高浓度CO2泄露对土壤物理化学性质的影响分析

齐博 薛瑛科

【摘要】CO₂捕集与封存技术（CCS技术）被认为是对CO₂削减最有前景的方法之一，但是该项技术却存在着CO₂大范围泄露的风险，本篇文章主要讨论了对于CO₂泄露对于土壤物理化学性质的影响。结果表明不同浓度的CO₂对于不同农作物生长的土壤具有显著的影响。

【关键词】CO₂泄露；土壤离子；土壤肥力；土壤粒径

引言

由于多种原因引起地球大气中的温室气体含量急速增加，尤其是CO₂浓度已经从原先的280ppm快速上升到380ppm。随着全球温室效应的不断加剧，许多企业开始采取措施削减CO₂的排放量，CCS技术被认为是最有效的削减CO₂的方法之一。CCS技术包括三个主要过程，分别为：CO₂的捕集、运输以及封存。现在有很多关于CCS技术的研究，但是很少有关于高浓度CO₂泄露对生态环境影响的报道。土壤是生态环境的基础要素，土壤的变化会引起其他生态要素的变化。CO₂的地理封存是实验研究以及项目实施的主要方式，如果CO₂泄露到地表，首先影响到的是土壤的物理化学性质，其他的因素也会受到影响，尤其是对农作物的影响

目前国内外关于这方面的研究，从研究对象上来说主要集中在土壤肥力、重金属、腐殖质方面；从研究区间上看普遍基于全球变暖的尺度，浓度范围在300到700ppm。土壤是地球表面陆生生态系统中最大的碳库，土壤碳总储量约在1300-2000Pg（碳循环的单位，十亿吨）之间，是陆地植物碳库500-600Pg的2-3倍，是全球大气碳库750Pg的2倍多。同时土壤也是陆地生态系统生物循环和地球生物化学循环过程的重要介质，因此土壤对环境中CO₂浓度变化的响应研究极为重要。

1.材料与方法

1.1土壤样品

土壤来自于四种盆栽农作物（绿豆、蚕豆、燕麦、土豆），这些农作物分别在不同浓度的CO₂人工气候箱中培养了30天，CO₂浓度分别设定为10000ppm，20000ppm，40000ppm和80000ppm。土壤采集于陕西靖边县，该地区为延长石油的CO₂封存地，土壤性质属于砂土。

实验采用盆栽方式，将准备好的土壤放入花盆（盆口直径15×10cm），分别撒入绿豆和荞麦种子，每种作物做六个平行样。待作物长出幼苗后放入二氧化碳人工气候箱中，设置白天12小时：温度25℃，湿度75%，光强100%RH；夜晚12小时：温度20℃，湿度75%，光强20%RH，共进行了空白、10000ppm、20000ppm、40000ppm、80000ppm，5个浓度梯度。一个月后测量植物的生长情况以及土壤中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、SO42-以及Cl-含量。CO32-和HCO3-采用中和滴定法；Cl-离子采用沉淀滴定法；Ca2+、Mg2+和SO42-采用络合滴定法；K+和Na+用火焰光度法。

1.2分析方法

土壤的物理化学性质指示因素包括阴阳离子、肥力以及重金属。根据国际土壤分类规范，土壤的粒径用X射线光谱仪进行分析，土壤离子、土壤肥力以及pH分别用ICP-MS离子仪、原子光谱仪以及pH测定仪进行测定。选用绿豆、荞麦两种典型作物种植。种子来自于靖边县农业技术推广站。一方面因为这两种作物在在当地种农户植最多；另一方面因为绿豆和荞麦都属于C3作物，有研究表明C3作物对浓度变化的响应较为灵敏。二氧化碳人工气候箱（RXZ-500C-CO₂）是在智能型人工气候箱的基础上，通过增加二氧化碳感应器及二氧化碳控制板改装成的。LI-6400便携式光合仪代表了目前国际植物叶片光合作用测量仪器的最高水平，可以用来测定农作物的光合速率、蒸腾速率、气孔导度等生理特性。

2.结果与讨论

2.1土壤粒径分布

土壤粒径分析结果表明，粘土、泥沙、沙土的百分比分别是6.16-6.94%，11.93-13.75%和79.30-82.28%。土壤粒径最丰富的是0.02-2.00mm，占到总量的79.30-82.28%。根据国际土壤性质分类标注，土壤样品的性质属于砂土壤。研究表明，不同的CO₂浓度对于土壤的粒径分布没有显著影响。

2.2土壤肥力

土壤肥力分析结果表明，随着CO₂浓度的升高，土壤的氮、磷浓度有着很小的上升趋势，但是有效钾的浓度有着明显的变化。有效磷和总磷随着CO₂浓度的升高有着比较小的升高迹象，而且有效磷的上升趋势比总磷的高。当CO₂浓度小于20000ppm时，有效钾的浓度没有明显的变化。但是当CO₂浓度高于40000ppm时，有效钾的浓度突然比对照组的浓度高2倍。

实验结果显示，当CO₂浓度升高时，土壤中的速效氮和总氮有着小幅度的上升。重要原因在于高浓度CO₂促进了农作物的光合作用，从而加强了微生物对氮的合成。有效磷和总磷的提高可能是因为植物的落叶造成的。有效钾随着CO₂浓度的升高出现显著的上升迹象。

2.3离子浓度

不同的离子浓度随着CO₂浓度的升高各不相同，除了HCO3-，所有的离子在较低的CO₂浓度下出现下降趋势，在较高的CO₂浓度下出现上升现象。SO42-，Ca2+，Na+，K+和Cl-离子浓度在CO₂浓度为10000ppm时达到最低，只有Mg2+浓度在20000ppm时达到最低。当CO₂浓度高于20000ppm时，SO42-，Ca2+，Na+，Mg2+的离子浓度比K+和Cl-的离子浓度的升高趋势更为明显。HCO3-离子浓度和pH没有随着CO₂浓度的變化而发生明显的上升或下降趋势，这说明CO₂对HCO3-和pH的影响不大。

土壤离子是土壤中最活跃的因素，受许多平衡系统的影响，如酸碱平衡系统，土壤植被系统，离子平衡系统等。当空气中的CO₂浓度增加时，土壤中的CO₂浓度也相应增加，pH会减小。但是由于酸碱平衡系统的存在，土壤中的CO₂浓度会达到饱和，从而阻止pH的进一步减小。从而致使CO₂浓度仅能从正常浓度（380ppm）升高到80000ppm，不能继续升高，pH仅减小0.1个单位，Na+，K+，Ca2+，Mg2+离子浓度迅速上升。Ca2+，Na+，K+离子浓度在10000ppm处达到最低，这是由于在这个CO₂浓度时农作物的光合作用强度最大，充分吸收了土壤中的离子，致使离子浓度达到最低程度。

2.4重金属

所有的重金属没有明显受到CO₂浓度变化的影响，但是不同重金属受CO₂影响的方式不同[5]。与参照组对比，Zn和As出现轻微的增长现象。相比之下，Cr和Ni随着CO₂浓度的升高出现稍微的下降趋势，而Cu，Pb，Cd，Hg等离子的浓度没有因为CO₂浓度的变化而变化。根据实验结果，CO₂浓度的升高对于Cr，Cu，Zn，As，Cd，Ni和Pb等重金属没有显著影响。两个原因可以解释这种现象，首先是土壤没有混合均匀，其次是施肥影响了土壤中的重金属。

3.结论

（1）CO₂浓度的变化和不同的农作物对土壤的粒径分布没有显著影响。

（2）总体来说，随着CO₂浓度的升高，阳离子和阴离子的浓度均在开始时下降随后浓度升高。当CO₂浓度为10000ppm时，大部分离子达到最低浓度，Mg2+浓度在CO₂浓度为40000ppm时出现最低值。SO42-和K+的离子浓度在40000ppm處达到最大值，随后开始下降。HCO3-的浓度在整个过程中没有出现明显的变化，只是在10000ppm处达到最大值。pH随CO₂浓度的上高而下降。

（3）土壤肥力方面，随着CO₂浓度的升高，总氮、有效磷、总磷和有效钾也跟着上升。

（4）CO₂浓度的变化对于土壤中的重金属没有产生明显的影响。