同位素示踪技术及发展趋势 - 生态环境学报.docVIP

农业生态系统中同位素示踪技术及发展趋势 王平利，张成江* 成都理工大学应用核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059 摘要：在土壤侵蚀研究中，137Cs、210Pb和7Be示踪技术已得到广泛应用，210Pb主要用在沉积速率的测定及沉积年代的示踪研究上，137Cs特别适用于大面积的水土流失普查和土壤侵蚀普查，7Be用于短期内土壤侵蚀研究。在土壤肥效和植物营养元素研究中，常用13C、32P和15N及其化合物示踪定量评价土壤养分，追踪植物对养分的吸收、运转、分配和代谢过程。在环境污染方面，用重金属如Pb、Hg、Cd、Zn等元素的同位素判别污染物质来源，研究污染历史和污染元素在土-水-气-植物中的迁移转化以及在动物有机体内的迁移累积。文章综述了同位素示踪技术在上述方面的应用现状和发展趋势。 关键词：同位素示踪；农业生态系统；土壤侵蚀；土壤肥效；环境污染 中图分类号：X124 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）04-0512-04 同位素示踪是一种用同位素或其标记化合物指示和追踪相应元素或化合物在生物体及其环境介质中迁移、转化和积累的方法。自从20世纪20年代以来，同位素示踪技术在农业生态系统中得到了广泛的应用和迅猛发展，对营养元素、有毒有害元素在土壤-水-大气-生物中的迁移、转换、累积规律以及土壤的侵蚀、污染历史等方面的研究起了很重要的作用，极大地推动了环境科学、农业科学以及生命科学的发展，现已成为这几门学科进行科学研究的重要方法和工具之一。 1 农业上常用的同位素 放射性同位素和稳定同位素都可作为同位素示踪剂[1]。放射性同位素示踪中一般选取放射线能量低、半衰期短、易探测的同位素。农业上常用的同位素列于表1。 表1 农业上常用的同位素 元素 同位素 元素 同位素 C 13C、14C Hg 203Hg N 15N Zn 65Zn，66Zn P 32P Cr 51Cr，57Cr I 131I Cd 111Cd，115Cd Br 82Br Se 75Se Sr 85Sr，86Sr，87Sr，90Sr Cs 137Cs，134Cs Ce 143Ce，144Ce Be 7Be Nd 147Nd Pb 204Pb，206Pb，207Pb 2 土壤肥力和植物营养示踪 同位素示踪技术从发展开始就被应用于土壤化学、土壤肥力和植物营养的研究。20世纪20年代，G. Hevesy就用天然放射性同位素研究了豆科植物对铅的吸收并且进行了分析。在30年代，人们掌握了人工生产放射性同位素技术和从天然同位素中分离富集生产同位素技术后不久，32P和15N等示踪核素标记肥料就被用于植物对养分的吸收和运移规律的研究。40年代末用32P标记肥料测定了在室温和田间条件下作物对磷肥的利用率；用15N标记肥料测定生物固氮能力和作物氮肥利用率。50~60年代，同位素技术被广泛应用：在土壤和植物研究中用同位素稀释原理测定了土壤中可交换性及有效磷的含量；用15N及其他放射性核素标记化合物测定了土壤中各种有效养分的含量。70年代发展了田间条件下测定生物固氮的15N示踪方法[2]。 近一二十年来，随着同位素分析技术的发展和应用方法的改进，同位素示踪技术已成为土壤科学研究中的重要手段。目前，同位素示踪技术在土壤科学和植物营养研究中的应用可归纳为两个方面： （1）根据同位素稀释原理进行养分的定量评价，如土壤肥力评价，土壤可交换养分和对植物有效养分的测定，肥料残效、肥料有效性和田间的生物固氮力测定等[2]。 （2）应用同位素标记的化合物追踪植物对养分的吸收、运转、分配和代谢过程，如土壤中肥料养分的命运，土壤养分的移动和转化过程[2]。 刘启明等[3~5]应用稳定碳同位素示踪研究了农林生态转换系统中土壤有机质的含量变化，用13C值探讨了其中有机碳的迁移规律，并总结了其降解速率和赋存规律。李君[6]用同位素技术对不同磷肥对土壤及作物的有效性进行了研究，发现土壤中磷的吸附及固定是较强的；在P2O5质量分数达到52 mg/kg及酸性土壤上施用磷肥对作物没有显著的效果，只能导致磷肥的浪费；在P2O5质量分数只有26 mg/kg及弱碱性土壤中施用不同磷肥均有显著的效果，可以增加磷肥的植物利用率。冯固等[7]用32P示踪研究了土壤磷素对不同作物生物有效性的差异，结果表明，同一土壤条件下，种植玉米时土壤供磷能力大于种植棉花时的土壤供磷能力；由此指出，评价土壤有效磷含量时，针对不同的作物要用不同的指标。李法云等[8]用32P示踪研究了白浆土中磷肥的利用率，结果表明，表层土壤表现出一定程度的供磷不足现象，白浆层土壤有效磷含量严重缺乏；施用有机肥能明显提高白浆土有效磷含量，加速土壤本身磷的活化。吕家珑等[9]