地质封存CO2泄漏对玉米根系形态的影响

韩耀杰,张雪艳,马 欣,纪 翔

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 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101 3 中国科学院中国农业政策研究中心,北京 100101

二氧化碳的捕捉和封存技术(简称CCS)是将二氧化碳从大型排放源(如电厂、化工厂等)捕集、运输并注入地下深部储层进行永久封存的技术,是实现煤炭清洁高效利用、应对全球气候变化的有效技术手段之一。目前全球有22个大型CCS设施正在运行或建设中,每年可减排3700万t的CO2。全球CCS研究机构(Global CCS Institute)指出在过去10年中CCS取得了快速发展,尤其是在美国、日本、欧洲、中东、中国进展显著。在亚太地区有11个CCS项目在进行中,其中有8个位于中国,我国封存潜力巨大,仅在内蒙古的鄂尔多斯就已经封存了30万t的CO2,且国际能源署(IEA)专家预计,未来一半以上新建项目可能在中国[1]。但是随着CCS项目的广泛开展,其安全性和可能存在的风险也越来越引起人们的关注[2]。由于封存的地质条件和人类活动的不确定性,注入的CO2存在着泄漏的风险,加之我国地形条件复杂,生态环境脆弱,一旦发生泄漏,其风险会远高于其他国家[3]。因此开展CO2泄漏后的影响研究,对于泄漏检测和生态修复很有必要。

根系生长是地上部和地下部相互作用、相互促进的统一过程,地上部叶片为根系的生长发育提供所需的有机质,根系是保证叶片的水肥供应,更好的进行光合的基础,两者共同作用影响玉米生长[16,17]。且与根系的净生物量相比,根系在土壤中的形态特征对作物生产力作用更大[18]。目前大部分的泄漏模拟研究试验大都是对植物地上部生理生化指标以及生物量的测定,针对植物地下部的研究尚不多见,少量的关于植物根部的研究也只是对根系生物量的简单测量[19],没有系统的对植物根系形态进行梳理。因此通过模拟地质封存的CO2泄漏试验,研究作物根系对CO2的泄漏响应、揭示其形态特征变化以及其与地上部生物量的相互关系,对于系统分析植物对CO2泄漏的响应很有必要。玉米作为我国的三大粮食作物之一,也是近两年我国进口量最大的粮食作物,对CO2的泄漏较双子叶植物有更好的耐受性。因此本文以玉米为研究对象,自玉米拔节期开始不间断的进行模拟泄漏处理至成熟期结束,评估地质封存的CO2泄漏对玉米根系形态的影响,为后期CO2泄漏的监测和修复提供系统科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验场地

该试验位于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(116°55′26.76″E, 40°5′41.87″N),平均海拔高程34 m,属大陆性季风气候,是半干旱与半湿润、温带与中温带的过渡带,年均日照 2684 h,有效积温 4500℃,无霜期195 d左右。取当地农田表层土壤0—20 cm装入栽培箱中,压实后栽培箱土壤厚度为50 cm。供试土壤为潮褐土,pH 8.38,有机质15.48 g/kg,全氮0.37 g/kg,全磷 0.61 g/kg,全钾 20.42 g/kg。该试验从2017年6月19日播种开始,每箱播种玉米5粒,7月3日间苗,根据整体长势,每箱留下一株玉米,使得整体长势相当。7月12号开始通气进行CO2的泄漏处理,2017年9月20号,通气停止,总通气时间为70 d。期间水肥根据当地大田常规处理。

1.2 试验处理

该试验在人工制作的CO2泄漏控制平台中进行,通过人为的控制通入栽培箱底部的CO2的注入速率和通量模拟不同的泄漏情景。该平台由简单的生态系统、CO2控制释放装置、检测记录和人工管理等部分组成(图1)。模拟泄漏的人工CO2控制释放装置主要由CO2气罐、减压阀、气体导管、流量计、阀门和智能人工控制箱等组成。其中栽培箱长宽均为50 cm,高为100 cm,孔径0.5 cm的透气性分隔片将整个栽培箱分为两个部分,上部为供植物生长的土室(高度为80 cm,其中填充的土壤厚度为50 cm)下部为均匀释放CO2气体的气室(高度为20 cm)。

图1 CO2控制释放装置示意图Fig.1 Schematic diagram of CO2 release device

该试验一共包括3个CO2的泄漏处理,其中一个为CK空白对照即无泄漏处理,另外两个泄漏处理分别为G1000(1000 g m-2d-1),G2000(2000 g m-2d-1),把CO2的注入通量作为泄漏指标[19],各处理重复三次。通过调节盆栽底部阀门的开口大小来控制泄漏通量,该通量设定自试验开始之日起,至整个试验结束后关闭。其中泄漏通量和泄漏速率之间的关系转化如下：

(1)

式中F为CO2的注入通量, g m-2d-1;v为CO2的注入速率,mL/min；ρ为常压下CO2的密度,约为1.977 g/L;s为栽培箱横截面面积,约为0.25 m2。可以看出注入速率分别是CK(0 mL/min),G1000(88 mL/min),G2000(176 mL/min)。

1.3 样品采样及指标测定

在玉米成熟期,对其地上部和地下部进行取样。地上部生物量测定：田间用剪刀在土壤表层高度剪下玉米茎秆,做好标记,牛皮纸包裹带回实验室,首先在105℃鼓风干燥箱中烘30 min杀青,然后降温至50℃烘至恒重,干燥后的样品与牛皮纸袋一块称量,而后扣除牛皮纸袋重量,得出玉米地上部干重。玉米地下部生物量测定：地上部取样结束后,将栽培箱放倒,用水管缓冲栽培箱中土壤,待全部冲走再将根系缓慢从栽培箱中取出装进盛水的自封袋,放入收纳箱,带回实验室并逐株放在冲洗盆中,用较小水流缓慢冲洗,后用胶头滴管和镊子清洗侧根分叉处,最后用蒸馏水浸泡冲洗干净,每株节根逐个剪下装入自封袋中,放入-20℃冰箱冷冻保存。

根系形态测定：扫描时将冷冻根系取出静置解冻,每条节根均匀剪成10—15 cm小段,根据每小段的侧根量确定放入根盘的小根段数量,用镊子整理节根侧根系,尽量避免重叠。将根盘放入Epson根系扫描仪进行根系扫描,根据根量不同,每株玉米扫描图片30—120张不等。并用 Win-Rhizo 根系分析软件(WinRhizo 2013 Pro)对扫描根系图片进行逐个处理,得出每张图片的根系形态指标如直径、长度、体积、表面积等数据,后对玉米根系的所有扫描图片数据信息进行整理分析,得出每株玉米根系形态指标数据。扫描结束后,试验用纸吸干表面水分,装入牛皮纸袋,并将前期清洗根系和摆盘过程中不可避免的根系损失量装入,放入烘箱50℃烘干至恒重称量。

1.4 数据处理及分析

通过对成熟期玉米根系的总根长、平均直径、总体积、总表面积等形态指标以及地上部干质量、地下部干质量和产量进行测定,对比不同泄漏处理之间与空白对照的差异,评估玉米的根系形态特征以及产量对CO2泄漏的响应。采用Microsoft Excel和 Origin 8.0进行数据的简单处理及作图、SPSS 25.0软件进行相关性分析,单因素相关显著性检验采用LSD(least significant difference),置信水平取95%。

2 结果分析

2.1 不同泄漏情景下玉米的株高

图3展示了对照和两个CO2泄漏处理条件下玉米的株高随时间的变化情况。泄漏处理下,玉米的株高随着泄漏时间的增加,较CK下降明显。7月12日对G1000和G2000分别进行相应通量的泄漏处理,7月19日至7月21日,泄漏处理G1000((110.97±2.19) cm)和G2000((105.6±3.86) cm)的株高较空白对照CK((117±3.01) cm)已出现降低趋势。7月26日G2000泄漏处理下玉米的株高((126.35±5.26) cm)显著低于CK((144.4±0.7) cm)。7月26日至8月12日,空白对照下玉米的株高显著高于G1000和G2000(P<0.05)。8月16日后玉米的株高基本趋于稳定,空白对照CK和泄漏处理G1000和G2000玉米株高分别为(204.83±8.95) cm、(198±9.16) cm 和(185.83±2.16) cm。

2.2 不同泄漏情景下玉米根系形态

图4展示了CK和两个不同泄漏处理下,成熟期玉米根系形态指标的分布状况。CO2泄漏对玉米根系的生长抑制主要体现在总根长、总表面积和总体积上。其中总根长对CO2的泄漏最为敏感,处理间差异显著。G1000和G2000泄漏情景下的总根长显著(P<0.05)低于CK,分别减少了32.41%和46.77%,G2000较G1000总根长减少了21.24%。成熟期玉米根系的平均直径随着泄漏通量的增大差异不大,CK、G1000、G2000三种情形下平均直径分别为0.0531 mm、0.0587 mm,0.0600 mm,任意两组最大相差不超过0.0070 mm。玉米根系的总表面积大小为CK>G1000>G2000,其中CK的表面积大于G1000但不显著,显著大于G2000,G1000和G2000存在差异但不显著。G2000情景下玉米根系总体积较CK和G1000分别减少了30.78%和14.92%。

图4 不同CO2泄漏情景下玉米的根系形态Fig.4 Root morphology of maize under different CO2 leakage scenarios不同字母表示情景间差异显著(P<0.05)

2.3 不同泄漏情景下玉米的生物量

在玉米成熟期,地上部干物质量对封存的CO2泄漏呈现明显的响应,泄漏处理下的玉米地上部干物质量低于对照,且泄漏通量越大玉米地上部生物量减少越多(图5)。但地下部干物质量对CO2泄漏的响应不明显。G1000和G2000两种泄漏情景下地上部干物质量较CK显著减少(P<0.05),减少量为60.43 g和98.64 g,减少率分别为18.03%、29.43%。就地下部干重而言,CK(25.07 g)、G1000(22.062 g)、G2000(18.42 g)对CO2泄漏的响应则不明显(P>0.05)。就根冠比而言,不同于生物量对CO2泄漏的响应,G1000和G2000均略大于CK。

图5 不同CO2泄漏情景下玉米的生物量Fig.5 Biomass of maize under different CO2 leakage scenarios

表1显示了两种泄漏处理G1000和G2000、以及空白对照CK在收获处理后期玉米的产量状况,随着封存CO2泄漏量的增大,产量呈下降趋势。G1000((153.94±20.04) g)和G2000((144.16±9.90) g)相较CK产量分别减少了42.46 g和52.34 g,减少率分别为21.66%和26.64%。其中CK和G2000在0.05水平上存在显著差异。

表1 玉米产量的单因素ANOVA检验结果分析

不同字母表示情景间差异显著(P<0.05)

2.4 根系形态指标与生物量的相关分析

各根系形态指标之间呈现出一定的相关关系(表2),根表面积和根长、根体积和根表面积、根表面积和根干重、根体积和根干重均在0.01水平上呈现显著正相关。地上部指标产量和地上部干重在0.01水平上表现出一定的正相关关系。玉米的直径和根长呈现出一定的负相关关系,但不显著。此外,根系总长度对地上部干重和产量会有不同程度的影响,根长与地上部干重在0.01水平上呈现显著的正相关关系,与产量的正相关关系在0.05水平上才有所体现。根表面积与地上部干重呈现显著正相关关系,与产量呈现正相关关系,但不显著。由图4可知,总根长和地上部干重、根表面积和地上部干重均表现出很强的线性关系,但根系其他形态指标与地上部生物量的相关性则不强。

表2 根系形态指标与生物量的相关性分析

**. 在 0.01 级别(双尾),相关性显著; *.在 0.05 级别(双尾),相关性显著

图6 根系形态指标与地上部生物量的线性关系Fig.6 Linear relationship between root morphological indexes and aboveground biomass

3 讨论

从成熟期玉米的根系形态指标可以看出泄漏情景下(G1000和G2000)玉米的总根长较CK有显著减少(P<0.05),减少率分别为32.41%和46.77%。CO2泄漏引起土壤中CO2浓度升高,O2浓度减小[9],pH降低的结果已被论证[13,21-22],且植物根系的深度易受到环境因素的影响[23],张雪艳、伍洋等通过模拟CO2泄漏实验,测量得出根系延伸总长显著降低[14,24-25]。本文从根系系统分析的角度出发,得出CO2泄漏对0.1 mm直径分辨率下植株总根长的抑制作用随着泄漏量的增大逐渐增强。CO2泄漏对玉米根系的平均直径并无显著的影响,有略微增大趋势,G1000和G2000较CK分别增大10.56%和13.03%。但这种略微的增大并不能抵消CO2泄漏对根系系统的抑制作用,其总体积和总面积由大到小依次为CK,G1000和G2000。说明根系长度响应CO2泄漏最为敏感。三种处理下根系干重并无显著变化,由此可以推断CK的细根含量要高于G1000和G2000。

CO2泄漏可以导致玉米减产,且泄漏通量越大减产越多。本研究中,G1000泄漏处理下减产率超过20%,在G2000处理下已显著减产(P<0.05)。根系系统通过吸收土壤中的水分和养分供给植物的生长,根系系统吸收水分和养分的能力在很大程度上可以通过根长评定[28]。其中直径小于2 mm 的细根吸收水分和养分能力远远大于较老和较粗根系[20]。可以看出,封存CO2的泄漏主要通过减少根系的长度影响其生长与产量。张雪艳等[19]在模拟CO2泄漏对三叶草生长的影响中得出G1000情景下三叶草的总干质量比CK略少, G2000情景下总干重减小幅度增大,但是未出现显著性差异。说明较三叶草而言,玉米对CO2的泄漏更为敏感。从玉米根系形态与地上生物量的相关性分析可以看出玉米根系长度与根表面积、地上部生物量存在一定的线性正相关关系,表明玉米根系越长、面积越大,地上部干物质的积累越多。结合图4和图5 CO2泄漏对玉米地上部和地下部的协同影响方面,得出CO2泄漏对玉米根长,根表面积和地上部生物量的抑制作用具有一致性。

4 结论

本文通过模拟封存CO2的泄漏试验评估CO2泄漏对玉米根系形态的影响。结果表明,封存的CO2泄漏会对玉米的总根长有明显的抑制作用,泄漏通量越大抑制作用越强,抑制作用最大可使总根长减少46.77%；玉米的地上部生物量相较于地下部生物量对CO2泄漏更敏感；长期的CO2的泄漏会造成玉米产量的明显减少,减产率最大为26.43%；封存CO2泄漏对玉米总根长、总表面积与地上部的干物质量的抑制作用表现出协同一致性,均随着泄漏通量的增多而减少。模拟封存的CO2泄漏对作物根系形态的影响仍需深入研究。