0.3
0.4 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0
0
20
20
40
40
60
60
80
80
深度 (cm)
100
100
120
120
140
140
160
160
-12 -10 -8
-6
-4
-2
0 -90
-80
-70
-60
-50
-40
18O (per mil)
D (per mil)
夏玉米茎水的18O或D 土壤水的18O或D
120
140
160 地下水
土壤水中的18O 土壤水含量
-12 -10
-8
-6
-4
-2
0
18O (per mil)
某农田剖面的氧同位素观测数据
19
土壤水与地下水同位素特征
• 蒸发后的土壤水分和随后降水补给水分的 混合补给地下水。
湿润
蒸发线 干旱
20
同位素在径流分割中的应用
• 降水后径流成份组成示意图
δ15N（ ‰）
不同来源NO3－的δ15N和δ18O取值范围示意图
修改自Kendall(1998)、Xue et al.(2009)和Nestler et al. (2011)
34
15N, 18O在识别硝酸盐污染研究中的应用 • 研究实例
Li S., Liu C., Li J., Liu X., Chetelat B., Wang B., Wang F. Assessment of the Sources of Nitrate in the Changjiang River, China Using a Nitrogen and Oxygen Isotopic Approach. Environmental Science & Technology. 2010, 44(5): 1573-157835.
7
同位素含量的描述
• 同位素丰度
– 一种元素的各种同位素在原子中所占的百分比
称为同位素丰度
氢
氧
同位素
丰度（%）
同位素
丰度
1H
99.985
16O
99.757
氘 2H（D）
0.015
17O
0.038
氚 3H（T）
18O
0.205
8
同位素比率
• 同位素比率是一种元素的两种同位素丰度
之比
稀有同位素的丰度 R 丰富同位素的丰度
12
9.2 2H,18O在水循环研究中的应 用
• 2H(D),18O是水中的天然示踪剂
降水后水汽 18O：-13‰
降水 18O：-7‰
土壤 18O：-4‰
河流 18O：-5‰
水汽 18O：-10‰ 海洋 18O：0‰
蒸发及降水过程中 D与 18O是怎么变化的？
水中D与 18O有什么关系？
13
大气降水同位素特征
– 由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生
物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在
两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不
同的同位素比值的现象重同位素分子有较低的活
蒸发过程
动性：质量大的分子具有
较小的速度，与其他分子
1H1H16O 2H2H18O
的碰撞频率较小，这也就 是质量轻的分子反应速度
快的原因
2
R(H
2O)
[2 H1HO] [1 H2O]
13 R(CO2
)
[13 CO2 [12 CO2
] ]
18R(H
2O)
[H 218O] [H 216O)
18 R(CO2
)
[C18O16O] [C16O2 ]
9
千分差值δ
• 值是指样品中两种稳定同位素的比值相对
于标准样‰品同R位样素品 比R值标的准 千1分00之0偏差
水稻、小麦、大麦、玉米、高粱、甘蔗、菠萝 燕麦、黑麦、马铃 谷子 薯、甘薯、豆类、 茄果类、叶菜类
– 不同地理分布的植物存在不同的δ13C值
• 植物δ13C值还受土壤含水量、湿度、光照、温度和 大气CO2浓度等环境因子的影响
38
同位素在食物链中的传递
判断动物的营养级有什么意义？
39
同位素在食物链中的传递
同位素技术在水文地理学中的应用
1
课程目的
理解同位素技术的基本原理
了解同位素技术在地理学相关研究领域中的应用
启发思维，扩展看问题的角度
2
9.1 什么是同位素
• 核内质子数相同，所含中子数不同的一类 核素
– 在化学元素周期表中占据相同位置，它们具有 相同的核外电子排布结构，因而总的化学性质 相同，只是质量不同。
0.886
0.624 0.74 0.371 0.662 0.662 0.636
– 从以上资料可看出，大气降水的同位素组成与
当地气温的关系密切，且呈正相关变化，但不
同地区变化差异很大。
15
大气降水的同位素效应
• 纬度效应
– 从低纬度到高纬度，随着温度的降低，降水的 重同位素逐渐贫化
16
大气降水的同位素效应
R标准
– 值能反映出样品同位素组成相对于标准样品的 变化方向和程度。如值为负值，表明样品中的 稀有元素比标准样品少，反之，表明样品中稀 有元素比标准样品多。
10
常见同位素的标准样品
‰ R样品 R标准 1000
R标准
稀有同位素的丰度 R 丰富同位素的丰度
• 2H,18O
– 维也纳标准海洋水（VSMOW）。
• 全球大气降水线方程（GMWL）：δD=8δ18O+10 • 区域大气降水线方程（LMWL）
大气降水中δD和δ18O的富集或贫化与什么因素有关？
14
大气降水的同位素效应
• 温度效应
地点
乌鲁木齐 包头 拉萨 石家庄 太原 张掖 兰州
平均气温 （℃） 7.66
12.69 13.6 13.87 14.53 15.89 17.21
-6
-4
-2
0 -90
-80
-70
-60
-50
-40
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0
0
20
20
40
40
60
60
80
80
深度 (cm)
100
100
120
120
140
140
160
160
-12 -10 -8
-6
-4
-2
0 -90
-80
-70
-60
-50
-40
0.0
0.1
0.2
同位素研究地下水补给主要应用于什么气候类型的地区？ 为什么？
24
研究实例
陈建生等在Nature（2004）发表论文： Groundwater maintains dune landscape 利用氢氧稳定同位素分析，得到结论：中国西北阿拉善 高原的巴丹吉林沙漠下隐藏着大量的淡水资源，其与500 公里以外的祁连山冰川积雪之间，更存在着一条巨大的 “调水通道”——祁连山深大断裂。
• 农业合成氮肥 • 生活污水、人畜粪汁
如何识别硝酸 盐污染来源？
33
15N, 18O在识别硝酸盐污染研究中的应用
δ18O（ ‰）
70
60
大气沉降中
50
NO － 3
40
30
化肥中
反硝化作用
20
NO －
3
10
化肥及大气
沉 降 中 NH+
土壤N
生 活 污 水 (人 畜 粪 汁 ）
0
4
-10 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
15N, 18O在识别硝酸盐污染研究中的应用 • 研究实例
36
15N, 18O在识别硝酸盐污染研究中的应用 • 研究实例
37
9.4 13C,15N在生态系统中的研究 应用
• 不 O)同组区成域差植异C13物3C类：植中-2物2‰存~-3在0‰稳C13定4C类：植同-9物‰位~-14素‰ (HC13,ACM：C类-1,植0N‰物~,-30‰
• 在一定环境条件下, 动物组织δ15N值在相邻 营养级间差异(Δ δ15N)明显, 且比较恒定, 大 约为3.0‰~ 5.0‰
18O值 （‰）
-12.01
-8.48 -18.87 -7.95 -5.53
-6.8 -6.37
18O-t线性方程
相关系数
18O=0.417t-15.202
18O=0.181t-10.771 18O=0.667t-27.807 18O=0.121t-9.635 18O=0.008t-5.647
18O=0.54t-15.38 18O=0.327t-11.996
思考：随温度升高，同位素分馏程度如何变化？ 6
同位素示踪的基本原理
• 同位素分馏
– 实质：轻重同位素分子结合力的差异造成的分 子活性差异
– 自然界中的化学反应、蒸发作用、扩散作用、 吸附作用、生物化学反应都能引起同位素分馏 。
– 应用：经过同位素分馏作用，同一元素的同位 素在不同物质或同一物质的不同相态的轻重同 位素含量不同，为分析物理、化学及生物反应 提供了条件。
• 应用：测龄，示踪
4
同位素分类
• 根据同位素来源
– 天然同位素
• 地理学中最常用的天然同位素是稳定同位素2H、18O 、15N、13C和放射性同位素3H、 14C；