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?。ㄆx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),。
元素 | δ符號(hào) | 測(cè)量比率(R) | 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) | R, 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) |
H | δD | 2H/1H | 標(biāo)準(zhǔn)平均海水 (SMOW) | 0.00015575 |
2H/1H | 標(biāo)準(zhǔn)南極輕降水 (SLAP) | 0.000089089 | ||
C | δ13C | 13C/12C | Pee Dee Belemnite (PDB) | 0.0112372 |
N | δ15N | 15N/14N | 大氣 | 0.003676 |
O | δ18O | 18O/16O | 標(biāo)準(zhǔn)平均海水 (SMOW) | 0.0020052 |
18O/16O | Pee Dee Belemnite (PDB) | 0.0020672 | ||
18O/16O | 標(biāo)準(zhǔn)南極輕降水(SLAP) | 0.0018939 | ||
S | δ34S | 34S/32S | Canyon Diablo Triolite (CDT) | 0.045005 |
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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