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激光同位素技术在水文学研究中的应用与实践 北京理加联合科技有限公司 孙宝宇 1 先进的科学仪器是推动科技创新的重要支撑 以水分子为例，有九种水分子组合，最常见的分子有： ◦ H216O； ◦ HD16O； ◦ H218O。  这对于激光分析仪来说是三种不同的气体  • LGR是通过测量特定光谱的光强吸收而确定特定物质浓度，符合经典的Lambert-Beer定律。 • LGR利用两个高反射镜面制造一个光腔，使激光在两个镜面间进行大量反射，增加吸收强度。 • 利用LGR离轴入射专利技术（OA-ICOS)，消除了光腔中的干涉影响。 • 目前OA-ICOS技术已经广泛的使用于LGR各种分析仪。 实时 同步 测量 δD， δ17O， δ18O， H2O 。 LWIA-30d 液态水同位素分析仪 IWA-35/45 水同位素分析仪 IWA-45EP δD：0.2‰, δ18O：0.03 ‰ & δ17O：0.03 ‰ 水汽同位素分析仪，2Hz 多路器 水汽同位素标气发生器 水同位素分析仪  1. δD：0.2‰，δ18O：0.03 ‰，δ17O: 0.03 ‰； 2. 水同位素分析仪中国大陆用户已超过150余台； 3. 2006年国际原子能机构（IAEA）在全球开始推 广，目前IAEA在全球的实验室已拥有超过100 台激光水同位素分析仪； 4. 可广泛应用于液态水、植物水、土壤水、酒水 饮料、医药检测、果实等。 液态水同位素分析仪  1. δD：0.2‰，δ18O：0.03 ‰，δ17O: 0.03 ‰； 2. 样品盐度：＜4%（样品盐度超过4%时， 需要缩短维护时间间隔）； 3. 工作温度：0~45℃ ； 4. 样品温度： 0~50℃ ； 5. 800注射/天，速度可调； 6. 能通过SCI修正有机污染； 水汽同位素分析仪  1. 浓度范围：100 - 60000 ppm (non-condensing) ； 2. 重复性/精度（1 σ ，10秒/100秒）： δD：0.5‰ / 0.2‰ δ17O：0.15‰ / 0.05‰ δ18O：0.15‰ / 0.05‰ [H2O] ：0.2% / 0.07%； 3. 测量频率：最快可达2 HZ； 4. 工作温度：0~40℃； 5. 采样温度：-30~50℃。 ABB Los Gatos Research 公司（原美国LGR公司），1994年创立于硅谷，隶属于ABB集团， 公司致力于开发激光痕量气体与稳定同位素分析仪。作为CRDS、ICOS及OA-ICOS等激光测 量技术的专利（>12项）所有者，LGR是目前激光分析仪的全球领导者。设备主要用于前沿科 学研究、工业过程监控与质量控制、空气质量与排放监控、痕量温室气体与稳定同位素的测 量。 加入IAEA的“水同位素分析实验室间比对” （WICO）  天然水样（已经过滤） 环境水的2H和18O是水文地质、气象、海洋学和生态学研究的主要分析方法。准确的分析可以提 供可靠的科学信息，来指导水和环境的管理决策。 国际原子能机构（IAEA）同位素水文实验室组织了一次水同位素比对（WICO）,以各种技术进行 国际实验室天然水稳定同位素测定（δ18O和δ2H）的能力评估。共235个实验室加入。ABB LGR 的水同位素分析仪（TIWA）也加入了此次比对。 TIWA测定的δ2H，δ18O和氘盈余的精度分别为0.6‰，0.06‰和0.5‰。 加入IAEA的“水同位素分析实验室间比对”  甲醇污染的水样 对于甲醇污染的水样，通过光谱污染修正软件校正以后与标准值的一致性较好。 加入IAEA的“水同位素分析实验室间比对”  贫化水、富集水和盐化水 在测量富集的、贫化的以及盐化水中δ2H和δ18O时，TIWA也能提供极好的结果。  • 利用激光氢氧稳定同位素技术，可以确定植物水分来源。 • 不同水体的氢氧稳定同位素还可用于水汽输送、土壤水运移和补给机制、补给 源和地下水机制、水体蒸发、植物蒸腾和土壤蒸发的区分以及径流的形成和汇 合等方面的研究。因而引起了水文学家，生态学家以及气候学家等的广泛关注。 基于此，研究者们利用该技术进行了大量的科学试验以揭示相关的水文过程。 15 植物水分来源 研究黑河流域荒漠 河岸生态系统中的 胡杨林和多枝柽柳 的水分利用格局以 及对地下水深度波 动的生理生态响应。 结果发现：胡杨林利用较大比例的土壤水，多枝柽柳主要依赖于地下水和 深层土壤水。随着地下水深度的变化，胡杨林对深层土壤水和地下水的吸 收比例增加。而多枝柽柳在其关键生长阶段对地下水的吸收比例增加。 总之，随着地下水深度的变化，两个物种转向于利用更可靠的水源，但是 对胡杨林而言，水源的转变并不能充分补偿干旱胁迫对气体交换的影响。 16 植物水分来源 基于氢氧稳定同位 素 并 结 合 MixSIAR 模型研究了黄土高 原半干旱区代表植 物本氏针茅 、细裂 叶莲蒿以及黄荆水 分利用模式的季节 性变化，结果发现 黄荆具有更大程度 的生态可塑性。 在IsoSource模型中仅用δD或δ18O来预测植物 水分吸收无明显差异，就木本植物而言， SIAR和Mix-SIAR模型植物水分分配结果更好。 17 • Berman等（2009）在LGR液态水同位素上增加一个简单的外部设备，采用自动 原位取样、连续测量的方式，在三次强降雨过程中同时测量溪水和降水的稳定 同位素组成以确定溪水的水分来源。 Manish Gupta, Elena Berman, Chris Gabrielli, Tina Garland, J. McDonnell High-Frequency Field Deployable Isotope Analyzer for Hydrological Applications Water Resource. Research, doi:10.1029/2009WR008265 耶鲁大学-南京信息工程大学大气环境中心 湖泊蒸发是地表水耗散中不可忽视的一项，影响区域地表能量平衡,甚至会影响区域降 水状况和干湿特征，乃至全球的气候变化 将同位素质量守恒方 程和Craig-Gordon模型相 结合计算湖面蒸发量, 对比 2H和18O在整个参数化方案 中的差异及在同位素分馏机 理上的差异, 重点检验采用 两种同位素作为示踪剂的情 况下稳定同位素质量守恒法 在大型开放浅水湖泊中的适 用性。 通过ET、δE、δT 和δET ， 可以很快的计算出E和T； 水汽凝结 大气夹卷 （entrainment） 大气边界层上界 气团平流 大气水汽 (δv = ？) 上午 中午(稳态) 傍晚 (δT=－15 ‰) (δT=－7 ‰) (δT=－3 ‰） 土壤蒸发 (δE=－35 ‰) 植 物 蒸 腾 叶片水 (δL=+10 ‰) 木质部水 (δx=－7 ‰) 表层土壤水 (δs=－2 ‰) 浅层土壤水 (δs=－7 ‰) 深层土壤水 (δs=－9 ‰) 地下水 (δg=－9 ‰) 但是通过传统方法获得蒸发 和蒸腾的同位素标签（δE、 δT ）却是既困难又麻烦。 ET =E + T 降水 (δP=－7‰) 土壤表面 ET   ET =T   T +E   E  T - ET E= ET  T- E  ET - E T = ET  T - E  LI-2100 全自动植物土壤水分真空抽提系统 LI-2100是LICA自主研发的一款全自动真空冷凝抽 提系统，且已通过CE认证。从根本上解决了植物和土 壤水分提取采集的难题，克服了传统液氮冷却的繁琐， 不仅可以防止同位素分馏，而且安全且效率高，不会 对植物和土壤造成破坏。可与LGR水同位素分析仪配 套使用。 LI-2100 全自动植物土壤水分真空抽提系统 特点  1. 沿用传统经典的真空蒸馏冷冻方法，数据可靠 2. 无需液氮：压缩机制冷，提高安全性 3. 快速高效：一次可同时提取14个样品 4. 全自动抽提：全过程无人值守 5. 安全便捷：自我断电与自我保护功能 6. 质量控制：故障提示与自动报警 7. 全球首创：专利技术 8. 氢氧稳定同位素前处理 LI-2100安装案例 中国煤炭研究所 中国科学院西双版纳热带植物园 广西植物所 中国林科院亚热带林业研究所 LI-2100和水同位素分析仪应用案例 华北平原典型冬小麦-夏季玉米轮作田作物吸水的稳定同位素研究。在华北 平原，作者利用δ18O和δ2H研究了冬小麦和夏季玉米轮作田的水分吸收模 式。 样品测试服务 谢谢大家，敬请批评指正 联系人：孙宝宇 13910499766 sunbaoyu@li-ca.com 31