【案例分享】低降雨量的情况下，该选择何种降水收集器？

降水是大气过程的关键组成部分，也是水文循环的重要部分，其同位素组成是多数同位素应用的起点。自 1961 年起，国际原子能机构（IAEA）与世界气象组织（WMO）合作建立了全球降水同位素网络（GNIP），用于收集降水样本并测定其氧和氢的稳定同位素组成，许多国家也建立了相应监测网络。

多种降水收集器被设计用于收集降水，其基本要素包括采样瓶、漏斗、进气管和防蒸发系统，因为蒸发会导致同位素分馏，影响降水样本的同位素组成。油样采样器因防蒸发可靠性高、成本低和易维护而被广泛使用，但存在油污染分析仪器的问题。约二十年前，IAEA 推出了无油收集器（Tube-dip-in-water collectors），虽已被一些同位素研究采用，但对其在低降水量下防蒸发和同位素分馏的有效性存在疑虑，且相关野外实验较少。

实验地点与时间：2022年3月至7月在意大利比萨市（地中海地区）地球科学系屋顶进行，共四个周期，除最后一个周期约为16天外，其他周期约为一个月，以模拟月降水量收集。

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）和对照收集器（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圆柱形高密度聚乙烯（HDPE）瓶，壁厚约2mm（Palmex 瓶壁厚约3mm）。油收集器通过在收集瓶中添加约0.5cm厚的石蜡油层组装；Palmex RS-2i 收集器配备特定尺寸的进气管和约15m长的通风管，并装在金属外壳中；自制收集器由作者按照相关规定组装，包含进气管、补偿管，装在有孔塑料盒中。

在每个周期开始时，用已知同位素组成的蒸馏水填充收集器。测试不同降水量对应的收集器，其中四个收集器（对照、油、Palmex、自制10mm）模拟约10mm降水量（对应填充体积约0.14L，填充百分比低于2%），另外两个自制收集器（RH35和RH70）分别模拟约35mm和70mm降水量（对应填充百分比约5%和10%）。

数据测量：在每个周期开始和结束时测量收集器内水深、称重（精确到±0.2g）以确定蒸发质量损失，并从每个收集器中取样进行同位素分析（使用Picarro L2140-i分析仪），样品转移至12mL玻璃小瓶，在约+4°C储存。对于油收集器中的水，使用分液漏斗分离油分。

油收集器在防止蒸发和同位素分馏方面表现可靠，蒸发质量损失最小，同位素位移低，但在同位素分析时需注意激光光谱分析，并在分析前准确去除油分。

可靠性：无油 Tube-dip-in-water 收集器在多数同位素水文学研究中是可靠替代方案，但在采样阶段需谨慎选择收集器设计，根据地区气候特征和季节性调整漏斗大小和瓶体积，以最小化瓶内气水比。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%）下表现不佳，同位素位移较大，原因可能包括进水管浸没不足、瓶内蒸发 - 冷凝循环、瓶子形状和外壳材料（金属外壳可能导致过热，增强温度波动和气体膨胀 - 收缩循环，促进蒸汽交换）等，但这只是假设，需进一步实验验证。在降水量极低（水深低于约2cm）时，使用 Tube-dip-in-water 收集器可能存在同位素分馏风险，尤其在干旱和半干旱气候及温暖干燥季节。不过，对于高水量降水，自制收集器测试结果良好，证明了 Tube-dip-in-water 收集器在防止采样后蒸发方面的有效性，适用于温带至半干旱气候地区，如地中海地区，但在气候季节性明显地区，研究人员需根据气候分析调整收集器设计。

文章使用Picarro L2140 - i 分析仪基于腔衰荡光谱（CRDS）技术测定水同位素组成。进样量为 1.8µl，每个进样循环持续 9min，为减少记忆效应，每个样品进样9次，舍弃前6 次，计算后3次的平均值。