【案例分享】低降雨量的情況下，該選擇何種降水收集器？

降水是大氣過程的關鍵組成部分，也是水文循環的重要部分，其同位素組成是多數同位素應用的起點。自 1961 年起，國際原子能機構（IAEA）與世界氣象組織（WMO）合作建立了全球降水同位素網絡（GNIP），用于收集降水樣本并測定其氧和氫的穩定同位素組成，許多國家也建立了相應監測網絡。

多種降水收集器被設計用于收集降水，其基本要素包括采樣瓶、漏斗、進氣管和防蒸發系統，因為蒸發會導致同位素分餾，影響降水樣本的同位素組成。油樣采樣器因防蒸發可靠性高、成本低和易維護而被廣泛使用，但存在油污染分析儀器的問題。約二十年前，IAEA 推出了無油收集器（Tube-dip-in-water collectors），雖已被一些同位素研究采用，但對其在低降水量下防蒸發和同位素分餾的有效性存在疑慮，且相關野外實驗較少。

實驗地點與時間：2022年3月至7月在意大利比薩市（地中海地區）地球科學系屋頂進行，共四個周期，除最后一個周期約為16天外，其他周期約為一個月，以模擬月降水量收集。

包括油收集器（Oil collector）、Palmex Tube-dip-in 收集器、自制 Tube-dip-in 收集器（Home-made Tube-dip-in collector）和對照收集器（Control collector）。除Palmex收集器使用特定方形截面瓶外，其他收集器均使用10L圓柱形高密度聚乙烯（HDPE）瓶，壁厚約2mm（Palmex 瓶壁厚約3mm）。油收集器通過在收集瓶中添加約0.5cm厚的石蠟油層組裝；Palmex RS-2i 收集器配備特定尺寸的進氣管和約15m長的通風管，并裝在金屬外殼中；自制收集器由作者按照相關規定組裝，包含進氣管、補償管，裝在有孔塑料盒中。

在每個周期開始時，用已知同位素組成的蒸餾水填充收集器。測試不同降水量對應的收集器，其中四個收集器（對照、油、Palmex、自制10mm）模擬約10mm降水量（對應填充體積約0.14L，填充百分比低于2%），另外兩個自制收集器（RH35和RH70）分別模擬約35mm和70mm降水量（對應填充百分比約5%和10%）。

數據測量：在每個周期開始和結束時測量收集器內水深、稱重（精確到±0.2g）以確定蒸發質量損失，并從每個收集器中取樣進行同位素分析（使用Picarro L2140-i分析儀），樣品轉移至12mL玻璃小瓶，在約+4°C儲存。對于油收集器中的水，使用分液漏斗分離油分。

油收集器在防止蒸發和同位素分餾方面表現可靠，蒸發質量損失最小，同位素位移低，但在同位素分析時需注意激光光譜分析，并在分析前準確去除油分。

可靠性：無油 Tube-dip-in-water 收集器在多數同位素水文學研究中是可靠替代方案，但在采樣階段需謹慎選擇收集器設計，根據地區氣候特征和季節性調整漏斗大小和瓶體積，以最小化瓶內氣水比。自制 Tube-dip-in 收集器可靠性高，是低成本替代方案。

局限性：Palmex 收集器在低降水量（<2%）下表現不佳，同位素位移較大，原因可能包括進水管浸沒不足、瓶內蒸發 - 冷凝循環、瓶子形狀和外殼材料（金屬外殼可能導致過熱，增強溫度波動和氣體膨脹 - 收縮循環，促進蒸汽交換）等，但這只是假設，需進一步實驗驗證。在降水量極低（水深低于約2cm）時，使用 Tube-dip-in-water 收集器可能存在同位素分餾風險，尤其在干旱和半干旱氣候及溫暖干燥季節。不過，對于高水量降水，自制收集器測試結果良好，證明了 Tube-dip-in-water 收集器在防止采樣后蒸發方面的有效性，適用于溫帶至半干旱氣候地區，如地中海地區，但在氣候季節性明顯地區，研究人員需根據氣候分析調整收集器設計。

文章使用Picarro L2140 - i 分析儀基于腔衰蕩光譜（CRDS）技術測定水同位素組成。進樣量為 1.8µl，每個進樣循環持續 9min，為減少記憶效應，每個樣品進樣9次，舍棄前6 次，計算后3次的平均值。