模拟CCS技术CO2泄露对C4作物生物量的影响

薛 璐,马俊杰

(1.榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000; 2.西北大学 城市与环境学院,西安 710127)



模拟CCS技术CO2泄露对C4作物生物量的影响

薛 璐1,马俊杰2

(1.榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000; 2.西北大学 城市与环境学院,西安 710127)

模拟CCS技术CO2泄露对C4作物生物量的影响，以期为CCS技术CO2泄露后可能产生的环境影响提供基础性资料。利用CO2人工气候箱，模拟CCS技术CO2泄露产生的高浓度CO2环境，研究在CO2分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，对玉米、高粱、谷子、糜子4种C4作物植株干重、根冠比、干湿重比的影响。试验结果表明：当CO2浓度为10 000，20 000 mg/kg时，4种C4作物植株干重逐渐增加，根冠比、干湿重比均减小，但随着CO2浓度持续增加到40 000，80 000 mg/kg时，4种C4作物植株干重逐渐减少，根冠比、干湿重比均增大，并且随着试验天数的增加，4种C4作物的根冠比和干湿重比会逐渐减小。在CO2浓度为20 000 mg/kg时，4种C4作物的干重值最大，根冠比和干湿重达到最小值，此时，更利于植物地上部分的生长，其水分利用率达到最高。

CO2浓度; C4作物; 干重; 根冠比; 干湿重比

CO2的捕获与储存(CO2capture and storage，CCS)被认为是最有前景和潜力的CO2减排技术[1]，但CCS技术在CO2捕获、运输和封存3个环节中都会存在CO2泄露的风险，CCS技术存在的潜在环境影响也备受关注[2]。CCS技术中CO2泄露产生的高浓度CO2环境对水环境、土壤环境、动植物生长发育以及人体安全都会带来局部和全球性的影响[3]。本文通过模拟CCS技术CO2泄露对C4作物植株生物量(植株干重、根冠比、干湿重比)的影响，以期为CCS技术CO2泄露可能产生的环境影响提供基础性依据。

1　材料与方法

1.1试验作物

本试验以国家863计划“CO2地质封存关键技术”项目为支撑，选择4种典型的C4作物作为本试验的研究作物。包括：玉米(西蒙6号)、高粱(晋杂12)、谷子(晋谷29)、糜子(内糜5号)。

1.2试验仪器

本试验采用宁波江南仪器厂生产的CO2人工气候箱(RXZ-500C-CO2)来模拟CCS技术中CO2发生泄露后产生的高浓度CO2环境。CO2人工气候箱通过采用先进的PID(比例、积分、微分)智能控制算法，对人工气候室的CO2浓度进行采集，确定CO2的浓度是否符合试验要求，当室内值低于设定值时，系统自动通过CO2储气罐增加人工气候室CO2浓度，直到气体浓度达标。该CO2人工气候箱控温范围：0～50℃；控湿范围30%～95%RH(相对湿度)；光照度：0～22 000 lux，多级可调；CO2浓度量程到100 000 mg/kg，可根据试验需要设定目标值。

1.3试验方法与步骤

本试验设置5个CO2浓度梯度，分别为：正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg。在每个CO2浓度梯度下重复试验3次，测量各C4作物的生物量指标。其中，CO2人工气候箱设置条件为：白天12 h，温度25℃，湿度80%，光强100%；夜晚12 h，温度20℃，湿度80%，光强20%。

5个CO2浓度梯度下的生物量试验严格按照以下步骤进行：

(1)每种作物种子准备8～10个花盆，加入处理后的试验土壤，种植4种作物(每种作物每盆种植6～8株)，并移入未通入CO2的CO2人工气候箱；

(2)等待长出些许幼苗(一般在种植后的10～12 d，各种作物进入2～3叶期)，选择每种作物长势良好且基本相同的6～8个花盆重点培育，并在CO2人工气候箱内通入试验所需要的CO2浓度；

(3)在CO2人工气候箱内培育3周(21 d)，定期浇水、观察。每周记录各C4作物的湿重、根重，并在烘箱中烘干测其干重(每周进行数据记录时选择10～12株进行多次测量)，最后计算其根冠比、干湿重比。

1.4数据统计与分析

在各CO2浓度梯度下，每种作物的生物量指标记录多个数据。其中，每个指标筛选出其最大值、最小值、上四分位数、中位数、下四分位数以及平均值。最后，取多次测量的可用数据的平均值作为分析数据。其中，根冠比、干湿重比采用以下公式[4]：

根冠比=植物地下部分鲜重/地上部分鲜重的比值

(1)

干湿重比=植物干重/植物湿重

(2)

2　结果与分析

2.1CO2泄露对C4作物干重的影响

由图1可知，玉米、高粱、谷子和糜子各C4作物在试验的3周内，随着CO2浓度增加到10 000，20 000 mg/kg时，其植株干重均高于对照组，但随着CO2浓度持续增加到40 000，80 000 mg/kg时，其植株干重均低于对照组，并且在各C4作物的植株干重均在CO2浓度为20 000 mg/kg时达到最大值，在CO2浓度为80 000 mg/kg时达到最小值。同时，根据不同CO2浓度下4种C4作物植株干重数据可知，高浓度CO2对植株干重影响较明显，促进范围高达4%～13%，抑制范围高达3%～10%。

图1　不同CO2浓度对4种作物植株干重的影响

2.2CO2泄露对C4作物根冠比的影响

在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，逐日统计的4种C4作物的生物量数据，根据每周统计的数据，计算各种作物的根冠比并作图，可得到在不同CO2浓度下，连续3周各C4作物根冠比的变化规律(图2)。

图2　不同CO2浓度对4种作物根冠比的影响

由图2可知，玉米、高粱、谷子和糜子各C4作物在试验的3周内，随着CO2浓度增加到10 000，20 000 mg/kg时，其根冠比减小，但随着CO2浓度持续增加到40 000，80 000 mg/kg时，其根冠比增加，并高于对照组，并且每周各C4作物的根冠比均在CO2浓度为20 000 mg/kg时达到最小值。并且，随着试验天数的增加，根冠比均减小，即在各CO2浓度下，随着试验天数的增加，植株地上部分的生长更为明显。

2.3CO2泄露对C4作物干湿重比的影响

在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，逐日统计的4种C4作物的干重及湿重，根据每周统计的数据，计算各种作物的干湿重比并作图，可得到在不同CO2浓度下，连续3周各C4作物干湿重比的变化规律(表1)。

由表1可知，玉米、高粱、谷子和糜子各C4作物在试验的3周内，随着CO2浓度增加到10 000，20 000 mg/kg时，其干湿重比减小，但随着CO2浓度持续增加到40 000，80 000 mg/kg时，其干湿重比增加，并高于对照组，并且在每周各C4作物的干湿重比均在CO2浓度为20 000 mg/kg时达到最小值。并且，随着试验天数的增加，干湿重比均逐渐减小

表1　不同CO2浓度对4种作物干湿重比的影响

3　结论与讨论

植物生物量是研究植物的重点，常用干重、根冠比、干湿重比等指标来衡量。Kimball等[5]对37种植物研究表明：若大气CO2浓度倍增，全球农作物产量会增加24%～43%，并且，CO2浓度升高对同一株植物各部分生物量的分配也有所不同，有的促进根部生物量积累，有的促进地上部分生物量的积累[6]。Rogers等[7]综述了高CO2浓度对不同植物根冠比的影响，发现随着CO2浓度的升高多数植物的根冠比增加；我国在20世纪80年代，有郭建平[8]、温民[9]、白月明[10]等研究表明在CO2浓度倍增时会增加大豆、冬小麦、棉花的生物量，更有利于植株积累更多的营养物质。

本试验基于近几年关注热点CCS技术，首次以C4作物为主，将CO2浓度控制在10 000～80 000 mg/kg，模拟CCS技术CO2泄露后可能产生的高浓度CO2环境并与正常大气CO2浓度作对比，研究高浓度CO2对植物生物量的影响。主要有以下结论：在CO2浓度为10 000，20 000 mg/kg时，玉米、高粱、谷子和糜子4种C4作物的干重较正常大气CO2浓度会逐渐增加，其根冠比和干湿重比均减小，在CO2浓度为40 000，80 000 mg/kg时，4种C4作物的干重较正常大气CO2浓度会逐渐减少，其根冠比和干湿重比均增加；另外，随着试验天数的增加，根冠比和干湿重比均在逐渐减小。

有研究表明，植株的根冠比在一定程度上可以表示对植株地上部分与地下部分不同的促进作用，一般，根冠比越小，越有利于植株地上部分的生长，根冠比越大，越有利于植株地下部分的生长；植株的干湿重比与植株的水分利用率有一定关系，即干湿重的比值在一定程度上可以解释植株对水分的利用能力，一般，干湿重比越小，植株的水分利用率越高，干湿重比越大，植株的水分利用率越低。玉米、高粱、谷子和糜子4种C4作物在CO2浓度为20 000 mg/kg时，干重值最大，其根冠比、干湿重比最小，说明此时更促进植株地上部分的生长，其水分利用率最高，在CO2浓度为80 000 mg/kg时，干重值最小，其根冠比、干湿重比最大，说明此时更促进植株地下部分的生长，其水分利用率最低。并且，随着试验天数的增加，其根冠比和干湿重比均减小，即在不同CO2浓度下随着试验天数的增加，对植株地上部分的生长促进更明显，植株的水分利用率也会越来越高。

[1]Working Group Ⅲ of the Intergovernmental Panel on Climate Change.IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage[M].Cambridge: Cambridge University Press,2005.

[2]IPCC.IPCC special report on carbon dioxide capture and storage[R].Geneva: IPCC,2005.

[3]刘兰翠,曹东,王金南.碳捕获与封存技术潜在的环境影响及对策建议[J].气候变化研究进展,2010,6(4):290-295.

[4]王宝山.植物生理学[M].北京:科学出版社,2007.

[5]Kimball B A,Mauney J R,Nakayama F S,et al.Effects of increasing atmospheric CO2on vegetation[J].Vegetatio,1993,104(1):65-75.

[6]林伟宏,王大力.大气二氧化碳升高对水稻生长及同化物分配的影响[J].科学通报,1998,43(21):2299-2302.

[7]Rogers H H,Runion G B,Prior S A,et al.Response of Plants to Elevated Atmospheric CO2: Root Growth,Mineral Nutrition,and Soil Carbon [M]∥Luo Y,Mooney H A.Carbon Dioxide and Environmental Stress.New York,USA: Academic Press,1999.

[8]郭建平,高素华,白月明,等.CO2浓度倍增对大豆叶片和总生物量的影响研究[J].应用气象学报,1995,6(S):62-68.

[9]温民,王春乙,高素华,等.CO2浓度倍增对冬小麦生长发育产量形成及发芽率的影响[J].生态农业研究,1994,2(6):37-42.

[10]白月明,王春乙,温民.不同CO2浓度处理对棉花生长发育和产量形成的影响[J].生态农业研究,1995,3(2):20-25.

Effect of CCS Technology for CO2Leakage on Biomass of C4Crops

XUE Lu1,MA Junjie2

(1.College of Life Science,Yulin University,Yulin,Shaanxi 719000,China; 2.College of Urban and Environmental Science,Northwestern University,Xi′an 710127,China)

Effect of CO2capture and storage(CCS)technology for CO2leakage on C4crops biomass is simulated to provide basic information for the potential effect of CCS technology for CO2leakage on environment.With the help of artificial CO2climate chamber,the impacts of CO2on the plant dry weight,root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps such as corn,sorghum,millet and broom corn millet were examined under the condition of CO2concentrations of normal,10 000,20 000,40 000,and 80 000 mg/kg by simulating the environment of high CO2concentration resulted from CCS technology for CO2leakage.When CO2concentrations reach to 10 000 mg/kg and 20 000 mg/kg,plant dry weight will increase， root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps will decrease,but as the CO2concentrations reach to 40 000 mg/kg and 80 000 mg/kg,plant dry weight will decrease， root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps will increase compared with the control group.With the increase of experiment days,root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps will gradually decrease.When CO2concentration is 20 000 mg/kg,plant dry weight of four C4corps reaches the maximum value,while root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps reach the minimum values,at this time,it is more advantageous to the growth of the aerial parts and more conducive to use of water.

CO2concentration; C4crops; dry weight; root-shoot ratio,dry-wet weight ratio

2015-08-15

2015-11-15

国家高技术研究发展计划(863计划)“CO2地质封存关键技术”(2012AA0501030);榆林学院高层次人才引进项目

薛璐(1989—),女,陕西绥德人,助理实验师,研究方向为环境影响评价及规划。E-mail:xuelusuper@163.com

马俊杰(1962—),男,陕西户县人,教授,主要从事环境影响评价及规划。E-mail:xdhgvip@163.com

X503.231

A

1005-3409(2016)05-0350-04