应用案例

Picarro L2130-i（技术说明：水蒸气的保守储存——树干中稳定同位素的实用原位采样）

发表时间：2024-04-17

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

● 摘要 ●

使用水稳定同位素来追踪植物吸水或土壤水分过程已成为生态水文学和生理生态学的宝贵工具。最近的研究表明，激光吸收光谱可以很好地测量平衡的水蒸气，足以支持原位和实时地推断植物或土壤水的液体稳定同位素组成。然而，当前的原位测量系统需要在现场配置仪器。为此，研究人员首先在实验室然后在现场验证了一种无需现场配置仪器即可平衡、收集、储存并最终分析水蒸气同位素组成的方法。

该方法采用了一种蒸汽储存瓶系统 (VSVS)——系统配置了泵和流量计，通过小型电池供电，在带有双层涂层盖的钳口瓶中进行现场采样，然后在实验室中完成样本测试。这套系统的所有组件都很便宜并且可以在市场上买到。

试验通过对一系列已知同位素组成的水蒸气（δ²H 从 -95 &permil; 到 +1700 &permil; ）进行采样并测量不同存储时间后的同位素组成来验证该套系统的能力。现场试验的样品是在瑞典北部的北方森林中采集的。天然丰度样品的同位素组成保持在 δ²H 的 0.6 &permil; 到 4.4 &permil;，δ¹⁸O 的 0.6 &permil; 到 0.8 &permil;。在长时间储存后，虽然检测到样品的同位素组成发生了微小变化，但仍然可以通过线性回归模型进行校正。我们在现场试验中观察到了δ¹⁸O有相同的趋势，但δ²H的变化高于实验室试验。

这种方法结合了两种常规方法的优点：在保证实验室高精度测量的同时，还能对众多树木进行现场采样。这为生态水文学研究提供了一种既有成本效益又易于使用的工具。

● 实验 ●

上图，实验室实验中的取样设置。CRDS（Picarro L2130-i）从已知同位素特征（深蓝色标记）的水源顶部空间吸入到卷曲小瓶（绿色标记）中。

上表：注满小瓶后立即观察到的五种来源样品的平均值和标准差（SD）（“0 d”样本），以及通过CRDS直接测量的液态水的 ²H和 ¹⁸O值。

小瓶中的样品储存0、1、3、4、7和14天后进行分析（储存0天意味着样品在采集当天进行分析）。对样品进行分析时，干燥空气和 CRDS仪器一起连接到样品瓶。在CRDS仪器从小瓶中抽取样品蒸气的同时干燥空气以约35 mL min^-1的流速替换小瓶中缺失的气体。这样，随着干燥空气稀释水蒸气，样品瓶中的水蒸气浓度逐步下降。由于没有添加水蒸气，样品的同位素组成不受影响。再次监测蒸气浓度和同位素组成。

上图，（a，b）δ²H和（c，d）δ¹⁸O随储存时间的变化

● 讨论 ●

研究人员通过水蒸气储存方法的实验室试验来验证原位获取加上可靠储存水蒸气方法的适用性，同时添加了来自现场试验的数据，以进一步测试该方法在现场条件下的适用性。然后将VSVS数据与现场数据进行了比较，发现该方法在实验室表现良好，而在现场它在规定的精度和存储时间范围内也表现良好。

● 结论 ●

这是一种简单且经济高效的水蒸气采样和存储方法，它能在不接入线路电源条件下对植物或土壤水同位素进行测量。该方法在实验室和现场都成功得到了验证，在三天的储存时间内，水的 δ¹⁸O 和 δ²H同位素组成没有发生显著改变。这扩展了水蒸气原位采样的实用性，简化了可得到液态水源同位素组成样品的采集和测量。