磷酸盐氧同位素技术在环境科学中的研究进展

　　摘要：由于同位素示踪技术具有独特的优点，因此广泛地应用于环境科学技术领域。将放射性同位素合成于被研究的物质分子中作为标记示踪剂。将示踪剂加入所研究的体系中，它将随同类物质一起运动或变化（如污染物在生物链中的迁移）。利用同位素示踪剂的辐射性能，可用放射性探测器定量测定，从而显示出它们的位置及含量而被追踪。放射性示踪技术具有灵敏度（1012—10-9g）高；不破坏样品，甚至使生物体在正常生理条件下，研究物质在生物体内的变化规律；以及测定简便、快速、有的可就地测量等优点。

　　关键词：磷酸盐氧；同位素技术；环境科学中的；研究进展

　　1引言

　　近年来，不少学者用稳定同位素分析方法重塑古气候环境（Longinelli，1965，1966，1965，1976，1980，1984；Leone，1985；Leoneetal.，1989；D，Angela，1990，1993）。利用生物残骸（或化石）中的磷酸盐的氧同位素组成来定量、半定量地研究古气候条件。美国芝加哥大学Tudge（1960）首次建立了生物残骸磷酸盐的氧同位素分析方法。随后，Longinell（1965）、Kolodny等（1983）和Chilon等（1994）分别对Tudge的氧同位素分析方法进行了不同程度的改进。氧同位素测试数据及相对SMOW的子80%。符号表示，国外测量精密度为士0.2%。～0.3%。。本方法的测量精密度为士0.1%。～0.2%。。

　　磷是植物生长的必需元素，我国农田土壤普遍缺磷，在很多地区已成为限制作物产量的因素。磷矿是不可再生的资源，我国磷矿资源正在加速耗竭；被开发的磷矿制成磷肥，进入作物生产系统成为农田累积态磷或通过食物生产流失到环境中。肥料磷作物的利用率为10%～15%，只有5%的磷通过植物性食物进入人体；而经过饲料转化为动物食物再进入人体，只有1%。大量未被利用的磷存在于土壤以及秸秆、畜禽粪尿、生活垃圾和污泥等有机废弃物中。这些磷可能通过土壤侵蚀、地表径流等途径进入到环境中，成为面源污染的主要诱因（环保部第一次污染源普查公报，2010）。因此，提高农田生态系统的磷肥利用效率对于化解磷矿资源短缺危机、保证粮食安全和清洁生产具有重要的现实意义。同位素示踪技术在定量跟踪土壤-植物-动物生产-环境系统中磷的形态、数量变化方面具有独特的作用，因而被广泛使用。本文总结了近年来放射性磷同位素技术在资源环境科学研究中应用的进展，介绍了磷酸盐中氧稳定性同位素技术标记方法、核磁共振技术在土壤-植物-动物生产-环境系统中不同形态磷酸盐定性与定量研究的新进展，以促进磷在生态系统中迁移与利用的研究。

　　2放射性同位素磷在对土壤-植物系统中磷转运的研究

　　对磷肥在土壤中的形态转化过程及其有效性的认识，是合理施用磷肥和提高磷肥利用率的理论基础，同时对磷肥品种的发展也有重要参考价值。放射性同位素化合物在自然界的比例非常低，研究所用的放射性磷同位素必须通过中子堆照技术活化。对不同形态磷的追踪可通过直接标记和间接标记的方法来实现。

　　2.1磷肥直接标记方法的应用

　　放射性磷肥标记的方法很多，水溶性磷肥可以通过用无载体放射性磷与可溶性磷肥经化学交换进行标记，难溶性磷酸盐则通过放射化学合成方法制备，或直接在反应堆中用中子堆照技术活化得到32P标记的难溶性磷。土壤有效磷（也称为易交换态磷）可以通过用无载体放射性磷与土壤充分混合获得标记。还有一些研究通过32P标记的磷肥得到放射性植物残体。

　　2.2间接标记法研究土壤难溶性磷酸盐的生物有效性

　　很多种类的磷酸盐，如污水污泥、动物粪便、堆肥中含有大量的磷，但是其磷酸盐成分十分复杂，无法采用直接标记方法研究这类磷源。对于纯化学方法合成的难溶性磷酸盐同样也难以通过直接标记方法获得标记化合物，因为标记过程会改变它们的化学和物理特性。这种情况下，可以采用间接标记法。间接标记法是指用放射性磷同位素标记土壤中可交换磷，通过植物体内来自土壤和肥料的磷量来示踪施用磷肥的方法。该方法仍基于同位素稀释原理，即没有施磷源的土壤和施过磷肥的原初土壤可交换磷肥的放射比活性相同。

　　3磷酸盐氧同位素（18O）标记在环境和植物-土壤系统中磷循环利用的应用

　　磷酸盐氧同位素组成测定研究初期采用间接法测定水的氧同位素组成，后期采用直接法，使磷酸根离子形成磷酸鹽沉淀，经石英管石墨加热还原法，氟化法，高温还原/裂解法及改进的高温还原法释放的O2，CO，CO2进行质谱测定，激光原位技术可以对样品直接测定。氧同位素组成测定方法已经成熟，改进的高温还原法应用较多，测量样品的范围由实验室纯化学试剂扩展到各种复杂天然样品如海水、河水、沉积物甚至土壤，针对不同样品需要不同方法将样品中磷酸盐分离出来，采用不同的测量方法分析氧同位素组成。

　　放射性同位素的示踪技术从标记到测量等环节都已经很成熟，在土壤-植物-动物生产-环境系统中的固定与活化、利用与环境损失、回收与循环过程等研究中取得了很大进展，可根据不同磷酸盐形态和研究目的选择直接标记或者间接标记的方法。但是，放射性磷同位素只能在室内模拟条件下应用，无法在真实的生态环境中应用；另外，因为半衰期短也限制了磷在生态系统中的长期行为与过程的研究。磷酸盐氧同位素组成示踪磷属于稳定性同位素示踪技术范畴，具有放射性磷示踪技术无可比拟的优势，可以用于在野外和田间条件下磷的迁移、形态转化和环境行为的长期研究。磷酸盐氧同位素示踪技术目前已成功应用于水体中磷循环的研究，但在土壤-植物系统中的应用还需要进一步了解磷酸根的氧原子与环境中水分子的氧同位素的分馏过程。可以预期，在未来这一方法有可能成为研究陆地生态系统中磷素动力学过程的主流方法。核磁共振技术可以对不同形态的磷进行定性和定量检测，土壤样品提取方法的改进推动了土壤-植物-动物养殖-环境连续系统中磷的动态过程的研究，但该方法成本较高。未来磷酸盐氧同位素组成示踪技术与核磁共振技术的结合将为揭示土壤-植物-动物生产-环境系统磷循环过程的研究开辟新的途径。

　　作者：杨超

　　参考文献： 

　　[1] 张卫峰，张福锁.强化磷复肥预警工作，保障粮食安全[J].磷肥与复肥，2009（4）. 

　　[2] 龙涛，余斌，胡建军.磷矿开采对粮食安全的保障及其对策分析[J].中国矿业，2009（5）.