土壤無機離子對CO2封存泄漏的響應(yīng)

陳 妮, 馬俊杰, 華 雯, 李曉春, 邵 強

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710054)

土壤無機離子對CO2封存泄漏的響應(yīng)

陳 妮1, 馬俊杰1, 華 雯2, 李曉春1, 邵 強1

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710054)

摘要：[目的] 旨在研究土壤中無機離子含量對CO2封存泄漏的響應(yīng)。[方法] 在CO2人工氣候箱中分別種植綠豆、蕎麥兩種作物，模擬10 000，20 000，40 000和80 000 μl/L 這4個濃度梯度，外加一個空白濃度對照組，觀測土壤無機離子含量變化及作物生長情況。[結(jié)果] 隨著大氣中CO2濃度升高，土壤中的Cl-， K+， Ca2+含量基本先降后升，呈現(xiàn)先升后降再升再降的M型變化趨勢，Na+， Mg2+， 變化不顯著，而始終未檢出。綠豆、蕎麥的光合速率及生物量均在CO2濃度10 000 μl/L時達到最大。[結(jié)論] 大氣中CO2濃度升高一方面會直接影響土壤溶液酸堿度、碳平衡，發(fā)生離子沉淀；另一方面還會影響作物和微生物生長，改變其對土壤離子的吸收和代謝。

關(guān)鍵詞：CO2濃度; 土壤離子; 離子沉淀; 農(nóng)作物生長; 微生物生長

自工業(yè)革命以來,由于人口急劇增長、現(xiàn)代工業(yè)迅猛發(fā)展、化石燃料空前利用、森林亂砍濫伐以及草原過度開墾等原因，引起大氣中CO2濃度劇增，從工業(yè)化之前的280 μl/L上升到現(xiàn)在的400 μl/L。隨著大氣CO2濃度的不斷上升，各種低碳減排技術(shù)迅速發(fā)展。碳捕獲和儲存(carbon capture and storage，CCS)技術(shù)也得以應(yīng)用和發(fā)展。碳封存的核心問題是有地方存，存得住并且要安全和持久。然而二氧化碳的封存地點主要是石油廢井、天然氣儲層和不可采煤層。由于封存地層上部的完整性研究不足，實際地質(zhì)體的不連續(xù)性，以及斷層、微裂隙、開采井等的存在，其中的任何一個環(huán)節(jié)都可能存在CO2封存泄漏的危險。一旦發(fā)生這種情況，考慮到未來CO2封存的規(guī)模可能在億噸級，那么釋放出的CO2可能引發(fā)顯著的氣候變化，對大氣、土壤、水體乃至整個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響。土壤是地球表面陸生生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，土壤碳總儲量在1 300～2 000 Pg,是陸地植物碳庫的2～3倍,是全球大氣碳庫的2倍多[1]。同時土壤也是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物循環(huán)和地球生物化學(xué)循環(huán)過程的重要介質(zhì)。因此土壤環(huán)境對中大氣CO2濃度變化的響應(yīng)研究極為重要。

1材料和方法

1.1　材料與設(shè)備

研究所用土壤來自于陜西省榆林市靖邊縣，全縣海拔1 123～1 823 m，溫差較大，氣候干燥，通風(fēng)條件好，光照充足，平均氣溫在7.8 °C左右，年平均降水量為395 mm。土層深度為0—0.2 m，典型的黃綿土，是黃土母質(zhì)經(jīng)直接耕種而形成的一種幼年土壤。土體疏松、軟綿，土色淺淡，全剖面皆為砂質(zhì)壤土。研究作物選用綠豆和蕎麥。因為綠豆和蕎麥是當(dāng)?shù)氐膬煞N主要作物，且都屬于C3作物，有研究表明C3作物對CO2濃度變化的響應(yīng)較為靈敏[2-3]。種子來自于靖邊縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站。

二氧化碳人工氣候箱(RXZ-500C-CO2)是在智能型人工氣候箱的基礎(chǔ)上，通過增加二氧化碳感應(yīng)器及二氧化碳控制板改裝成的。LI-6400便攜式光合儀可以用來測定農(nóng)作物的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等生理特性。

1.2　研究方法

試驗采用盆栽方式，將土壤曬干、碾磨、過篩處理后放入花盆(盆口直徑0.15 m×0.10 m)，分別撒入綠豆和蕎麥種子，每種作物做6個平行樣。待作物長出幼苗后放入二氧化碳人工氣候箱中。設(shè)置白天12 h溫度25 ℃，濕度75%，光強100%RH；夜晚12 h溫度20 ℃，濕度75%，光強20%RH，共進行了10 000，20 000，40 000和80 000 μl/L這4個濃度梯度，外加一個空白濃度對照組。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤無機離子含量

1個月后測量綠豆、蕎麥種植土壤中8大無機鹽離子含量,結(jié)果如分別如圖1—2所示。

圖1　綠豆種植土壤中各離子含量隨CO2濃度變化

圖2　蕎麥種植土壤中各離子含量隨CO2濃度變化

2.2　土壤溶液pH值

綠豆和蕎麥的土壤溶液pH值如圖3所示。

由圖3可得，隨著大氣CO2濃度升高，土壤溶液pH值總體呈現(xiàn)下降趨勢。CO2在土壤溶液中存在以下溶解平衡：

此外，由圖3可知，所有土壤溶液的pH值均大于7，在堿性環(huán)境下，Ca2+和Mg2+還會生成Ca(OH)2，Mg(OH)2沉淀。

圖3　不同CO2濃度下綠豆、蕎麥土壤溶液pH值

2.3　作物生長情況

表1顯示了綠豆、蕎麥在不同CO2濃度下的生物量和光合速率，其中綠豆與蕎麥的生物量呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，均在10 000 μl/L處達到最大值。從空白濃度到10 000 μl/L，綠豆的光合速率有略微的提高，而蕎麥的光合速率有略微下降，之后隨著CO2濃度升高均呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

表1　綠豆、蕎麥在不同CO2濃度下的生物量和光合速率

國內(nèi)外已有大量研究表明，CO2濃度的升高對農(nóng)作物的生長有直接影響[4-7]，而作物生長與土壤無機鹽離子之間亦有著密不可分的關(guān)系。因此，我們推斷CO2濃度的變化會影響作物的生長從而影響土壤無機離子的含量。利用SPSS軟件分別對作物的生物量與土壤無機離子含量，以及光合速率與土壤無機離子含量進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2　土壤離子與作物生物量、光合速率的相關(guān)系數(shù)

整體看來，綠豆生物量、光合速率與土壤離子含量的相關(guān)性好于蕎麥。這表明在種植綠豆的土壤中各離子含量對CO2濃度的響應(yīng)受綠豆生長狀況的影響要大于蕎麥對其土壤離子的影響。生物量的相關(guān)性要好于光合速率的相關(guān)性。

3討 論

CO2濃度升高對土壤無機離子產(chǎn)生的影響可分為直接影響和間接影響。直接影響是指CO2進入土壤并影響土壤碳平衡及酸堿度，從而發(fā)生離子沉淀使其含量發(fā)生變化。間接影響是指CO2濃度升高影響農(nóng)作物以及土壤微生物生長，改變了他們對土壤無機離子的吸收、代謝，從而導(dǎo)致其含量變化。

3.1　CO2濃度升高對土壤離子的直接影響

正常情況下，土壤中CO2濃度為300～2 000 μl/L，大于近地層大氣二氧化碳含量數(shù)10倍多。刁一偉等[8]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ace系統(tǒng)旱地麥田中，大氣CO2濃度升高40~200 μl/L，耕層土壤CO2氣體濃度增加了5%～14%。當(dāng)大氣中CO2濃度升高時，土壤中CO2濃度的變化受兩個因素的影響：一是土壤顆粒間要有足夠的空隙；二是要有促使氣體擴散的動力，也就是濃度差和近地層空氣湍流[1]。本試驗所用土壤為黃綿土，其中黏粒土壤粒徑<0.002 mm的黏粒占9.8%，粒徑在0.002～0.02 mm的粉粒占19.3%，粒徑處于0.02～2 mm的砂粒占71.9%，質(zhì)地屬砂質(zhì)壤土，土體疏松、軟綿，有利于氣體擴散。人工氣候箱所提供的10 000，20 000，40 000和80 000 μl/L的CO2濃度，也保證了土壤和大氣間足夠的濃度差。因此可判斷本試驗條件下，土壤中CO2濃度會有所增加。

3.2　CO2濃度升高對土壤離子的間接影響

4結(jié) 論

(4) 要進一步研究CO2濃度變化對土壤離子含量的影響的內(nèi)在機理，需要從以下幾方面尋找突破：一是在試驗過程中測量土壤表面CO2通量，以定量探究大氣CO2濃度變化對土壤中CO2濃度及土壤溶液酸堿度的影響；二是對試驗土壤中的微生物數(shù)量和理化性質(zhì)進行研究，從而分析土壤中無機離子含量與土壤微生物在不同CO2濃度下的相關(guān)性。

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Response of Soil Inorganic Ions to Carbon Dioxide Leakage

CHEN Ni1, MA Junjie1, HUA Wen2, LI Xiaochun1, SHAO Qiang1

(1.NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China;

2.Xi’anGeologicalResearchCentre,ChinaGeologicalSurrey,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Abstract：[Objective] This research focuses on the response of soil inorganic ions to CO2leakage.[Methods] We grew two crops including buckwheat (Fagopyrum esculentum) and mung beans (Vigna radiate) in the artificial climate box with five simulated CO2concentration gradients of 0 (control group), 10 000, 20 000, 40 000, 80 000 μl/L, to observe the variations of soil inorganic icons and plant growth.[Results] With the increase of CO2concentrations, Cl-, K+, Ca2+decreased firstly and then increased. The trend of SO42-exhibited as an “M” shape pattern, while variations in Na+, Mg2+and were not significant. No carbonate ) was found during the testing. Photosynthetic rate and biomass of buckwheat and mung beans were the maximum when the concentration of CO2reached 10 000 μl/L.[Conclusion] Increases in the concentration of CO2, can influence the pH value and carbon balance of the soil, and result in the precipitation of ions. In addition, the rise in CO2concentration affects the growth of crops and microbial activity, and changes the absorption and metabolism to soil ions.

Keywords:concentration of carbon dioxide; soil ions; precipitation of ions; crop growth; microbial growth

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0037-05

中圖分類號：S153

收稿日期：2014-03-22修回日期：2014-04-23

資助項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃燃煤電廠煙氣CCUS關(guān)鍵技術(shù)3級子課題“CO2泄漏風(fēng)險的近地表與地面監(jiān)測技術(shù)”(2012AA050103-4)

第一作者：陳妮(1990—),女(漢族),陜西省旬陽縣人，碩士,研究方向為環(huán)境規(guī)劃與評價。E-mail:chenjiabei027@gmail.com。