應用案例

Picarro L2130-i（技術說明：水蒸氣的保守儲存——樹干中穩(wěn)定同位素的實用原位采樣）

發(fā)表時間：2024-04-17

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

● 摘要 ●

使用水穩(wěn)定同位素來追蹤植物吸水或土壤水分過程已成為生態(tài)水文學和生理生態(tài)學的寶貴工具。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，足以支持原位和實時地推斷植物或土壤水的液體穩(wěn)定同位素組成。然而，當前的原位測量系統(tǒng)需要在現(xiàn)場配置儀器。為此，研究人員首先在實驗室然后在現(xiàn)場驗證了一種無需現(xiàn)場配置儀器即可平衡、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(tǒng) (VSVS)——系統(tǒng)配置了泵和流量計，通過小型電池供電，在帶有雙層涂層蓋的鉗口瓶中進行現(xiàn)場采樣，然后在實驗室中完成樣本測試。這套系統(tǒng)的所有組件都很便宜并且可以在市場上買到。

試驗通過對一系列已知同位素組成的水蒸氣（δ²H 從 -95 &permil; 到 +1700 &permil; ）進行采樣并測量不同存儲時間后的同位素組成來驗證該套系統(tǒng)的能力?，F(xiàn)場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 &permil; 到 4.4 &permil;，δ¹⁸O 的 0.6 &permil; 到 0.8 &permil;。在長時間儲存后，雖然檢測到樣品的同位素組成發(fā)生了微小變化，但仍然可以通過線性回歸模型進行校正。我們在現(xiàn)場試驗中觀察到了δ¹⁸O有相同的趨勢，但δ²H的變化高于實驗室試驗。

這種方法結(jié)合了兩種常規(guī)方法的優(yōu)點：在保證實驗室高精度測量的同時，還能對眾多樹木進行現(xiàn)場采樣。這為生態(tài)水文學研究提供了一種既有成本效益又易于使用的工具。

● 實驗 ●

上圖，實驗室實驗中的取樣設置。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：注滿小瓶后立即觀察到的五種來源樣品的平均值和標準差（SD）（“0 d”樣本），以及通過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天后進行分析（儲存0天意味著樣品在采集當天進行分析）。對樣品進行分析時，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。由于沒有添加水蒸氣，樣品的同位素組成不受影響。再次監(jiān)測蒸氣濃度和同位素組成。

上圖，（a，b）δ²H和（c，d）δ¹⁸O隨儲存時間的變化

● 討論 ●

研究人員通過水蒸氣儲存方法的實驗室試驗來驗證原位獲取加上可靠儲存水蒸氣方法的適用性，同時添加了來自現(xiàn)場試驗的數(shù)據(jù)，以進一步測試該方法在現(xiàn)場條件下的適用性。然后將VSVS數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了比較，發(fā)現(xiàn)該方法在實驗室表現(xiàn)良好，而在現(xiàn)場它在規(guī)定的精度和存儲時間范圍內(nèi)也表現(xiàn)良好。

● 結(jié)論 ●

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