影响土壤中二氧化碳浓度分布的因素分析

关笑坤，王 蓉

(长安大学环境科学与工程学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安710054)

由于人类工业活动向大气中排放大量CO2导致气候变化问题加剧，使科学家们的目光汇聚在二氧化碳的减排问题上，各国开始进行二氧化碳的地质储存(CO2geological storage，CGS)项目以减少向大气排放的 CO2气体［1］。但在长期的储存过程中，CO2可能通过断层、断裂或人工钻探口泄漏到地表［2］。其危害有:使得地质储存的效益降低，造成一定的经济损失;CO2可能通过溶解在水中使酸度升高，或者携带其他污染物使得地下水受到污染;CO2的注入使地层压力增加，当注入压力超过地层压力，将可能诱发地层裂缝的产生和断层的移动，诱发地震;高浓度的CO2使得生态平衡被破坏，影响动、植物等的生长和发育，也可能使人类窒息［3－6］。

当地质封存CO2意外泄漏至浅地表时，由于环境的改变，CO2仍会保持一般气体性质。在关于CO2在浅地表土壤中的运移、监测和分布研究方面，许多学着做了相关研究，Patil等［7］以1 L/min的速度将 CO2气体注入牧草地和冬豆休耕地下，发现通气区范围内受到了明显的压力;West等［8］在英国一个低地牧场注入CO2，研究其对植物影响，结果单子叶植物比双子叶植物具有更大的耐受性，注入的CO2在试验区的地表监测到约仅有1/3。Amonette等［9］以每日52 Kg的速度注入地表的方法对泄漏的CO2在近地表的时空变化进行了研究。张春林等［10］利用红外CO2监测仪对西安市草地土壤CO2进行观测，得出随着温度的升高CO2浓度增大，CO2浓度白天比夜间高，在1～4 m深度的范围，CO2浓度随深度增加而增加。秦小光等［11］通过对土壤 CO2的源、汇和中间气体交换通量、气温、土温以及表土湿度进行观察，表明土壤CO2排放通量与气温存在正相关关系，日变化尺度上随表土湿度增加而增加，气温主要影响土壤CO2向大气的扩散和对流。刁一伟等［12］在江苏省稻麦农田对土层CO2浓度廓线进行了研究，表明在0～30 cm土层中，上层土壤中的CO2向上垂直扩散比下层土壤快，作物旺盛生长期大气CO2浓度升高使0～30 cm土层的CO2浓度显著提高。

根据人工模拟CO2地质封存泄露至地表的试验，分析浅地表土壤中CO2气体浓度变化规律，及其运移受到温度和水分影响，推动和补充CO2地质储存泄露在地表进行监测的基本理论、及其对地表生态系统的影响和地表碳循环规律的研究。

1 试验方法

试验在西安北郊长安大学进行。试验区地下室放置9个试验筒，玻璃钢材质，直径1 m，桶高3.3 m，壁厚 10 mm，其中装入土壤，并在不同深度插入测量探头，在试验筒－0.5 m、－1.5 m、－2.5 m 深度处设有 CO2浓度测量探头，连接CO2浓度测量仪器。空气压缩机和工业CO2气罐作供气源，利用质量流量计控制两者的流量，混合达到设定浓度的CO2气体，通入试验筒底部进行试验。本次试验选择3个CO2浓度，A组5×104ppm，B组10×104ppm，C组 15×104ppm，约大气中CO2浓度300～400 ppm的百倍。每组用3个试验筒进行平行试验，共9个试验筒。

因天气、温度和气体浓度变化等原因，选择7月下旬的试验数据。记录期间不同的天气状况;利用基于时域反射技术(TDR)的土壤剖面水分速测仪(德国 IMKO－PICO－BT)测量土壤的含水率;利用华云分析仪器研究所有限公司制造的GXH－3011N型红外线分析器测量CO2浓度，多台测量仪同时对3组试验筒测量并记录。CO2仪器使用不分光红外线气体分析法(NDIR)，基于不同气体对红外线有选择性吸收的原理，因此在测量的过程中不会改变CO2浓度。

2 结果与分析

2.1 CO2在土壤中浓度分布规律

根据多日测量的结果，不同深度土壤中CO2浓度随时间发生变化，表现为上下波动，但总体围绕某值保持不变。计算比较不同深度土壤CO2浓度的多日均值，可见从深层到地表土壤中CO2浓度分布减小，－2.5 m和 －1.5 m深度 CO2浓度相差不大，但－0.5 m CO2浓度减小较明显。以A组为例说明如图1(上)所示，在 －0.5 mCO2浓度保持在3.39×104ppm、－1.5 m 约为4.57×104ppm、－2.5 m 约4.64×104ppm上下变化。而B组、C组因CO2耗气量较大、气压不稳定，使得试验到达和保持平衡的时间短，不利于多日测量的精确性，不能准确表现出相同规律。

图1 土壤不同深度CO2浓度和日温变化图

CO2气体存在土壤中，应满足的气体运动一般规律，如式(1)所示:

其中:C为CO2的浓度;D为CO2的扩散系数;v为气体运移速度;t为时间;x为垂直方向距离;W为CO2其他源汇项。

方程忽略了温度对CO2的影响，其他源汇项W包括土壤微生物活动，动、植物呼吸作用等吸收或释放的CO2以及水分等其他物质与CO2发生的化学反应。在长时间作用后，方程中通气速度v保持不变，气体运动保持动态平衡，土壤的各项参数和取决于气体、土壤本身的物理性质的CO2弥散系数D短时间不会发生变化。与物理、化学反应相关的CO2其他源汇项W在无外界干扰，足够长时间作用下达到饱和或平衡状态;最后CO2浓度C仅与土壤深度 X相关，某一深度CO2浓度应保持不变，与实际测量结果CO2浓度基本保持不变相同。

2.2 温度影响土壤中CO2的浓度变化

在试验期间输气速度不变，各试验筒土壤中的CO2浓度在保持动态平衡时，对照时间变化仍呈现一定的规律性，取同时间不同深度CO2浓度测量值的均值如图1(下)所示，发现其基本呈现规律的波动变化，在下午约17点左右浓度达到最大值，夜间4点左右达到最小值。

分析土壤中CO2浓度围绕某值上下波动的原因，温度作为气体运动的影响因素之一，其主要影响表现为温度梯度作用，即在温度场作用下，气体会由温度高的地方向温度低的地方运动。地表温度变化是由太阳辐射引起的，太阳辐射增强必然引起温度升高，并且大气和土壤接触，之间存在热传导，设地表温度与大气底面温度相同，土壤间由热传导方程，如式(2)所示:

其中:T为温度;z为深度;t为时间;k为土壤热扩散系数。

由方程可知地温变幅随深度减弱，地表温度变化最为强烈，地温的变化对于大气温度变化有一定的延迟性。白天太阳光充足，大气温度高而土壤中温度低，故在土壤垂直方向上形成了地表高温而试验桶低温的温度差，CO2气体除了在供气源的输气影响下向上运动，还受到温度场作用，气体向下运动，则比没有温度场作用情况下CO2在土壤中浓度更大。反之在夜间时由于空气中温度较低，试验筒中土壤形成了深处温度高地表温度低的梯度差，温度场控制CO2向上运移，土壤中CO2浓度则较低。所以土壤温度变化较气温变化有一定的滞后时间，而CO2浓度最终表现为下午17点时最大，夜间4点最小，较日气温的最高、最低时间有一定延迟。

2.3 含水率影响土壤中CO2的浓度变化

含水率是研究土壤包气带的重要参数，CO2化学性质稳定，但能溶于水，产生碳酸，所以含水率可能会影响土壤中CO2的浓度分布状况。为测量土壤含水率对平衡状态下的CO2浓度分布的影响，选择在不同的天气状况对各试验组土壤含水率进行测量，如图2所示，得到两种天气状况下的土壤含水率随深度变化图，以其均值与这两种状况下土壤中的CO2平衡浓度进行对比，如图3所示。

图2可见降雨状况下土壤表层含水率增大，而对土壤深部含水率的影响较小，对比各试验组之间的含水率大小，说明CO2浓度大小难以影响土壤含水率。图3取两种状况下含水率的均值并与土壤CO2浓度值对比，发现雨天情况下土壤中CO2浓度比晴天大，并且高浓度的实验组表现较为明显，土壤浅层的CO2浓度明显变大，中部出现不太明显CO2小峰值，深层CO2浓度变化幅度较小，而晴天情况下呈现土壤从深到浅CO2浓度基本渐小的趋势。

图2 雨天、晴天不同CO2浓度土壤中含水率随深度变化图

图3 雨天、晴天含水率的变化趋势和不同深度土壤CO2浓度测量值

3 讨论

CO2的地质储存是解决CO2大量排放问题的有效途径，对于可能存在CO2泄露至地表造成的环境影响，CO2在表层土壤中的运移与分布的研究是不可或缺的。对于多孔介质中的流体运动的研究，CO2由于其气体的特殊性，浓度梯度成为其扩散的主要驱动力，同时温度、水分也会对其运动造成影响，在本试验中土壤中CO2的浓度分布从深到浅依次减小，提供向大气中逸散的驱动力。

试验中当输气时间足够长时试验筒中的CO2保持动态平衡，此时底部输入的CO2气体与试验筒中逃逸出来的进入大气的CO2气体量相等，虽然土壤中发生了吸附等其他物理或者化学反应使得逃逸的CO2减少，但最终会达到一种饱和、平衡状态。这种情况的发生对于实际的CO2泄露的地表监测来说，一方面在泄露初期可能不易发现泄露情形，因为土壤的作用削弱了泄露的浓度。另一方面，在土壤作用逐渐达平衡后，CO2可能已经作为一种污染物向其他地层扩散。而土壤作为碳源循环的一部分，据曾世文，郑乐平［13］在对岩溶地区土壤CO2运移的数值模型研究中，在数值上计算了土壤中CO2变化，对于水流迁移、根系呼吸、分解有机物、微生物活动所产生的CO2共同进行数值模拟计算，计算中所采用的基本方程与分析中使用的(1)式基本相同，而土壤本身可能作为碳源向大气释放CO2，这很可能影响在地表对CO2泄露的监测。

本次试验据气温－土壤深层温度影响CO2浓度分布的考虑，是间接的分析，意在分析其内在机理，而较难满足精确计算温度对多孔介质中气体的运移影响，这需要建立土壤温度变化方程与CO2变化方程的耦合方程。而曾亦键［14］曾对土壤孔隙中水汽运移机制进行研究，认为当温度梯度向下时，水汽往地下运移;当温度梯度向上时，水汽往地表运移，若水汽的移动使CO2随之运动，也是温度对CO2运移影响的一个原因，同时也与本次的测量结果相同。

浅地表的土壤多孔介质具有固、液、气三相性，降雨驱使水分在土壤运动，水在下渗过程中驱替空气，通常对土壤中的气体和液体都有影响，即涉及两相流，降雨量的大小和土壤的渗透系数是影响水分入渗的重要因素。本次试验测量地表含水率时是在开始下雨后一段时间，测量土壤含水率趋势线与范磊［15］所进行的降雨试验绘制的含水率曲线基本相同，他对于降雨入渗过程中气压的变化规律进行了研究，降雨过程中首先土壤中含水量接近饱和含水量，然后土壤中各处的气压增大，对于1.2 m，1.5 m，1.8 m 深度土壤中的气压随着降雨时间不断增大，而本试验同样在降雨时测量土壤中CO2浓度有明显增大，其增大幅度可能会随降雨过程发生变化，降雨过后将慢慢回复正常。土壤中的CO2气体受水分、温度共同影响，水－气－热之间又会互相影响，精确计算需要建立相互依托的耦合方程共同求解。

4 结语

(1)保持CO2的浓度和输气速度不变，CO2在土壤的运移将处于平衡状态，表现为土壤由深到浅CO2浓度递减，－1.5 m、－2.5 m相差不大，－0.5 m明显减小，土壤各深度的CO2随时间变化幅度不大，围绕一定值上下波动。

(2)土壤各深度的CO2随时间的变化表现为下午时间浓度较大而夜间浓度较小，与气温变化有相似的规律，但有一定的滞后时间。

(3)雨天情况下土壤的含水率发生变化，CO2平衡状态同样发生变化，各深度的CO2浓度比晴天时大，浅地表部分CO2浓度明显增大，深处的CO2浓度增大幅度较小。

(4)土壤中水－气－热之间互相影响，本次试验仅将水分、温度和CO2的浓度的动态变化进行规律性研究，一定程度上分析其内在机理，但精确计算模拟气体在土壤中的运移情况，则需要建立相互依托的耦合方程共同求解。

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