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第1章 绪论 1

第1节 稳定同位素技术的发展史 3

一、早期（1950年前）的理论突破与仪器研发 3

二、启蒙阶段（1950—1979年）的开拓性研究 3

三、近代（1980年后）的开拓性研究工作 4

第2节 稳定同位素技术的有关术语 5

一、同位素的定义 5

二、同位素比率 5

三、同位素组成的δ表示法 7

四、稳定同位素测试标准物 7

五、同位素分馏 12

六、扩散过程的同位素分馏效应 15

七、同位素瑞利分馏 16

八、同位素混合模型 16

第3节 稳定同位素大尺度监测与研究网络 18

一、水同位素监测研究网络 18

二、气体同位素研究网络 19

三、同位素合作研究网络 21

第4节 稳定同位素生态学学科特点 22

一、研究对象与内容 22

二、研究方法学 23

三、有关参考书 23

四、有关刊物与学术会议 24

主要参考文献 27

第2章 稳定同位素测定方法与仪器 31

第1节 稳定同位素样品的采集方法 33

一、固体样品的采集 33

二、液体样品采集 34

三、气体样品采集 34

第2节稳定同位素样品的预处理方法 37

一、固体样品的预处理方法 37

二、植物或土壤中的水分提取方法 38

三、纤维素提取方法 39

四、样品的汽化、纯化和分离 40

第3节 同位素比率质谱仪分析方法 41

一、同位素比率质谱仪的工作原理 41

二、同位素比率质谱仪的结构 42

三、同位素质谱仪的主要类型及其辅助设施 44

第4节 稳定同位素的非质谱测定技术 46

一、可调谐二极管激光吸收光谱法 47

二、光腔衰荡激光光谱同位素分析仪 49

主要参考文献 50

第3章 稳定同位素的自然丰度 53

第1节 碳稳定同位素 55

一、碳稳定同位素的分馏 55

二、碳稳定同位素丰度的自然变异 62

第2节 氢稳定同位素 66

一、氢稳定同位素的分馏 67

二、氢稳定同位素丰度的自然变异 68

三、大气降水δD与δ18O的相互关系 69

第3节 氧稳定同位素 71

一、氧稳定同位素的分馏 71

二、氧稳定同位素丰度的自然变异 74

第4节氮稳定同位素 75

一、氮稳定同位素的分馏 76

二、氮稳定同位素丰度的自然变异 77

第5节 硫稳定同位素 78

一、硫稳定同位素的分馏 79

二、硫稳定同位素丰度的自然变异 79

主要参考文献 81

第4章 稳定同位素与碳循环研究 87

第1节 光合作用 89

一、光合途径与碳同位素比值 89

二、光合生理生态特征 90

第2节 呼吸和分解过程 95

一、呼吸过程 95

二、土壤呼吸 96

三、植物衰老过程 97

第3节 群落冠层水平的CO2交换 99

一、群落冠层内CO2碳同位素比值动态 99

二、森林内CO2再循环 100

第4节 生态系统碳循环 102

一、Keeling曲线法 102

二、生态系统呼吸同位素比值的变化格局 104

三、生态系统呼吸组分的稳定同位素拆分 107

四、生态系统碳同位素判别 110

五、生态系统不同碳通量的拆分 111

第5节 全球碳循环 114

一、全球尺度大气CO2同位素守恒原理 114

二、利用大气CO2碳同位素拆分全球碳交换 115

三、利用大气CO2的氧同位素拆分全球碳交换 116

主要参考文献 118

第5章 稳定同位素与植物水分关系研究 125

第1节 植物吸收水分过程的稳定同位素效应 128

一、陆地淡水植物 128

二、滨海盐生植物 129

三、干旱地区旱生植物和盐生植物 131

第2节 植物水分来源的确定与量化 134

一、植物不同水分来源的同位素拆分原理 135

二、植物群落水分关系稳定同位素研究实例 136

三、植物功能型与水分来源 140

第3节 水分利用效率 141

一、碳同位素比值与水分利用效率的关系 141

二、 WUE与有机质的δ18O 142

三、植物水分利用效率的时空变化 144

第4节 生态系统水交换与全球水循环研究 147

一、生态系统蒸发与蒸腾稳定同位素拆分原理 148

二、生态系统水分通量拆分研究实例 149

三、全球水循环研究 151

主要参考文献 153

第6章 稳定同位素与动物生态学研究 159

第1节 动物组织稳定同位素组成与食物源研究 162

一、动物组织的稳定同位素特征 162

二、营养级的同位素分馏效应 163

三、代谢与发育过程的同位素组成改变 164

第2节 动物的食物来源 166

一、动物食物来源的模型 166

二、稳定同位素研究动物食性的实例 167

第3节 动物的营养级位置与食物网 174

一、消费者营养级的稳定同位素计算方法 174

二、典型生物的营养级 175

第4节 动物分布格局及迁徙活动 178

一、鸟类的迁徙 179

二、哺乳动物的活动 181

主要参考文献 182

第7章 稳定同位素与种间关系研究 189

第1节 共生与附生关系 192

一、共生关系 192

二、附生关系 196

第2节 竞争、捕食和寄生关系 200

一、竞争关系 200

二、捕食关系 201

三、寄生关系 203

主要参考文献 204

第8章 土壤有机质的稳定同位素组成 209

第1节 土壤碳的起源 211

一、土壤有机质碳的化学结构 212

二、土壤有机质碳的稳定同位素比率 215

三、土壤剖面碳、氮含量及其稳定同位素 215

四、土壤碳源的稳定同位素确定 217

五、土壤有机质形成的分子机制 219

第2节 土壤有机质转化与碳释放 219

一、生态系统不同组分呼吸间的差异 220

二、土壤呼吸碳释放过程与机制 222

第3节 土壤微生物种群结构及其功能 225

一、土壤中PLFAS的来源 225

二、PLFAS的稳定同位素分析技术 226

三、PLFAS稳定同位素分析土壤碳动态的研究实例 227

第4节 苔藓植物对土壤有机质的贡献 229

一、苔藓植物的稳定同位素组成 229

二、苔藓植物对土壤有机质的贡献 230

第5节 地衣与土壤碳源的示踪 230

一、地衣的固碳过程 231

二、地衣δ13C与全球碳变化的指示 234

主要参考文献 235

第9章 稳定同位素与氮的生物地球化学研究 241

第1节 氮循环过程中的氮同位素分馏 243

一、氮转化过程中的同位素分馏效应 244

二、植物在吸收、利用和同化过程中的氮同位素分馏 247

三、其他过程或因素对氮同位素比值的影响 247

第2节 15N自然丰度法在生态系统氮循环研究中的应用 248

一、固氮作用导致的氮输入 249

二、氮淋溶和土壤净矿化速率 253

三、植物氮元素的来源与去向 253

四、生态系统氮饱和现象 254

五、氮循环的长期变化趋势 255

第3节15N标记法在生态系统氮循环研究中的应用 257

一、15N标记法的原理与方法 257

二、15N标记法研究实例 263

主要参考文献 266

第10章 温室气体的稳定同位素组成及限制因子 271

第1节 温室气体稳定同位素的检测方法 273

一、质谱方法检测温室气体的稳定同位素组成 274

二、温室气体稳定同位素的激光光谱检测方法 275

第2节 大气CO2的同位素组成 276

一、大气CO2的稳定同位素特征 277

二、大气CO2的源与汇 281

第3节 大气CO2的同位素组成及其生态学意义 284

一、CH4生成途径与同位素比值 284

二、CH4稳定同位素比值的变化及其驱动因子 285

三、大气CH4源与汇的分布 287

四、热带雨林的CH4源 289

五、植物体内CH4排放通道 289

第4节 大气及土壤释放的N2O稳定同位素组成 290

主要参考文献 293

第11章 全球变化生态学效应研究 301

第1节 大气CO2浓度增加对生态系统生产力的影响 304

一、CO2浓度升高条件下陆地生态系统中碳的去向与滞留时间 305

二、CO2浓度升高条件下生态系统碳-氮相互作用 306

三、CO2浓度升高对生态系统水分平衡的影响 307

四、CO2浓度升高对陆地生态系统生产力的影响 308

五、CO浓度升高对生态系统营养关系的影响 310

第2节 全球变暖的生态学效应研究 311

一、增温对土壤碳库动态的影响 311

二、增温对土壤矿化过程的影响 314

三、增温对不同生长型植物养分关系的影响 315

第3节 降水变化的生态效应 317

一、降水变化对土壤呼吸的影响 317

二、降水增加对荒漠群落水分关系的影响 319

第4节 海平面上升的生态效应 322

第5节 大气氮沉降增加的生态效应 324

主要参考文献 326

第12章 稳定同位素与城市生态学 333

第1节 城区CO2同位素组成变化与化石燃料利用 335

一、城区空气CO2浓度变化及其源的同位素组成 337

二、城区CO2主要源的同位素拆分 342

三、城区化石燃料利用的研究案例 344

第2节 城区植物稳定同位素与植物生理生态响应 352

一、城区大气CO2浓度重建 353

二、城市空气污染对城区及周边地区植物的影响 354

第3节 城市空气颗粒物PM25和PM10的稳定同位素研究 357

一、原理 358

二、研究案例 358

主要参考文献 361

第13章 古气候、古植被与古生态过程的重建 365

第1节 树轮稳定同位素 367

一、树轮稳定同位素重组古气候、古生态、古环境的原理 368

二、树轮稳定同位素与古气候、古环境重建研究实例 372

第2节 沉积物稳定同位素 382

一、沉积物有机质同位素与环境的关系 382

二、沉积物中生物有机分子稳定同位素与环境的关系 401

第3节 化石材料的稳定同位素 404

一、化石木 404

二、动物的骨骼和牙齿 406

主要参考文献 408

第14章 稳定同位素与污染生态学 419

第1节 水体污染物的稳定同位素示踪研究 422

一、地表水硫酸盐源的识别 423

二、地下水中氮化物源的识别 425

三、近海水体富营养化的发生机理 427

四、流域水体污染物的同位素时空格局及成因 429

第2节 大气污染物的稳定同位素示踪研究 431

一、空气硫化物与酸雨 431

二、空气污染对植物的生态效应研究 432

三、大尺度空间范围大气硫化物来源追踪 435

第3节 土壤有机与无机污染物的稳定同位素示踪研究 437

一、森林土壤硫元素的循环与转化 437

二、土壤氮化物 438

三、土壤多环芳烃等有机污染物 438

主要参考文献 440

第15章 稳定同位素技术与产品溯源和司法侦探 447

第1节 食品溯源与原产地品质保障 449

一、食品产地溯源稳定同位素技术的原理 450

二、食品溯源稳定同位素技术应用实例 452

三、同位素溯源技术与其他溯源技术的区别与联系 462

第2节 产品掺假鉴定与消费者利益保护 464

一、产品掺假稳定同位素鉴定的原理与测定方法 464

二、产品掺假稳定同位素鉴定的研究与应用实例 465

第3节 违禁物品的追踪与检验 472

一、理论基础 473

二、测定方法 475

三、古柯叶片稳定同位素比值与生物碱含量 475

四、海洛因和吗啡的稳定同位素比值 475

五、无水醋酸的碳同位素比值 476

六、可卡因纯度与δ13C的关系 477

七、毒品来源及其走私途径的追溯 477

八、稳定同位素技术在兴奋剂检测中的应用 478

主要参考文献 480

索引 485