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106年5月(第299期)

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穩定同位素在臺灣農業與生態研究之應用


文圖 / 農業試驗所 劉滄棽

一、前言

  氫、氧、碳、氮及硫等穩定同位素普遍存在於大氣圈、水圈、岩石圈及生物圈中,為在自然界中的含量豐富且屬質量較輕的元素。所謂同位素為元素之質子數相同,但因具不同之中子數導致質量數不同,如表1中之16O、17O、18O。一般而言,質量較輕的同位素含量較豐(如表1中之12C、14N、16O、32S和1H);相較而言,質量較重的同位素 (如表1中之13C、15N、18O、34S和2H) 含量較低。近30年以來,由於相關測定穩定同位素比值 (13C/12C、15N/14N、18O/16O、34S/32S和2H/1H)儀器的推出,如氣相同位素比值質譜儀或同位素光譜儀,不僅在分析精確性的提高,同時逐漸普及於各國之實驗室,使得穩定同位素的技術成為各地球環境相關領域研究的有力工具之一。
  上述氫、氧、碳、氮及硫等穩定同位素的研究主要探討反應物與產物間相關同位素的比值(13C/12C、15N/14N、18O/16O、34S/32S和2H/1H) 變化的比較;此反應物與產物間的同位素比值差異乃由同位素分化作用造成。依國際規則及可跨實驗室比較,同位素的比值以δ表之(如δ13C、δ15N、δ18O、δ34S和δ2H),其定義為:
 公式………………………(1)
(1) 式中R2H/1H、18O/16O、13C/12C、15N/14N或34S/32S,RSample為樣品之同位素比值,RReference為國際共同標準品的同位素比值 (表1)。因為同位素分化作用(fractionation)造成同位素含量之變化是微量的,因此以千分比(‰)為單位。

二、臺灣農業與生態相關研究成果

  行政院農業委員會農業試驗所自2006年購置「氣相同位素比值質譜儀」以來,除單位本身之研究任務外,也與各相關學術單位合作,以穩定同位素技術與微量元素分析技術進行農業相關課題研究,以下簡述近10年以來之部分階段性成果。

(一)區分農產品產地來源

  因地理位置、氣候條件及土壤母質不同,不同產地植體之同位素組成及微量元素特徵互有差異。本研究以大蒜為例,分析阿根廷、中國大陸、越南、韓國及臺灣大蒜標本之δ2H及δ18O值及銣、鍶等25種微量元素濃度,進行產地區分。結果顯示,δ2H及δ18O值能清楚區分出阿根廷(南美洲)及亞洲各國標本(圖1)。另以主成份分析亞洲標本顯示,臺灣分別能與中國、越南、韓國標本清楚區分(圖2)。

(二)建立有機施作蔬菜鑑別技術

  不同來源的氮會有不同的δ15N值。化學肥料以大氣中之氮作為原料(哈柏法),所以化肥之δ15N值為0‰,與動物排泄物 (有機肥) 之10~25‰有明顯差距。因此施用化學肥料植體中之d15N值應會與施用有機肥之值有所區別。由筆者等人發表之論文指出,如果在產地上能同時分析植體及所施用之有機肥之δ15N值,且植體之d15N值大於有機肥之值的情況,可認為此蔬菜是有機施作。相反地,如果全程施用化肥,則蔬菜之δ15N值會在0‰左右(表2)。

(三)確認生態營養階層

  利用穩定碳、氮同位素研究食物網的原理,主要是建構在食物營養的關聯性;亦即消費者體內之碳、氮之同位素組成,會與其所覓取食物源之同位素組成相似。然而因代謝作用,造成消費者體內之13C和15N的同位素含量會比其食物內相對較多。δ13C常用於食物來源之追蹤,而δ15N則常用於營養階層的建立;同時,較高營養階層生物體內的δ13C與δ15N值會較低階生物體之值為大。陳良偉等人於2011年農林學報發表之研究即透過碳、氮同位素技術,了解七家灣溪之食物網特徵及臺灣櫻花鉤吻鮭之營養來源。由已發表之論文指出,C3型濱岸植物是七家灣溪的基礎營養來源,而櫻花鉤吻鮭主要營養源為掠食性水棲昆蟲。七家灣溪營養關聯由基礎生產者至消費者依序為:C3型濱岸植物、濾食性水棲昆蟲、掠食性水棲昆蟲、臺灣櫻花鉤吻鮭(圖3)。而苔蘚類植物可只靠大氣沈降或環境中的營養物生存,因此這些植物的穩定碳、氮同位素,亦可作為環境品質的指標。

三、結語

  近30年來由於相關測定穩定同位素組成的儀器改良,如氣相同位素比值質譜儀或同位素光譜儀,不僅在分析精確性的提高,同時普及於各國之實驗室,使得穩定同位素的技術成為農業及環境相關領域研究的有力工具之一。穩定同位素的研究主要是建立在因同位素分化作用所造成的同位素比值差異,在了解造成此差異之原因後,進而協助農業環境課題之研究。未來農試所除原有之13C、15N、18O及2H同位素分析外,將建立硫同位素(δ34S)之分析技術,同時配合同位素光譜儀的購入,提升同位素研究技術能力。

表1. 氫、氧、碳、氮、硫等穩定同位素之同位素含量、同位素之比值、待測氣體、參考標準及參考標準之同位素比值的綜合整理PDF

表 2. 栽培材料及不同處理青江菜之δ15N 和 δ13C分析值PDF

圖1. 由δ2H與δ18O之比較,可清楚區分阿根廷(南美洲)及亞洲各國之大蒜標本。
圖1. 由δ2H與δ18O之比較,可清楚區分阿根廷(南美洲)及亞洲各國之大蒜標本。

圖2. 以PCA分析能清楚區分臺灣與中國、越南、韓國大蒜之差異。

圖2. 以PCA分析能清楚區分臺灣與中國、越南、韓國大蒜之差異。

圖3. 七家灣溪各主要食物源及消費者之δ13C及δ15N值比較圖。

圖3. 七家灣溪各主要食物源及消費者之δ13C及δ15N值比較圖。

 

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