO2等温室气体的形式释放到大气中(杨青和吕宪国,1999;李兆富等, 2003;宋长春等,2003),这是滨海湿地碳排放的主要途径三稳定碳同位素法在CO2排放中的作用主要用于区分土壤呼吸各组分贡献率的大小三滨海湿地CO2的排放主要来自于土壤呼吸,包括土壤的异氧呼吸和植物根系的自养呼吸,这两个生物呼吸过程的稳定同位素分馏效应很低,各自产生CO2的δ13C 值与各自的呼吸底物几乎相同,由各自呼吸所释放CO2的δ13C含量的差别可区分土壤异氧呼吸和植物根系自养呼吸对生态系统呼吸通量的贡献(Roch?ette et al.,1999;刘启明等,2002;沙晨燕等,2011)三许多研究表明,土壤呼吸释放的CO2中约30%~ 50%来自植物根系自养呼吸,其余部分主要源于土壤异氧呼吸(郑兴波等,2005;岳保静等,2011)三在S含量丰富的滨海湿地,S循环能影响CO2的排放(白军红等,2002),Howes等(1984)发现,S的发酵还原反应能力能促使咸水湿地中的有机碳向CO2转化,Valiela(1984)发现,氧化剂硫酸盐能将CH2氧化为CO2三滨海湿地CO2排放的稳定同位素研究比较薄弱,需要进行进一步的探索,尤其是长期升高的大气CO2浓度对滨海湿地CO2排放的影响研究三CH4的排放及其影响因子的研究一直是全球气候变化和生物地球化学循环研究的热点领域之一,稳定碳同位素法是重要而有效的研究手段之一三CH4是有机质厌氧分解的最终产物,CH4的排放与厌氧性还原菌密切相关,Zhang等(2003)利用生物标识与同位素技术研究了墨西哥湾CH4的厌氧氧化过程,证实了CH4的厌氧氧化过程是在硫酸盐还原菌和古细菌的作用下进行的三Chasar等(2000)研究发现,沼泽孔隙水中CH4的浓度及其δ13C值等均受自然植被的影响三Chanton等(2002)发现,芦苇孔隙CH4浓度变化与其δ13C值变化趋势一致,都在昼夜尺度上有所不同三Avery等(1999)对河口沉积物δ13C-CH4值进行的研究发现,夏季沉积物CO2的δ13C值升高,导致沉积物CH4的δ13C值偏高,从而揭示了CH4的排放因季节变化而存在差异,且该差异受CO2的影响三许多滨海湿地受潮汐影响,湿地水文过程控制了湿地中氧化还原能力的大小(熊汉锋和王运华,2005),例如,Moura等(2008)用稳定碳同位素方法对亚马孙流域东部CH4排放进行了研究,发现水位较高时CH4的δ13C值范围较小三湿地是向大气输出的温室气体CH4的最大自然源,随着研
究的深入,更多的研究涉及到影响滨海湿地CH4排
放的人为和自然因素以及受海水影响的滨海湿地CH4的排放三
3.2 可溶性有机碳输出
滨海湿地的碳除了以气体的形式排放到大气圈中以外,可溶性有机碳(DOC)的输出也是湿地碳生物地球化学循环的重要过程(Xi et al.,2007)三滨海湿地DOC的输出主要是通过水文过程实现(Holden,2005;仝川和曾从盛,2006),潮汐作用控制着滨海湿地的水位和水流速度,从而影响了滨海湿地DOC的输出三Ford等(2005)对Fitzroy河口的有机质δ13C及C/N值与潮水相关动态的研究发现,潮水是影响河口DOC输出的重要因素三大量研究发现,盐分也能影响到许多河口的DOC输出(Guo& Santschi,1997;van Heemst et al.,2000;Ford et al., 2005;Guo et al.,2009)三例如,van Heemst等(2000)对Ems?Dollart河口进行的稳定同位素特征分析发现,DOC的含量与盐分梯度有相反的线性关系三
此外,在昼夜尺度下,滨海湿地的DOC输出情况也有所不同三Maher等(2011)利用δ13C?DOC值对Camden Haven河口底部可溶性有机碳动态进行了研究,发现白天比夜晚释放的DOC的δ13C值高,并提出可能是非生物过程和生物过程的联合作用促进了这种DOC的动态变化三
在滨海湿地碳输出方面,人们目前对经水文过程输出的DOC研究较少,因此利用稳定碳同位素技术进行滨海湿地DOC输出的示踪有重要的科学研究意义三
4 存在问题及展望
稳定同位素技术对于滨海湿地碳生物地球化学循环研究具有重要的指示作用,目前国内外在该方面的研究已经取得了一定的进展,但总体来说还比较薄弱,具体表现为:1)植物光合作用的稳定碳同位素分馏的影响因素很多,但部分因素仍然不明确,如盐分胁迫对滨海湿地植物光合作用分馏效应的影响缺乏深入研究;2)由于滨海湿地土壤有机质来源复杂,稳定同位素技术能够指示有机质的大体来源,
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却无法判别具体来源,且结果不够精确;3)滨海湿地温室气体排放的稳定同位素研究比较薄弱,尤其是长期升高的大气CO2浓度对滨海湿地CO2排放的影响研究及受海水影响的滨海湿地CH4排放研究;
4)对于通过水文过程输出的可溶性有机碳的研究较少,尤其是潮汐作用与盐分梯度等环境因子对可溶性有机碳输出的影响研究三
在滨海湿地碳生物地球化学循环过程的稳定同位素研究中对以下几方面的问题仍需要做进一步探讨:1)对滨海湿地植物光合作用稳定碳同位素分馏效应对气候二环境变化及人类活动的响应机理,及全球气候变化引起的海水入侵对滨海湿地植物光合作用的影响进行深入研究;2)结合元素及分子生物标记技术与稳定同位素自然丰度及标记技术对多相土壤有机质来源进行分析;3)从分子层次上分析碳在食物链中的传递,进行滨海湿地碳的生物流动过程研究,包括微生物对碳降解的分析,建立滨海湿地碳循环模型;4)加强温室气体排放及可溶性有机质输出的研究,深入探究环境因子特别是潮汐及盐分对碳输出的影响机制等三
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作者简介 陈 菀,女,1989年生,硕士研究生三主要从事滨海湿地地球化学研究三E?mail:zoeychen1989@https://www.doczj.com/doc/3d1573608.html, 责任编辑 魏中青
9161
陈 菀等:稳定碳同位素在滨海湿地碳生物地球化学循环中的应用
碳稳定性同位素分析食物网中能量流动 YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】
碳稳定性同位素分析食物网中能量流动 摘要：随着科学技术发展，稳定性同位素已经广泛应用在生态学研究的诸多领域。在研究食物网中能量流动关系时，稳定性同位素能提供更迅速、客观的分析。此次实验利用碳稳定性同位素技术对受到人类破坏或其他因素影响的选定区域分析其食物网中的能量流动，旨在研究该区域生物之间的能量流动关系，从而对该区域采取合理的保护措施。 关键词：碳稳定性同位素；食物网；能量流动；δ13C值 Carbon Stable Isotopeanalyzes Studies Energy Flux in Food Web ABSTRACT: Stable isotopehas been widely used in various fields in ecology studieswith the development of science and isotope can provide rapider and more objective analysis when researching energy flux relationship in the food web. In the process of this experiment, we analyze the energy flux relationship in the food web of the chosen areas that are destroyed by human beings or affected by other factors by means of carbon stable isotope technology, with the aim of researching the energy flux relationship among population in this area, consequently we can adopt reasonable protective measures in this areas. KEY WORDS: Carbon stable isotope；food web；energy flux；δ13C 一．研究背景 随着世界人口的持续增长和人类活动范围与强度的扩展和增加，地球上的生物多样性逐渐降低。例如，持续不断地砍伐树木已经导致世界上大量树木物种面临灭种的危险；环境污染使得动植物的栖息地环境遭到严重的破坏，致使物种数量锐减[1]。在某一区域中，动植物数量的减少还有一个很重要的原因，即某些因素（例如栖息地减少和改变、滥捕乱猎、外来物种的引入、污染等[2]）导致该区域部分动植物数量的减少，而这进一步通过该区域的食物网影响到区域中其他动植物的种类和数量，进而对整个区域各种生物体造成影响。 食物网是在生态系统中的生物成分之间通过能量传递关系存在着一种错综复杂的普遍联系，直接反映生态系统的结构和功能[3]。生产者制造有机物，各级消费者消耗这些有机物，生产者和消费者之间相互矛盾，又相互依存。不论是生产者还是消费者，其中某一种群数量突然发生变化，必然牵动整个食物网。食物网是生态系统长期发展的进化过程中形成的。人类活动使生态系统中某一生物体种群数量遭到破坏，将使生态平衡失调，甚至是生态系统崩溃[2]。因此，研究食物网中生物的能量流动关系，对于维持生态系统的稳定、利用动物间的相互制约来减缓人类活动对生态系统的破坏具有重要的意义。
第7卷 第2期2016年4月 地球环境学报 Journal of Earth Environment V ol.7 No.2Apr. 2016 doi:10.7515/JEE201602010 收稿日期：2015-11-17；录用日期：2015-12-07Received Date: 2015-11-17; Accepted Date: 2015-12-07基金项目：国家自然科学基金项目（41303010） Foundation Item: National Natural Science Foundation of China (41303010)通信作者：刘卫国，E-mail: liuwg@https://www.doczj.com/doc/3d1573608.html, Corresponding Author: LIU Weiguo, E-mail: liuwg@https://www.doczj.com/doc/3d1573608.html, 封管法制备有机碳稳定同位素样品 存在的问题和改进 曹蕴宁1，刘卫国1, 2 （1. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061； 2. 西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，西安 710049） 摘?要：有机碳稳定同位素的高精度测定是利用地质样品有机碳同位素研究气候和植被变化等的基础。通过实验发现低有机碳含量样品同位素测定误差相对较大，其中样品收集过程是主要的影响因素之一。本文针对这个问题，主要从杂质气体干扰入手，在一步冷冻分离CO 2和H 2O ，或分步冷冻分离CO 2和H 2O 的收集方法，以及改变收样管体积三方面进行条件实验研究，讨论了封管法制备有机碳稳定同位素样品气体收集过程对有机碳稳定同位素组成的影响。结果表明：（1）CO 2气体的纯化收集是封管法制备有机碳稳定同位素样品的一个重要步骤，收集时杂质气体含量越高，对样品有机碳稳定同位素组成的影响越大；（2）在相同的杂质气体背景条件下，与一步冷冻分离CO 2和H 2O 的方法相比，分步冷冻CO 2和H 2O 的方法能够显著减小杂质气体对有机碳稳定同位素测定的影响；（3）小体积收样管能够显著提高有机碳稳定同位素样品的离子流强度，进而提高低有机碳含量样品的稳定碳同位素测定精度。关键词：有机碳稳定同位素；样品制备；封管法 Problems and improvements of preparing organic carbon stable isotope samples by sealing tube method CAO Yunning 1, LIU Weiguo 1, 2 （1. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences , Xi’an 710061, China; 2. School of Human Settlement and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China ） Abstract: Background, aim, and scope High precision measurement of organic carbon stable isotope (δ13C) is the basis for its application in the reconstruction of past changes in climate and vegetation types. It has been observed that the measurement error of δ13C for samples with low organic carbon content was relatively large, partly due to the problem in the CO 2 collecting process. To solve this problem, the effect of CO 2 gas collecting process on the δ13C of organic carbon was investigated from three aspects: impurity gas on the process of CO 2 freezing, freezing CO 2 and H 2O by one step and freezing CO 2 and H 2O step by step, and the effect of collection tubes with different volumes. Materials and methods The national standard material (GBW04407) and different types of natural samples were analyzed using sealed tube method to study the effect of CO 2 gas collecting process on the δ13C of
第7章生物地球化学循环第1节土壤的组成 第2节土壤的性质 第3节物质循环与土壤形成 第4节土壤分类与土壤类型 第4节生态系统的组成与结构 第6节生态系统的能量流动 第7节生态系统的物质循环 第8节地球上的生态系统
引子：生物地球化学循环概述 一、何谓生物地球化学循环？ 1.概念：生命有机体及其产物与周围环境之间反复 不断进行的物质和能量的交换过程。 2.过程：物能的吸收-同化-排放-分解-归还-流失 3.性质：非封闭的循环（进入土壤、岩层、海底） 4.主体：生物和土壤 5.循环的介质：水和大气 二、人类对生物地球化学循环的影响 1.大气、水体、土壤的污染 2.污染物质的迁移、转化和集散 3.对人类健康的威胁
第1节土壤的组成 引言：土壤与土壤肥力 1. 土壤：在陆地表层和浅水域底部、由有机和无机物质组成、具有肥力、能生长植物的疏松层。 2.土壤的本质是肥力，指土壤中水、热、气、肥（养分）周期性动态达到稳、匀、足、适地满足植物需求的能力。 3. 土壤是一种类生物体 代谢和调节功能比生物弱（如温度） 不具有生长、发育和繁殖的功能 不具有功能各异的器官
一、土壤的无机组成 1. 原生矿物：在物理风化过程中产生的未改变化学成分和结晶构造的造岩矿物。 土壤中各种化学元素的最初来源； 土壤矿物质的粗质部分； 经化学风化分解后，才能释放并供给植物生长所需养分。 2. 次生矿物：岩石在化学风化过程中新生成的土壤矿物，如粘土矿物。 土壤矿物质中最细小的部分； 具有吸附保存呈离子态养分的能力，使土壤具有一定的保肥性。
二、土壤的有机组成 1.原始组织：包括高等植物未分解的根、茎、叶；动物分解原始植物组织，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸体等。 土壤有机部分的最初来源 2.腐殖质：有机组织经由微生物合成的新化合物，或者由原始植物组织变化而成的、比较稳定的分解产物，呈黑色或棕色，性质上为胶体状（颗粒直径<1μm）。 具有极强的吸持水分和养分离子的能力，少量的腐殖质就能显著提高土壤的生产力。
水文地球化学研究现状、基本模型与进展 摘要：1938 年, “水文地球化学”术语提出, 至今水文地球化学作为一门 独立的学科得到长足的发展, 其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究, 以及人类开发资源和保护生态的需要, 水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域, 并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开, 在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果( 沈照理, 1985) 。水文地球化学在利用地下水化学成分资料, 特别是在查明地下水 的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20 世纪60 年代后, 水文地球化学向更深更广的领域延伸, 更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用( 任福弘, 1993) 。 1981 年, Stumm W 等出版了5水化学) ) ) 天然水化学平衡导论6 专著, 较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992 年, C P 克拉依诺夫等著5水文地球化学6分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分, 全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题, 以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等, 概括了20 世纪80 年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答( 谭凯旋, 1998) , 逐渐构架起更为严密的科学体系。 1 应用水文地球化学学科的研究现状 1. 1 油田水研究 水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷, 甚至单个凹陷进行研究, 并且对于找油标志存在不同见解。此时油田水化学成分分类主要沿用B A 苏林于1946 年形成的分类。1965 年, E C加费里连科在其所著5根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标6中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。1975 年, A G Collins 在其5油田水地球化学6中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用( 汪蕴璞, 1987) 。1994 年, 汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究, 总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性, 特别是总结了陆相油田水地球化学理论, 对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究, 并对油田水成分进行种类计算, 从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算, 从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。 1. 2 洋底矿藏研究
《水文地球化学》教学大纲 Hydrogeochemistry－Course Outline 第一部分大纲说明 一、课程的性质、目的与任务 《水文地球化学》是水文与水资源工程专业本科生必修的一门主要专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握水文地球化学的基本原理和学会初步运用化学原理解决天然水的地球化学问题和人类对天然水的影响问题的方法与手段，为学习后续课程和专业技术工作打下基础。 二、与其它课程的联系 学习本课程应具备普通地质学、综合地质学、工程化学和水文地质学的基础。后续课程为水质分析实验、铀水文地球化学、环境水文地质学和水文地质勘察。 三、课程的特点 1．对基本概念、基本规律与常见的应用方法的理解并重。 2．对基本理论与常见水文地球化学问题的定量计算方法的掌握并重。 3. 采用英文教材，中、英语混合授课。 四、教学总体要求 1．掌握水文地球化学的基本概念、基本规律与研究方法。 2．掌握控制地下水与地表水化学成分的主要作用：酸碱反应与碳酸盐系统；矿物风化与矿物表面过程；氧化－还原反应；有机水文地球化学作用等。 3．通过理论讲述、研究实例分析与习题课，使学生理解天然水中常见的化学组份与同位素组成，掌握最基本的地球化学模拟方法与整理水化学数据的能力。 五、本课程的学时分配表 编 号教学内容课堂讲 课学时 习题课 学时 实验课 学时 自学 学时 1 引言及化学背景 （Introduction and Chemical Background） 6 2 酸碱反应与碳酸盐系统 (Acid-Base Reactions and the Carbonate System) 4 2 3 矿物风化与矿物表面过程 Mineral weathering and mineral surface processes 6
第十讲 地质常用主要稳定同位素简介 18O Full atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.
内容提要 ●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素
10.1. 传统稳定同位素基本特征 ?只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40； ?多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集； ?生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。
10.2. 氢(hydrogen) ?直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成： 1H：99.9844% 2H(D)：0.0156% ?在SMOW中D/H=155.8 10-6 ?氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。
10.2.1 氢同位素基本特征 ?与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间； ?1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围； ?从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以H O、OH-， 2 H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用； ?氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。
同位素地球化学复习题 1.1同位素地球化学的基本任务 1)研究自然界同位素的起源、演化和衰亡历史； 2)研究同位素在宇宙体、地球和各地质体中的分布分配、不同地质体中的丰度及典型地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；阐明同位素组成变异的原因。据此来探讨地质作用的演化历史及物质来源； 3)利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时标。 4 )研究同位素分馏与温度的关系，建立同位素温度计，为地质体的形成与演化研究提供温标。 1.2 同位素地球化学的一些基本概念 核素同位素同量异位素稳定同位素放射性同位素重稳定同位素轻稳定同位素 2.1 质谱仪的基本结构 四个部分：进样系统离子源质量分析器离子接收器 2.2 衡量质谱仪的技术标准有哪些 质量数范围分辨率灵敏度精密度与准确度 2.3 固体质谱分析为什么要进行化学分离 具相同质量的原子和分子离子的干扰; 主要元素基体中微量元素的稀释; 低的离子化效率; 不稳定发射。 2.5 同位素稀释法是用于元素含量分析还是用于同位素比值分析？元素含量分析 2.6 氢气的制取方法？(有哪些还原剂) U－还原法Zn －还原法Mg －还原法Cr －还原法 2.7 氧同位素的制样方法有哪些？ 1. 大量水样氧同位素制样方法？ 2. 硅酸盐氧同位素的BrF5法制样原理？ 3. 碳酸盐样品的磷酸盐制样法(McCrea法) 2.8 水中溶解碳的提取与制样McCrea法 2.9 硫化物硫同位素直接制样法 2.10硫酸盐的硫同位素制样法(直接还原法) 把硫酸盐、氧化铜、石英粉按一定比例混合（置于石英管中）在真空条件下加热到1120 ℃左右时，硫酸盐被还原而转变成二氧化硫。 2.11 了解下列质谱仪
水文地球化学习题 第一章 第二章水溶液的物理化学基础 1．常规水质分析给出的某个水样的分析结果如下（浓度单位：mg/L）： Ca2+=93.9；Mg2+=22.9；Na+=19.1；HCO3-=334；SO42-=85.0；Cl-=9.0；pH=7.2。求： （1）各离子的体积摩尔浓度（M）、质量摩尔浓度（m）和毫克当量浓度（meq/L）。 （2）该水样的离子强度是多少？ （3）利用扩展的Debye-Huckel方程计算Ca2+和HCO3-的活度系数。 2．假定CO32-的活度为a CO32- =0.34?10-5，碳酸钙离解的平衡常数为4.27?10-9，第1题中的水样25℃时CaCO3饱和指数是多少？CaCO3在该水样中的饱和状态如何？ 3．假定某个水样的离子活度等于浓度，其NO3-，HS-，SO42-和NH4＋都等于10-4M。反应式如下： H+ + NO3- + HS- = SO42- + NH4＋ 问：25℃和pH为8时，该水样中硝酸盐能否氧化硫化物？ 4．A、B两个水样实测值如下（mg/L）： 组分Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-NO3- A水样706 51 881 310 204 4 5．请判断下列分析结果（mg/L）的可靠性，并说明原因。 组分Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-CO32-pH A水样50 6 60 18 71 96 183 6 6.5 B水样10 20 70 13 36 48 214 4 8.8 6．某水样分析结果如下： 离子Na+Ca2+Mg2+SO42-Cl-CO32-HCO3-含量(mg/l) 8748 156 228 928 6720 336 1.320 试计算Ca2+的活度(25℃)。 4344 含量（mg/l）117 7 109 24 171 238 183 48 试问： （1）离子强度是多少？ （2）根据扩展的Debye-Huckel方程计算，Ca2+和SO42－的活度系数？ （3）石膏的饱和指数与饱和率是多少？ （4）使该水样淡化或浓集多少倍才能使之与石膏处于平衡状态？ 8．已知温度为298.15K（25℃），压力为105Pa（1atm）时，∑S=10-1mol/l。试作硫体系的Eh-pH图（或pE-pH图）。 9．简述水分子的结构。 10．试用水分子结构理论解释水的物理化学性质。 11．温、压条件对水的物理、化学性质的影响及其地球化学意义。 12．分别简述气、固、液体的溶解特点。
第四章同位素水文地球化学 环境同位素水文地球化学是一门具有良好的前景、发展迅速的新兴学科，也是水文地球化学的一个重要分支。目前，地下水资源可持续利用中的重要问题是地下水补给的更新能力及地下水污染程度的评价。用环境同位素技术研究地下水补给和可更新性，追踪地下水的污染是当前国内外较为新颖的方法之一。目前世界上许多国家已将同位素方法列为地下水资源调查中的常规方法。近年来，国内外环境同位素的研究从理论到实践都有较快的发展。除了应用氢氧稳定同位素确定地下水的起源与形成条件，应用氚、14C测定地下水年龄，追踪地下水运动，确定含水层参数等常规方法外；在应用3H-3He、CFCs示踪干旱、半干旱地区浅层地下水的补给，应用14C、36Cl确定深层地下水的年龄，追溯地下水的入渗史，应用34S研究地下水中硫酸盐的来源，分析地下水的迁移过程，应用11B/10B研究卤水成因等方面都有重要进展。 4.1 同位素基本理论 4.1.1 地下水中的同位素及分类 我们知道，原子是由原子核与其周围的电子组成的，通常用A Z X N来表示某一原子。这里，X为原子符号，Z为原子核中的质子数目，N为原子核中的中子数目，A为原子核的质量数，它等于原子核中的质子数与中子数之和，即： A=Z+N( 4-1-1 ) 为简便起见，也常用A X表示某一原子。 元素是原子核中质子数相同的一类原子的总称。同一元素由于其原子核中中子数不同可存在几种原子质量不同的原子，其中每一种原子称为一种核素，如C原子有12C、13C、14C等核素，氧原子有16O、17O、18O等核素。某元素的不同几种核素称为该元素的同位素(蔡炳新等，2002)，或者说同位素指的是在门捷列耶夫周期表中占有同一位置，其原子核中的质子数相同而中子数不同的某一元素的不同原子。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类，稳定同位素是指迄今为止尚未发现有放射性衰变（即自发地放出粒子或射线）的同位素；反之，则称为放射性同位素。 地下水中的同位素一方面包括水自身的氢、氧同位素，另一方面还包括水中溶质的同位素。
同位素地球化学
目录 一、碳的同位素组成及其特征 (1) 1.碳同位素组成 (1) Ⅰ、碳的同位素丰度 (1) Ⅱ、碳的同位素比值（R） (1) Ⅲ、δ值 (2) 2.碳同位素组成的特征 (2) Ⅰ.交换平衡分馏 (2) Ⅱ.动力分馏 (3) Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 (4) 二、碳同位素在地质科学研究中的应用 (8) 1. 碳同位素地温计 (8) 2．有机矿产的分类对比及其性质的确定 (9) Ⅰ.煤 (9) Ⅱ.石油 (9) Ⅲ. 天然气 (11)
碳同位素组成特征及其在地质科研中的应用 一、碳的同位素组成及其特征 1.碳同位素组成 碳在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，在地质历史中有着重要作用。碳的原子序数为6 ，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。碳在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分馏。碳既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现。它既广泛分馏布于地球表面的各层圈中，也能在地壳甚至地幔中存在。总之，碳可呈多种形式存在于自然界中。在有机物质和煤、石油中，以还原碳的形式存在，在二氧化碳气体和水溶液中，以氧化碳形式出现。碳还可呈自然元素形式出现在某些岩石中（如金刚石和石墨）。一般用同位素丰度、同位素比值和δ值来表示同位素的组成。 Ⅰ、碳的同位素丰度 同位素丰度指同位素原子在元素总原子数中所占的百分比，自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。由此可见，在自然界中碳原子主要主要是以12C的形式存在。另外碳还有一个放射性同位素14C，半衰期为5730a。放射性14C的研究，目前已发展成为一种独立的同位素地质年代学测定方法，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。适合用于作碳稳定同位素分馏析的样品包括：石墨、金刚石等自然碳矿物，方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等碳酸盐矿物；石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品；各种矿物包裹体中的C O2和CH4气体以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分馏等。 Ⅱ、碳的同位素比值（R） 同位素比值R=一种同位素丰度/另一种同位素丰度 对于非放射性成因稳定同位素比值： R=重同位素丰度/轻同位素丰度 由此可见，碳的同位素比值R=1.1%/98.9%=0.011
同位素地球化学论文 近年来，随着同位素样片制备技术的改进和高精度质谱的问世，大大地提高了同位素测试结果的精度和准确性，使同位素地球化学的理论和方法进一步成熟和完善，研究领域不断拓宽。 同位素地球化学研究内容 同位素地球化学是根据自然界的核衰变、裂变及其他核反应过程所引起的同位素变异，以及物理、化学和生物过程引起的同位素分馏，研究天体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源与演化历史。 同位素地质年代学已建立了一整套同位素年龄测定方法，为地球与天体的演化提供了重要的时间座标。比如已经测得太阳系各行星形成的年龄为45～46亿年，太阳系元素的年龄为50～58亿年等等。 另外在矿产资源研究中，同位素地球化学可以提供成岩、成矿作用的多方面信息，为探索某些地质体和矿床的形成机制和物质来源提供依据。 ①自然界同位素的起源、演化和衰亡历史。 ②同位素在宇宙体、地球及其各圈层中的分布分配、不同地质体中的丰度及其在地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；同位素组成变异的原因；并据此探讨地质作用的演化历史和物质来源。 ③利用放射性同位素的衰变定律建立一套有效的同位素计时方法，测定不同天体事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间坐标。 根据同位素的性质，同位素地球化学研究领域主要分稳定同位素地球化学和同位素年代学两个方面。稳定同位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化。同位素年代学随研究领域的深入，又分为同位素地质年代学和宇宙年代学。同位素地质年代学主要研究地球及其地质体的年龄和演化历史。宇宙年代学则主要研究天体的年龄和演化历史。 自然界同位素成分变化
本文由国土资源部地质调查项目“全国水资源评价”和“鄂尔多斯自留盆地地下水赋存运移规律的研究”项目资助。改回日期:2001212217;责任编辑:宫月萱。 第一作者:叶思源,女,1963年生,在读博士生,副研究员,从事矿水、地热水及水文地球化学研究。 水文地球化学研究现状与进展 叶思源1) 孙继朝2) 姜春永3) (1)中国矿业大学,北京,100083;2)中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北正定,050803; 3)山东地质工程勘查院,山东济南,250014) 摘 要 1938年,“水文地球化学”术语提出,至今水文地球化学作为一门独立的学科得到长足的发展,其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究,以及人类开发资源和保护生态的需要,水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域,并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。关键词 水文地球化学 研究现状 进展 Current Situ ation and Advances in H ydrogeochemical R esearches YE Siyuan 1) SUN Jichao 2) J IAN G Chunyong 3 ) (1)Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology ,Beiji ng ,100083;2)Instit ute of Hydrogeology and Envi ronmental Geology ,CA GS , Zhengdi ng ,Hebei ,050803;3)S handong Instit ute of Geological Engi neeri ng S urvey ,Ji nan ,S handong ,240014) Abstract Hydrogeochemistry ,as an independent discipline ,has made substantial development since the term “hydrogeochemistry ”was created in 1938.At present hydrogeochemical theories have been applied to various fields such as oil field water ,ocean water ,geothermal water ,groundwater quality ,endemic diseases and groundwater microorganism ,and related research methods have also become mature.With the further development of chemical thermodynamics ,kinetics method and isotope method ,hydrogeochemistry will surely extend its research fields in the course of multi 2discipline interaction and make new progress in basic theory and quantifica 2tion research ,so as to meet the demand of human exploration and exploitation as well as ecological protection.K ey w ords hydrogeochemistry current state of research advance 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开,在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果(沈照理,1985)。水文地球化学在利用地下水化学成分资料,特别是在查明地下水的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20世纪60年代后,水文地球化学向更深更广的领域延伸,更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用(任福弘,1993)。1981年,Stumm W 等出版了《水化学———天然水化 学平衡导论》专著,较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992年,C P 克拉 依诺夫等著《水文地球化学》分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分,全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题,以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等,概括了20世纪80年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解 答(谭凯旋,1998),逐渐构架起更为严密的科学体系。 第23卷 第5期2002210/4772482 地 球 学 报ACTA GEOSCIEN TIA SIN ICA Vol.23 No.5 Oct.2002/4772482
第四节稳定碳同位素 同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素。 稳定同位素：指原子核的结构不会自发的发生改变的同位素。 稳定同位素有两个最显著的属性：1.稳定性：即经过复杂的化学反应之后，原子核结构不发生变化。2.分馏作用：指同位素在两种同位素比值不同的物质之间进行分配。 一、稳定同位素分馏机理 分馏作用是稳定同位素的属性之一，碳稳定同位素的分馏机理有： 1.同位素的交换反应：是化学物质间，不同相或单个分子发生的同位素重新分配。 12CO +13CH4=13CO2+12CH4 2 13CO +H12CO3-=12CO2+H13CO3- 2 2.光合作用的动力效应：植物在光合作用过程中，富集12C，而使13C 进一步减小。 3.热力和化学反应的动力效应： -C-C-键的稳定性顺序：-13C-13C>-13C-12C->12C-12C-。 在低温条件下，形成的烃类，富集12C；在高温条件下形成的烃类，富集13C。 4.同位素的物理化学效应： 蒸发：气相富集轻同位素12C，夜相富集13C；扩散：先扩散12C，残余13C。 二、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准 同位素比值的测量和对比单位一般是用千分数（‰）表示。 式中：Rs :为样品的同位素比值；Rr：为标准的稳定同位素的比值。各国用各自的标准计算Rr ，再换算成PDB标准。 标准之间的换算公式： 式中：δ13CB：为求取对B标准的δ值； δ13CA：为测得对A标准的δ值； RAr、RBr：为A、B标准的13C/12C比值。 三、油气中碳同位素的组成特征 1、原油
δ13C一般为-22‰～-33‰，平均值为-25‰～-26‰。 ①海相原油δ13C值较高，为-27‰～-22‰；陆相原油δ13C值偏低，为-29‰～-33‰。 ②随组分分子量的增大,急剧增大烷烃<芳烃<胶质<沥青质，烷烃<环烷烃，正构烷烃<异构烷烃，芳烃随环数增加δ13C值增大，可溶沥青<干酪根。 2、天然气 δ13C随天然气成熟度的增大而增大， 生物成因气: ≤-60‰～-95‰低 热解成因气: -50‰～-20‰高 以上两种气的混合气: -50‰～-60‰ 天然气成份中：δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，分子量增加，增大。
S TABLE I SOTOPES IN P ALEONTOLOGY AND A RCHEOLOGY I NTRODUCTION The isotopic composition of a given element in living tissue depends on: (1) the source of that ele-ment (e.g., atmospheric CO2 versus dissolved CO2; seawater O2 vs. meteoric water O2), (2) the proc-esses involved in initially fixing the element in organic matter (e.g., C3vs. C4photosynthesis), (3) subsequent fractionations as the organic matter passes up the food web. Besides these factors, the iso-topic composition of fossil material will depend on any isotopic changes associated with diagenesis, including microbial decomposition. In this lecture, we will see how this may be inverted to provide insights into the food sources of fossil organisms, including man. This, in turn, provides evidence about the environment in which these organisms lived. I SOTOPES AND D IET: Y OU ARE WHAT YOU EAT In Lecture 28 we saw that isotope ratios of carbon and nitrogen are fractionated during primary pro-duction of organic matter. Terrestrial C3 plants have d13C values between -23 and -34‰, with an av-erage of about -27‰. The C4 pathway involves a much smaller fractionation, so that C4 plants have d13C between -9 and -17‰, with an average of about -13‰. Marine plants, which are all C3, can util-ize dissolved bicarbonate as well as dissolved CO2. Seawater bicarbonate is about 8.5‰ heavier than atmospheric CO2; as a result, marine plants average about 7.5‰ heavier than terrestrial C3 plants. In contrast to the relatively (but not perfectly) uniform isotopic composition of atmospheric CO2, the carbon isotopic composition of seawater carbonate varies due to biological processes. Because the source of the carbon they fix is more variable, the isotopic composition of marine plants is also more variable. Finally, marine cyanobacteria (blue-green algae) tend to fractionate carbon isotopes less during photosynthesis than do true marine plants, so they tend to average 2 to 3 ‰ higher in d13C. Nitrogen isotopes are, as we saw, also fractionated during primary uptake. Based on their source of nitrogen, plants may also be divided into two types: those that can utilized N2directly, and those utilize only “fixed” nitrogen as ammonia and nitrate. The former include the legumes (e.g., beans, peas, etc.) and marine cyanobac-teria. The legumes, which are exclusively C3 plants, utilize both N2 and fixed nitrogen (though symbiotic bacteria), and have an average d15N of +1‰, whereas modern non-leguminous plants average about +3‰. However, it seems likely that prehistoric nonleguminous plants were more positive, averaging perhaps +9‰, because the iso-topic composition of present soil nitrogen has been affected by the use of chemical fer-tilizers. For both groups, there was proba-bly a range in d15N of ±4 or 5‰, because the isotopic composition of soil nitrogen varies and there is some fractionation involved in uptake. Marine plants have d15N of +7±5‰, whereas marine cyanobacteria have d15N of –1±3‰. Figure 34.1 summarizes the 15 10 5 --5 d13C PDB ‰ d15N ATM ‰ Figure 34.1. Relationship between d13C and d15N among the principal classes of autotrophs.