CN102590534A - 一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大气学、水文学和生态学研究机械领域，提供一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置及其用途。本发明装置由气体采集系统、气体分流系统、浓度测定系统、冷凝-融化系统、同位素分析系统组成。通过采集不同层次大气水样，分析水样的氢氧同位素比值δ_v。采集大气水样的同时测定水汽浓度w。通过不同层次水汽氢氧同位素比值和水汽浓度计算出生态系统蒸散氢氧同位素通量。

Description

一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置

技术领域

本发明涉及大气学、水文学和生态学研究机械领域，具体的说是一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置。

背景技术

地球水循环中，大约0.2％的氧是¹⁸O，0.015％的氢是2H或D。生态学界和水文学界已经对这些水的稳定同位素进行了广泛的研究。自然环境中水的微量同位素(H₂ ¹⁸O或HD¹⁶O)通常是用它相对于主要同位素H₂ ¹⁶O的摩尔比来度量的，用δ符号表示：

δ＝(R/R_S-1)×1000

式中，R是所测定物质¹⁸O/¹⁶O或D/H的摩尔比，Rs是标准物¹⁸O/¹⁶O或D/H的摩尔比，国际上采用维也纳标准平均海水(Vienna Standard Mean OceanWater，VSMOW)作为氧和氢稳定同位素的标准物，¹⁸O/¹⁶O等于0.0020052，D/H等于0.00015576。用δ符号表示同位素比值，单位为千分之一(‰)。

陆地生态系统与大气中的水汽交换包括植物蒸腾和土壤蒸发两种不同的生物和物理过程。植物能利用的水分主要来自降水、灌溉水、土壤水、径流地下水，各个库具有不同的δ¹⁸O和δD同位素特征。在土壤水分蒸发过程中，由于水分相变和扩散过程中稳定同位素分馏效应的存在，轻稳定同位素比重稳定同位素蒸发和扩散得更快，所以土壤水中δ¹⁸O和δD明显随深度而呈现梯度变化，且土壤液态水中H₂ ¹⁸O和HDO比土壤蒸发的气态水中H₂ ¹⁸O和HDO高很多，土壤蒸发δ¹⁸O和δD(δ_E)会发生严重的贫化。对于植物而言，氢氧稳定同位素以水的形式从根部进入植物体内，蒸腾作用使水分向叶片迁移，当水分在植物根部与茎之间运输时，在到达叶片或幼嫩未栓化的枝条之前，它的δ¹⁸O和δD并不发生变化，植物体内水的δ¹⁸O和δD主要受所吸收水源的δ¹⁸O和δD控制。水分在植物体内运输时，仍保持着土壤水的同位素特征。当叶片处于同位素稳定状态时，蒸腾δ¹⁸O和δD(δ_T)与植物利用的土壤水δ¹⁸O和δD一致。这就导致了土壤蒸发δ¹⁸O和δD(δ_E)与植物蒸腾δ¹⁸O和δD(δ_T)之间具有明显的差异。二者之间同位素组成差异是利用同位素方法将生态系统蒸散通量区分为土壤蒸发通量和植物蒸腾通量的基础。通过建立水汽轻、重同位素通量的质量守恒方程，利用二源线性混合模型便可确定二者对生态系统蒸散的贡献。其核心科学问题是准确确定生态系统蒸散氢氧同位素通量(δ_ET)、土壤蒸发氢氧同位素通量(δ_E)以及植物蒸腾氢氧同位素通量(δ_T)。通常植物蒸腾δ_T和土壤蒸发δ_E可以分别通过测定植物木质部水和土壤水的氢氧同位素比值来确定。准确测定生态系统蒸散氢氧同位素通量(δ_ET)成为解决该科学问题的关键。虽然目前对生态系统蒸散氢氧同位素通量测定原理与方法有所报道，但没有系统的装置来完成相关测定。

发明内容

为了实现上述科学目的，本发明提供一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置及其用途。

本发明提供如下解决方案：

一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置，该装置由气体采集系统、气体分流系统、浓度测定系统、冷凝-融化系统、同位素分析系统组成。

气体采集系统包括支架1、采气口2、过滤器3、导气管41，气体分流系统包括多通道电磁阀14、电磁继电器7，浓度测定系统包括红外气体分析仪5和数据采集器6，冷凝-融化系统包括采样瓶15、冷阱10和恒温水浴11，同位素分析系统包括进样针12和质谱仪13。

采样瓶15由样品瓶152、进气管153、排气管154、橡胶塞155、阀门156、连接套管157构成。

在支架1的不同采样高度安装有多个采气口2，由采气口2采集的气体经过滤器3滤掉灰尘后，由导气管41输送到多通道电磁阀14，电磁阀14由导气管43与采样瓶15连接，采样瓶15放在冷阱10内。导气管43上装有气泵92，驱动气体在装置内的流动。导气管43由连接套管157与采样瓶15连接。当含有水汽的空气由进气管153进入样品瓶152后，水汽凝结在样品瓶152内，空气由排气管154排出。拔开连接套管157，关闭安装在排气管154上的阀门156，从冷阱10内取出采样瓶15，放入恒温水浴11进行解冻。当样品解冻后，由连接套管157连接进样针12，打开阀门156，抽取水样，注入质谱仪13，分析水样的氢氧同位素比值δ_v。

多通道电磁阀14的一个共同通道由导气管42与红外气体分析仪5连接，气体分析仪5后由导气管44连接有气泵91，驱动气体进入在进行红外气体分析仪5。红外气体分析仪5由数据线81与数据采集器6连接，数据采集器6由数据线82与电磁继电器7连接，电磁继电器7由数据线83与多通道电磁阀14连接。

在上述水汽冷凝过程中，开启多通道电磁阀14其中一条通道到导气管42，由红外气体分析仪5测定水汽浓度w，并由数据采集器6记录数据，数据采集器6采集的数据控制电磁继电器7，由电磁继电器7控制多通道电磁阀14的通道切换，完成所有不同采样高度水汽浓度的测定。

所述导气管41、导气管42、导气管43由聚四氟乙烯制成，保证水汽不会在导气管内发生吸附作用。

所述冷阱10内装有液氮和酒精混合物，保证冷阱10内温度为-69℃。

所述恒温水浴11的温度为室温，与质谱仪13测定时的温度一致。

上述测定得到的不同采样高度的氢氧同位素比值δ_v与水汽浓度w建立如下方程：

${\mathrm{\δ}}_v=a\frac{1}{w}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ET}}$

δv为不同采样高度测定的大气水汽氢或氧同位素比值，w为不同采样高度测定的大气水汽浓度，δ_ET为生态系统蒸散氢氧同位素通量，a为试验常数(斜率)。

采用本发明所述的测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置与方法，可以快速准确测定生态系统蒸散同位素通量。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是采样瓶15的结构示意图。

图中：1为支架，2为采气口，3为过滤器，41为导气管，42为导气管，43为导气管，44为导气管，5为红外气体分析仪，6为数据采集器，7为电磁继电器，81为数据线，82为数据线，83为数据线，91为气泵，92为气泵，10为冷阱，11为恒温水浴，12为进样针，13为质谱仪，14为多通道电磁阀，采样瓶15，152为样品瓶、153为进气管、154为排气管、155为橡胶塞、156为阀门、157为连接套管。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

本发明提供一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置，如图1和图2所示。该装置由气体采集系统、气体分流系统、浓度测定系统、冷凝-融化系统、同位素分析系统组成。气体采集系统包括支架1、采气口2、过滤器3、导气管41，气体分流系统包括多通道电磁阀14、电磁继电器7，浓度测定系统包括红外气体分析仪5和数据采集器6，冷凝-融化系统包括采样瓶15、冷阱10和恒温水浴11，同位素分析系统包括进样针12和质谱仪13。采样瓶15由样品瓶152、进气管153、排气管154、橡胶塞155、阀门156、连接套管157构成。

在支架1的不同采样高度安装有若干采气口2，由采气口2采集的气体经过滤器3滤掉灰尘后，由导气管41输送到多通道电磁阀14，电磁阀14由导气管43与采样瓶15连接，采样瓶15放在冷阱10内，冷阱10内装有液氮和酒精的混合物，其温度为-69℃。导气管43上装有气泵92，驱动气体在装置内的流动。导气管43由连接套管157与采样瓶15连接。当含有水汽的空气由进气管153进入样品瓶152后，水汽凝结在样品瓶152内，空气由排气管154排出。拔开连接套管157，关闭安装在排气管154上的阀门156，从冷阱10内取出采样瓶15，放入恒温水浴11进行解冻，恒温水浴11的温度与质谱仪13的测定温度一致。当样品解冻后，由连接套管157连接进样针12，打开阀门156，抽取水样，注入质谱仪13，分析水样的氢氧同位素比值δ_v。

多通道电磁阀14的一个共同通道由导气管42与红外气体分析仪5连接，气体分析仪5后由导气管44连接有气泵91，驱动气体进入在进行红外气体分析仪5。红外气体分析仪5由数据线81与数据采集器6连接，数据采集器6由数据线82与电磁继电器7连接，电磁继电器7由数据线83与多通道电磁阀14连接。

在上述水汽冷凝过程中，开启多通道电磁阀14其中一条通道到导气管42，由红外气体分析仪5测定水汽浓度w，并由数据采集器6记录数据，数据采集器6采集的数据控制电磁继电器7，由电磁继电器7控制多通道电磁阀14的通道切换，完成所有不同采样高度水汽浓度的测定。

所述导气管41、导气管42、导气管43由聚四氟乙烯制成，保证水汽不会在导气管内发生吸附作用。

上述测定得到的氢氧同位素比值δ_v与水汽浓度w建立如下方程：

${\mathrm{\δ}}_v=a\frac{1}{w}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ET}}$

δv为不同采样高度测定的大气水汽氢或氧同位素比值，w为不同采样高度测定的大气水汽浓度，δ_ET为生态系统蒸散氢氧同位素通量，a为试验常数(斜率)。

采用本发明所述的测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置与方法，可以快速准确测定生态系统蒸散同位素通量。

上述实施方案的描述仅作为本发明一种为测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置技术方案的一种提出，不作为对装置结构和功能的单一限制条件。

Claims (7)

1.一种测定生态系统蒸散氢氧同位素通量的装置，其特征在于该装置由气体采集系统、气体分流系统、浓度测定系统、冷凝-融化系统、同位素分析系统组成；

所述气体采集系统包括支架(1)、采气口(2)、过滤器(3)、导气管(41)；气体分流系统包括多通道电磁阀(14)、电磁继电器(7)；浓度测定系统包括红外气体分析仪(5)和数据采集器(6)；冷凝-融化系统包括采样瓶(15)、冷阱(10)和恒温水浴(11)；同位素分析系统包括进样针(12)和质谱仪(13)；

所述采样瓶(15)由样品瓶(152)、进气管(153)、排气管(154)、橡胶塞(155)、阀门(156)、连接套管(157)构成。

2.如权利要求1的装置，其特征在于还包括：

在支架(1)的不同高度安装有多个采气口(2)，由采气口(2)采集的气体经过滤器(3)滤掉灰尘后，由导气管(41)输送到多通道电磁阀(14)，电磁阀(14)由导气管(43)与采样瓶(15)连接，采样瓶(15)放在冷阱(10)内；导气管(43)上装有气泵(92)，驱动气体在装置内的流动；导气管(43)由连接套管(157)与采样瓶(15)连接；当含有水汽的空气由进气管(153)进入样品瓶(152)后，水汽凝结在样品瓶(152)内，空气由排气管(154)排出；拔开连接套管(157)，关闭安装在排气管(154)上的阀门(156)，从冷阱(10)内取出采样瓶(15)，放入恒温水浴(11)进行解冻；当样品解冻后，由连接套管(157)连接移液管(12)，打开阀门(156)，抽取水样，注入质谱仪(13)，分析水样的氢氧同位素比值δv。

3.如权利要求2的装置，其特征在于还包括：

多通道电磁阀(14)的一个共同通道由导气管(42)与红外气体分析仪(5)连接，气体分析仪(5)由导气管(44)连接有气泵(91)，驱动气体进入在进行红外气体分析仪(5)；红外气体分析仪(5)由数据线(81)与数据采集器(6)连接，数据采集器(6)由数据线(82)与电磁继电器(7)连接，电磁继电器(7)由数据线(83)与多通道电磁阀(14)连接；

在水汽冷凝过程中，开启多通道电磁阀(14)其中一条通道到导气管(42)，由红外气体分析仪(5)测定水汽浓度w，并由数据采集器(6)记录数据，数据采集器(6)控制电磁继电器(7)，由电磁继电器(7)控制多通道电磁阀(14)的通道切换，完成所有不同采样高度水汽浓度w的测定。

4.如权利要求2-3任一所述的装置，其特征在于：

所述导气管(41)、导气管(42)、导气管(43)由聚四氟乙烯制成，保证水汽不会在导气管内吸附，避免同位素分馏效应的发生。

5.如权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于：

所述冷阱(10)内装有液氮和酒精混合物，保证冷阱(10)内温度为-69℃。

6.如权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于：

所述恒温水浴(11)的温度与质谱仪(13)测定时的室内空气温度一致。

7.如权利要求1-6任一装置在测定生态系统蒸散氢氧同位素通量上的用途。

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