碳氮氢氧稳定同位素示踪技术在生态系统研究案例稳定同位素作为示踪剂广泛应用于生态循环和大气循环中的相关研究。

研究人员通过测量空气、植物和土壤中的稳定性同位素组成，进而研究传统生态学无法解释的复杂生态学过程，例如：碳同位素用于分析生态系统CO2循环，区分碳通量研究中各组分的贡献率，确定不同物种对全球生产力的分配和贡献；氢氧同位素用于分析植物对土壤水分的利用效率，进而区分土壤水分的蒸腾与蒸散；氮同位素用于分析植物及生态系统的氮素循环，通过反硝化细菌转化成N2O，根据15N在N2O分子的不同位置，可以示踪N素循环的不同化学反应过程。

在这些生态研究中，要求使用的设备同时具备高环境耐受性、高精度、高测量速度及宽量程等特点。

美国Los Gatos公司采用专利的OA-ICOS技术（第4代CRDS技术）设计的一系列稳定同位素分析仪，具有操作温度范围宽、量程宽、高速、高精度的优点。

能够满足实验室野外多点长期同步监测、不同高度长期同步监测等研究的需要。

其与其他传统测量方法相比，改进了对外界温度、压力变化比较敏感的缺陷，具备无法比拟的优势，适用范围也大大得到扩展。

一、测量原理LGR：采用OA-ICOAS技术，符合Beer-Lambert定律，通过测量光损失来确定未知物质的浓度；通过改变入射激光的波长，一次扫描测量需要的全部光谱，每秒300次测量，做平均，从而保证了多点连续监测的同步性以及高精度性。

特点：1、测量速度非常快，每秒300次全光谱扫描取平均，测量速度及精度远超传统质谱仪；2、一次扫描测量全光谱，实时显示光谱曲线，即使温度压力的变化引起峰漂移也不会影响到峰面积的变化；3、离轴的光腔设计，避免反射光与入射光直接的相互干扰，信噪比低；4、通过峰面积来计算位置物质的浓度，所以测量范围很宽；二、 试验方案1、碳氧稳定同位素示踪设计方案1.1土壤-植物根系呼吸的区分利用土壤、植物根系呼吸产生的CO2中13C同位素信息，可以区分它们各自在总呼吸中所占的比例，同时对18O同位素进行监测，使得多混合源的同位素区分成为可能。

1.2 生态系统尺度光合作用和呼吸作用区分由于光合和呼吸有着不同的同位素标签，所以可以利用同位素有效的区分这两种不同的通量。

有研究已经把这种方法应用到生态系统尺度（Dan Yakir & Xue-Feng Wang, Fluxes of CO 2 and water between terrestrial vegetation and the atmosphere estimated from isotope measurements, Nature, Vol 380 11 APRIL 1996.Dan Yakir & Leonel da Silveira Lobo Sternberg, The use of stable isotopes to study ecosystem gas exchange, Oecologia (2000) 123: 297–311.）通过架设廓线系统，在4-5个不同高度的塑料管口抽取气样，取样点包括冠层边界层和大气本地区域，同时测量各点的CO2/H2O浓度，以及同位素丰度，测量各层风速和温湿度。

1.3单点或多点廓线野外连续碳氧稳定同位素监测单点监测只需配备CO2同位素分析仪主机和单点气体进样管路，为了防止外界灰尘进入污染管路及分析仪主机，我们采用多级过滤系统，除了主机进样口的过滤器外，在各管路的进样口都配备了进口的过滤器。

为了阻止外界液态水（如下雨、晨露等）进入管路及仪器主机，我们采取开口向下的进样口布置方式，同时在各通道管路进样口末端加配了防水过滤器，过滤精度：< 1微米，能够阻止液态水进入管路，但不影响气体的进入。

多点连续监测，我们采取了如下措施：①多路器，附多路控制系统，能够自动控制不同管路间的切换，切换时间秒级。

多路器分8路和16路两种。

16通道多路器②多路管路进样系统：为了防止外界灰尘进入污染管路及分析仪主机，采用多级过滤系统，除了主机进样口的过滤器外，我们在各管路的进样口都配备了进口的过滤器。

为减少管路的吸附效应，经反复做了试验对比，发现特氟龙管路的吸附效应最小，本设计我们采用特氟龙管路，同时在进样管路外加套PVC管，用以防止老鼠及昆虫叮咬对进样管路造成破坏。

为了保证各管路气体的流速均匀一致，我们在管路末端加配了气体流速调节器，能够调整各通道管路内的气体流速均匀一致。

③多通道气体流速同步控制系统：通过加配外置泵及三通阀，外置泵对多路器附属管路连续抽气，调整了各通道间的气体流速，从而保证不同通道之前气流采集的完全同步，通过加配三通阀，调整各通道的气体流向，能够实现不同通道管路的切换，始终保持进入分析仪主机的气流具有同时性。

④野外在线多点连续监测系统示意图：1、测量需求，通道少，管路<10米2、测量需求，通道多，管路>10米1.4植物-土壤-大气碳氧稳定同位素示踪采用无损燃烧前处理技术和中红外激光光谱技术，将成熟的TOC分析测量单元与CO2同位素分析仪主机进行整合，能够实时测量并输出稳定同位素δ13C、δ18O比率等数据。

在操作上首先将植物或土壤样品在TOC分析仪中高温燃烧，将其中的有机物转化成CO2，进而通过CO2分析仪主机测量其中的碳氧稳定同位素，通过对各组分碳氧稳定同位素的拆分，研究植物‐土壤‐大气之间CO2的循环，结合液态水同位素分析仪测定的氢氧稳定同位素数据，可进一步探讨CO2及H2O在呼吸和光合作用的生态学意义。

2、氢氧稳定同位素示踪设计方案2.1植被对土壤水分的利用来源氢氧稳定同位素可用于区分不同生态型或植被类型的植物根系对水分的利用吸收情况进而研究同一生境中的共生植物对土壤水分利用竞争关系。

2.2土壤蒸发与植被蒸腾的拆分广义的水分蒸发包括土壤或水体表面的蒸发和植被的水分蒸腾，对于植物组织水和土壤水，理加联合自己研发了有中国知识产权局颁发专利证书的真空抽提设备，对植物组织和土壤中的水分抽提率可达98%以上。

通过对植物土壤水分和植物组织水分进行真空抽提，将收取的样品直接通过水同位素分析仪进行测量，配合大气水汽中的氢氧稳定同位素，进而区分土壤水分的蒸腾与蒸散。

1、配套设备E T +=ETE T ET ET δδδ×+×=×E TET E ET ET δδδδ−−==Tf TE EET ET 1δδδδ−−==−E f 2.3氢氧稳定同位素的长期在线监测Manish Gupta (2009)，采用了自动原位取样、连续测量的方式，在三次强降雨过程中连续测量溪水中和降水中稳定性同位素比例，发现溪水中氢氧稳定同位素的值并不随雨水氢氧同位素的变化而变化，这一结果说明，溪水的主要水分补给主要是土壤的潜水，而不是直接来自大气降水。

3、氮氧稳定同位素示踪设计方案3.1N2O源和汇的区分（单点及多点或廓线研究）N2O做为一种重要的温室气体，越来越受到科研人员的关注，其中15N含量可以提供N2O地化循环的重要示踪信息，这是因为许多生物化学过程存在不同的同位素特征。

N2O 是一种线性非对称的分子(N–N–O)。

一个氮原子在中间（α），另一个氮原子在一侧（β）。

因此，我们可以利用这个特点来区分重的氮同位素，命名为14N15N16O 和15N14N16O，代表15N和15Nβ。

通过LGR氧化亚氮同位素分析仪对δ15N、δ15Nα和δ15Nβ的测量可以量化N2O α的源与汇。

选配手动进样装置和多路器后，也可以测量气袋内的气体样品，同时可以N2O的多点长期监测或廓线监测。

3.2细菌反硝化法示踪土壤-植物之间的N素循环通过将土壤、植物组织之间的硝酸盐反硝化成N2O，利用N2O同位素分析仪主机测定其中的δ15Nα、δ15Nβ和δ18O，进而分析土壤-植物之间的N素循环。

首先建立细菌反硝化池，将反硝化成的N2O气体接入分析仪主机进行测定。

三、 LGR仪器野外在线连续监测实例LGR仪器设备在国际和中国国内都有野外长期在线连续监测的先例，其中国内一些单位在线连续监测的设备及监测项目如下：1、中国林业科学院河南济源生态站：水汽-二氧化碳同位素2、中科院地理所江西千烟洲站：水汽-二氧化碳同位素3、中国科学院东北地理所：温室气体分析仪，温室气体浓度与通量。

地点：漠河、三江等4、内蒙古农业大学草原生态站：温室气体分析仪，温室气体通量5、北京林业大学：温室气体分析仪，温室气体廓线+土壤呼吸6、中国水利科学院：温室气体分析仪，多点土壤呼吸监测7、中国气象局气象科学研究院拉萨站：氨气分析仪，长期连续监测8、南京水科院滁州站：液态水同位素分析仪，人工模拟降雨重力分馏水同位素连续监测9、南京信息工程大学太湖站：水汽同位素连续监测10、浙江农林大学天目山站：水汽同位素连续监测11、上海环境科学院：温室气体分析仪+土壤呼吸12、上海市气象局崇明岛：CO2/CH4/N2O涡度相关长期监测13、中科院南京土壤研究所常熟站：氨气分析仪，施肥后氨气排放在线监测14、中科院大气物理所：氧化亚氮分析仪，N2O多层廓线长期监测15、中科院大气物理所：温室气体分析仪，CO2/CH4多层廓线长期监测16、中科院大气物理所：氨气分析仪，氨气廓线监测17、中科院亚热带农业生态研究所：氧化亚氮分析仪，N2O涡度相关18、中科院亚热带农业研究所：温室气体分析仪，CO2/CH4涡度相关19、中科院亚热带农业研究所：氨气分析仪，氨气廓线监测东北地理所三江站温室气体野外连续在线监测系统（空气温度高达39度）中国林科院济源站水汽-二氧化碳同位素廓线连续监测系统北京八达岭林场梯度法通量测量三峡大学温室气体通量研究土壤/水面碳通量与碳同位素多点长期监测系统NOAA利用LGR气态水同位素分析仪连续监测水汽同位素廓线研究LGR液态水同位素分析仪溪水、地表径流、降雨、融雪多点连续监测系统廓线通量研究‐利用LGR仪器快速测量的特点，通过多路器，分别测量大气本底浓度，近地表浓度梯度，近冠层浓度梯度，区分土壤和森林的通量组分Soil, plant, and transport influences on methane in a subalpine forest under high ultraviolet irradiance. Biogeosciences (2009)南极科考队利用LGR仪器连续监测甲烷浓度Lake Untersee, Antarctica (NASA)土壤甲烷排放Nature 2008;456 (7222):628-30 Large tundra methane burst duringonset of freezing俄罗斯科学家应用LGR快速甲烷分析仪进行涡度相关测量。