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如何避免CO2浓度对土壤水稳定同位素测量的干扰?

日期: 2017-02-22
浏览次数: 43

拟解决问题:

(1)应用激光稳定同位素技术测量土壤水稳定同位素时,CO2浓度是否会有干扰?

2)土样在实验室存储过程中是否释放CO2

研究背景:

(1)土壤水稳定同位素测量技术已广泛应用于各个研究领域,如山坡水流动过程、通气层的行程时间、根系对土壤水分的利用等;

(2)目前,CRDS和OA-ICOS技术都是采用激光平衡法来测量土壤水中的同位素比值,但在测量相同波长的样品时,样品浓度与同位素比值间可能会互相干扰;

(3)近期研究发现,应用WS-CRDS技术进行同位素测量时,CO2浓度的改变会对同位素测量结果存在一定影响;(Gralher B , Herbstritt B , Weiler M , Wassenaar LI , Stumpp C Correcting laser-based water stable isotope readings biased by carrier gas changes.

(4)本文主要研究应用OA-ICOS技术测量同位素比值时,CO2浓度是否会干扰测量结果。

关键词:激光光谱法、同位素水文学、CO2、土壤水文学

如何避免CO2浓度对土壤水稳定同位素测量的干扰? 

蒸发/降水循环中水分同位素组成的变化(GNS Science)

仪器与方法:

实验方法

样品

测量方法

测定指标

苏打水实验

5个苏打水(体积不同,同位素比值已知)

1个蒸馏水(同位素比值已知)

直接测量

δ2Hδ18O 、CO2

加入CO2放置2天测量

δ2Hδ18O、CO2

土壤水实验

不同深度土壤样品

直接测量

δ2Hδ18O、CO2

加入CO2放置2天测量

δ2Hδ18O、CO2

 

结果:

图2结果表明,将600 ppm的CO2气体注入苏打水和蒸馏水中后,因体积不同,CO2浓度发生了不同程度的改变,但它们之间并未呈现出明显的统计学相关关系(图2a,b);应用OA-ICOS技术可以准确的测量蒸馏水和苏打水的δH值;在H2Ob_10_PT_B参数下,CO2浓度与吸收峰呈现显著的正相关关系。

图3与苏打水实验结果相一致,土壤水实验也证明了CO2浓度与光谱吸收峰之间呈显著相关性(图3a);土壤采样深度与CO2浓度关系的分析结果表明,随着深度增加,CO2浓度逐渐下降,而且CO2浓度与GWC和LOI都呈显著相关性。不可否认,土样在存储过程中,的确释放了CO2,从结果中也可知CO2的释放浓度与土壤深度、土壤水分以及在一定程度上与土壤有机物的数量也有关。

 

 

如何避免CO2浓度对土壤水稳定同位素测量的干扰? 

如何避免CO2浓度对土壤水稳定同位素测量的干扰? 

图2:CO2浓度不同时,苏打水和蒸馏水的δ2H(a)、δ18O(b)值、以及CO2浓度与光谱吸收峰之间的关系 

图3:CO2浓度不同时,CO2浓度与光谱吸收峰宽度(a)、土壤重量含水量(b)和LOI之间的关系

 

结论

(1)用OA-ICOS技术测量苏打水中稳定同位素,可避免CO2浓度的干扰

(2)CO2从土壤中释放出来时,它与同位素分馏信号存在一定的联系,但并不是因果关系;

(3)孔隙水的同位素分馏信号可通过土壤蒸发进行证明,CO2浓度的变化与土壤水分和有机质含量对土壤微生物活性增加有关

(4)本研究发现,尽管土壤样品释放了大量的CO2,但孔隙水稳定同位素的分析结果表明,应用OA-ICOS技术不需要进行后续的校正处理,这是由于:在测量过程中水汽浓度波动较小,计算同位素比值的测量面积没有发生变化,减小了CO2浓度对δH的干扰,从而保证了高测量精度。

文献来源:


如何避免CO2浓度对土壤水稳定同位素测量的干扰?No influence of CO2 on stable isotope analyses of soil water.pdf




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