论文部分内容阅读
【摘要】稳定同位素技术具有示踪、整合和指示等多项功能，且监测快速、结果准确，因而在生态学研究中日益显示出广阔的应用前景。本文主要综述了氮稳定同位素技术在动物生态学、植物和环境科学中的应用，并对氮稳定同位素技术在生态系统中的进一步应用做了展望。
【关键词】稳定性同位素；氮稳定性同位素；生态学
【中图分类号】TQ 【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2013）02-0094-2
稳定同位素技术具有示踪、整合和指示等多项功能，且监测快速、结果准确等特点，因而在生态学研究中日益显示出广阔的应用前景。近年来，由于生态学研究问题更趋复杂化和全球化，多学科的交叉综合研究已成为本学科发展的新的生长点。以稳定同位素作为示踪剂研究生态系统中生物要素的循环及其与环境的关系、利用稳定同位素技术的时空整合能力研究不同时间和空间尺度生态过程与机制，以及利用稳定同位素技术的指示功能揭示生态系统功能的变化规律，已成为了解生态系统功能动态变化的重要研究手段之一。稳定同位素技术逐渐成为进一步了解生物与其生存环境相互关系的强有力的工具，使现代生态学家能够解决用其他方法难以解决的生态学问题。
同位素是一类具有相同原子和质子数，但不同中子数的元素，而稳定同位素则是不具放射性的同位素，稳定同位素之间没有明显的化学性质差别，但某些性质因为其在质量上的不同而有微小差异（如在气相中的传导率、分子键能、生物合成和分解速率），导致物质反应前后在同位素组成上有明显的差异。正是由于这一特征，使得稳定同位素技术成为当前广泛应用于生态学和环境科学的新方法。本文主要综述了氮稳定同位素在生态学和环境科学上的一些应用。
稳定同位素在自然界中含量极低，用绝对量表达同位素的差异比较困难，因而国际上公认使用相对量来表示同位素的富集程度，用公式可以表示为：
δ15X=[（R sam-R std）/R std]*1000
其中R sam是样品中元素的重轻同位素丰度之比（如15Nsam/14Nsam）；R std是国际通用标准物的重轻同位素之比（15Nstd/14Nstd）。
氮元素有两种中子数不同的稳定性同位素，即14N和15N，其中重同位素（15N）在生物体内的含量非常低。大气氮气中14N和15N的相对丰度分别为99.64%和0.36%，15N/14N的比值为0.003613。
一、氮稳定性同位素技术在动物生态学方面的应用
1.生态系统各生物种属所处的营养位置及营养结构
生物的稳定氮同位素的组成在用于确定生态系统中各生物种属的营养位置方面的应用已得到公认。生物中δ15N值受食物源和生物的新陈代谢两方面的因素影响。生物的新陈代谢会引起同位素的分馏，使δ15N同位素在生物体内进一步富集，这样逐级富集重同位素从而实现了不同营养级间同位素的富集作用。如：Cabana和Rasmussen对高营养层次鱼类-湖鳟营养级的研究是一个相当典型的例子。他们研究了加拿大地盾湖泊（Shield lakes）中成年湖鳟的δ15N值，发现它们有非常宽的δ15N值范围（0.75‰-1.75‰），计算出它们几乎横跨了三个营养级，通过进一步的研究证明了食物网结构与δ15N值有关。卢火胜（2009）应用氮稳定同位素技术对雷州湾海域主要鱼类的营养级进行了研究，他利用同位素质谱仪测量出雷州湾海域共65种鱼类及个别种类不同长样品的稳定同位素值（δ15N），然后利用营养及计算公式TL=（δ15Nsamp-δ15N0）/δ15Nc+2，计算出它们所处的营养级，分析得出稳定同位素分析法与传统的胃含物分析法所得的结果有很好的一致性。
2.氮稳定同位素在动物食性分析中的应用
研究发现，动物体内的稳定同位素组成和其所摄食的食物中的稳定同位素组成相对应。食物中的碳、氮稳定同位素组成发生变化时，动物体内的碳、氮稳定同位素组成也发生相应的变化。因此，通过对动物体内不同组织和可能摄取食物的碳、氮稳定同位素值得分析比较，就可推断动物的摄食情况。由于动物在摄食后对食物的同化作用要经过一段时间，所以动物体内的稳定同位素值的变化主要反映动物当前一段时期甚至相当长一段时期内的摄食情况，这主要由动物组织的稳定同位素值决定。彭士明（2011）利用稳定同位素技术分析了东海银鲳及其可能摄食饵料的碳氮同位素比值，依据消费者稳定同位素组成与其摄食饵料稳定同位素组成相一致的原则，判断银鲳的可能饵料包含箭虫、虾类、水母类、头足类、仔稚鱼>1000μm浮游动物、500-1000μm浮游动物以及100-500μm浮游动物。余婕（2008）利用C、N稳定同位素示踪技术，对崇明东滩盐沼湿地夏季不同生境大型底栖动物的食物来源进行了分析，发现湿地优势植物的活植物体不是大型底栖动物的主要食物来源，沉积有机质是大部分底栖消费者的食物基础。
二、氮稳定性同位素技术在环境科学中的应用
生态系统中污染物影响的示踪及污染物生物放大作用研究。
由于不同来源的含氮物质可以具有不同的氮同位素组成，因此，氮同位素也是一种很有效的污染物示踪剂。邢萌（2010）通过测定西安市周边主要河流浐河和涝河硝酸盐δ15N值和氮源物的δ15N值，大致将河流采样点按照其氮污染源进行了的归类，以此阐明了氮稳定同位素可以较好地示踪水中氮素的来源。肖化云和刘丛强（2010）对世界主要能源的氮同位素组成和对不同来源大气N的稳定同位素组成进行了研究，发现确定的地区，不同氮源的氮稳定同位素组成具有较明显的差异，可以进行大气氮源的氮同位素示踪。并介绍了苔藓是一种较理想的大气污染生物监测手段，应用苔藓δ15N可以指示人为成因的大气氮污染和氮沉降。蔡德陵（2003）介绍了氮稳定同位素（δ15N）还可以用于生物对多氯联苯（PCBs）、DDT、氯丹（CHL）等有机氯污染物和Hg、Cd、Zn等重金属的生物放大作用的研究。 三、氮稳定性同位素技术在植物生态学方面的应用
1.固氮植物生物固氮量方面的应用
氮素是自然和人工生态系统中最重要也是行为最活跃的营养元素之一。生态系统中氮素主要通过氨挥发、淋溶和反硝化作用丧失，通过施用氮肥及固氮植物的生物固氮等得到补充，以维持生态系统中氮素的动态平衡。生物固氮在全球氮循环和温室气体排放估算中占有至关重要的地位。何道文（2004）在对国际上日益受到重视的用N—15自然丰度法对固氮植物生物固氮量的研究进展进行了初步的总结，并探讨了影响该方法准确性的一些主要因素。提出了如果对各影响因子加以系统考虑，合理解决参比植物选择和固氮植物取样部位等方面的问题，应用氮同位素法可以较为准确地测定生态系统中固氮作物和固氮树种的生物固氮量。
2.在植物利用的氮素来源研究方面的应用
N是自然界中最重要的元素之一，是植物生长不可缺少的重要营养元素之一。植物中氮素的来源有多个，如：降水、土壤腐殖质、生物固定的氮素、植物凋落物等，不同氮源中的N—15丰度不同，从而为通过分析上述氮源中和植物中氮素N—15的丰度，确定生态系统中氮素的主要来源，以及植物可利用氮的来源。Abbadie利用氮同位素法确定了干旱区稀树草原草本植物主要利用的氮源来自根系腐烂分解提供的氮素。刘琼霦，叶学文（2001）论述了如何将氮稳定同位素应用于森林生态系统中来确定氮素的来源，以提供相关的信息来确定森林生态系统中是否已达到氮过量或氮饱和，从而减少或避免森林生态系统遭到破坏。
3.植物间氮素转移方面的应用
N—15丰度差异可作为定量指标研究在自然生态系统和农业生态系统中植物对生物固氮、土壤氮素或氮肥等不同氮源的利用效率。由于不同氮源之间存在N—15丰度差异，某一植物利用生物固氮固定氮素的比例由下式计算：X（%）=（δ15Nref，pl-δ15Nassoc/δ15Nref，pl-δ15Nfixation）×100式中δ15Nref，pl、δ15Nassoc、δ15Nfixation、分别为没有使用该氮源的参比植物、使用该氮源的测量植物、生长在无氮培养基上的固氮植物N—15自然丰度。Snoeck就利用N—15自然丰度法研究了在咖啡种植园中套种豆科植物，咖啡对豆科植物所提供的氮素的利用状况，结果表明咖啡的30%的氮素来源于豆科植物。
四、氮稳定性同位素技术在农业生态系统中的应用。
我国稳定同位素15N的农业研究始于60年代，由于其无辐射危害，勿须防护措施，且生产成本下降等原因，使其在生命科学中得以日益广泛应用。温贤芳，郭智芬（1991）在稳定同位素15N在我国农业研究中的应用进展中综述了氮稳定同位素在农业生态系统中主要有以下几个方面：应用15N研究氮素化肥在土壤中的去向，提高化肥利用率和改进施肥技术及其15N示踪技术在生物固氮研究中的应用等。
五、氮稳定性同位素技术在氮素循环方面的应用
稳定性同位素技术是现代生态学研究中的一门应用技术，他几乎在生态学研究的各个领域都有着广泛的应用。其中氮稳定性同位素技术由于具有示踪和区分氮素物质的源与去向等优越性而在生态系统氮循环研究中发挥了极为重要的作用。孙志高（2005）从湿地氮素的输入过程、转化过程以及归趋过程三方面综述了15N技术在当前国内外湿地氮循环中的应用。刘秀娟（2009）对2006年2，5，8，11月份长江口海域表层水体中的悬浮颗粒物（SPM）进行稳定氮同位素分析，根据不同季节、不同区域内其δ15N值的变化研究水体中氮的迁移、转化等生物地球化学过程，揭示其环境行为，从而对该海域的氮循环机制进行探索。
六、结语
从上面的综述可以看出，氮稳定同位素已在生态学的多个领域得到应用，随着科技的发展，它的应用会更加广泛。然而，应该强调的是，我们不应一味地模仿国外过去开展过的研究，而是应该在稳定同位素生态学的学科理论框架、相关分析技术研发和仪器改进，以及如何利用稳定同位素技术解决我国特殊生态学问题等方面下足功夫，为本学科的进一步发展做出贡献。
【参考文献】
[1]林光辉.稳定同位素生态学：先进技术推动的生态学新分支[J].植物生态学报，2010，34（2）.
[2]王健柱，林光慧.稳定同位素在陆地生态系统动——植物相互关系研究中的应用[J].科学通报，2004，49（21）.
【作者简介】张小静：青海师范大学生命与地理科学学院。 徐隆华：青海师范大学生命与地理科学学院。
【关键词】稳定性同位素；氮稳定性同位素；生态学
【中图分类号】TQ 【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2013）02-0094-2
稳定同位素技术具有示踪、整合和指示等多项功能，且监测快速、结果准确等特点，因而在生态学研究中日益显示出广阔的应用前景。近年来，由于生态学研究问题更趋复杂化和全球化，多学科的交叉综合研究已成为本学科发展的新的生长点。以稳定同位素作为示踪剂研究生态系统中生物要素的循环及其与环境的关系、利用稳定同位素技术的时空整合能力研究不同时间和空间尺度生态过程与机制，以及利用稳定同位素技术的指示功能揭示生态系统功能的变化规律，已成为了解生态系统功能动态变化的重要研究手段之一。稳定同位素技术逐渐成为进一步了解生物与其生存环境相互关系的强有力的工具，使现代生态学家能够解决用其他方法难以解决的生态学问题。
同位素是一类具有相同原子和质子数，但不同中子数的元素，而稳定同位素则是不具放射性的同位素，稳定同位素之间没有明显的化学性质差别，但某些性质因为其在质量上的不同而有微小差异（如在气相中的传导率、分子键能、生物合成和分解速率），导致物质反应前后在同位素组成上有明显的差异。正是由于这一特征，使得稳定同位素技术成为当前广泛应用于生态学和环境科学的新方法。本文主要综述了氮稳定同位素在生态学和环境科学上的一些应用。
稳定同位素在自然界中含量极低，用绝对量表达同位素的差异比较困难，因而国际上公认使用相对量来表示同位素的富集程度，用公式可以表示为：
δ15X=[（R sam-R std）/R std]*1000
其中R sam是样品中元素的重轻同位素丰度之比（如15Nsam/14Nsam）；R std是国际通用标准物的重轻同位素之比（15Nstd/14Nstd）。
氮元素有两种中子数不同的稳定性同位素，即14N和15N，其中重同位素（15N）在生物体内的含量非常低。大气氮气中14N和15N的相对丰度分别为99.64%和0.36%，15N/14N的比值为0.003613。
一、氮稳定性同位素技术在动物生态学方面的应用
1.生态系统各生物种属所处的营养位置及营养结构
生物的稳定氮同位素的组成在用于确定生态系统中各生物种属的营养位置方面的应用已得到公认。生物中δ15N值受食物源和生物的新陈代谢两方面的因素影响。生物的新陈代谢会引起同位素的分馏，使δ15N同位素在生物体内进一步富集，这样逐级富集重同位素从而实现了不同营养级间同位素的富集作用。如：Cabana和Rasmussen对高营养层次鱼类-湖鳟营养级的研究是一个相当典型的例子。他们研究了加拿大地盾湖泊（Shield lakes）中成年湖鳟的δ15N值，发现它们有非常宽的δ15N值范围（0.75‰-1.75‰），计算出它们几乎横跨了三个营养级，通过进一步的研究证明了食物网结构与δ15N值有关。卢火胜（2009）应用氮稳定同位素技术对雷州湾海域主要鱼类的营养级进行了研究，他利用同位素质谱仪测量出雷州湾海域共65种鱼类及个别种类不同长样品的稳定同位素值（δ15N），然后利用营养及计算公式TL=（δ15Nsamp-δ15N0）/δ15Nc+2，计算出它们所处的营养级，分析得出稳定同位素分析法与传统的胃含物分析法所得的结果有很好的一致性。
2.氮稳定同位素在动物食性分析中的应用
研究发现，动物体内的稳定同位素组成和其所摄食的食物中的稳定同位素组成相对应。食物中的碳、氮稳定同位素组成发生变化时，动物体内的碳、氮稳定同位素组成也发生相应的变化。因此，通过对动物体内不同组织和可能摄取食物的碳、氮稳定同位素值得分析比较，就可推断动物的摄食情况。由于动物在摄食后对食物的同化作用要经过一段时间，所以动物体内的稳定同位素值的变化主要反映动物当前一段时期甚至相当长一段时期内的摄食情况，这主要由动物组织的稳定同位素值决定。彭士明（2011）利用稳定同位素技术分析了东海银鲳及其可能摄食饵料的碳氮同位素比值，依据消费者稳定同位素组成与其摄食饵料稳定同位素组成相一致的原则，判断银鲳的可能饵料包含箭虫、虾类、水母类、头足类、仔稚鱼>1000μm浮游动物、500-1000μm浮游动物以及100-500μm浮游动物。余婕（2008）利用C、N稳定同位素示踪技术，对崇明东滩盐沼湿地夏季不同生境大型底栖动物的食物来源进行了分析，发现湿地优势植物的活植物体不是大型底栖动物的主要食物来源，沉积有机质是大部分底栖消费者的食物基础。
二、氮稳定性同位素技术在环境科学中的应用
生态系统中污染物影响的示踪及污染物生物放大作用研究。
由于不同来源的含氮物质可以具有不同的氮同位素组成，因此，氮同位素也是一种很有效的污染物示踪剂。邢萌（2010）通过测定西安市周边主要河流浐河和涝河硝酸盐δ15N值和氮源物的δ15N值，大致将河流采样点按照其氮污染源进行了的归类，以此阐明了氮稳定同位素可以较好地示踪水中氮素的来源。肖化云和刘丛强（2010）对世界主要能源的氮同位素组成和对不同来源大气N的稳定同位素组成进行了研究，发现确定的地区，不同氮源的氮稳定同位素组成具有较明显的差异，可以进行大气氮源的氮同位素示踪。并介绍了苔藓是一种较理想的大气污染生物监测手段，应用苔藓δ15N可以指示人为成因的大气氮污染和氮沉降。蔡德陵（2003）介绍了氮稳定同位素（δ15N）还可以用于生物对多氯联苯（PCBs）、DDT、氯丹（CHL）等有机氯污染物和Hg、Cd、Zn等重金属的生物放大作用的研究。 三、氮稳定性同位素技术在植物生态学方面的应用
1.固氮植物生物固氮量方面的应用
氮素是自然和人工生态系统中最重要也是行为最活跃的营养元素之一。生态系统中氮素主要通过氨挥发、淋溶和反硝化作用丧失，通过施用氮肥及固氮植物的生物固氮等得到补充，以维持生态系统中氮素的动态平衡。生物固氮在全球氮循环和温室气体排放估算中占有至关重要的地位。何道文（2004）在对国际上日益受到重视的用N—15自然丰度法对固氮植物生物固氮量的研究进展进行了初步的总结，并探讨了影响该方法准确性的一些主要因素。提出了如果对各影响因子加以系统考虑，合理解决参比植物选择和固氮植物取样部位等方面的问题，应用氮同位素法可以较为准确地测定生态系统中固氮作物和固氮树种的生物固氮量。
2.在植物利用的氮素来源研究方面的应用
N是自然界中最重要的元素之一，是植物生长不可缺少的重要营养元素之一。植物中氮素的来源有多个，如：降水、土壤腐殖质、生物固定的氮素、植物凋落物等，不同氮源中的N—15丰度不同，从而为通过分析上述氮源中和植物中氮素N—15的丰度，确定生态系统中氮素的主要来源，以及植物可利用氮的来源。Abbadie利用氮同位素法确定了干旱区稀树草原草本植物主要利用的氮源来自根系腐烂分解提供的氮素。刘琼霦，叶学文（2001）论述了如何将氮稳定同位素应用于森林生态系统中来确定氮素的来源，以提供相关的信息来确定森林生态系统中是否已达到氮过量或氮饱和，从而减少或避免森林生态系统遭到破坏。
3.植物间氮素转移方面的应用
N—15丰度差异可作为定量指标研究在自然生态系统和农业生态系统中植物对生物固氮、土壤氮素或氮肥等不同氮源的利用效率。由于不同氮源之间存在N—15丰度差异，某一植物利用生物固氮固定氮素的比例由下式计算：X（%）=（δ15Nref，pl-δ15Nassoc/δ15Nref，pl-δ15Nfixation）×100式中δ15Nref，pl、δ15Nassoc、δ15Nfixation、分别为没有使用该氮源的参比植物、使用该氮源的测量植物、生长在无氮培养基上的固氮植物N—15自然丰度。Snoeck就利用N—15自然丰度法研究了在咖啡种植园中套种豆科植物，咖啡对豆科植物所提供的氮素的利用状况，结果表明咖啡的30%的氮素来源于豆科植物。
四、氮稳定性同位素技术在农业生态系统中的应用。
我国稳定同位素15N的农业研究始于60年代，由于其无辐射危害，勿须防护措施，且生产成本下降等原因，使其在生命科学中得以日益广泛应用。温贤芳，郭智芬（1991）在稳定同位素15N在我国农业研究中的应用进展中综述了氮稳定同位素在农业生态系统中主要有以下几个方面：应用15N研究氮素化肥在土壤中的去向，提高化肥利用率和改进施肥技术及其15N示踪技术在生物固氮研究中的应用等。
五、氮稳定性同位素技术在氮素循环方面的应用
稳定性同位素技术是现代生态学研究中的一门应用技术，他几乎在生态学研究的各个领域都有着广泛的应用。其中氮稳定性同位素技术由于具有示踪和区分氮素物质的源与去向等优越性而在生态系统氮循环研究中发挥了极为重要的作用。孙志高（2005）从湿地氮素的输入过程、转化过程以及归趋过程三方面综述了15N技术在当前国内外湿地氮循环中的应用。刘秀娟（2009）对2006年2，5，8，11月份长江口海域表层水体中的悬浮颗粒物（SPM）进行稳定氮同位素分析，根据不同季节、不同区域内其δ15N值的变化研究水体中氮的迁移、转化等生物地球化学过程，揭示其环境行为，从而对该海域的氮循环机制进行探索。
六、结语
从上面的综述可以看出，氮稳定同位素已在生态学的多个领域得到应用，随着科技的发展，它的应用会更加广泛。然而，应该强调的是，我们不应一味地模仿国外过去开展过的研究，而是应该在稳定同位素生态学的学科理论框架、相关分析技术研发和仪器改进，以及如何利用稳定同位素技术解决我国特殊生态学问题等方面下足功夫，为本学科的进一步发展做出贡献。
【参考文献】
[1]林光辉.稳定同位素生态学：先进技术推动的生态学新分支[J].植物生态学报，2010，34（2）.
[2]王健柱，林光慧.稳定同位素在陆地生态系统动——植物相互关系研究中的应用[J].科学通报，2004，49（21）.
【作者简介】张小静：青海师范大学生命与地理科学学院。 徐隆华：青海师范大学生命与地理科学学院。