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第五講穩(wěn)定氮同位素穩(wěn)定氮同位素:14N:99.64%15N:0.36%standard=N2inair(15N/14N=0.00368)measuredas:N2典型氮庫(kù)的同位素組成:Nitrate,rain:-13to+2OrganicN,soil:0to+9Fertilizer:-5to+5Animalwaste:+8to+22氮同位素及其循環(huán)
NitrogenIsotopesandNitrogenCyclingADELTA15-N=+10‰
meansthereis10partsperthousand(orpermil)more15-Ninthesamplethaninthestandard.ADELTA15-N=-10‰
meansthereis10partsperthousand(orpermil)less15-Ninthesamplethaninthestandard.Delta(d)value=Ratiosample
RatiostandardRatiostandardx1000-WhereRatioistheratioof2isotopesofanelement,suchas15N/14Nfornitrogen,forasampleorastandard.氮同位素及其循環(huán)
NitrogenIsotopesandNitrogenCyclingPeopleusuallyfindthenegativedvaluesabitconfusing,buttheyarejustaproductofwhatmaterialwaschosenasthestandard.Example:
ForN,theratioof15N/14NinAirisabout1/250.Ifasamplehas1%more15NthanAir(=1/250),itsratiowouldbe:1.01/250.This1%correspondsto+10‰.Ifasamplehas1%less15NthanAir--(=0.99/250),thisis-10‰.氮同位素及其循環(huán)
NitrogenIsotopesandNitrogenCyclingheavyvs.lightisotopes the“heavy”isotopeistheonewithmoreneutrons;itisalsogenerallythelessabundantisotope.enrichedvs.depleted remembertostatewhatisotopeisinshortsupply: does“enrichednitrogen”meanthat: thenitrogenisenrichedinheavynitrogen
ORthenitrogenisenrichedinlightnitrogen?positivevs.negative
-10‰
ismorepositivethan-20‰.氮同位素及其循環(huán)
NitrogenIsotopesandNitrogenCycling1天然氣;2火成巖;3火山氣;4受糞肥污染土壤中的氮;5動(dòng)物糞便(廄肥)或污水中的NO3-;6沉積巖中的有機(jī)質(zhì);7石油;8非豆科植物;9墾植土壤和受生活污水污染土壤中的氮;10土壤有機(jī)氮礦化形成的NO3-
;11天然土壤中的氮;12雨水;13煤;14受化肥和工業(yè)廢水污染土壤中的氮;15含氮化肥的NO3-;16豆科植物;17泥炭不同氮源的δ15N值分布圖氮同位素及其循環(huán)
NitrogenIsotopesandNitrogenCycling-50-40-30-20-10010203040501152351787166410121491113一般講,城市地下水的δ15N
值較高,而農(nóng)村地區(qū)較低;在生活污水和畜禽廢水為污染源的地下水層,δ15N
一般在1%以上;農(nóng)業(yè)用地的地下水δ15N值為0.10%-1.08%,化肥施用地區(qū)地下水δ15N值較低,有機(jī)肥施用地區(qū)地下水δ15N
值較高,有時(shí)候超過(guò)1.0%;當(dāng)然,施肥的方法、灌溉的情況及土壤的特性等都會(huì)影響同位素值。氮同位素及其循環(huán)
NitrogenIsotopesandNitrogenCyclinglightheavy0‰0.6‰-1to0‰-1to0‰20-30‰氮同位素分餾
NitrogenIsotopeFractionationKarletal.,2002表生環(huán)境中,某些作用過(guò)程會(huì)導(dǎo)致環(huán)境中N組分的同位素發(fā)生分餾,這些過(guò)程包括:
Duringbiologicalprocesses(e.g.,assimilation,nitrification,denitrification),thelighterisotope(14N)endsupbeingconcentratedintheproductswhiletheheavierisotope(15N)endsupbeingconcentratedintheresidualreactants.Hence,duringthereactionNO3
N2,theresultingN2hasalowerd15NthantheresidualNO3.Biologicalfractionationscanmakeitverydifficulttoidentifysourcesandquantifymixingproportions.氮同位素分餾
NitrogenIsotopeFractionation15NGlobalaverage=4.5to5.0
‰
AdditionofdiazotrophNtonitratepool
=0to-1‰0100 100 200%ofOriginalPool
20NO3Pelagicdenitrification=-20‰Nitrateuptake=-5‰Sedimentdenitrification=-0‰[Nitrification]氮同位素分餾
NitrogenIsotopeFractionation15NAdditionofdiazotrophNtoNH4pool
=0to-1‰0100 100 200%ofOriginalPool
20NH4Nitrification=0to-20‰Ammoniumuptake=(-5‰??)Ammonification=(-3to-5‰??)氮同位素分餾
NitrogenIsotopeFractionationProcessEnrichmentfactor()(w/rtoproducts)CommentsNO3assim:culture,field0to-24‰;-10‰-4to–5‰mMNO3;μMNO3μMNO3NH4assim:culturefield0to-15‰;-3to-27‰-10‰mMNH4;μMNH4μMNH4Nitrification0to-20
‰Concentration
dependentDenitrification,pelagicsediment-20to-40‰~0‰Concentration
dependentN2Fixation~-3to+1‰LittleenzymaticfractionationAmmonification-3to-5‰(?)HardtomeasureNH4+
氮同位素分餾
NitrogenIsotopeFractionationPrimaryproductioninaclosedsystem–Raleighfractionation氮同位素分餾
NitrogenIsotopeFractionationNH4的示蹤:The15NofNH4derivedfromvolatilizationofNH3fromanimalwastelagoonsisverylowcomparedtothe15NofotherNsources.NitrificationofNH4producesNO3witha15Nthatisonlyabout0to2‰higherthanthe15NoftheNH4(ifmostoftheNH4isnitrified).Hog
Hog
WasteinLagoonMatureLagoon15Nhog
+3‰15Nwaste
+2‰15NNH3
-15to-25‰VolatilizationofNH315NNH4
+30‰LagoonResidualwastematuration氮來(lái)源示蹤TracetheofsourcesofN氮來(lái)源示蹤TracetheofsourcesofN15NNO3Cannoteasilydistinguishbetween:(1)amanuresourceand(2)afertilizersourcethathasdenitrifiedtohavethesame15Nasmanure.Justusing15-Nisotope環(huán)境介質(zhì)中NO3-的示蹤d15N(permil)(ModifiedfromKendall,1998)d18O(permil)Highnaturalbackgrounds,especiallyinaridandsemi-aridenvironments.Widespreaduseasfertilizer.Byproductofanimalwaste.Commonconstituentofchemicalprocessing氮來(lái)源示蹤TracetheofsourcesofNMississippiRiverBasin(Changetal.,2002)SanJoaquinRiverBasin(Kratzeretal.,2003)NEUSArivers,(Mayeretal.,2002)denitrification氮來(lái)源示蹤TracetheofsourcesofN地表水體中NO3Howtoestimatetheeffectsofde-nitrificationcanbeestimatedusing:analysisofdissolvedN2for15N(tocorrectfortheN2producedbydenitrification),nitrate-δ18O(thistracerusuallyisnotasusefulforthispurposeasN2-15N);andgeochemicalmodelingusingchemicaldataandperhapsDIC-13C,SO4-34S,etc.useofall3methods,alongwithage-datingofthewaterusingCFCsor3He/T,willimprovequantificationofsourcecontributions.地下水環(huán)境中NO3可能經(jīng)歷了反硝化作用過(guò)程,因此,當(dāng)用15-N對(duì)地下水中NO3進(jìn)行示蹤時(shí):對(duì)化學(xué)肥料來(lái)源?
動(dòng)物排泄物??氮來(lái)源示蹤TracetheofsourcesofN
地下水系統(tǒng)中,NO3天然降解Modifiedfr
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