專利名稱：一種測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣學、水文學和生態(tài)學研究機械領(lǐng)域，具體的說是一種測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置。
背景技術(shù)：
地球水循環(huán)中，大約O. 2%的氧是180，0. 015%的氫是2H或D。生態(tài)學界和水文學界已經(jīng)對這些水的穩(wěn)定同位素進行了廣泛的研究。自然環(huán)境中水的微量同位素(H218O或 HD16O)通常是用它相對于主要同位素H216O的摩爾比來度量的，用δ符號表示δ = (R/Rs-1) X 1000式中，R是所測定物質(zhì)180/160或D/Η的摩爾比，Rs是標準物180/160或D/Η的摩爾比，國際上米用維也納標準平均海水(Vienna Standard Mean Oceanffater, VSMOff)作為氧和氫穩(wěn)定同位素的標準物，180/160等于O. 0020052，D/H等于O. 00015576。用δ符號表示同位素比值，單位為千分之一(％。)。陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣中的水汽交換包括植物蒸騰和土壤蒸發(fā)兩種不同的生物和物理過程。植物能利用的水分主要來自降水、灌溉水、土壤水、徑流地下水，各個庫具有不同的δ180和SD同位素特征。在土壤水分蒸發(fā)過程中，由于水分相變和擴散過程中穩(wěn)定同位素分餾效應的存在，輕穩(wěn)定同位素比重穩(wěn)定同位素蒸發(fā)和擴散得更快，所以土壤水中δ 18O 和δ D明顯隨深度而呈現(xiàn)梯度變化，且土壤液態(tài)水中H218O和HDO比土壤蒸發(fā)的氣態(tài)水中 H218O和HDO高很多，土壤蒸發(fā)δ180和δ (δΕ)會發(fā)生嚴重的貧化。對于植物而言，氫氧穩(wěn)定同位素以水的形式從根部進入植物體內(nèi)，蒸騰作用使水分向葉片遷移，當水分在植物根部與莖之間運輸時，在到達葉片或幼嫩未栓化的枝條之前，它的S 18O和SD并不發(fā)生變化， 植物體內(nèi)水的S 18O和SD主要受所吸收水源的δ180和SD控制。水分在植物體內(nèi)運輸時，仍保持著土壤水的同位素特征。當葉片處于同位素穩(wěn)定狀態(tài)時，蒸騰S18O和δ (δτ) 與植物利用的土壤水S 18O和SD—致。這就導致了土壤蒸發(fā)δ 18O和δ D(Se)與植物蒸騰δ180和δ D(St)之間具有明顯的差異。二者之間同位素組成差異是利用同位素方法將生態(tài)系統(tǒng)蒸散通量區(qū)分為土壤蒸發(fā)通量和植物蒸騰通量的基礎(chǔ)。通過建立水汽輕、重同位素通量的質(zhì)量守恒方程，利用二源線性混合模型便可確定二者對生態(tài)系統(tǒng)蒸散的貢獻。其核心科學問題是準確確定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量(Set)、土壤蒸發(fā)氫氧同位素通量 (δΕ)以及植物蒸騰氫氧同位素通量(δτ)。通常植物蒸騰δτ和土壤蒸發(fā)δΕ可以分別通過測定植物木質(zhì)部水和土壤水的氫氧同位素比值來確定。準確測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量(S ΕΤ)成為解決該科學問題的關(guān)鍵。雖然目前對生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量測定原理與方法有所報道，但沒有系統(tǒng)的裝置來完成相關(guān)測定。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述科學目的，本發(fā)明提供一種測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置及其用途。
本發(fā)明提供如下解決方案一種測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置，該裝置由氣體采集系統(tǒng)、氣體分流系統(tǒng)、濃度測定系統(tǒng)、冷凝-融化系統(tǒng)、同位素分析系統(tǒng)組成。氣體采集系統(tǒng)包括支架I、采氣口 2、過濾器3、導氣管41，氣體分流系統(tǒng)包括多通道電磁閥14、電磁繼電器7，濃度測定系統(tǒng)包括紅外氣體分析儀5和數(shù)據(jù)采集器6，冷凝-融化系統(tǒng)包括采樣瓶15、冷阱10和恒溫水浴11，同位素分析系統(tǒng)包括進樣針12和質(zhì)譜儀13。采樣瓶15由樣品瓶152、進氣管153、排氣管154、橡膠塞155、閥門156、連接套管 157構(gòu)成。在支架I的不同采樣高度安裝有多個采氣口 2，由采氣口 2采集的氣體經(jīng)過濾器3 濾掉灰塵后，由導氣管41輸送到多通道電磁閥14,電磁閥14由導氣管43與米樣瓶15連接，采樣瓶15放在冷阱10內(nèi)。導氣管43上裝有氣泵92，驅(qū)動氣體在裝置內(nèi)的流動。導氣管43由連接套管157與采樣瓶15連接。當含有水汽的空氣由進氣管153進入樣品瓶152 后，水汽凝結(jié)在樣品瓶152內(nèi)，空氣由排氣管154排出。拔開連接套管157，關(guān)閉安裝在排氣管154上的閥門156，從冷阱10內(nèi)取出采樣瓶15，放入恒溫水浴11進行解凍。當樣品解凍后，由連接套管157連接進樣針12，打開閥門156，抽取水樣，注入質(zhì)譜儀13，分析水樣的氫氧同位素比值K。多通道電磁閥14的一個共同通道由導氣管42與紅外氣體分析儀5連接，氣體分析儀5后由導氣管44連接有氣泵91，驅(qū)動氣體進入在進行紅外氣體分析儀5。紅外氣體分析儀5由數(shù)據(jù)線81與數(shù)據(jù)采集器6連接，數(shù)據(jù)采集器6由數(shù)據(jù)線82與電磁繼電器7連接， 電磁繼電器7由數(shù)據(jù)線83與多通道電磁閥14連接。在上述水汽冷凝過程中，開啟多通道電磁閥14其中一條通道到導氣管42，由紅外氣體分析儀5測定水汽濃度W，并由數(shù)據(jù)采集器6記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器6采集的數(shù)據(jù)控制電磁繼電器7，由電磁繼電器7控制多通道電磁閥14的通道切換，完成所有不同采樣高度水汽濃度的測定。所述導氣管41、導氣管42、導氣管43由聚四氟乙烯制成，保證水汽不會在導氣管內(nèi)發(fā)生吸附作用。所述冷阱10內(nèi)裝有液氮和酒精混合物，保證冷阱10內(nèi)溫度為_69°C。所述恒溫水浴11的溫度為室溫，與質(zhì)譜儀13測定時的溫度一致。上述測定得到的不同采樣高度的氫氧同位素比值δν與水汽濃度w建立如下方
δ V為不同采樣高度測定的大氣水汽氫或氧同位素比值，w為不同采樣高度測定的大氣水汽濃度，δ ΕΤ為生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量，a為試驗常數(shù)(斜率)。
采用本發(fā)明所述的測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置與方法，可以快速準確測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散同位素通量。


圖I是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2是采樣瓶15的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為支架，2為采氣口，3為過濾器，41為導氣管，42為導氣管，43為導氣管， 44為導氣管，5為紅外氣體分析儀，6為數(shù)據(jù)采集器，7為電磁繼電器，81為數(shù)據(jù)線，82為數(shù)據(jù)線，83為數(shù)據(jù)線，91為氣泵，92為氣泵，10為冷阱，11為恒溫水浴，12為進樣針，13為質(zhì)譜儀，14為多通道電磁閥，采樣瓶15，152為樣品瓶、153為進氣管、154為排氣管、155為橡膠塞、156為閥門、157為連接套管。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明提供一種測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置，如圖I和圖2所示。該裝置由氣體采集系統(tǒng)、氣體分流系統(tǒng)、濃度測定系統(tǒng)、冷凝-融化系統(tǒng)、同位素分析系統(tǒng)組成。氣體采集系統(tǒng)包括支架I、采氣口 2、過濾器3、導氣管41，氣體分流系統(tǒng)包括多通道電磁閥14、電磁繼電器7，濃度測定系統(tǒng)包括紅外氣體分析儀5和數(shù)據(jù)采集器6，冷凝-融化系統(tǒng)包括采樣瓶15、冷阱10和恒溫水浴11，同位素分析系統(tǒng)包括進樣針12和質(zhì)譜儀13。采樣瓶15由樣品瓶152、進氣管153、排氣管154、橡膠塞155、閥門156、連接套管157構(gòu)成。在支架I的不同采樣高度安裝有若干采氣口 2，由采氣口 2采集的氣體經(jīng)過濾器3 濾掉灰塵后，由導氣管41輸送到多通道電磁閥14,電磁閥14由導氣管43與米樣瓶15連接，采樣瓶15放在冷阱10內(nèi)，冷阱10內(nèi)裝有液氮和酒精的混合物，其溫度為_69°C。導氣管43上裝有氣泵92，驅(qū)動氣體在裝置內(nèi)的流動。導氣管43由連接套管157與采樣瓶15連接。當含有水汽的空氣由進氣管153進入樣品瓶152后，水汽凝結(jié)在樣品瓶152內(nèi)，空氣由排氣管154排出。拔開連接套管157，關(guān)閉安裝在排氣管154上的閥門156，從冷阱10內(nèi)取出采樣瓶15，放入恒溫水浴11進行解凍，恒溫水浴11的溫度與質(zhì)譜儀13的測定溫度一致。 當樣品解凍后，由連接套管157連接進樣針12，打開閥門156，抽取水樣，注入質(zhì)譜儀13，分析水樣的氫氧同位素比值δν。多通道電磁閥14的一個共同通道由導氣管42與紅外氣體分析儀5連接，氣體分析儀5后由導氣管44連接有氣泵91，驅(qū)動氣體進入在進行紅外氣體分析儀5。紅外氣體分析儀5由數(shù)據(jù)線81與數(shù)據(jù)采集器6連接，數(shù)據(jù)采集器6由數(shù)據(jù)線82與電磁繼電器7連接， 電磁繼電器7由數(shù)據(jù)線83與多通道電磁閥14連接。在上述水汽冷凝過程中，開啟多通道電磁閥14其中一條通道到導氣管42，由紅外氣體分析儀5測定水汽濃度W，并由數(shù)據(jù)采集器6記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器6采集的數(shù)據(jù)控制電磁繼電器7，由電磁繼電器7控制多通道電磁閥14的通道切換，完成所有不同采樣高度水汽濃度的測定。所述導氣管41、導氣管42、導氣管43由聚四氟乙烯制成，保證水汽不會在導氣管內(nèi)發(fā)生吸附作用。上述測定得到的氫氧同位素比值δ ν與水汽濃度w建立如下方程
權(quán)利要求
1.一種測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置，其特征在于該裝置由氣體采集系統(tǒng)、氣體分流系統(tǒng)、濃度測定系統(tǒng)、冷凝-融化系統(tǒng)、同位素分析系統(tǒng)組成；所述氣體采集系統(tǒng)包括支架(I)、采氣口(2)、過濾器(3)、導氣管(41);氣體分流系統(tǒng)包括多通道電磁閥(14)、電磁繼電器(7);濃度測定系統(tǒng)包括紅外氣體分析儀(5)和數(shù)據(jù)采集器(6);冷凝-融化系統(tǒng)包括采樣瓶(15)、冷阱(10)和恒溫水浴(11);同位素分析系統(tǒng)包括進樣針(12)和質(zhì)譜儀(13)；所述采樣瓶(15)由樣品瓶(152)、進氣管(153)、排氣管(154)、橡膠塞(155)、閥門 (156)、連接套管(157)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求I的裝置，其特征在于還包括在支架(I)的不同高度安裝有多個采氣口(2)，由采氣口(2)采集的氣體經(jīng)過濾器(3) 濾掉灰塵后，由導氣管(41)輸送到多通道電磁閥(14)，電磁閥(14)由導氣管(43)與采樣瓶(15)連接，采樣瓶(15)放在冷阱(10)內(nèi)；導氣管(43)上裝有氣泵(92)，驅(qū)動氣體在裝置內(nèi)的流動；導氣管(43)由連接套管(157)與采樣瓶(15)連接；當含有水汽的空氣由進氣管(153)進入樣品瓶(152)后,水汽凝結(jié)在樣品瓶(152)內(nèi)，空氣由排氣管(154)排出； 拔開連接套管(157)，關(guān)閉安裝在排氣管(154)上的閥門(156)，從冷阱(10)內(nèi)取出采樣瓶 (15)，放入恒溫水浴(11)進行解凍；當樣品解凍后，由連接套管(157)連接移液管(12)，打開閥門(156)，抽取水樣，注入質(zhì)譜儀(13)，分析水樣的氫氧同位素比值δν。
3.如權(quán)利要求2的裝置，其特征在于還包括多通道電磁閥(14)的一個共同通道由導氣管(42)與紅外氣體分析儀(5)連接，氣體分析儀(5)由導氣管(44)連接有氣泵(91)，驅(qū)動氣體進入在進行紅外氣體分析儀(5);紅外氣體分析儀(5)由數(shù)據(jù)線(81)與數(shù)據(jù)采集器(6)連接，數(shù)據(jù)采集器(6)由數(shù)據(jù)線(82) 與電磁繼電器(7)連接，電磁繼電器(7)由數(shù)據(jù)線(83)與多通道電磁閥(14)連接；在水汽冷凝過程中，開啟多通道電磁閥(14)其中一條通道到導氣管(42)，由紅外氣體分析儀(5)測定水汽濃度W，并由數(shù)據(jù)采集器(6)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器(6)控制電磁繼電器⑵，由電磁繼電器(7)控制多通道電磁閥(14)的通道切換，完成所有不同采樣高度水汽濃度w的測定。
4.如權(quán)利要求2-3任一所述的裝置，其特征在于所述導氣管(41)、導氣管(42)、導氣管(43)由聚四氟乙烯制成，保證水汽不會在導氣管內(nèi)吸附，避免同位素分餾效應的發(fā)生。
5.如權(quán)利要求1-3任一所述的裝置，其特征在于所述冷阱(10)內(nèi)裝有液氮和酒精混合物，保證冷阱(10)內(nèi)溫度為-69°c。
6.如權(quán)利要求1-3任一所述的裝置，其特征在于所述恒溫水浴(11)的溫度與質(zhì)譜儀(13)測定時的室內(nèi)空氣溫度一致。
7.如權(quán)利要求1-6任一裝置在測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量上的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及大氣學、水文學和生態(tài)學研究機械領(lǐng)域，提供一種測定生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量的裝置及其用途。本發(fā)明裝置由氣體采集系統(tǒng)、氣體分流系統(tǒng)、濃度測定系統(tǒng)、冷凝-融化系統(tǒng)、同位素分析系統(tǒng)組成。通過采集不同層次大氣水樣，分析水樣的氫氧同位素比值δv。采集大氣水樣的同時測定水汽濃度w。通過不同層次水汽氫氧同位素比值和水汽濃度計算出生態(tài)系統(tǒng)蒸散氫氧同位素通量。
文檔編號G01N35/00GK102590534SQ20121000735
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者于貴瑞, 孫曉敏, 張心昱, 李慶康, 溫學發(fā), 王建林, 王晶苑 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所