CN108776051B - 一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，包括一个蒸发水汽收集罩，蒸发水汽收集罩顶部通过水汽导管与冷凝室连接，冷凝室包括液化室和干燥室，水汽导管从液化室一侧伸入，另一侧伸出；水汽导管位于液化室内的部分中部开有一个集水口并伸出液化室底部与采样瓶密封连接；水汽导管伸出液化室后与干燥室一侧连接，干燥室另一侧通过导管与微型空气泵连接，微型空气泵的出气口通过干空气导管再与蒸发水汽收集罩连接；将蒸发水汽收集罩罩在土壤或者有植被的土壤上，便可以实现蒸腾水汽同位素的采集。本发明在空气循环的作用下，可以实现土壤植物蒸发水汽的液化，冷凝室的双层及空气循环设计可以最大程度的获取无干扰的蒸发水汽。
Description
技术领域
本发明涉及生态、水文气象监测部门所使用的采样装置领域，具体为一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，适用于植物、土壤蒸发水汽稳定同位素分析的水汽采集。
背景技术
土壤、植物蒸发蒸腾作为地表水量平衡中重要的分量，是陆地水文过程、全球水循环中不可或缺的重要环节，是水资源管理者不可忽视的有效参数。土壤、植物蒸发蒸腾量通常包含有棵间裸地土壤蒸发量、植物蒸腾量。其涉及到地球表层中能量循环过程及物质转化最为显著的互动层——土壤-植物-大气系统（SPAC），同时土壤、植物蒸发蒸腾量经常受到下垫面条件（如地形、土壤质地、土壤水分状况等）、植物生理特性（如植物种类、生长过程）和气象因素（如太阳辐射、温度、湿度、风速等）等诸多因素的影响。因此，长期以来，土壤植物蒸发蒸腾一直是水文学、气象学、自然地理、农林科学等相关专业关注的热点问题。而如何的测定土壤植物的蒸发蒸腾量，判读蒸发蒸腾水汽的来源问题已成为当下亟待解决的一个研究重点。
目前，土壤植物蒸发蒸腾的测定方法主要集中在蒸发量的测定上，常规的方法包括水文实验法（水量平衡法和蒸渗仪法等）、微气象学法（波文比-能量平衡法、涡度相关法以及空气动力学法）、植物生理学法（包括茎流法、气孔针法等）以及红外遥感法等。这些方法要么基于长期的观测数据的数值模拟，要么基于复杂的试验，周期长、费用高、误差大是这些方法的弊端。随着上世纪50年代水文革命的进行，使得同位素技术成为当今定量水文学研究的重要途径。同位素技术不仅为流域水文学规律、地下水补给、植物水分划分、区域降水水汽来源等研究提供重要的科学依据，而且能够为水文模型的构建及模拟结果的验证提供直接可信的数据参考，已经成为当前水文学、水资源学、环境科学及生态学研究的新兴热门方向。氢氧稳定同位素示踪技术因具有较高的灵敏性和准确性，已成为示踪土壤植物水分来源的有效工具。而目前土壤、植物蒸发蒸腾水汽的采集是一个难点。正常情况下植物受叶片表面水分蒸腾时平衡分馏和动力学分馏的影响，叶片中会产生同位素富集。但水分在从根系向叶片蒸腾点传输过程中不发生同位素分馏。目前应用较多的获取土壤植物蒸发蒸腾水汽同位素的方法主要包括燃烧-质谱测定法、土壤植物抽真空法、混合比法。第一种是将样品直接放入质谱仪燃烧箱中测试，该方法测试精度高，但成本高速度慢，同时难以区分植株和土壤不同部分的水分同位素组成。第二种方法目前应用较多，但抽真空法的成本相对也较高，同时难以避免植物体自身生成的甲醇对测试结果的污染。混合法是将植物、土壤样品放入去离子水中（氢氧稳定同位素比率已知）混合浸泡，待到溶液稳定后再进行同位素测试，该方法简单易行，但是精度较低。
土壤、植物蒸发水汽同位素的采集是同位素水文学、生态水文过程研究中重要的一环节，直接关系到土壤、植物蒸发水汽分析结果的精度，进而决定植物水分利用定量研究的结果可信度。不科学的采样方式不仅会浪费研究者的经费和时间，同时也会造成科研结果的失真。土壤植物蒸发水汽采集时目前面临最棘手的两个问题是1）单株植物蒸发水汽如何液化收集，2）土壤、植物蒸发水汽采集收集过程中如何防治蒸发、防治空气中的水汽对样品的污染。因此土壤、植物蒸发水汽采集时必须将液化收集、密封存储、防治蒸发考虑进去，同时取样装置的材料要经过特别的设计及选择以防止蒸发水汽在收集过程中水分蒸发、扩散以及接触性污染。
发明内容
本发明为了解决土壤、植物蒸发水汽收集时的密封、水分蒸发、扩散及接触性污染问题，提供了一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，包括一个蒸发水汽收集罩，所述蒸发水汽收集罩顶部通过水汽导管与冷凝室连接，所述冷凝室包括液化室和干燥室，所述水汽导管从液化室一侧伸入，另一侧伸出；所述水汽导管位于液化室内的部分中部开有一个集水口并伸出液化室底部与采样瓶密封连接；所述水汽导管伸出液化室后与干燥室进口连接，所述干燥室出口通过导管与微型空气泵连接，所述微型空气泵的出气口通过干空气导管再与蒸发水汽收集罩连接。
本发明主要是针对现有几种同位素采集装置的不足，提供的一种克服了这些不足的采集装置，该装置通过气体循环装置将土壤、植物蒸发水汽吸入冷凝室，利用液氮降温效应使水汽在水汽导管内壁液化，通过集水口导入冷凝室底部的采样瓶中，采集过程连贯一体。本装置主要包括一个蒸发水汽收集罩，该收集罩可以罩于土壤或者有植被的土壤上，土壤或者有植被的土壤蒸腾出的水汽首先蒸发于这个收集罩内，水汽从水汽导管流入冷凝室，冷凝室包括液化室和干燥室，水汽导管直接伸入液化室，液化室将水汽导管内的水汽液化为水，并经由集水口流入采样瓶，采样瓶位于液化室底部外侧，采样完成后，可以将采样瓶拆下再进行实验，而水汽导管内的水汽液化后，水汽导管内可能还会有残存的水汽，在循环过程中，如果不对残存的水汽进行处理，会对后续的采样产生影响，因此在液化室的一侧还设有一个干燥室，干燥室内放置干燥剂，用于将水汽导管导出的气体进行干燥，该气体再通过微型空气泵，并经过干空气导管再传输回蒸发水汽收集罩，从而达到空气的循环，减少罩体内因空气减少而造成的蒸发速率加快。本发明具体操作为：将蒸发水汽收集罩罩于土壤或者有植被的土壤上，经过一段时间，蒸腾出的水汽首先蒸发于收集罩内，水汽顺着水汽导管进入液化室，液化室将其冷却液化，经由集水口流入采样瓶，残存的水汽和空气再经过水汽导管进入干燥室，干燥后的空气再进入微型空气泵，最后经由干空气导管传输回蒸发水汽收集罩，微型空气泵使整个装置中的空气进行循环，循环往复，收集蒸腾出的同位素水汽。
优选的，为了使该装置可以直接采集植物的蒸发水汽，因此所述蒸发水汽收集罩底部还安装有一个收缩口，该收缩口套于植物上，收紧，防止外部对采集的结果造成影响。
优选的，为了使采样瓶可拆卸且密封连接于集水口上，所述采样瓶为丝口采样瓶。
优选的，所述采样瓶的瓶口处还通过细绳连接有一个浮球阀，所述浮球阀为空心状，防止已经液化的水汽再次蒸发气化，阻止收集到的水汽与外界发生转化，保证水汽同位素的清确性。
优选的，所述液化室为双层结构，外层为PVC材质外保温层，内层为不锈钢材质内冷却层，所述外层与内层之间注有液氮，所述液化室的顶部设有液氮注入口。因为液氮的冷却液化效果非常明显，因此液化室采用液氮进行冷却液化，同时也可以有效的防止水汽在回归地面的过程中被蒸发。
优选的，为了方便水冷却后流下流入采样瓶，所述水汽导管伸入液化室后呈倒梯形或者U形，所述集水口位于水汽导管的倒梯形底边上或者U形的最低点。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：通过基于液氮的降温原理的液化腔体设计，在空气循环的作用下，可以实现土壤植物蒸发水汽的液化，冷凝室的双层及空气循环设计可以最大程度的获取无干扰的蒸发水汽，同时干燥装置的设置可以有效的解决残留水汽蒸发污染的问题，带收缩口的水汽收集罩的设计可以解决采集的水汽不受外界水汽的干扰，保证土壤、植物蒸发水汽样品中同位素的测试精度。基于以上本发明的优势为：1、有效的解决了土壤、植物蒸发水汽的独立无干扰收集，同时实现了蒸发水汽的无污染液化过程，同时将液化与收集一体化进行，通过浮球装置避免了水汽蒸发、外界水汽干扰的影响；2、本装置体积较小，造价便宜，适用于野外工作。
附图说明
图1为本发明的二维结构示意图。
图2为本发明的三维结构示意图。
图3为本发明中冷凝室的结构示意图。
图中标记如下：1-蒸发水汽收集罩，2-水汽导管，3-液氮注入口，4-冷凝室，5-干空气导管，6-采样瓶，7-收缩口，8-支撑架，9-浮球阀，401-干燥室，402-微型空气泵，403-液化室。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，如图1和图3所示：包括一个蒸发水汽收集罩1，所述蒸发水汽收集罩1顶部通过水汽导管2与冷凝室4连接，所述冷凝室4包括液化室403和干燥室401，所述水汽导管2从液化室403一侧伸入，另一侧伸出；所述水汽导管2位于液化室403内的部分中部开有一个集水口并伸出液化室403底部与采样瓶6密封连接；所述水汽导管2伸出液化室403后与干燥室401进口连接，所述干燥室401出口通过导管与微型空气泵402连接，所述微型空气泵402的出气口通过干空气导管5再与蒸发水汽收集罩1连接。
本实施例采用了优选方案，所述蒸发水汽收集罩1底部还设有一个收缩口7；所述采样瓶6为丝口采样瓶；所述采样瓶6的瓶口处还通过细绳连接有一个浮球阀9，所述浮球阀9为空心状；所述液化室403为双层结构，外层为PVC材质外保温层，内层为不锈钢材质内冷却层，所述外层与内层之间注有液氮，所述液化室403的顶部设有液氮注入口3；所述干燥室401内放置有固体干燥剂；所述蒸发水汽收集罩1顶部为锥状，顶部锥状是为了使蒸腾的水汽更易从收集罩内流入水汽导管；所述水汽导管2伸入液化室403后呈倒梯形或者U形，所述集水口位于水汽导管2的倒梯形底边上或者U形的最低点。
本实施例既可以用作采集土壤或者有植被的土壤的蒸腾水汽的装置，也可用作只采集植物蒸腾水汽的装置。
①用作采集土壤或者有植被的土壤的蒸腾水汽的装置：将蒸发水汽收集罩1罩于土壤或者有植被的土壤上，经过一段时间，蒸腾出的水汽首先蒸发于收集罩1内，水汽顺着水汽导管2进入液化室403，液化室403的双层结构内注入液氮，利用液氮将水汽导管2内的水汽冷却液化，水经由集水口流入采样瓶6，浮球阀9一开始位于采样瓶6瓶口处，当水聚集较多时，将空心的浮球阀9浮起，水注入采样瓶6，然后浮球阀9落下继续堵住瓶口，防止水汽蒸发；残存的水汽和空气再经过水汽导管2进入干燥室401，干燥后的空气再进入微型空气泵402，最后经由干空气导管5传输回蒸发水汽收集罩1，微型空气泵使402整个装置中的空气进行循环，循环往复，收集蒸腾出的同位素水汽。静待一定时间后，采集完成，进行后续实验。该过程中，整个冷凝室4固定在支撑架8上。
②用作只采集植物蒸腾水汽的装置：将蒸发水汽收集罩1罩于植物上，并将收缩口7收紧，经过一段时间，蒸腾出的水汽首先蒸发于收集罩1内，水汽顺着水汽导管2进入液化室403，液化室403的双层结构内注入液氮，利用液氮将水汽导管2内的水汽冷却液化，经由集水口流入采样瓶6，水经由集水口流入采样瓶6，浮球阀9一开始位于采样瓶6瓶口处，当水聚集较多时，将空心的浮球阀9浮起，水注入采样瓶6，然后浮球阀9落下继续堵住瓶口，防止水汽蒸发；残存的水汽和空气再经过水汽导管2进入干燥室401，干燥后的空气再进入微型空气泵402，最后经由干空气导管5传输回蒸发水汽收集罩1，微型空气泵使402整个装置中的空气进行循环，循环往复，收集蒸腾出的同位素水汽。静待一定时间后，采集完成，进行后续实验。该过程中，整个冷凝室4固定在支撑架8上。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，其特征在于：包括一个蒸发水汽收集罩（1），所述蒸发水汽收集罩（1）顶部通过水汽导管（2）与冷凝室（4）连接，所述冷凝室（4）包括液化室（403）和干燥室（401），所述水汽导管（2）从液化室（403）一侧伸入，另一侧伸出；所述水汽导管（2）位于液化室（403）内的部分中部开有一个集水口并伸出液化室（403）底部与采样瓶（6）密封连接；所述水汽导管（2）伸出液化室（403）后与干燥室（401）进口连接，所述干燥室（401）出口通过导管与微型空气泵（402）连接，所述微型空气泵（402）的出气口通过干空气导管（5）再与蒸发水汽收集罩（1）连接；所述液化室（403）为双层结构，外层为PVC材质外保温层，内层为不锈钢材质内冷却层，所述外层与内层之间注有液氮，所述液化室（403）的顶部设有液氮注入口（3）；所述蒸发水汽收集罩（1）顶部为锥状；所述水汽导管（2）伸入液化室（403）后呈倒梯形或者U形，所述集水口位于水汽导管（2）的倒梯形底边上或者U形的最低点。
2.根据权利要求1所述的一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，其特征在于：所述蒸发水汽收集罩（1）底部还安装有一个收缩口（7）。
3.根据权利要求1或2所述的一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，其特征在于：所述采样瓶（6）为丝口采样瓶。
4.根据权利要求3所述的一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，其特征在于：所述采样瓶（6）的瓶口处还通过细绳连接有一个浮球阀（9），所述浮球阀（9）为空心状。
5.根据权利要求1所述的一种土壤、植物蒸发水汽同位素采集装置，其特征在于：所述干燥室（401）内放置有固体干燥剂。
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