本发明专利技术提供了一种单独或同步采集大气CO2及水汽样品的装置和方法，主要用于野外同步采集空气CO2及水汽样品，特别适用于同时分析空气中CO2和水汽浓度，以及CO2中13C及水汽中2H(D)/18O同位素组成；同时本装置及方法还适用于单独采集CO2或水汽样品。本发明专利技术广泛用于生态学、大气和环境方面的研究，便于野外安装及拆卸。本发明专利技术的装置包括：大气过滤系统、气体抽取系统、大气CO2和H2O浓度分析测定模块、水汽冷凝及贮存系统、CO2气体采样储存系统和气体干燥系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大气学、水文学、生态学机械装置领域，具体涉及一种同步采集大气 C02及水汽样品的装置和方法。主要是用于同步采集大气中CO2和水汽样品，用于分析大气 CO2和水汽浓度，并将同步采集的样品用谱仪测定CO2中13C和水汽中2H或D。
技术介绍
CO2是组成大气的一种重要组成成份，目前大气中CO2浓度达到了 380 μ ppm,是地球历史上65万年以来的最高值，而且过去10年中大气C02浓度以每年1.8ymol.mol-l的速度增长。CO2浓度可以作为衡量大气质量优劣的标准之一，虽然其组成在大气占比例较小，对于生物尤其是绿色植物和动物却意义重大，绿色植物需要利用大气中的CO2、阳光和水合成营养物质，并释放氧气，为人类和其他动物呼吸大气来获取氧气，维持生命。除此以外，现在CO2浓度被社会普遍关注是因为CO2是温室气体之一，主要来源于化石燃料煤、石油燃烧、农业和畜牧业的中间过程、垃圾处理等人类活动。目前，在全球范围内开展了大量工作来监测大气中CO2浓度的变化规律及其影响机制。由于CO2的化学惰性较强，很难通过化学方法去除，陆地生态系统碳循环是一个活的动态生物过程，能够通过植物等的光合作用吸收CO2并合成各种碳水化合物，在经过各种生理代谢过程后，一部分碳最后以有机物的形式贮存下来，从而可以降低大气中的CO2浓度，通过自然生态系统吸收和固定大气CO2是最为重要而且比较经济的途径之一。稳定性碳同位素在自然界主要有两种类型，即12C和13C,其中绝大部分是 12C98.9%，而13C仅占I. 1%，一般用该同位素摩尔数相对于标准物质中的同位素摩尔数的相对比值来表示，即用δ符号表示同位素比值，单位为千分之一(％。)δ = (R/Rs-1) X 1000对于CO2中13C的含量可以用δ 13C来表示，其中Rs为标准物质，碳稳定性同位素国际标准为美国南加州白垩纪的美洲拟箭石(Pee Dee Belemnite，简称TOB)其标准为Η)Β， 其中 PDB -.13CZ12C = (11237. 2±90)*10_6。氧稳定性同位素主要有16O和180，氢稳定性同位素主要有1H和2H即D地球上水中氧的18O约有0.2%，氢中2H或D有O. 015%。目前国际上采用维也纳标准平均海水 (Vienna Standard Mean Ocean Water, VSMOff)作为氧和氧稳定同位素的标准物，180/160 = O. 0020052，D/H = O. 00015576。D/H = O. 00015576。植物在光合作用过程中，因同位素扩散效应和光合酶系统对同位素的分馏作用， 结果导致了植物光合过程中所合成的碳水化合物中13C贫化，同时也使叶片周围大气CO2的 13C得到富集，并且最后导致了植物体内的S13C值明显比大气CO2的S13C-8%。偏低。生态系统光合和呼吸作用对大气中CO2浓度及其13C组成有截然相反的影响光合作用使周围大气中的CO2浓度下降，并使大气CO2中的13C得到富集；而呼吸作用则相反，使大气CO2浓度升高，并使13C贫化。利用生态系统碳交换过程中的稳定性同位素的变化特征以及对大气的特定影响，碳氧稳定性同位素技术在全球碳平衡的研究中有广泛的应用，可以解决过去常规方法无法解决的很多问题，已经成为研究生态系统碳交换机理的最为有效的技术手段之近年来，在大气科学与生态学研究中越来越重视分析与测定大气CO2中的13C来研究大气CO2来源、生态系统与大气间的相互作用、陆地与海洋生态系统在吸收与固定大气CO2能力以及陆地生态系统光合与呼吸作用等生态功能与环境因子的关系等诸多研究领域。由于原位测定CO2中13C较为困难，需要特殊的仪器设备，因此目前相关的研究仍然大量采用野外采样运回实验室用质谱仪进行分析的研究方法。但是，由于大气中CO2含量很低350-380ppm，其13C含量更低，仅占I. 11 %，因此不仅对测定与分析的仪器精度要求高，而且对采样方法及采样设备要求也很高，避免各种污染，需要高氯酸镁等强吸水剂去除水汽， 否则会严重影响测定结果。本专利技术利用液氮与酒精混合后的低温冷阱进行对水汽进行冷凝与冷冻，在达到除水目的的同时可以采集水汽样品，实现大气CO2采样与水汽采样的同步进行。大气中的水汽来源于陆地生态系统的蒸腾和土壤及水面蒸发等两种不同的生物和物理过程，土壤蒸发与植物蒸腾能够显著影响大气水汽H和O同位素组成。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S 18O明显随深度而呈现梯度变化，且土壤液态水中H218O比土壤蒸发的气态水中H218O高很多，土壤蒸发δ180(δΕ)会发生严重的贫化，导致大气水汽中D和18O贫化。对于植物而言，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，水分在进入植物和体内运输时，不发生同位素分馏效应，仍保持着土壤水的同位素特征，因此植物体内水的S 18O主要受所吸收水源的δ 18O控制。而当处于同位素稳定状态时，即蒸腾释放的水汽量与植物运到叶片部位的水量相等时，蒸腾释放的水汽与植物体木质部及土壤来源水的同位素组成相同，但与土壤蒸发所释放的水汽同位素组成形成明显差异，利用这种差异及水汽轻、重同位素通量的质量守恒方程，便可确定蒸腾与土壤蒸发对大气中水汽的贡献与影响，并确定各自对大气水汽贡献。通常植物蒸腾 S τ和土壤蒸发δ Ε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比值(Set)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比值测定原理与方法有所报道，但是在野外对水汽进行采样仍然需要较高的技术，由于水汽在冷凝和蒸发过程中均容易发生分馏效应，本专利技术采用液氮与酒精进行混合，保证水汽冷凝过程中的低温并避免温度波动，才能保证在水汽在被采集过程中不发生同位素分馏效应，实现水汽的采样，同时经过这样除水后的大气可以直接进行CO2样品的采集，为分析大气CO2的13C含量提供样品，同时为分析测定水汽中的2H和18O提供样品。便于野外安装及拆卸
技术实现思路
为了实现上述相关科学研究目的，本专利技术提供一种同步采集大气CO2和水汽同位素样品的装置及测定方法。便于野外安装及拆卸，令阱采用液氮与酒精进行混合，保证水汽冷凝过程中的低温并避免温度波动，保证在水汽在被采集过程中不发生同位素分馏效应。本专利技术提供如下解决方案一种单独或同步采集大气CO2及水汽样品的装置，包括大气过滤系统、气体抽取系统、大气CO2和H2O浓度分析测定模块、水汽冷凝及贮存系统、CO2气体采样储存系统。还可包括气体干燥系统。大气过滤系统由气体采样口 I,大气过滤器2，安装支架3，进气管4组成；气体抽取系统由小型直流气泵5，可调直流电源6，流量计7组成；大气CO2及H2O浓度分析测定模块由多通道选择电磁阀组8，大气CO2和H2O浓度分析仪9组成；水汽冷凝及贮存系统由三通选择阀10，-69°C低温冷阱(酒精+液氮混合)13，快速连接接头112和U型玻璃管12组成；C02气体采样储存系统由快速连接接头113，变径接头15、双孔针16和CO2样品瓶17组成；备选的气体干燥系统由本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李庆康，温学发，张雷明，于贵瑞，孙晓敏，王晶苑，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：
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