應(yīng)用案例

Picarro L2130-i（技術(shù)說明：水蒸氣的保守儲存——樹干中穩(wěn)定同位素的實(shí)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(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)時地推斷植物或土壤水的液體穩(wěn)定同位素組成。然而，當(dāng)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(shí)驗(yàn)室然后在現(xiàn)場驗(yàn)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(jì)，通過小型電池供電，在帶有雙層涂層蓋的鉗口瓶中進(jìn)行現(xiàn)場采樣，然后在實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jìn)行采樣并測量不同存儲時間后的同位素組成來驗(yàn)證該套系統(tǒng)的能力。現(xiàn)場試驗(yàn)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(jìn)行校正。我們在現(xiàn)場試驗(yàn)中觀察到了δ¹⁸O有相同的趨勢，但δ²H的變化高于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

這種方法結(jié)合了兩種常規(guī)方法的優(yōu)點(diǎn)：在保證實(shí)驗(yàn)室高精度測量的同時，還能對眾多樹木進(jìn)行現(xiàn)場采樣。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(yàn) ●

上圖，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中的取樣設(shè)置。CRDS（Picarro L2130-i）從已知同位素特征（深藍(lán)色標(biāo)記）的水源頂部空間吸入到卷曲小瓶（綠色標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行分析（儲存0天意味著樣品在采集當(dāng)天進(jìn)行分析）。對樣品進(jìn)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來驗(yàn)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(yàn)的數(shù)據(jù)，以進(jìn)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(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)該方法在實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jìn)行測量。該方法在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場都成功得到了驗(yàn)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(kuò)展了水蒸氣原位采樣的實(shí)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。