德國elementar / 2024年四月份電子報 - 如何有效地分析樹木年輪中的硫之穩定同位素

前言

大氣硫氣溶膠是氣候變化的主要驅動因素，對區域空氣質量和集水區酸化有很大影響。在北美和歐洲，從 20 世紀初期到 1970 年代後期，經由工業活動，硫排放量總體呈上升趨勢。從那時起，人們越來越意識到硫在酸沉積中的作用，因此對硫排放進行了更嚴格的監管，並隨後在許多地方減少了大氣中的硫。

雖然北美和歐洲國家的硫排放量有著嚴格的限制，但其他地區的發展中經濟體在邁向更大程度的工業化過程中也仍在努力控制排放。為了更好地理解氣候模型，必須能夠測量來自發展中經濟體的大氣硫排放量。

大氣中的硫濃度可以通過冰和沈積物核心等古老檔案進行解釋，但分析很困難，並且可能導致時間解析度較差。這些古老檔案通常遠離人為來源，很少對大氣硫成分的變化做出快速反應。相比之下，樹木年輪記錄中的硫分佈顯示出與區域人為污染的強相關性，並且可以準確地確定日期，使其成為理想的大氣中硫的珍貴檔案之一。
 

硫經由根部由土壤中吸收地下水中；經由葉子從空氣中吸收進入樹木。納入年輪結構的硫同位素組成代表了以下之間的加權平衡：

1. 從土壤/地下水儲存中吸收的硫量，反映同化過程中的大氣沉降、生物地球化學循環、基岩風化和分餾

2. 通過葉子直接吸收氣態的數量

3. 作為生理壓力的函數而排放的 H₂S 量。

特點

樹木年輪中硫穩定同位素分析的主要挑戰是木材中的低硫濃度和高 C/S 比。 GeovisION 將 Elementar 元素分析儀的悠久傳統與 IsoPrime 在同位素分析方面的經驗相結合，為分析具有高元素比率的樣品提供了絕佳的可能性。

Elementar 專有的先進吹掃捕集 (APT) 技術是用於燃燒氣體定量分離的領先層析技術。它最多使用三個氣體選擇性吸附管柱，專門吸附 CO₂、H₂O 和 SO₂。吸附的氣體在加熱管柱時被釋放。氣體脫附的快速加熱速率確保了完美的分析峰和出色的訊噪比，進而實現了領先的準確度和靈敏度。與 GC 的分析儀相比，即使在更高的元素含量和元素濃度比下，也始終可以實現完全的峰分離（圖 2）。

圖 2：APT及GC技術對硫酸鋇樣品進行硫分析。

年輪中的δ³⁴S分析

由於樹木年輪的硫穩定同位素有可能確定土壤和地下水系統中所含硫的來源。 這樣就可以確定整個 20 世紀不斷變化的污染動態。

由於硫的主要貢獻是通過根部，樹木年輪硫穩定同位素可分析土壤和地下水系統中硫的來源，並確定整個20世紀不斷變化的污染動態。

圖 3 顯示了中國湖北省一棵樹芯內的硫同位素比值，對應於大約 100 年的時間段。為了進行測量，從直徑為5 mm的樹芯中小心地分離出5年的年輪塊。 然後將每個木塊精細研磨並裝入樣品重量為 30-40 mg的錫船中，然後進行硫同位素比分析。可以觀察到區域硫排放與硫同位素比之間存在明顯的相關性。 1918 年至 2002 年間 δ³⁴S 的同位素消耗反映了工業化程度的提高和硫污染物向大氣的排放。峰值排放狀態出現在 1998-2002 年之間，此後污染控制導致同位素趨勢的逆轉。

圖 3：中國湖北省樹木年輪中包含的硫同位素特徵的時間序列。該數據是由廣州地球化學研究所（中國科學院）和英國Lancaster大學 Lancaster Environment Centre合作獲得的。

GeovisION - 木材中δ³⁴S 分析的性能

為了展示 GeovisION 的功能，我們分析了六種不同類型的木材。得到的硫同位素比和硫濃度如表 1 所示。為了在如此低硫濃度的樣品中進行可靠的 δ³⁴S 分析，GeovisION 以靈敏模式進行分析。將磨細的木材裝入錫船後，樣品重量為 20-40 mg。每個樣品分析四次，每個樣品的氧氣劑量為 100 ml。樣品的硫濃度範圍在 50 到 780 ppm 之間，對應的 C/S 比高達 10,000。

表 1：在 GeovisION 上分析的不同木材樣品的硫濃度和同位素比率。

總結

GeovisION 對木粉的硫同位素比分析以 APT 技術將產品 SO₂ 氣體濃縮到足夠大的樣品峰中以進行積分。這使得對描述硫動力學環境變化的樹木年輪檔案進行高解析度、高通量分析化為可能。

使用傳統的層析技術，由於木材中的 C/N 和 C/S 比率很高，因此很難對氮、碳和硫峰進行完全的基線分離。Elementar 的 GeovisION 以 APT 技術可保證基線分離，即使對於極端含量的元素比率也可以輕易完成。

APT 技術、大範圍放大器和無分餾稀釋系統的組合使 GeovisION 成為對硫含量極低且碳濃度高的木材樣品進行可靠的 δ³⁴S 分析的理想選擇，從而對具有 C/S 比的木材進行可靠的 δ³⁴S 分析 高達 10,000:1，硫濃度低至 50 ppm。
 

參考文獻

Wynn, P.M., N.J. Loader, I.J. Fairchild, Interrogating trees for isotopic archives of atmospheric sulfur deposition and comparison to speleothem records, Environmental Pollution, 98-105, 2014. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24463472

Illustration source of Figure 1 is Wynn et al., 2014,reproduced under the Open Access Creative Commons Attribution License (CC BY). https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

Advanced purge and trap technique, Technical Note,Elementar GmbH, 2016.

致謝

本篇與英國Lancaster University之Lancaster Environment Centre,的 Peter Wynn 博士 (p.wynn@lancaster.ac.uk) 合作，在Lancaster Environment Centre穩定同位素設施中進行了相關分析。elementar對該中心的支持表示感謝。

資料來源:elementar官網