同位素與水文

同位素技術(shù)在水文地理學(xué)中的應(yīng)用1同位素分類根據(jù)原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性穩(wěn)定同位素原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)以及原子核結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定不變的，自然界中多數(shù)原子核都屬于這一類，如2H、18O。應(yīng)用：示蹤放射性同位素原子核含有較多的中子或質(zhì)子，它就會發(fā)生裂變以形成一個穩(wěn)定的核。原子核不穩(wěn)定能自發(fā)進(jìn)行放射性衰變或核裂變而轉(zhuǎn)變成其它一類核素的同位素稱為放射性同位素，如天然同位素3H、14C等。應(yīng)用：測齡，示蹤2同位素分類根據(jù)同位素來源天然同位素地理學(xué)中最常用的天然同位素是穩(wěn)定同位素2H、18O、15N、13C和放射性同位素3H、14C；人工同位素通過人工方法（如核反應(yīng)、粒子加速器等）制造出來的同位素，如核爆產(chǎn)生的3H等。3同位素示蹤的基本原理同位素分餾由于同位素質(zhì)量不同，因此在物理、化學(xué)及生物化學(xué)作用過程中，一種元素的不同同位素在兩種或兩種以上物質(zhì)(物相)之間的分配具有不同的同位素比值的現(xiàn)象1H1H16O2H2H18O蒸發(fā)過程重同位素分子有較低的活動性：質(zhì)量大的分子具有較小的速度，與其他分子的碰撞頻率較小，這也就是質(zhì)量輕的分子反應(yīng)速度快的原因4思考：隨溫度升高，同位素分餾程度如何變化？同位素示蹤的基本原理同位素分餾實質(zhì)：輕重同位素分子結(jié)合力的差異造成的分子活性差異自然界中的化學(xué)反應(yīng)、蒸發(fā)作用、擴(kuò)散作用、吸附作用、生物化學(xué)反應(yīng)都能引起同位素分餾。應(yīng)用：經(jīng)過同位素分餾作用，同一元素的同位素在不同物質(zhì)或同一物質(zhì)的不同相態(tài)的輕重同位素含量不同，為分析物理、化學(xué)及生物反應(yīng)提供了條件。5同位素含量的描述同位素豐度一種元素的各種同位素在原子中所占的百分比稱為同位素豐度氫氧同位素豐度（%）同位素豐度1H99.98516O99.7572H（D）0.01517O0.038

3H（T）

18O0.205氘氚6同位素比率同位素比率是一種元素的兩種同位素豐度之比7千分差值δ值是指樣品中兩種穩(wěn)定同位素的比值相對于標(biāo)準(zhǔn)樣品同位素比值的千分之偏差值能反映出樣品同位素組成相對于標(biāo)準(zhǔn)樣品的變化方向和程度。如值為負(fù)值，表明樣品中的稀有元素比標(biāo)準(zhǔn)樣品少，反之，表明樣品中稀有元素比標(biāo)準(zhǔn)樣品多。8常見同位素的標(biāo)準(zhǔn)樣品2H,18O

維也納標(biāo)準(zhǔn)海洋水（VSMOW）。13C美國南卡羅萊州白堊紀(jì)皮狄組的擬箭石（PDB）9穩(wěn)定同位素技術(shù)在相關(guān)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用2H（D）,18O在水循環(huán)研究中的應(yīng)用15N,18O在識別硝酸鹽污染研究中的應(yīng)用13C,15N在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用穩(wěn)定同位素在氣候變化研究中的應(yīng)用109.22H,18O在水循環(huán)研究中的應(yīng)用2H(D),18O是水中的天然示蹤劑蒸發(fā)及降水過程中D與18O是怎么變化的？11水中D與18O有什么關(guān)系？海洋18O：0‰水汽18O：-10‰降水18O：-7‰降水后水汽18O：-13‰河流18O：-5‰土壤18O：-4‰大氣降水同位素特征全球大氣降水線方程（GMWL）：δD=8δ18O+10區(qū)域大氣降水線方程（LMWL）同位素富集同位素貧化大氣降水中δD和δ18O的富集或貧化與什么因素有關(guān)？12大氣降水的同位素效應(yīng)溫度效應(yīng)從以上資料可看出，大氣降水的同位素組成與當(dāng)?shù)貧鉁氐年P(guān)系密切，且呈正相關(guān)變化，但不同地區(qū)變化差異很大。地點平均氣溫（℃）18O值（‰）18O-t線性方程相關(guān)系數(shù)烏魯木齊7.66-12.0118O=0.417t-15.2020.886包頭12.69-8.4818O=0.181t-10.7710.624拉薩13.6-18.8718O=0.667t-27.8070.74石家莊13.87-7.9518O=0.121t-9.6350.371太原14.53-5.5318O=0.008t-5.6470.662張掖15.89-6.818O=0.54t-15.380.662蘭州17.21-6.3718O=0.327t-11.9960.63613大氣降水的同位素效應(yīng)緯度效應(yīng)從低緯度到高緯度，隨著溫度的降低，降水的重同位素逐漸貧化14大氣降水的同位素效應(yīng)季節(jié)效應(yīng)不同地區(qū)由于溫度、濕度和氣團(tuán)運移等因素存在季節(jié)性的變化，因此降水的同位素組成也會有季節(jié)性的變化。大陸效應(yīng)大陸效應(yīng)也稱離岸效應(yīng)，也就是大氣降水的同位素組成隨遠(yuǎn)離海岸線逐步降低15大氣降水同位素特征研究大氣降水同位素特征有什么意義？利用同位素研究流域水循環(huán)的基礎(chǔ)地表水、土壤水及地下水從降水中“繼承”了氫氧同位素特征，并在水循環(huán)過程中發(fā)生改變分析區(qū)域降水水汽來源不同水汽來源的降水氫氧同位素特征不同研究古氣候利用冰芯中保留的古降水中的氫氧同位素特征，推斷古代氣溫變化16土壤水與地下水同位素特征受土壤水蒸發(fā)的影響，在土壤剖面上同位素在地表富集地下水某農(nóng)田剖面的氧同位素觀測數(shù)據(jù)17土壤水與地下水同位素特征蒸發(fā)后的土壤水分和隨后降水補(bǔ)給水分的混合補(bǔ)給地下水。蒸發(fā)線18濕潤干旱同位素在徑流分割中的應(yīng)用降水后徑流成份組成示意圖19同位素在徑流分割中的應(yīng)用利用同位素分割徑流成分同位素混合方程sig20同位素研究地下水補(bǔ)給降水入滲補(bǔ)給過程同位素示蹤補(bǔ)給方式估算補(bǔ)給速度降水入滲21活塞式入滲捷徑式入滲（優(yōu)先流入滲）同位素研究地下水補(bǔ)給地下水補(bǔ)給的復(fù)雜性山前平原（沙漠）當(dāng)?shù)亟邓?；山區(qū)降水；冰川融水現(xiàn)代降水；古降水同位素研究地下水補(bǔ)給主要應(yīng)用于什么氣候類型的地區(qū)？為什么？22研究實例陳建生等在Nature（2004）發(fā)表論文：Groundwatermaintainsdunelandscape利用氫氧穩(wěn)定同位素分析，得到結(jié)論：中國西北阿拉善高原的巴丹吉林沙漠下隱藏著大量的淡水資源，其與500公里以外的祁連山冰川積雪之間，更存在著一條巨大的“調(diào)水通道”——祁連山深大斷裂。23土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的氫氧同位素18O在大氣－植物－土壤界面上的傳遞和分餾示意圖（數(shù)據(jù)來源:Dawson（2002）andYakir（2000））如何利用氫氧同位素研究土壤-植物-大氣系統(tǒng)的水循環(huán)過程？24土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的氫氧同位素研究植物根系吸水深度根系在吸水過程中不存在同位素的分餾作用25研究實例問題的提出玉米在不同生長階段根系主要利用的是哪個深度的土壤水？有什么意義？26研究實例問題的提出玉米在不同生長階段根系主要利用的是哪個深度的土壤水？傳統(tǒng)的研究方法根系挖掘缺點？同位素示蹤方法前提條件？27研究實例玉米不同生長期的主要根系吸水深度拔節(jié)期開花期完熟期28土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的氫氧同位素分割蒸散發(fā)（同位素貧化）299.413C,15N在生態(tài)系統(tǒng)中的研究應(yīng)用不同區(qū)域植物中存在穩(wěn)定同位素(H,C,N,O)組成差異不同地理分布的植物存在不同的δ13C值植物δ13C值還受土壤含水量、濕度、光照、溫度和大氣CO2濃度等環(huán)境因子的影響C3類植物C4類植物CAM類植物13C：-22‰~-30‰13C：-9‰~-14‰13C：-10‰~-30‰水稻、小麥、大麥、燕麥、黑麥、馬鈴薯、甘薯、豆類、茄果類、葉菜類玉米、高粱、甘蔗、谷子菠蘿30穩(wěn)定同位素在研究動物分布格局及活動原理陸地上不同區(qū)域植物同位素組成(δD,δ13C,δ15N和δ18O)有明顯差異動物組織中的同位素組成總是與其食物中的同位素組成相一致動物從一個地方遷移到其他地方時,動物組織中的同位素特征就會轉(zhuǎn)化為新食物的同位素組成這種轉(zhuǎn)化是一種動態(tài)的漸變過程,原來食物的同位素特征還會在動物組織中保留一段時間31穩(wěn)定同位素研究動物分布格局及活動Hobson和Wassenaar利用大陸上δD的分布格局研究了新熱帶區(qū)鳥類在繁殖地與越冬地間的遷移活動.他們分析了北美洲落葉闊葉林中6種候鳥羽毛δD值時發(fā)現(xiàn),羽毛δD值與該地區(qū)降水中的平均δD值密切相關(guān)(R2=0.89),并且隨地理緯度變化呈現(xiàn)明顯規(guī)律性變化.329.5穩(wěn)定同位素在氣候變化研究中的應(yīng)用氣候變化研究方法湖泊沉積物沉積物粒度：降水量多少碳酸鹽沉積：代表相對濕潤的氣候穩(wěn)定同位素（13C，18O）地球化學(xué)指標(biāo)：Sr,Rb……年輪年輪寬度、密度、灰度：降水量、氣溫穩(wěn)定同位素（13C，18O，2H）33穩(wěn)定同位素在氣候變化研究中的應(yīng)用冰芯冰川積累量：降水量穩(wěn)定同位素（18O，2H）：氣溫地球化學(xué)指標(biāo)微生物石筍穩(wěn)定同位素（18O，2H）：降水量，氣溫，大氣CO2濃度石筍微層：降水量地球化學(xué)指標(biāo)孢粉：植物-氣候海洋沉積物，珊瑚34樹木年輪穩(wěn)定同位素研究氣候變化3512CO213CO2植物體內(nèi)的δ13C相比空氣CO2是大還是??？光合作用中13C同位素分餾原理植物體內(nèi)的δ13C的影響因素降水降水少，植物體內(nèi)水分少，氣孔變小，植物體內(nèi)CO2分壓減小，δ13C分餾減小，δ13C值變大溫度溫度高，植物蒸騰作用強(qiáng)，氣孔變大，δ13C值變小大氣CO2濃度大氣CO2濃度減小，δ13C值變大36國外應(yīng)用同位素生態(tài)水文方面的研究河岸植物對不同水源（降水、地下水、河水）的利用情況；干旱區(qū)、半干旱區(qū)植物的水分來源