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Picarro L2130-i(技術(shù)說(shuō)明:水蒸氣的保守儲存——樹(shù)干中穩定同位素的實(shí)用原位采樣)

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  https://doi.org/10.5194/hess-26-3573-2022 

 

 

● 摘要 

 

使用水穩定同位素來(lái)追蹤植物吸水或土壤水分過(guò)程已成為生態(tài)水文學(xué)和生理生態(tài)學(xué)的寶貴工具。最近的研究表明,激光吸收光譜可以很好地測量平衡的水蒸氣,足以支持原位和實(shí)時(shí)地推斷植物或土壤水的液體穩定同位素組成。然而,當前的原位測量系統需要在現場(chǎng)配置儀器。為此,研究人員首先在實(shí)驗室然后在現場(chǎng)驗證了一種無(wú)需現場(chǎng)配置儀器即可平衡、收集、儲存并最終分析水蒸氣同位素組成的方法。

 

該方法采用了一種蒸汽儲存瓶系統 (VSVS)——系統配置了泵和流量計,通過(guò)小型電池供電,在帶有雙層涂層蓋的鉗口瓶中進(jìn)行現場(chǎng)采樣,然后在實(shí)驗室中完成樣本測試。這套系統的所有組件都很便宜并且可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到。

 

試驗通過(guò)對一系列已知同位素組成的水蒸氣(δ2H 從 -95 ‰ 到 +1700 ‰ )進(jìn)行采樣并測量不同存儲時(shí)間后的同位素組成來(lái)驗證該套系統的能力?,F場(chǎng)試驗的樣品是在瑞典北部的北方森林中采集的。天然豐度樣品的同位素組成保持在 δ2H 的 0.6 ‰ 到 4.4 ‰,δ18O 的 0.6 ‰ 到 0.8 ‰。在長(cháng)時(shí)間儲存后,雖然檢測到樣品的同位素組成發(fā)生了微小變化,但仍然可以通過(guò)線(xiàn)性回歸模型進(jìn)行校正。我們在現場(chǎng)試驗中觀(guān)察到了δ18O有相同的趨勢,但δ2H的變化高于實(shí)驗室試驗。

 

這種方法結合了兩種常規方法的優(yōu)點(diǎn):在保證實(shí)驗室高精度測量的同時(shí),還能對眾多樹(shù)木進(jìn)行現場(chǎng)采樣。這為生態(tài)水文學(xué)研究提供了一種既有成本效益又易于使用的工具。

 

 

 

● 實(shí)驗 

 

 

上圖,實(shí)驗室實(shí)驗中的取樣設置。CRDS(Picarro L2130-i)從已知同位素特征(深藍色標記)的水源頂部空間吸入到卷曲小瓶(綠色標記)中。

 

 

上表:注滿(mǎn)小瓶后立即觀(guān)察到的五種來(lái)源樣品的平均值和標準差(SD)(“0 d”樣本),以及通過(guò)CRDS直接測量的液態(tài)水的 2H和 18O值。

 

小瓶中的樣品儲存0、1、3、4、7和14天后進(jìn)行分析(儲存0天意味著(zhù)樣品在采集當天進(jìn)行分析)。對樣品進(jìn)行分析時(shí),干燥空氣和 CRDS儀器一起連接到樣品瓶。在CRDS儀器從小瓶中抽取樣品蒸氣的同時(shí)干燥空氣以約35 mL min-1的流速替換小瓶中缺失的氣體。這樣,隨著(zhù)干燥空氣稀釋水蒸氣,樣品瓶中的水蒸氣濃度逐步下降。由于沒(méi)有添加水蒸氣,樣品的同位素組成不受影響。再次監測蒸氣濃度和同位素組成。

 

 

上圖,(a,b)δ2H和(c,d)δ18O隨儲存時(shí)間的變化

 

 

● 討論 

 

研究人員通過(guò)水蒸氣儲存方法的實(shí)驗室試驗來(lái)驗證原位獲取加上可靠?jì)Υ嫠魵夥椒ǖ倪m用性,同時(shí)添加了來(lái)自現場(chǎng)試驗的數據,以進(jìn)一步測試該方法在現場(chǎng)條件下的適用性。然后將VSVS數據與現場(chǎng)數據進(jìn)行了比較,發(fā)現該方法在實(shí)驗室表現良好,而在現場(chǎng)它在規定的精度和存儲時(shí)間范圍內也表現良好。

 

 

 

 

● 結論 

 

這是一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟高效的水蒸氣采樣和存儲方法,它能在不接入線(xiàn)路電源條件下對植物或土壤水同位素進(jìn)行測量。該方法在實(shí)驗室和現場(chǎng)都成功得到了驗證,在三天的儲存時(shí)間內,水的 δ18O 和 δ2H同位素組成沒(méi)有發(fā)生顯著(zhù)改變。這擴展了水蒸氣原位采樣的實(shí)用性,簡(jiǎn)化了可得到液態(tài)水源同位素組成樣品的采集和測量。

 

 

 

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