CN111308017A - 一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法,属于水汽扩散途径技术领域。本发明采用氢氧稳定同位素示踪的方法,通过对露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值进行测试,能够计算不同种类的地表植物叶片凝结露水的水汽归趋,操作步骤简单,计算方法明确,易于推广;且可以避免原有技术仅能定性或半定量的弊端。实施例结果表明,本发明提供的方法能够定量辨析露水被植物吸收、滴落土壤和蒸发至大气中的水分比例,且精确度可达0.1%。
Description
技术领域
本发明涉及水汽扩散途径技术领域,特别涉及一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法。
背景技术
露水凝结是普遍发生的气象现象,不仅发生频率高,凝结量也较大。每年露水量可达60mm,相当于一场大雨的级别。露水作为昼夜交替形成又消散的中间产物,在日出后的蒸发过程中除部分水汽蒸发至大气,还有部分直接被植物吸收或平衡土壤水份。
大气中水汽是联系气溶胶微物理和化学性质的关键参数,定量确定露水中蒸发水汽返回近地表的贡献比例对研究大气污染物形成和去除机制至关重要。目前露水对土壤和植物的水分补给以定性研究为主,通过测定植物的生理指标,认为露水是植物调节的重要水源,但并未测定露水的水质,这限制了对露水水分归趋的认识。定量辨析露水被植物吸收、滴落土壤和回归大气中水分比例还有待深入研究。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法。使用本发明方法能够系统全面地辨析和计算植物叶片凝结露水的水分去向,且精确度高。
为了实现上述发明的目的,本发明提供以下技术方案:
一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法,包括以下步骤:
(1)获取露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品;
(2)分别测试露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值;
(3)根据式1、式2和式3计算得到地表植物叶片凝结露水滴落至土壤的比例、被植物吸收的比例和蒸发至大气的质量比例:
Fsoil+Fplant+Fair=1 式1;
式1中,Fsoil为滴落至土壤的质量比例,%;
Fplant为被植物吸收的质量比例,%;
Fair为蒸发至大气的质量比例,%;
δ18Odew=δ18OsoilFsoil+δ18OplantFplant+δ18OairFair 式2;
式2中,δ18Odew为露水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Osoil为土壤水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oplant为叶片内部水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oair为大气凝结水样品的氧稳定同位素值,‰;
δDdew=δDsoilFsoil+δDplantFplant+δDairFair 式3;
式3中,δDdew为露水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDsoil为土壤水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDplant为叶片内部水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDair为大气凝结水样品的氢稳定同位素值,‰。
优选的,所述获取露水样品的方法包括以下步骤:
在日出后露水量达到峰值时,采集等量的植物冠层、顶层和底层叶片上的露水,将等量露水混合得到露水样品;
所述冠层为>植物高度1/3且<植物高度4/5处;
所述顶层为≥植物高度4/5处;
所述底层为≤植物高度1/3处。
优选的,所述获取大气凝结水样品的方法包括以下步骤:
在露水蒸发时段内,对地表植物冠层上方大气进行空气冷凝压缩,得到大气凝结水样品。
优选的,所述空气冷凝压缩用设备为空气冷凝压缩机,所述空气冷凝压缩机的转速为100~120r/s。
优选的,所述获取叶片内部水样品的方法包括以下步骤:
在露水完全蒸发后,采集地表植物冠层、顶部及底部叶片,将叶片去除叶脉后将叶片剪碎,得到叶片碎片;
对所述叶片碎片进行蒸馏和冷凝,得到叶片内部水样品。
优选的,所述叶片碎片的大小为2~4mm2;所述蒸馏的压力为102~104Pa,温度为75~80℃,时间为30~40min;所述冷凝的温度为-90~-100℃,时间为20~40min。
优选的,所述获取土壤水样品的方法包括以下步骤:
在露水完全蒸发后,采集以植物茎为中心点周边半径1m且深度≤20cm的表层土壤,对所采集的土壤依次进行蒸馏和冷凝,得到土壤水样品。
优选的,所述蒸馏的压力为102~104Pa,温度为75~80℃,时间为40~50min;所述冷凝的温度为-90~-100℃,时间为30~50min。
优选的,所述测试氢稳定同位素值的参数为:样品体积为0.8μL,样品盐度<4%,样品温度为0~50℃。
优选的,所述测试氧稳定同位素值的参数为:样品体积为0.8μL,样品盐度<4%,样品温度为0~50℃。
本发明提供了一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法,本发明利用同位素的质量守恒原则,采用氢氧稳定同位素示踪的方法,通过对露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值进行测试,能够计算不同种类的地表植物叶片凝结露水的水汽归趋,操作步骤简单,计算方法明确,易于推广;且可以避免现有技术仅能定性或半定量的弊端。实施例结果表明,本发明提供的方法能够定量辨析露水被植物吸收、滴落土壤和蒸发至大气中的水分比例,且精确度可达0.1%。
具体实施方式
本发明提供了一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法,包括以下步骤:
(1)获取露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品;
(2)分别测试露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值;
(3)根据式1、式2和式3计算得到地表植物叶片凝结露水滴落至土壤的比例、被植物吸收的比例和蒸发至大气的质量比例:
Fsoil+Fplant+Fair=1 式1;
式1中,Fsoil为滴落至土壤的质量比例,%;
Fplant为被植物吸收的质量比例,%;
Fair为蒸发至大气的质量比例,%;
δ18Odew=δ18OsoilFsoil+δ18OplantFplant+δ18OairFair 式2;
式2中,δ18Odew为露水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Osoil为土壤水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oplant为叶片内部水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oair为大气凝结水样品的氧稳定同位素值,‰;
δDdew=δDsoilFsoil+δDplantFplant+δDairFair 式3;
式3中,δ18Ddew为露水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDsoil为土壤水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDplant为叶片内部水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDair为大气凝结水样品的氢稳定同位素值,‰。
本发明获取露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品。在本发明中,所述获取露水样品的方法优选包括以下步骤:
在日出后露水量达到峰值时,采集等量的植物冠层、顶层和底层叶片上的露水,将等量露水混合得到露水样品。
本发明对所述地表植物的品种没有特殊的要求,任意种类的地表植物都能使用本发明方法计算其叶片凝结露水的水汽归趋。在本发明中,所述露水量达到峰值的时间优选为日出后半小时。在本发明中,所述采集露水的方法优选为使用洁净的针头直接抽取。在本发明中,所述冠层优选为>植物高度1/3且<植物高度4/5处;所述顶层优选为≥植物高度4/5处;所述底层优选为≤植物高度1/3处。本发明优选在植物冠层、顶层和底层各采集10~15片叶片;在本发明中,不同位置的叶片上采集露水的总体积优选为5~10mL,更优选为6~8mL。本发明对所述混合的方式没有特殊的要求,使用本领域技术人员熟知的混合方式即可,具体的如搅拌混合。本发明优选使用洁净的塑料瓶盛放混合后的露水并密封。在本发明中,所述获取大气凝结水样品的方法优选包括以下步骤:
在露水蒸发时段内,对地表植物冠层上方大气进行空气冷凝压缩,得到大气凝结水样品。
在本发明中,所述露水蒸发时段优选为日出后半小时至露水完全蒸发的时间段;在本发明的具体实施中,以长春为例,春季的露水蒸发时段优选为6:00~8:00,夏季的露水蒸发时段优选为5:00~9:00,秋季的露水蒸发时段优选为5:30~8:30,冬季无露水凝结现象(为霜)。在本发明中,所述地表植物冠层上方大气优选为地表植物冠层上20cm。在本发明中,所述进行空气冷凝压缩的设备优选为空气冷凝压缩机,所述空气冷凝压缩机的转速优选为100~120r/s,更优选为110r/s。在本发明中,所述大气水汽冷凝液态水的采集量优选为10~15mL,更优选为12~14mL。本发明优选使用洁净的塑料瓶盛放采集后的大气凝结水并密封。本发明优选将空气冷凝压缩机的入口置于地表植物冠层上方大气相应位置来收集大气凝结水样品。
在本发明中,所述获取叶片内部水样品的方法优选包括以下步骤:
在露水完全蒸发后,采集地表植物冠层、顶部及底部叶片,将叶片去除叶脉后将叶片剪碎,得到叶片碎片;
对所述叶片碎片进行蒸馏和冷凝,得到叶片内部水样品。
在本发明中,所述地表植物冠层,顶部及底部叶片的采集数量独立地优选为10~15片,更优选为12~14片。在本发明中,所述叶片碎片的大小优选为2~4mm2,更优选为3mm2。本发明优选使用全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100)进行所述蒸馏和冷凝,在本发明中,所述蒸馏的压力优选为102~104Pa,更优选为103Pa;所述蒸馏的温度优选为75~80℃,更优选为76~78℃;时间优选为30~40min,更优选为35min。在本发明中,所述冷凝的温度优选为-90~-100℃,更优选为-95℃;时间优选为20~40min,更优选为30min。本发明通过应用超低压真空蒸馏冷冻的原理,能够将叶片中的水分成功提取出来。在本发明中,所述蒸馏和冷凝过程中的水分无分馏。在本发明中,所述叶片内部水样品的获取量优选为10~15mL,更优选为12~14mL。
在本发明中,所述获取土壤水样品的方法优选包括以下步骤:
在露水完全蒸发后,采集以植物茎为中心点周边半径1m且深度≤20cm的表层土壤,对所采集的土壤依次进行蒸馏和冷凝,得到土壤水样品。
在本发明中,所述表层土壤的采集范围为以植物茎为中心点,周边半径1m且深度≤20cm的表层土壤。本发明优选在所述采集范围内取3~5个采集点进行采集,所述采集点在采集范围内均匀分布。在本发明中,所述土壤的采集量优选为200~500g,更优选为300~400g。本发明优选使用全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100)进行所述蒸馏和冷凝,在本发明中,所述蒸馏的压力优选为102~104Pa,更优选为103Pa;温度优选为75~80℃,更优选为76~78℃;时间优选为40~50min,更优选为45min。在本发明中,所述冷凝的温度优选为-90~-100℃,更优选为-95℃;时间优选为30~50min,更优选为40min。本发明通过应用超低压真空蒸馏冷冻的原理,能够将土壤中的水分成功提取出来。在本发明中,所述蒸馏和冷凝过程中的水分无分馏。在本发明中,所述土壤水样品的获取量优选为10~15mL,更优选为12~14mL。
得到露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品后,本发明分别测试露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值。本发明优选使用液态水同位素分析仪测试上述样品的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值。在本发明中,所述氢稳定同位素值的测试参数优选为样品体积为0.8μL,样品盐度<4%,样品温度为0~50℃,氧稳定同位素值的测试参数优选为样品体积为0.8μL,样品盐度<4%,样品温度为0~50℃。
测试氢稳定同位素值和氧稳定同位素值后,本发明根据式1、式2和式3计算得到地表植物叶片凝结露水滴落至土壤的比例、被植物吸收的比例和蒸发至大气的质量比例:
Fsoil+Fplant+Fair=1 式1;
式1中,Fsoil为滴落至土壤的质量比例,%;
Fplant为被植物吸收的质量比例,%;
Fair为蒸发至大气的质量比例,%;
δ18Odew=δ18OsoilFsoil+δ18OplantFplant+δ18OairFair 式2;
式2中,δ18Odew为露水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Osoil为土壤水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oplant为叶片内部水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oair为大气凝结水样品的氧稳定同位素值,‰;
δDdew=δDsoilFsoil+δDplantFplant+δDairFair 式3;
式3中,δDdew为露水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDsoil为土壤水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDplant为叶片内部水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDair为大气凝结水样品的氢稳定同位素值,‰。
本发明的原理是同位素的质量守恒原则,即总体质量等于各部分质量与所占比例乘积的总和。由于不同来源水分的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值有差异,露水样品中氢或氧稳定同位素的值为大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品的氢或氧稳定同位素值与各部分比例乘积的和。本发明采用氢氧稳定同位素示踪的方法,能够系统全面地辨析和计算出不同种类植物凝结露水的蒸发水汽去向,操作步骤简单,计算方法明确,易于推广;且可以避免原有技术仅能定性或半定量的弊端。
下面结合实施例对本发明提供的定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
2019年8月10日早5:00于吉林省长春市吉林建筑大学校园内,选取小叶女贞作为目标植物。
(1)采集露水样品。早5:00用洁净的针头直接抽取小叶女生叶片上的露水,植物冠层、顶层和底层叶片各抽取采样8mL,混合后置于洁净塑料瓶中,密封带回实验室。
(2)采集大气凝结水。于露水蒸发时段内(5:00~8:10),在小叶女贞冠层上20cm使用空气冷凝压缩机(转速设为120r/s)采集大气水汽冷凝液态水,收集冷凝水10mL,置于洁净塑料瓶中,密封带回实验室。
(3)采集叶片内部水。在露水完全蒸发后,采集小叶女贞冠层,顶部及底部叶片各10片,去掉叶脉后剪碎至3mm2碎片混合后,置于洁净的塑料瓶中,密封带回实验室。应用超低压真空蒸馏冷冻的原理,使用全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100),将叶片中的水分在1000Pa超低压的环境中在75℃下加热蒸馏30分钟,在-90℃低温环境中冷凝收集30分钟,该过程水分无分馏。提取到水分12mL。
(4)采集土壤水。采集叶片内部水同时段采集以小叶女贞茎为中心点,周边半径1m,深度15cm的表层土壤,采集200g样品置于洁净的塑料瓶中,密封带回实验室。应用超低压真空蒸馏冷冻的原理,使用全自动真空冷凝抽提系统,将土壤中的水分在1000Pa超低压的环境中在75℃下加热蒸馏50分钟,在-90℃低温环境中冷凝收集40分钟,该过程水分无分馏。提取到水分10mL。
(5)样品测试。采用LGR液态水同位素分析仪(908-0008,美国)测试叶片、土壤、大气凝结水和露水中同位素值,所述同位素包括氢稳定同位素(δD)和氧稳定同位素(δ18O)值。
测试结果如表1所示:
表1小叶女贞露水、大气凝结水、土壤和露水氢氧稳定同位素值
项目 | 露水 | 叶片内部水 | 土壤水 | 大气凝结水 |
δ<sup>18</sup>O(‰) | -9.8 | -7.6 | -12.3 | -9.3 |
δD(‰) | -54.2 | -43.5 | -53.2 | -56.5 |
(6)通过以下公式对小叶女贞叶片凝结露水水汽去向的质量比例进行计算:
Fsoil+Fplant+Fair=1 式1;
式1中,Fsoil为滴落至土壤的质量比例,%;
Fplant为被植物吸收的质量比例,%;
Fair为蒸发至大气的质量比例,%;
δ18Odew=δ18OsoilFsoil+δ18OplantFplant+δ18OairFair 式2;
式2中,δ18Odew为露水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Osoil为土壤水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oplant为叶片内部水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oair为大气凝结水样品的氧稳定同位素值,‰;
δDdew=δDsoilFsoil+δDplantFplant+δDairFair 式3;
式3中,δDdew为露水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDsoil为土壤水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDplant为叶片内部水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDair为大气凝结水样品的氢稳定同位素值,‰。
经计算,凝结在小叶女贞上的露水滴落至土壤比例、被小叶女贞吸收比例和蒸发至大气的质量比例分别为23.0%、12.0%和65.0%。
可见本方法可以定量监测露水在蒸发过程中水分的归趋。
实施例2
2019年9月15日早5:40于吉林省长春市吉林建筑大学校园内,选取榆叶梅作为目标植物。
(1)采集露水样品。早5:40用洁净的针头直接抽取榆叶梅叶片上的露水,植物冠层、顶层和底层叶片各抽取采样7mL,混合后置于洁净塑料瓶中,密封带回实验室。
(2)采集大气凝结水。于露水蒸发时段(5:40~8:40),在地表植物冠层上20cm使用空气冷凝压缩机(转速设为110r/s)采集大气水汽冷凝液态水,收集冷凝水10mL,置于洁净塑料瓶中,密封带回实验室。
(3)采集叶片内部水。在露水完全蒸发后,采集榆叶梅冠层,顶部及底部叶片各15片,去掉叶脉后剪碎至4mm2碎片混合后,置于洁净的塑料瓶中,密封带回实验室。应用超低压真空蒸馏冷冻的原理,使用全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100),将叶片中的水分在1500Pa超低压的环境中在75℃下加热蒸馏30分钟,在-90℃低温环境中冷凝收集30分钟,该过程水分无分馏。提取到水分15mL。
(4)采集土壤水。采集叶片内部水同时段采集以榆叶梅茎为中心点,周边半径1m,深度20cm的表层土壤,采集250g样品置于洁净的塑料瓶中,密封带回实验室。应用超低压真空蒸馏冷冻的原理,使用全自动真空冷凝抽提系统,将土壤中的水分在2000Pa超低压的环境中在75℃加热蒸馏45分钟,在-90℃低温环境中冷凝收集45分钟,该过程水分无分馏。提取到水分10mL。
(5)样品测试。采用LGR液态水同位素分析仪(908-0008,美国)测试叶片、土壤、大气凝结水和露水中同位素值,所述同位素包括氢稳定同位素(δD)和氧稳定同位素(δ18O)值。
测试结果如表2所示:
测试结果如下表:
表2榆叶梅露水、大气凝结水、土壤和露水氢氧稳定同位素值
项目 | 露水 | 叶片内部水 | 土壤水 | 大气凝结水 |
δ<sup>18</sup>O(‰) | -12.4 | -8.9 | -11.8 | -13.0 |
δD(‰) | -67.8 | -51.6 | -57.8 | -71.6 |
(6)通过式1、式2和式3对植物叶片凝结露水水汽去向的比例进行计算。
经计算,凝结在榆叶梅上的露水滴落至土壤比例、被小叶女贞吸收比例和蒸发至大气的质量比例分别为9.8%、13.4%和76.8%。
由以上实施例可知,本发明方法能够系统全面地辨析和计算植物叶片凝结露水的水分去向,且精确度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种定量测试地表植物叶片凝结露水水汽归趋的方法,包括以下步骤:
(1)获取露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品;
(2)分别测试露水样品、大气凝结水样品、叶片内部水样品和土壤水样品的氢稳定同位素值和氧稳定同位素值;
(3)根据式1、式2和式3计算得到地表植物叶片凝结露水滴落至土壤的比例、被植物吸收的比例和蒸发至大气的质量比例:
Fsoil+Fplant+Fair=1 式1;
式1中,Fsoil为滴落至土壤的质量比例,%;
Fplant为被植物吸收的质量比例,%;
Fair为蒸发至大气的质量比例,%;
δ18Odew=δ18OsoilFsoil+δ18OplantFplant+δ18OairFair 式2;
式2中,δ18Odew为露水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Osoil为土壤水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oplant为叶片内部水样品的氧稳定同位素值,‰;
δ18Oair为大气凝结水样品的氧稳定同位素值,‰;
δDdew=δDsoilFsoil+δDplantFplant+δDairFair 式3;
式3中,δDdew为露水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDsoil为土壤水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDplant为叶片内部水样品的氢稳定同位素值,‰;
δDair为大气凝结水样品的氢稳定同位素值,‰。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取露水样品的方法包括以下步骤:
在日出后露水量达到峰值时,采集等量的植物冠层、顶层和底层叶片上的露水,将等量露水混合得到露水样品;
所述冠层为>植物高度1/3且<植物高度4/5处;
所述顶层为≥植物高度4/5处;
所述底层为≤植物高度1/3处。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取大气凝结水样品的方法包括以下步骤:
在露水蒸发时段内,对地表植物冠层上方大气进行空气冷凝压缩,得到大气凝结水样品。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述空气冷凝压缩用设备为空气冷凝压缩机,所述空气冷凝压缩机的转速为100~120r/s。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取叶片内部水样品的方法包括以下步骤:
在露水完全蒸发后,采集地表植物冠层、顶部及底部叶片,将叶片去除叶脉后将叶片剪碎,得到叶片碎片;
对所述叶片碎片进行蒸馏和冷凝,得到叶片内部水样品。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述叶片碎片的大小为2~4mm2;所述蒸馏的压力为102~104Pa,温度为75~80℃,时间为30~40min;所述冷凝的温度为-90~-100℃,时间为20~40min。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取土壤水样品的方法包括以下步骤:
在露水完全蒸发后,采集以植物茎为中心点周边半径1m且深度≤20cm的表层土壤,对所采集的土壤依次进行蒸馏和冷凝,得到土壤水样品。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述蒸馏的压力为102~104Pa,温度为75~80℃,时间为40~50min;所述冷凝的温度为-90~-100℃,时间为30~50min。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述测试氢稳定同位素值的参数为:样品体积为0.8μL,样品盐度<4%,样品温度为0~50℃。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述测试氧稳定同位素值的参数为:样品体积为0.8μL,样品盐度<4%,样品温度为0~50℃。
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