高濃度二氧化碳入侵對土壤理化性質(zhì)的影響

裴宇 趙曉紅 鄧紅章 李春榮 韓楓 張青海 張徽

摘 要：在地質(zhì)儲存CO2（GCS）泄漏對生態(tài)環(huán)境的影響中，土壤作為生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的主要介質(zhì)，其理化性質(zhì)的變化研究尤為重要。采用人工模擬CO2泄漏地表的方式，并分析土壤pH值、總有機(jī)碳、氮、磷、鉀、水溶性鹽濃度的變化及地表植物響應(yīng)。結(jié)果表明：CO2入侵使土壤總有機(jī)碳相比于對照增加了1.56%～43.75%，總氮下降了0.88%～13.25%，氨氮與硝氮也同比下降，磷、鉀、水溶性鹽總體也是減少的，但土壤pH值有所上升，且各植物長勢均較好，尤其是豌豆與蘿卜的生長較好。結(jié)論：高濃度CO2入侵會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，而且對植物的生長有促進(jìn)作用。

關(guān) 鍵 詞：地質(zhì)儲存CO2；高濃度CO2入侵；土壤理化性質(zhì)；植物響應(yīng)

中圖分類號：X 131.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0682-05

Abstract： In the impact of the leakage of CO2 geological storage on the ecological environment， especially， the soil， it is the main medium of the exchange of substances and energy in ecological system， so studying the soil physical and chemical properties are very significant. This experiment artificially simulated the leakage of CO2 to the soil surface， and then the changes in soil organic carbon， nitrogen， phosphorus， potassium and water-soluble salts and the responses of plants were analyzed. The results show that， after the invasion of CO2， compared with the controlled area， the soil total organic carbon increases by 1.56%～43.75%， total nitrogen decreases by 0.88%～13.25%， ammonia and nitrate reduce as well， phosphorus， potassium and water-soluble salts also decline in general， while the pH of the soil is up，and every plant grows well， particularly， peas and radish. Conclusion： the invasion of high concentration of CO2 has some impacts on soil physical and chemical properties， in addition， can promote the growth of plants.

Key words： CO2 geological storage； High concentration of CO2 invasion； Soil physical and chemical properties； The responses of plants

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，CO2作為主要的溫室氣體，在大氣中的濃度已由工業(yè)革命前的280×10-6升至370×10-6，且以每年1～2×10-6的速率在增加[1]，由此引發(fā)一系列的危害，如冰川融化、極端氣候增加、人類生存環(huán)境與健康受到威脅等。當(dāng)前，GCS被認(rèn)為是快速減少全球溫室氣體的有效舉措之一，但其有可能發(fā)生泄漏與逃逸，滲漏的CO2會對生態(tài)環(huán)境等諸多方面產(chǎn)生影響，特別是土壤作為萬物生長與分解代謝的介質(zhì)，其理化性質(zhì)的優(yōu)劣直接決定地下水水質(zhì)、微生物群落多樣性與地表植被生長等生態(tài)功能[2]。因此研究CO2泄漏對土壤理化性質(zhì)的影響至關(guān)重要。

目前國內(nèi)外相關(guān)研究主要聚焦于大氣CO2升高對生態(tài)環(huán)境造成的影響。一些研究表明：土壤是溫室氣體的源或匯，其碳的變化與大氣CO2濃度密切相關(guān)，如大氣CO2量上升會增加土壤碳匯[3]，使土壤微生物的活性與呼吸增強(qiáng)，從而引起土壤有機(jī)碳下降[4]；高濃度CO2能促進(jìn)植物對氮的吸收，使土壤氮素減少[5]；也有研究表明土壤中高濃度CO2能與水長期作用使土壤pH值降低[6]。而對GCS中高濃度CO2泄漏對土壤理化性質(zhì)的研究鮮見報道， 因此本文模擬不同濃度CO2入侵地表土壤，以分析其理化性質(zhì)的變化，力求為GCS的安全性提供理論支撐與現(xiàn)實依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試驗設(shè)計

此試驗在長安大學(xué)渭水校區(qū)進(jìn)行，共設(shè)置長6.0 m，寬4.0 m的日光溫室大棚4個，每個溫室里設(shè)有12個1.0 m×1.0 m×0.6 m的木質(zhì)實驗框，試驗框底部埋有氣體盤管，以用來輸送CO2氣體。試驗土壤采用黃土。

1.2 試驗方法

土壤CO2濃度背景一般為0.05～0.08%，因此給4個溫室中依次通入濃度為0%、2%、4%、8%的CO2，然后在每個溫室中分別種植大豆、蘿卜、小麥與豌豆4種C3植物各3框，同時保持各溫室平均溫度為25 ℃左右、土壤表層含水率在8%～11%。在一個生長期（8個月）后，于距各實驗框土壤表層20～30 cm處均勻取樣并依次編號為D21、D22、D23（D21代表大豆在2%濃度區(qū)第一個平行樣），以下分析中均取3個平行樣的均值。采樣結(jié)束后，待土樣自然風(fēng)干后測試其理化參數(shù)。

測試的土壤理化指標(biāo)主要有pH值、土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀。其中，土壤總有機(jī)碳用multi N/C 2100分析儀（德國）測定，土壤總氮用Foss8400全自動凱氏定氮儀測定，土壤氨氮、硝氮、總磷及有效磷用全自動間斷化學(xué)分析儀（ADA，CleverChem 200，德國）測定，土壤全鉀與有效鉀用火焰光度法測定，土壤水溶性鹽據(jù)國標(biāo)（NY/T 1121.16-2006）測定。

2 實驗結(jié)果

2.1 高濃度CO2入侵對土壤pH值的影響

pH值是土壤理化性質(zhì)中最重要的指標(biāo)之一，它直接影響土壤營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化、土著微生物的代謝及礦物的沉淀溶解等。當(dāng)CO2入侵之后，不同植物根際處的風(fēng)干土樣pH值變化如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著總體CO2濃度的提高，土壤的pH值有所上升，且不同植物類型間的pH值差異較小。尤其在4%濃度區(qū)， pH值增幅較快，最高可達(dá)9.34左右?？梢姡珻O2的入侵并沒有使土壤pH值降低。

2.2 高濃度CO2入侵對土壤有機(jī)碳（TOC）的影響

土壤是自然界最大的碳庫載體，并主要以有機(jī)碳形式存在。通常土壤有機(jī)碳含量約占土壤有機(jī)質(zhì)的60%～80%，且隨深度的增加而遞減。土壤有機(jī)碳含量主要受不同植物對有機(jī)碳的吸收利用差異、土壤微生物多樣性、降雨淋溶等影響。當(dāng)CO2入侵之后，各濃度區(qū)土壤TOC變化如圖2所示。

由圖2可以看出，各土壤TOC較對照區(qū)總體是上升的，但不同植物土壤的TOC對CO2脅迫反應(yīng)的差異較大，大豆與蘿卜土壤的TOC在2%時就高于其他濃度區(qū)，較對照分別增加了30.43%和15.23%，而小麥與豌豆在8%濃度區(qū)明顯增加。且不同植物土壤TOC大致隨CO2濃度的升高有下降趨勢，但與不通氣時的相差不大。

2.3 高濃度CO2入侵對土壤營養(yǎng)元素的影響

土壤營養(yǎng)元素主要有氮、磷、鉀，三者只有按照一定的比例組合時，才能對植物的生長有促進(jìn)作用。以下分別對其進(jìn)行分析：

2.3.1 氮對高濃度CO2入侵的響應(yīng)

土壤氮含量會直接影響植物光合作用、有機(jī)質(zhì)分解以及同化產(chǎn)物的分配等[5]，土壤中氨氮與硝氮統(tǒng)稱為有效氮，它是植物生長所必需的元素之一。氮不足會阻礙植物光合作用、降低相關(guān)酶水平及限制蛋白質(zhì)合成[7]。當(dāng)給黃土中通入高濃度CO2后，氮的各形式變化如圖3所示。

由圖3看出，總體上，隨著CO2入侵濃度的增加，所有硝氮降幅最大，其次是總氮與氨氮。特別是小麥與豌豆土壤中硝氮在8%濃度區(qū)較對照分別減少了94.65%和76.68%。但由于各植被生理代謝等差異，其所生長的土壤中氮素變化又有細(xì)微差別。隨著CO2濃度的增加，蘿卜與豌豆中總氮下降明顯，小麥與豌豆中氨氮下降明顯，而所有植物土壤硝氮降低趨勢雖不一致，但整體都顯著減小。

2.3.2 磷對高濃度CO2入侵的響應(yīng)

土壤中磷通常以有機(jī)和無機(jī)態(tài)形式存在，而速效磷含量大小可決定土壤磷素的豐缺、植被根系的發(fā)育及農(nóng)田生產(chǎn)力。當(dāng)CO2入侵后，磷的變化如圖4所示。

由圖4可以看出，不同CO2濃度下，各植物土壤總磷、速效磷大致都是降低的，且植物類型間差異不明顯?？煽闯觯傩Я自贑O2入侵前后均介于10～20 mg/kg，所以磷并沒有太受高濃度CO2的影響。相比對照，蘿卜中總磷、速效磷在4%濃度區(qū)最多分別減小了15.08%和24.55%，而豌豆土壤的總磷在8%濃度區(qū)卻增加了5.14%，速效磷減小了3.38%?？梢姡欢舛菴O2減少了總磷與速效磷含量，但豌豆在8%濃度區(qū)總磷卻增加，這可能與采樣均勻性有關(guān)。

2.3.3 鉀對高濃度CO2入侵的響應(yīng)

土壤中鉀以全鉀和有效鉀形式存在居多，有效鉀又可分為交換性鉀與水溶性鉀。鉀不僅是植物所必備的營養(yǎng)元素之一，也是植物抗逆性強(qiáng)弱的決定因素。當(dāng)CO2入侵后，鉀的變化如圖5所示。 由圖5可以看出，各植物土壤全鉀、有效鉀整體呈下降趨勢，有效鉀在CO2入侵前后都高于200 mg/kg，屬鉀含量豐富，可見鉀并沒有太受高濃度CO2的影響。相比對照，小麥中的全鉀、有效鉀在8%濃度區(qū)分別下降了41.65%和28.13%%，豌豆中的全鉀、有效鉀也各自下降了29.30%和9.98%，其他植物土壤的全鉀與有效鉀降幅在8.41%～26.61%。

2.4 土壤水溶性鹽濃度的變化

土壤水溶性鹽是鹽堿土的重要指標(biāo)之一，可反映土壤鹽漬化的變化趨勢[8]，給土壤改良和作物生長提供依據(jù)。因此，分析不同CO2濃度下，各植物土壤中主要離子濃度如表1所示。

由表1可以看出，隨著CO2入侵濃度的增加，相比對照樣本，各土樣K+都下降，且在2%濃度區(qū)下降最明顯，特別是蘿卜土壤的K+下降了48.22%；Na+也呈現(xiàn)下降趨勢，尤其是蘿卜與大豆；類似的，土壤水溶性Ca2+含量較大，介于80～126.7 mg/kg范圍內(nèi)，相比之下，在8%濃度區(qū)，蘿卜與豌豆中Ca2+各減少了33.36%、35.01%；而Mg2+對高濃度CO2響應(yīng)并不明顯，但總體是減小的，這可能與風(fēng)干土樣pH值的升高而使Ca2+、Mg2+形成沉淀有關(guān)。

陰離子中，CO32-幾乎為零，可能因為只有當(dāng)土壤pH大于8.5時才可用滴定法測出土壤浸提液中CO32-，而pH大于10時才有較多CO32-存在[9]，這與CO2入侵后pH最大為9.34是一致的。而HCO3-含量較少且變化不大可能是其與土壤中Ca2+形成了難溶的沉淀物，因此土壤的堿化度并不高；但Cl-有小幅增長，而SO42-卻顯著減少，當(dāng)在4%濃度區(qū)，蘿卜與豌豆土壤中SO42-減小了69.79%、80.21%。所有陰陽離子之和為全鹽量，也有所下降，并均介于0.225～0.333 g/kg，屬于非鹽化土。

3 分析與討論

綜合實驗結(jié)果，隨著CO2入侵濃度的增加，蘿卜、豌豆土壤總有機(jī)碳均增加?？赡苁荂O2入侵相對增加了土壤碳含量，這與Cardon[10]CO2量增加會導(dǎo)致土壤碳累積相似，也與Pregitzer等[11]大氣CO2量增加可能使細(xì)根處生物量增大并促進(jìn)各植物群落土壤的呼吸；Cheng等[12]運用同位素跟蹤得出CO2濃度升高會使O2量減少，可能會迫使植被根系與土壤微生物的呼吸增強(qiáng)，從而使土壤有機(jī)碳含量上升相一致。

種植各植物土壤的硝氮下降最為明顯，總氮與氨氮也下降?？赡茉蚴歉邼舛菴O2入侵促進(jìn)了植物對氮的吸收，或是CO2作為脅迫因子，使植物體產(chǎn)生一定的抗性物質(zhì)來維持生長，這些抗性物質(zhì)會消耗部分氮。這與Kimball B A[13]、林偉宏[14]、尹飛虎等[5]大氣CO2濃度升高引起植物對氮的吸收增強(qiáng)而相應(yīng)減少土壤有效氮，任書杰等[15]大氣CO2濃度升高使多數(shù)土地的氮含量匱乏，Roser M等[16]在干旱半干旱農(nóng)田系統(tǒng)中，大氣CO2濃度增加使土壤表層10 cm區(qū)域內(nèi)的氮濃度降低8%且氨氮、硝氮也有所下降這些研究結(jié)果相似。

磷與鉀總體也是下降的，一方面CO2入侵使土壤總有機(jī)碳升高，會破壞原來碳、氮、磷、鉀四者的平衡配比，可認(rèn)為土壤有機(jī)碳的增加會相對稀釋氮、磷、鉀的含量，這與Roger等[17]大氣CO2升高時，植物組織及土壤的C/N比升高，劉五星等[18]土壤受石油污染后，有機(jī)碳含量增加，導(dǎo)致氮、磷相對匱乏是一致的。因此本試驗所有營養(yǎng)元素含量均下降。另外，磷的減小也可能是CO2在入侵前后，并沒有太大改變土壤總磷含量，這將會使土壤解磷細(xì)菌（PSB）大量繁殖，它們能把土壤中難以被植物利用的磷轉(zhuǎn)化為速效磷等[19]，并通過其代謝改善根際處磷的供應(yīng)，因而總磷在一定程度上有減小趨勢；速效磷雖然在PSB菌的轉(zhuǎn)化下會增加少許，但畢竟是有限的，且在高濃度CO2脅迫下，植物會加快吸收利用這些營養(yǎng)元素，因此氮磷鉀都相應(yīng)減少。

最后結(jié)合植物長勢，蘿卜即使在8%濃度區(qū)長勢也較好，如圖6（圖中CO2濃度：左上0%、右上2%、左下4%、右下8%），且在一定范圍內(nèi)隨CO2濃度的增加，各植物長勢較對照區(qū)明顯變好，特別是蘿卜與豌豆，可能是CO2濃度雖然在增加，然而并沒有達(dá)到植物生長所受限的閾值，再者高濃度CO2為不利因子入侵土壤，使植物對各種營養(yǎng)元素的汲取增加，同時也使土壤有機(jī)質(zhì)較為豐富，反而對其是有利的。

4 結(jié) 論

（1）隨著CO2入侵濃度的增大，各供試植物土壤的pH值有所增加，引起Ca2+、Mg2+等水溶性離子含量的降低；蘿卜與豌豆土壤總有機(jī)質(zhì)分別在2%、8%濃度區(qū)達(dá)最大，且相比對照各增加了43.75%、9.88%。但不同植物的總有機(jī)質(zhì)、氮素變化略微不同，表明地表植被類型對同一CO2濃度的響應(yīng)差異甚大。

（2）隨著CO2濃度增大，各植物土壤的所有營養(yǎng)元素都呈現(xiàn)減小趨勢，且蘿卜與豌豆土壤中氮營養(yǎng)素下降最為明顯。

（3）高濃度CO2入侵對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響，但在此濃度下，植物的生長并沒有受到顯著影響，反倒是長勢良好。

因此，高濃度CO2入侵雖對土壤理化性質(zhì)有一定影響，但植物的生長并沒有異常。后期需加大CO2的入侵濃度，以便探尋植物生長的閾值，并進(jìn)行相關(guān)定量研究。

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