箱体模拟地质封存CO2泄漏速度差异对植物的影响

纪 翔，马 欣，韩耀杰，于梦瀛，孟纯纯



箱体模拟地质封存CO2泄漏速度差异对植物的影响

纪 翔1,2，马 欣1※，韩耀杰1，于梦瀛1，孟纯纯1

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2. 喀什大学生命与地理科学学院，喀什 844000）

为了解地质封存CO2注入井破裂等快速泄漏或者通过地质甬道缓慢弥散对植物的影响，该文试验通过箱体模拟地质封存CO2快速和慢速的不同泄漏方式，研究其对植物的影响。结果表明：快速泄漏CO2时，泄漏量在2 000 g/(m·d)时光合值下降明显（从(22.86±0.89)mol/(m·s)下降到(0.1±0.08)mol/(m·s)），植株高度从（206±10.20）cm下降到(93.67±4.78)cm，叶片数也明显减少，而CO2慢速泄漏时，在浓度控制下植物没有明显的响应，只有长期暴露在CO2泄漏源附近的土壤pH值下降。碳捕集与封存技术（carbon capture and storage，CCS）决策者可以根据地质封存CO2泄漏速度差异对周围生态造成的不同影响制定相应的应对措施。

CO2；植物；碳捕集与封存技术；泄漏方式；植物响应

0 引 言

2017年6月国际能源署（International Energy Agency，IEA）和中国能源部举行的第八届清洁能源部长级会议的前期会议确认在全球努力实现CO2大幅减少、防止未来几十年全球气温上升所做的努力中，碳捕集与封存技术（carbon capture and storage，CCS）至关重要。IEA一再强调，CCS是清洁能源技术的关键部分，为减少温室气体的排放，确保能源安全提供了一条可持续的道路，是以燃煤为主要能源消耗的碳排放大国可采取的迅速有效的减排手段[1]。CCS项目是将从排放源捕捉到的CO2注入到盆地的石油与天然气储层、深层咸水层和不可开采的煤层[2]等稳定的地质构造中，在地下岩石构造中以物理、矿化捕集等捕集机理，达到捕碳减排的效果。但是储存在地下的CO2存在着通过人为逃逸通道、地质构造逃逸通道以及跨越盖层等快速爆发式泄漏和水力圈闭逃逸通道逃逸出地层等慢速弥散式泄漏的危险[3-4]，可能对当地的生态系统造成严重的影响[5-6]，造成生态系统的严重退化甚至消亡[7]。因而各国要求尽快开展CCS环境风险的研究[8-9]。

IPCC特别报告给出了地质封存CO2可能发生逃逸的2种情形[10-11]，一种情形主要为快速持续释放，例如注入井破裂或废弃井泄漏等，另一种情形则是慢速持续释放，主要是通过未被发现的断层、断裂或未查明的漏泄点发生缓慢泄漏[2]。两种泄漏情形对周围生态系统的影响需要给出定量化的研究，但是，工业CCS项目空间规模可达上百平方千米，投资数额上10亿元，不可能对实际运行的CCS项目进行大规模的泄漏影响试验，而箱体控制释放试验通过种植测试植物，进行模拟泄漏影响试验的研究[12-13]，是现阶段较天然泄漏源与大田泄漏试验更为可控、精准的试验平台。

前人做过的箱体控制泄漏试验主要集中于CO2通量控制，通过控制CO2释放速率进行对照试验[13]，但是，CO2缓慢泄漏的试验进行的较少，气体在土壤内的扩散通路以及在土壤中浓度的变化情况较为缺乏，知识了解不多，植物对不同CO2泄漏浓度变化速率响应的研究较少，本次试验设置了浓度控制泄漏试验对比之前通量控制泄漏试验[12-15]，对2种不同泄漏方式的结果进行对比，定量化研究2种泄漏方式对植物造成的影响，可以为中国CCS项目制定应对技术和对策提供参考。

1 数据与试验设计

1.1 试验装置

以2种不同的气体通入控制方式来模拟不同的泄漏方式：一种为通量控制试验[12-15]，通过人工控制快速通入CO2气体进行快速泄漏的模拟研究，栽培箱高100 cm宽50 cm，由箱体底部通入CO2气体（图1a），在通入CO2的气管上装有气体流量计，通过气体控制阀控制CO2气体的通入量。另一种为浓度控制试验，通过固定土壤中CO2的比例值，人工控制气体的补给，维持土壤中CO2的浓度，在低于浓度设定值时进行及时的少量浓度补给，以达到定量控制土壤中的浓度值的目的，慢速泄漏模拟栽培箱与快速泄漏模拟栽培箱统一（图1b），栽培箱土壤中的气体由集气罩收集，由PU管经干燥罐到土壤气体浓度分数控制室，由气体控制室内置的气体分析仪进行CO2浓度分析，分析结果进入气体主控室，由主控室统一分配补给CO2。

试验点以中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京顺义农业环境综合试验示范基地（40°13′N，116°14′E），为温带半湿润季风型大陆性季风气候，平均气温11～12 ℃，平均降水量约640 mm，年均日照时数是2 000～2 800 h，年均无霜期是190～195 d，年均风速1.8～3 m/s[16]，箱体中取得的土壤为周围大田表层土，植物种植时选择中国北方重要作物玉米L.），为反映农田生态系统生产力的代表性作物。每个箱体统一施底肥10 g，灌水15 L，植株高度15～25 cm间苗，试验期间保持每周每箱灌水5 L。

1.2 试验设计

试验由箱体底部集中供气，其中通量控制模拟快速CO2泄漏，浓度控制模拟慢速CO2泄漏。大量的研究表明天然CO2泄漏速度在1 000～3 000 g/(m·d)[6,17]。因此在泄漏模拟试验时，设置对照组CK（0）和G2000（2 000 g/(m·d），176 mL/min）。

对持续慢速CO2泄漏的模拟为浓度式控制，有研究表明当暴露在天然泄漏源附近的土壤中CO2的含量在20%到40%之间时植物叶片光合作用降低，提前衰老[18]，甚至枯死[19]，将试验浓度设置为60%探寻持续慢速CO2泄漏方式对玉米植株的影响，并设置对照组。为区分两组模拟方式中的不同对照组，快速CO2持续泄漏模拟中的对照组为QCK（Quick CK），持续慢速CO2泄漏模拟中的对照组为SCK（Slow CK）。

1.3 数据收集

采用卷尺测量玉米植株的高度。采用LI-COR公司生产的LI-6400对植物的光合速率进行监测，监测时在设定为人工红蓝光源的情景下，当LI-6400显示值显示叶室值与参比室值相差小于1时，选取第2片全展叶片夹入叶室，当Photo值稳定时，进行数据记录，每株玉米记录5个值，后期处理时，对5个Photo值进行变异系数计算，如果变异系数低于15%时直接对均值进行比较，当变异系数高于15%时，剔除变异值，使变异系数低于15%求均值，作为植物叶片光合作用值。

测量土壤pH值时，采用的是pH meter 3 000土壤pH值测量仪，测量时插入植物根部土壤中，稳定时间选择为5 min，5 min后读取测量仪的度数做记录，每株测量完后，用酸度为4.00的溶液跟7.00的溶液进行仪器的校正，保证测量的精度。

1.4 统计分析

监测结果用SPSS22进行均值独立样本检验，不同的通气量与不同的通气方式，快速泄漏模拟设置（QCK,G2000），每种设置3组重复；慢速泄漏模拟设置（LCK，60%），每种设置3组重复。独立样本检验值低于0.05时为样本具有显著差异。

2 结果与分析

2.1 不同泄漏方式对玉米株高的影响

两种泄漏方式对玉米株高的影响如图2。在快速泄漏模拟的情形下泄漏量越大，玉米的长势越差，玉米的长势受到了明显的抑制：按收获时株高计算，对照组（QCK）株高在（206±10.20）cm，而G2000通量的玉米株高为（93.67±4.78）cm，CO2快速泄漏明显抑制了玉米的生长（<0.05）。慢速CO2泄漏模拟控制下的玉米株高并未见显著差异：对照组（SCK）玉米植株高度在（153.25±13.27）cm，60%浓度的株高在（154.00±8.09）cm，慢速泄漏并未明显抑制植株的生长（=0.74）。

不同的泄漏方式对玉米生长动态方面的影响如图2。在快速泄漏模拟情形下泄漏量增加，玉米的长势趋于缓慢，在玉米生长的几个重要时期，快速泄漏影响下的植株变化与对照比具有显著差异：CO2泄漏量大的箱体玉米植株生长减缓，图3能看到明显的区别，少量泄漏时，玉米长势良好，株高增加迅速；而在CO2大量泄漏时，玉米长势趋于缓慢，在玉米的株高接近1 m时，玉米长势趋于停止，株高变化不明显（相较QCK减少量为54%）。而在CO2慢速泄漏下的玉米株高动态变化与对照差异不明显，相较SCK减少量为−0.05%。

注：G2000为快速泄露处理，QCK为其对照；60%浓度为慢速泄露处理，SCK为其对照。下同。

2.2 不同泄漏方式下玉米植株叶片变化

2种泄漏方式对玉米叶片影响变化如图3。快速泄漏模拟中，未进行CO2泄漏试验的对照组（QCK）叶片数量明显多于另外施加CO2泄漏影响的组。QCK组玉米全展叶片数为16个，而进行CO2泄漏试验的全展叶片数减少，叶片约9～11片，枯叶数明显增多。

慢速CO2对玉米植株的全展叶片数影响较小，叶片枯黄的较早，试验的空白对照组（SCK）玉米全展叶片数在13片左右，但是随着试验时长的增加，叶片有枯黄的现象，而浓度在60%控制下的玉米比空白对照组叶片枯萎的日期要提前约10 d。

图3 不同泄漏方式对玉米叶片的影响

2.3 不同泄漏方式对植物根长的影响

不同泄漏方式对玉米植株的根长也有不同的影响（图4），快速泄漏模拟试验下的QCK玉米根长（109±16.83）cm，而在G2000泄漏量影响下的根长仅为（20.73±3.73）cm，减少量为75.11%，受快速大通量CO2的抑制作用，根部生长差异明显。慢速泄漏模拟试验下的SCK玉米根长为（41.25±2.90）cm，控制60%浓度泄漏模拟下的根长为（41±4.73）cm。泄漏模拟控制下的根长与玉米的地上部分呈正比。

2.4 不同泄漏方式下植株的光合作用

快速CO2泄漏对玉米植株净光合速率（net photosynthetic rate，P）的影响是十分明显的（图5），通入量越大植物的光合作用越弱，随着泄漏时间的增加植株光合作用降低、叶片萎蔫，在G2000通量通气的第7天时玉米的光合速率出现明显的变化：其中G2000组玉米第二片全展叶片的光合速率低于QCK组（22.86±0.89）mol/(m·s)（<0.05）。在气体通入的第41天时，G2000组光合速率P为（0.1±0.08）mol/(m·s)。这证明G2000控制下的玉米植株已经死亡（净光合速率减少量99.54%）。

图4 不同泄漏方式对玉米根长的影响

图5 不同泄漏方式对玉米净光合速率的影响

慢速CO2泄漏模拟中玉米植株的净光合速率并没有明显的变化，玉米在不同生育期的模拟泄漏组跟对照组数据差距较小，净光合速率较为稳定（=0.56）（表1）。

表1 玉米株高和光合作用的t检验结果

2.5 不同泄漏方式对土壤酸碱度的影响

不同地质封存CO2泄漏模拟方式对土壤酸碱度（pH值）的影响如图6。其中对照组的pH值略高于通入CO2的组别，显示为偏碱性，pH值为周围农田的土壤酸碱度，而模拟CO2泄漏的土壤pH值偏酸性，且通入量越大，pH值略低。

快速CO2泄漏模拟试验中，土壤pH值对照组（7.10±0.10）与G2000组（7.10±0.10）的差别不大，这可能与CO2跟土壤中的水分结合形成HCO3-根使土壤呈现弱酸性有关。慢速CO2泄漏模拟试验中60%浓度的CO2土壤pH值（6.98±0.39）略低于对照组pH值（7.32±0.10），但是，通气与未通气的组别对土壤pH值的影响较小，pH值的变化范围在玉米生长的正常范围（pH值范围4.5～8.5）[20-22]内，未对玉米的生长造成影响[14]。

图6 不同泄漏方式模拟对土壤pH值的影响

3 讨 论

快速泄漏模拟迅速达到植物生长的耐受阈值，植物响应明显，与刘义玲等[23-25]研究得到的植物根部CO2达到一定浓度后会抑制作物生长[26-27]结论一致，说明地质封存CO2快速泄漏对地表植被危害较大，需要优先应对，避免对周围生态系统造成更大的破坏。慢速泄漏未引起植物的显著变化，应对的优先顺序不高，但是慢速泄漏可能引起土壤酸化，对土壤和植被的长期影响值得注意。Zhou等[28]以及Dethlefsen等[29]对CO2泄漏模拟对地球化学过程的影响中发现，CO2泄漏会引起土壤中的电导率EC升高，对土壤的温湿度造成影响。

2次试验过程中由于只对慢速泄漏的土壤温湿度进行了监测，无法与快速泄漏模拟试验中的土壤温湿度进行对比研究，对慢速模拟泄漏土壤温湿度监测时利用的是插入土中的温湿度监测探头，试验时间内每隔一小时收集1次土壤温湿度数据。在对慢速模拟泄漏中的土壤温湿度进行比较时发现，如图7，慢速泄漏控制下的土壤温湿度与SCK没有明显变化。快速泄漏模拟时对土壤温湿度的具体影响需要进一步研究。

CCS泄漏影响植物生长时可能是由于CO2泄漏时土壤中的O2含量减少[30]，影响植物的生长。

此外，在对植物根部进行提取的试验是在人工控制箱实现，跟实际大田生态环境有一定差异[6]，可能对试验结果造成影响[13]。因此未来需要由箱体试验升级到大田试验，在大田环境下研究不同的CO2泄漏方式对植物的影响。

4 结 论

通过模拟试验可知，在快速泄漏的条件下，随着泄漏量的增多与泄漏时间的延长，植株的响应十分显著，植物叶片出现萎蔫、植株矮小甚至死亡，根部与地上部分生物量具有正相关性，在快速模拟泄漏影响下的植株高度、地下植株根长与对照组有明显的差别，植株高度具有显著差异（<0.05），根长的减少量达到75.11%。同时，快速泄漏模拟影响下的植株生长趋势也有十分明显的影响。当地质封存CO2慢速泄漏时对植物的影响较小，仅出现了土壤pH值的略微差异，但是泄漏模拟的土壤pH值仍在玉米生长的合理范围内，因而并未对玉米生长造成显著影响。因此，碳捕集与封存技术（carbon capture and storage，CCS）项目快速泄漏与慢速泄漏对植物的影响有显著差异，在CCS相关政策与决策中需要重点关注快速泄漏对生态系统造成的影响。

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Effect of different leakage speeds on plants in carbon capture and storage by simulation in chamber

Ji Xiang1,2, Ma Xin1※,Han Yaojie1, Yu Mengying1, Meng Chunchun1

(1.,100081,; 2.,,844000,)

Carbon capture and storage (CCS) is an effective means to reduce greenhouse gas emissions, which sequesters anthropogenic CO2in deep geological formations and avoids emissions into the atmosphere while supporting coal use. Thus, the technology is an attractive way of controlling greenhouse gases in economies heavily dependent on coal energy, such as China, whose goal is to reach an emissions cap by 2030. Currently, more than 12 CCS demonstration projects are in development in China. Preliminary estimates show that reservoirs, such as saline aquifers, depleted oil and gas reservoirs, and un-mineable coal seams, have a CO2storage capacity with hundreds of billions of tons. However, there are risk of CCS-stored CO2leaking out of the storage reservoirs, and the quick leakage such as failure of injection wells and slow leakage from geological aisle, which shows different environmental impacts. The most visible impact of CCS leakage is the degradation of plant cover. To know the impact of elevated soil CO2flux in near-surface ecosystems and the plants’ responses to different CO2leaking rates, and to assess and address the risks of elevated soil CO2flux, we simulated quick and slow CO2leakage, at a rate of 2000 g/(m·d) and 60% of the soil CO2concentration, and compared the differences of maize plant height, root length, leaf number, leaf photosynthetic rate and soil pH value. The experimental device was the self-made combination with gas chambers and soil chambers on top. CO2was injected into the bottom of the cultivation container at different flux rates by manually control. The results indicated that, under the quick CO2leaking at a rate of 2000 g/(m·d), the maize photosynthetic rate was decreased from (22.86±0.89)mol/(m·s) of CK treatment to (0.1±0.08)mol/(m·s) , while the height of maize was dropped from (206±10.20) cm to (93.67±4.78) cm and maize root length was decreased by 75%, from (109±16.83) cm to (20.73±3.73) cm. And the number of plant leaves was decreased significantly, which was 16 in the control group, but only 9 to 11 in the rapid leakage control, and the withered leaf number were significantly increased in the rapid leakage test. Slow leakage under 60% of the soil CO2concentration did not inhibit the growth of maize. The height of maize plants in the control group (SCK) was (153.25±13.27) cm, and the plant height at slow leakage treatment was (154 ± 8.09) cm. The root length, the number of leaves and net photosynthetic rate of maize also were not significant difference, separately. Only the soil pH value in the vicinity of leaking source was decreased slightly, however, soil pH value remained within a reasonable range of maize growth and therefore did not have a significant impact on maize growth. The different response of plant to quick and slow stored CO2leakage will provide useful information for decision maker to formulate countermeasures.

carbon dioxide; plants; carbon capture and storage; leakage ways; plant response

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.033

P618.13; S184

A

1002-6819(2018)-02-0242-06

2017-08-31

2017-12-13

国家自然科学基金（31400376和31600351）和国家重点技术研究与发展项目（2011BAC08B03）

纪 翔，女，主要研究方向为气候变化对农作物的影响，退牧还草对土壤碳汇的影响。Email：jixiang17306@163.com

马 欣，副研究员，主要从事气候变化对农作物影响评估、农林业碳交易、CO2环境效应评估研究。Email：maxin02@caas.cn

纪 翔，马 欣，韩耀杰，于梦瀛，孟纯纯. 箱体模拟地质封存CO2泄漏速度差异对植物的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(2)：242－247. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.033 http://www.tcsae.org

Ji Xiang, Ma Xin, Han Yaojie, Yu Mengying, Meng Chunchun. Effect of different leakage speeds on plants in carbon capture and storage by simulation in chamber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 242－247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.033 http://www.tcsae.org