模擬CCS技術(shù)CO2泄露對(duì)C4作物種子萌發(fā)的影響

薛 璐， 馬俊杰

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710127)

二氧化碳的捕獲與儲(chǔ)存(CO2capture and storage，CCS)被認(rèn)為是最有前景和潛力的CO2減排技術(shù)[1]，但CCS技術(shù)在CO2捕獲、運(yùn)輸和封存3個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)涉及到CO2泄露的風(fēng)險(xiǎn)，因此，CCS技術(shù)存在的潛在環(huán)境影響也備受關(guān)注[2]。CCS技術(shù)中CO2泄露產(chǎn)生的高濃度CO2環(huán)境對(duì)水環(huán)境、土壤環(huán)境、動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育以及人體安全都有重要影響，會(huì)帶來(lái)局部和全球性的環(huán)境影響[3]。通過(guò)模擬CCS技術(shù)CO2泄露對(duì)C4作物種子萌發(fā)的影響，以期為CCS技術(shù)CO2泄露后可能產(chǎn)生的環(huán)境影響提供基礎(chǔ)性資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)作物

試驗(yàn)地點(diǎn)為陜西省榆林市靖邊縣。選擇當(dāng)?shù)?種典型的C4作物作為本試驗(yàn)的研究作物。包括：玉米(Zeamays.L.,西蒙6號(hào))、高粱〔Sorghumbicolor(Linn.)Moench,晉雜12號(hào)〕、谷子〔Setariaitalica(L.)Beauv.,晉谷29號(hào)〕、糜子(PanicummiliaceumL.,內(nèi)糜5號(hào))。

1.2 試驗(yàn)方法

CCS技術(shù)中CO2若發(fā)生泄露，必然會(huì)產(chǎn)生高濃度的CO2環(huán)境。試驗(yàn)采用寧波江南儀器廠生產(chǎn)的二氧化碳人工氣候箱(RXZ-500C-CO2)來(lái)模擬CCS技術(shù)中CO2發(fā)生泄露后產(chǎn)生的高濃度CO2環(huán)境。CO2人工氣候箱通過(guò)采用先進(jìn)的PID(proportion integral derivative)智能控制算法，對(duì)人工氣候室的CO2濃度進(jìn)行采集，確定CO2的濃度是否符合試驗(yàn)要求，當(dāng)室內(nèi)值低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)CO2儲(chǔ)氣罐增加人工氣候室CO2濃度，直到氣體濃度達(dá)標(biāo)。該CO2人工氣候箱控溫范圍為0～50 ℃；控濕范圍30%～95%相對(duì)濕度RH(relative humidity))；光照度0～22 000 lux，多級(jí)可調(diào)；CO2濃度量程到100 000 mg/kg，可根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)定目標(biāo)值。

本試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)CO2濃度梯度，分別為：正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg。在每個(gè)CO2濃度梯度下重復(fù)試驗(yàn)5次，觀察各C4作物種子的萌發(fā)。其中，CO2人工氣候箱設(shè)置條件為：白天12 h，溫度25 ℃，濕度80%，光強(qiáng)0%；夜晚12 h，溫度20 ℃，濕度80%，光強(qiáng)0%。

1.3 試驗(yàn)步驟

本種子萌發(fā)試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程發(fā)芽試驗(yàn)(GB/T 33543.4—1995)》的方法進(jìn)行。

(1)精選顆粒飽滿且大小基本相同的各作物種子各100粒，首先將種子在20 ml 3%的雙氧水稀釋10倍的溶液里消毒浸泡5 min，再用溫水浸泡1 h，使種子充滿水分，最后，分別用自來(lái)水、蒸餾水沖洗多次。

(2)將每種作物種子放入以一層紗布為發(fā)芽床的培養(yǎng)皿，并用一層紗布蓋住培養(yǎng)皿(培養(yǎng)皿直徑大約為9 cm)。定時(shí)補(bǔ)充水分，保持紗布濕潤(rùn)。

(3)以種子胚根突破種皮2 mm 以上作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn), 逐日統(tǒng)計(jì)各作物發(fā)芽種子粒數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，逐日統(tǒng)計(jì)4種C4作物的發(fā)芽數(shù)，并計(jì)算其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)以及平均發(fā)芽天數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)取5次重復(fù)試驗(yàn)平均值。

發(fā)芽率=第7 d萌發(fā)種子粒數(shù)/供試種子總粒數(shù) 100%

發(fā)芽勢(shì)=第3 d萌發(fā)種子粒數(shù)/供試種子總粒數(shù) 100%

平均發(fā)芽天數(shù)=∑(Gt×Dt)/∑Gt

式中：Gt——在不同天數(shù)的發(fā)芽率(%)；Dt——發(fā)芽天數(shù)(d)。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2泄露對(duì)C4作物發(fā)芽率的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)4種C4作物的發(fā)芽率影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同CO2濃度對(duì)4種C4作物發(fā)芽率的影響

由圖1可知，模擬CCS技術(shù)CO2泄露在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)玉米的發(fā)芽率基本沒(méi)有影響，發(fā)芽率均為100%；高粱、谷子和糜子隨著CO2濃度增加到10 000，20 000，40 000 mg/kg時(shí)，其發(fā)芽率均高于對(duì)照組，但對(duì)其促進(jìn)作用不是很顯著，較對(duì)照組促進(jìn)范圍在1%～5%，其中高粱、谷子和糜子分別在CO2濃度為10 000，20 000，20 000 mg/kg，發(fā)芽率達(dá)到最高，但CO2濃度為80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)高粱、谷子和糜子的發(fā)芽率產(chǎn)生抑制作用，其發(fā)芽率均小于對(duì)照組。

2.2 CO2泄露對(duì)C4作物發(fā)芽勢(shì)的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)玉米、高粱、谷子以及糜子發(fā)芽勢(shì)的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同CO2濃度對(duì)4種C4作物發(fā)芽勢(shì)的影響

由圖2可知，模擬CCS技術(shù)CO2泄露在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)玉米的發(fā)芽勢(shì)基本無(wú)影響，發(fā)芽勢(shì)均為100%；不同濃度CO2對(duì)高粱、谷子和糜子發(fā)芽勢(shì)的影響較為顯著，3種作物均在CO2濃度為20 000 mg/kg時(shí)，其發(fā)芽勢(shì)達(dá)到最高。其中，高粱隨著CO2濃度增加到10 000，20 000 mg/kg時(shí)，對(duì)其發(fā)芽勢(shì)有促進(jìn)作用，其發(fā)芽勢(shì)較對(duì)照組都有所增加，但在CO2濃度為40 000和80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)高粱的發(fā)芽勢(shì)有抑制作用，其發(fā)芽勢(shì)均小于對(duì)照組；谷子和糜子隨著CO2濃度增加到10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)其發(fā)芽勢(shì)都有促進(jìn)作用，其發(fā)芽勢(shì)均高于對(duì)照組，但對(duì)糜子發(fā)芽勢(shì)的變化趨勢(shì)最為顯著，在CO2濃度為20 000 mg/kg時(shí)，發(fā)芽勢(shì)達(dá)到92%，比對(duì)照組增加了16%。

2.3 CO2泄露對(duì)C4作物平均發(fā)芽天數(shù)的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，4種C4作物的平均發(fā)芽天數(shù)見(jiàn)表1。

表1 4種C4作物在不同CO2濃度下的平均發(fā)芽天數(shù)統(tǒng)計(jì) d

由表1可知，模擬CCS技術(shù)CO2泄露在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對(duì)照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)4種C4作物平均發(fā)芽天數(shù)均有一定影響。其中，玉米、高粱和谷子在CO2濃度從正常大氣CO2濃度增加到20 000 mg/kg時(shí)，隨著CO2濃度的增加，其發(fā)芽天數(shù)均縮短，隨著CO2濃度的繼續(xù)增加，這種趨勢(shì)受到抑制，在CO2濃度為40 000，80 000 mg/kg時(shí)，其發(fā)芽天數(shù)較對(duì)照組均延長(zhǎng)；但對(duì)糜子發(fā)芽天數(shù)的影響較玉米、高粱和谷子有所不同，糜子在CO2濃度為10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時(shí)，其發(fā)芽天數(shù)較對(duì)照組均縮短，并在CO2濃度為10 000 mg/kg時(shí)其發(fā)芽天數(shù)最短，較對(duì)照組縮短了0.09 d。

3 結(jié) 論

(1)從發(fā)芽率來(lái)說(shuō)，在一定CO2濃度范圍內(nèi)(10 000～40 000 mg/kg)，對(duì)C4作物種子發(fā)芽率有促進(jìn)作用，促進(jìn)范圍約1%～5%，當(dāng)CO2濃度高達(dá)80 000 mg/kg時(shí)，對(duì)C4作物種子發(fā)芽率有抑制作用，抑制范圍在1%～4%。但促進(jìn)和抑制作用都不是很顯著。

(2)從發(fā)芽勢(shì)來(lái)說(shuō)，高濃度CO2對(duì)C4作物種子發(fā)芽勢(shì)有比較顯著的促進(jìn)作用，較對(duì)照組，發(fā)芽勢(shì)的促進(jìn)范圍在9%～16%。

(3)從平均發(fā)芽天數(shù)來(lái)說(shuō)，高濃度CO2對(duì)4種C4作物發(fā)芽天數(shù)均產(chǎn)生較小影響，其中，對(duì)糜子發(fā)芽天數(shù)的影響最為顯著，較對(duì)照組，發(fā)芽天數(shù)最大能縮短0.09 d。

國(guó)內(nèi)外對(duì)高濃度對(duì)植物發(fā)芽的影響研究較少，只有少數(shù)學(xué)者做了在高濃度CO2條件下對(duì)植物發(fā)芽影響的試驗(yàn)，并且觀點(diǎn)不一致。

國(guó)外學(xué)者主要有兩種觀點(diǎn)：CO2濃度的升高并不會(huì)影響種子的萌發(fā)；CO2濃度升高對(duì)種子萌發(fā)出土有促進(jìn)作用。我國(guó)劉建利[4]利用人工氣候箱在不同CO2濃度下對(duì)苜蓿種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，結(jié)果顯示發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)顯著提高，發(fā)芽天數(shù)顯著減少；陳章和等[5]在高CO2濃度條件下對(duì)4 種豆科喬木的種子萌發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果表明CO2濃度只能使光葉紅豆種子萌發(fā)率提高12%，但對(duì)其他3類豆科種子的萌發(fā)沒(méi)有明顯影響；高素華等[6]利用OTC-1型開(kāi)頂式氣室在高CO2濃度下研究大豆、玉米、白菜、黃瓜、棍豆等11中常見(jiàn)植物種子的萌發(fā)，結(jié)果表明，CO2濃度對(duì)這11種植物大部分種子的發(fā)芽勢(shì)有促進(jìn)作用，但對(duì)種子的發(fā)芽率影響不大，這一結(jié)果與本文研究結(jié)果相似。

種子萌發(fā)需要充足的氧氣，以保證其強(qiáng)呼吸作用。在高CO2濃度下，會(huì)使種子萌發(fā)環(huán)境O2濃度降低，但在一定范圍內(nèi)仍能滿足一般種子萌發(fā)的正常需要，另外，在自然情況下，土壤空氣中本身CO2濃度是很高的[7]，種子在土壤中萌發(fā)時(shí)，其CO2濃度可能也較高，這些似乎可以解釋在高CO2濃度下，對(duì)種子的發(fā)芽率不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

劉大永等[8]研究表明，高濃度CO2下，會(huì)使種子中過(guò)氧化氫酶(CAT)活性、酸性磷酸酯酶活性增強(qiáng)，這兩種酶在種子萌發(fā)期間會(huì)釋放O2，增加種子活力，同時(shí)與種子代謝直接相關(guān)的ATP含量也相應(yīng)增加，這似乎可以解釋高濃度CO2對(duì)種子的發(fā)芽勢(shì)有明顯的促進(jìn)作用。

另外，據(jù)劉存德等[9]研究，不同作物種子萌發(fā)對(duì)O2的需求不同，例如5%的O2即可滿足水稻種子的萌發(fā)，但小麥可能需要更多的O2才能保證種子的正常萌發(fā)。雖然不同C4作物在高濃度CO2條件下發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的變化具有一定的規(guī)律性，但這似乎可以解釋各C4作物分別在不同的CO2濃度下其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)達(dá)到最大值。但是，高濃度CO2下對(duì)種子萌發(fā)影響的機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。

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