海水中溶解无机碳 (DIC) 及其 稳定同位素的测定

1. 海水中溶解无机碳(DIC)及其稳定同位素的测定 曹建平 厦门大学海洋与环境学院

2. 一、摘要 • 海水中无机碳占海水中总碳的95%以上，其碳稳定同位素准确测量是研究海洋碳循环的关键。我们自行设计、加工了一套操作简单、快速提取易逃逸CO2的装置，实现了该装置与同位素比值质谱仪(IRMS)的联测，并通过大量的条件实验，建立了海水中易逃逸CO2和其它形式无机碳的碳同位素测量的方法。该方法测定的易逃逸CO2和其它形式无机碳δ13C的标准偏差分别为0.30和0.15‰。采用该方法对九龙江10个站位表层水中的碳同位素进行了测定，得出九龙江表层水体中易逃逸CO2的δ13C平均值为-12.82‰，其他形式无机碳的δ13C平均值为-5.64‰。

3. 二、引言 • 全球变化研究中，碳循环处于核心地位[1]。全球碳循环研究的关键在于查明大气CO2的源、汇的量级与机制。海洋是地球表面上最重要的碳“汇”，海洋碳循环是全球碳通量变化的重要研究部分[2-6]。准确测定海洋各项参数是研究海洋碳循环的基础。近年来，国内外在研究海洋参数的准确测定上进行了巨大的努力[7-9],但至目前为止，国际IOC-SCOR的专门委员会认为海洋碳循环中4个重要参数pH、Alk(总碱度)、无机碳(DIC)、(表层海水分压)尚需进行深入研究以获得更准确的测定方法[10,11]。

4. 海洋溶解无机碳(DIC)包括各种无机碳酸盐(CO32-)，碳酸氢盐(HC03-)、碳酸(H2CO3)及二氧化碳气体(CO2)。作为一个开放系统，海洋无机碳库一方面与流域岩性、气候等因素紧密相关，另一方面又受到发生于海水-大气界面处CO2气体交换和水体中光合作用-呼吸作用的影响，这些过程和相关的控制机制较为复杂。但DIC在变化过程中碳同位素分馏导致的δ13C值明显差异则为研究工作的开展提供了可能[12]。海洋溶解无机碳(DIC)包括各种无机碳酸盐(CO32-)，碳酸氢盐(HC03-)、碳酸(H2CO3)及二氧化碳气体(CO2)。作为一个开放系统，海洋无机碳库一方面与流域岩性、气候等因素紧密相关，另一方面又受到发生于海水-大气界面处CO2气体交换和水体中光合作用-呼吸作用的影响，这些过程和相关的控制机制较为复杂。但DIC在变化过程中碳同位素分馏导致的δ13C值明显差异则为研究工作的开展提供了可能[12]。

5. 目前、测定DIC中碳同位素的方法有沉淀法和质谱分析法[13]。前者的处理过程复杂、耗时，产生的误差环节也较多，Bishop[14]在改进以往工作的基础上提出了一种标准沉淀法，该法可以获得精确的无机碳碳同位素值，但不适用于高硫酸盐水体；后者则将样品经H3PO4酸化后用质谱分析，该法准确度较高，但多为离线制样、操作过程较复杂。美国热电公司开发出用于水中DIC碳同位素分析的样品前处理装置(Finnigan GasBench)，准确度高，分析速度也较快，但仪器价格较高，目前实验室配置很少。

6. 且该装置进行的是碳酸盐碳同位素的测定，对易逃逸CO2气体的碳同位素则无法进行测定。鉴于上述现状，本实验自行设计了一套CO2提取装置，将易逃逸CO2气体和其它无机碳分离，通过改变预处理的参数，确定了提取CO2的最佳条件，并实现二者碳同位素组成的同时测定。并用该装置测定了九龙江河口水体中易逃逸CO2气体和其它无机碳的碳同位素组成。且该装置进行的是碳酸盐碳同位素的测定，对易逃逸CO2气体的碳同位素则无法进行测定。鉴于上述现状，本实验自行设计了一套CO2提取装置，将易逃逸CO2气体和其它无机碳分离，通过改变预处理的参数，确定了提取CO2的最佳条件，并实现二者碳同位素组成的同时测定。并用该装置测定了九龙江河口水体中易逃逸CO2气体和其它无机碳的碳同位素组成。

7. 加酸装置 六通阀接口 样品容器 色谱柱 同位素质谱仪 干 燥器 冷 阱 超声装置 三、仪器装置 1、海水中CO2气提取装置及碳同位素测定示意图

8. 2、海水中CO2提取装置结构图

9. 3、海水中CO2提取装置正视图

10. 4、海水中CO2提取装置与同位素质谱联机图

11. 5、海水中CO2提取装置操作流程 • 海水中CO2气体提取装置如图所示，首先调节钢瓶和流量调节开关Ⅰ使载气He气进入取气瓶，吹尽瓶中空气。关闭开关Ⅰ、打开开关Ⅱ和采样瓶的液体开关阀，将采样瓶中所需海水样品驱入取气瓶中，关闭开关阀。启动超声波清洗机，取气瓶中的CO2由He气载带经隔水透气膜和石英吸水阱去除水分后进入六通阀，由不锈钢二氧化碳收集管收集。然后切换六通阀，将CO2带入色谱柱中进行分离，最后送入同位素比值质谱仪中进行测定。若进行非气体无机碳中碳同位素测定时，则开启酸蠕动泵将磷酸加入取气瓶中，其它步骤相同。

12. 海　水　样　品 超声时间试验 吹扫流量试验 样品量试验 加酸量试验 CO2气体提取 色谱柱 碳同位素质谱测定 四、易逃逸CO2测定方法条件试验 1、海水中CO2提取实验及碳同位素测定示意图

13. 2、信号强度检验 • 用针孔注射器采集不同体积（20～500L）的标准CO2注入取气瓶中，启动超声波清洗机，瓶中的CO2经色谱柱分离后送入IRMS测定。结果表明质谱得到的信号强度—CO2峰面积与CO2体积之间具有较好的相关性(R2= 0.9988)。因此，可以通过CO2峰面积来得到样品中CO2的含量。

14. CO2体积与峰面积关系

15. 3、载气流量 • 取50mL海水样品于采样瓶中,固定吹扫时间20min，改变吹扫流量，进行测定。结果表明CO2的量随着He气吹扫流量的增加而增加。当吹扫流量在0～50mL/min时,CO2量增加显著；在50～160mL/min时，CO2量变化较小，此时δ13C随吹扫流量的变化也较小。因此，选择载气流量为50mL/min。

16. CO2量和δ13C与吹扫流量关系

17. 4、水浴温度 • 气体在海水中的溶解度指在大气压为101.325kPa时，一定温度和盐度的海水中，某一气体饱和含量[15]。取相同的海水样品50mL于采样瓶中,固定吹扫时间20min,流量50mL/min，改变水浴温度，进行测定，结果：随着温度的升高，CO2量逐渐增加。CO2的溶解度主要取决于CO2的性质、CO2的分压和海水的温度，一般随温度和盐度的升高而降低，实验结果与此相符。在25～45℃范围内，CO2的δ13C值随着温度的升高而偏正；可能存在同位素分馏效应。而在45～55℃范围内，δ13C值变化甚微，说明此时同位素分馏较小，各相态之间基本平衡，在45～55℃范围内易逃逸的CO2分子基本脱离了水样，因此选则水浴温度为45℃。

18. CO2量和δ13C与温度关系

19. 5、吹扫时间 • 取相同海水样品50mL，固定流量50mL/min，水浴温度45℃，改变吹扫时间，进行测定。结果表明CO2的量随着吹扫时间的增加而增加；δ13C随吹扫时间的变化分为3个阶段:在5～10min内，δ13C随吹扫时间的增加而偏正；随后的5min，δ13C随吹扫时间的增加而偏负；15～25min时间段内δ13C值变化甚微，说明此时各相态趋于平衡，测试结果趋于稳定。结合二者，选择吹扫时间为20min即可。

20. CO2量和δ13C与吹扫时间的关系

21. 6、不同的吹扫方式及超声对照实验 • 量取相同海水样品50mL，固定流量50mL/min，水浴温度45℃，超声、吹扫20min，选择不同的吹扫方式：液面吹扫、液面吹扫后液底吹扫、液底吹扫，进行测定。结果发现三种不同吹扫方式得出的CO2峰面积分别为：6.51、20.06、23.93；δ13C值分别为：-14.48‰、-8.77‰、-10.10‰，说明液面吹扫，驱出的CO2量最少；液底吹扫驱出的CO2量最多。为使CO2分子尽可能驱出，选择液底吹扫。

22. 取五份海水样品各100mL,分装在10个取样瓶中，每个取样瓶50 mL，固定流量50mL/min,水浴温度45℃，吹扫20min, 分别打开和关闭超声波清洗机，进行超声波与未用超声波处理的对照实验，结果表明，超声波处理后样品的CO2峰面积明显大于未用超声波处理的，且δ13C值大部分偏正(除B号样品外)，说明超声波处理有助于CO2的驱出。因此选择超声波处理。

23. 超声波处理对CO2峰面积和δ13C的影响

24. 7、样品体积 • 分别量取10、25、50、75mL海水样品于采样瓶中，固定流量50mL/min，水浴温度45℃，吹扫20min，进行测定。结果表明CO2量与样品体积之间具有良好的线性关系(R2=0.9732)，证实该方法测定海水中CO2的可靠性。δ13C值则先随样品量的增加而增加，当体积为50～75mL时，变化不大，所以海水样品的体积选取50mL。

25. CO2量和δ13C与样品体积的关系

26. 8、平行实验 • 取相同海水样品5等份，每份50mL，固定流量50mL/min，水浴温度45℃，吹扫时间20min，每份样品重复测定5次，取平均值列于下表。有表2可知，该方法的CO2峰面积和δ13C标准偏差分别为0.89和0.30‰，相对标准偏差分别3.7和2.8%，具有较高的稳定性和测试精度，说明本实验所用装置和方法是可行的。综上所述，海水中易逃逸CO2及其δ13C的预处理最佳条件为：取样量50mL，温度45℃，He气流速50mL/min，液底吹扫并超声处理20min。

27. 海水中易逃逸CO2及其δ13C平行实验结果

28. 五、海水中其它形式无机碳同位素的测量 • 海水中无机碳存在以下电离平衡： • (1) • 随着水溶液酸性增加或pH值降低，无机碳会以CO2形式从海水中释放出。此时、预处理常用的一般为不挥发的H2SO4和H3PO4，H3PO4的效果好于H2SO4[16]。 为测定海水中非气体无机碳的δ13C，一般取上述已经过CO2提取、测定后的水样于采样瓶中，待水样进入取气瓶后，启动可升降导管，将浓H3PO4注入取气瓶，释放出的CO2经隔水透气膜和干燥管去除水分后，经色谱进一步分离，送入IRMS中进行测定。

29. 1、酸使用量对CO2峰面积和δ13C的影响

30. 2、酸反应时间 • 取上述已测定过易逃逸CO2的海水样品4等份，每份10mL，注入1mL磷酸，载体流量50mL/min，水浴温度45℃，改变吹扫、酸反应时间进行测定。实验结果表明在５～10min内，CO2量随反应时间的増长而增多；在10～30min范围内，CO2量基本不变。而δ13C随酸反应时间的变化甚微，说明当反应时间为10min时，水体中无机碳与酸的反应基本完全，但是为了尽可能将所有海水样品中CO2吹出，故选定吹扫、酸反应时间为20min。

31. CO2量和δ13C随反应时间的变化

32. 3、平行实验 • 取上述测定过易逃逸CO2的海水样5等份，每份10mL，注入1mL磷酸，载气流量50mL/min，水浴温度45℃，超声、吹扫20min，进行测定，测定结果示于下表。该方法测定的CO2峰面积及δ13C的标准偏差分别为1.95和0.15‰；相对标准偏差分别为3.0和5.0%，说明该方法具有较高的精密度，可以用于水体中DIC的δ13C测量。。

33. 比较加酸后非气体DIC的δ13C值与的未加酸CO2气体的值其结果偏正，引起这个变化的原因主要是：⑴ 浮游植物同化无机碳时优先摄取其它形式DIC中的12C，使得水体中CO2分子的δ13C相对HCO3-、CO32-的亏损[17]；⑵ CO2溶解在水体后，强化学键结合的化合物(如HCO3-、CO32-)优先富集δ13C，使得海水中无机碳酸盐的δ13C值约为-1～2.2‰，高于大气中CO2的δ13C值[18]

34. 海水中其它形式DIC及其δ13C平行实验结果

35. 六、样品测定及结果 1、九龙江河口水样样品采集图

36. 2、九龙江水体中DIC的δ13C值

37. -8 y = 0.2223x - 18.277 2 R = 0.9292 -10.4 -12.8 C 13 -15.2 δ -17.6 -20 0 7 14 21 28 35 盐度 3、九龙江水体中易逃逸CO2 δ13C与盐度的关系