模擬CCS技術(shù)CO2泄露對(duì)C4作物生物量的影響

薛 璐,馬俊杰

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 榆林 719000; 2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,西安 710127)

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模擬CCS技術(shù)CO2泄露對(duì)C4作物生物量的影響

薛 璐1,馬俊杰2

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 榆林 719000; 2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,西安 710127)

模擬CCS技術(shù)CO2泄露對(duì)C4作物生物量的影響，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。利用CO2人工氣候箱，模擬CCS技術(shù)CO2泄露產(chǎn)生的高濃度CO2環(huán)境，研究在CO2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、糜子4種C4作物植株干重、根冠比、干濕重比的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)CO2濃度為10 000，20 000 mg/kg時(shí)，4種C4作物植株干重逐漸增加，根冠比、干濕重比均減小，但隨著CO2濃度持續(xù)增加到40 000，80 000 mg/kg時(shí)，4種C4作物植株干重逐漸減少，根冠比、干濕重比均增大，并且隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，4種C4作物的根冠比和干濕重比會(huì)逐漸減小。在CO2濃度為20 000 mg/kg時(shí)，4種C4作物的干重值最大，根冠比和干濕重達(dá)到最小值，此時(shí)，更利于植物地上部分的生長(zhǎng)，其水分利用率達(dá)到最高。

CO2濃度; C4作物; 干重; 根冠比; 干濕重比

CO2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)存在CO2泄露的風(fēng)險(xiǎn)，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)育以及人體安全都會(huì)帶來(lái)局部和全球性的影響[3]。本文通過(guò)模擬CCS技術(shù)CO2泄露對(duì)C4作物植株生物量(植株干重、根冠比、干濕重比)的影響，以期為CCS技術(shù)CO2泄露可能產(chǎn)生的環(huán)境影響提供基礎(chǔ)性依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)作物

本試驗(yàn)以國(guó)家863計(jì)劃“CO2地質(zhì)封存關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目為支撐，選擇4種典型的C4作物作為本試驗(yàn)的研究作物。包括：玉米(西蒙6號(hào))、高粱(晉雜12)、谷子(晉谷29)、糜子(內(nèi)糜5號(hào))。

1.2試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用寧波江南儀器廠生產(chǎn)的CO2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(比例、積分、微分)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：0～50℃；控濕范圍30%～95%RH(相對(duì)濕度)；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。

1.3試驗(yàn)方法與步驟

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)3次，測(cè)量各C4作物的生物量指標(biāo)。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)100%；夜晚12 h，溫度20℃，濕度80%，光強(qiáng)20%。

5個(gè)CO2濃度梯度下的生物量試驗(yàn)嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行：

(1)每種作物種子準(zhǔn)備8～10個(gè)花盆，加入處理后的試驗(yàn)土壤，種植4種作物(每種作物每盆種植6～8株)，并移入未通入CO2的CO2人工氣候箱；

(2)等待長(zhǎng)出些許幼苗(一般在種植后的10～12 d，各種作物進(jìn)入2～3葉期)，選擇每種作物長(zhǎng)勢(shì)良好且基本相同的6～8個(gè)花盆重點(diǎn)培育，并在CO2人工氣候箱內(nèi)通入試驗(yàn)所需要的CO2濃度；

(3)在CO2人工氣候箱內(nèi)培育3周(21 d)，定期澆水、觀察。每周記錄各C4作物的濕重、根重，并在烘箱中烘干測(cè)其干重(每周進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄時(shí)選擇10～12株進(jìn)行多次測(cè)量)，最后計(jì)算其根冠比、干濕重比。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

在各CO2濃度梯度下，每種作物的生物量指標(biāo)記錄多個(gè)數(shù)據(jù)。其中，每個(gè)指標(biāo)篩選出其最大值、最小值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)以及平均值。最后，取多次測(cè)量的可用數(shù)據(jù)的平均值作為分析數(shù)據(jù)。其中，根冠比、干濕重比采用以下公式[4]：

根冠比=植物地下部分鮮重/地上部分鮮重的比值

(1)

干濕重比=植物干重/植物濕重

(2)

2　結(jié)果與分析

2.1CO2泄露對(duì)C4作物干重的影響

由圖1可知，玉米、高粱、谷子和糜子各C4作物在試驗(yàn)的3周內(nèi)，隨著CO2濃度增加到10 000，20 000 mg/kg時(shí)，其植株干重均高于對(duì)照組，但隨著CO2濃度持續(xù)增加到40 000，80 000 mg/kg時(shí)，其植株干重均低于對(duì)照組，并且在各C4作物的植株干重均在CO2濃度為20 000 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，在CO2濃度為80 000 mg/kg時(shí)達(dá)到最小值。同時(shí)，根據(jù)不同CO2濃度下4種C4作物植株干重?cái)?shù)據(jù)可知，高濃度CO2對(duì)植株干重影響較明顯，促進(jìn)范圍高達(dá)4%～13%，抑制范圍高達(dá)3%～10%。

圖1　不同CO2濃度對(duì)4種作物植株干重的影響

2.2CO2泄露對(duì)C4作物根冠比的影響

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)，逐日統(tǒng)計(jì)的4種C4作物的生物量數(shù)據(jù)，根據(jù)每周統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，計(jì)算各種作物的根冠比并作圖，可得到在不同CO2濃度下，連續(xù)3周各C4作物根冠比的變化規(guī)律(圖2)。

圖2　不同CO2濃度對(duì)4種作物根冠比的影響

由圖2可知，玉米、高粱、谷子和糜子各C4作物在試驗(yàn)的3周內(nèi)，隨著CO2濃度增加到10 000，20 000 mg/kg時(shí)，其根冠比減小，但隨著CO2濃度持續(xù)增加到40 000，80 000 mg/kg時(shí)，其根冠比增加，并高于對(duì)照組，并且每周各C4作物的根冠比均在CO2濃度為20 000 mg/kg時(shí)達(dá)到最小值。并且，隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，根冠比均減小，即在各CO2濃度下，隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，植株地上部分的生長(zhǎng)更為明顯。

2.3CO2泄露對(duì)C4作物干濕重比的影響

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)，逐日統(tǒng)計(jì)的4種C4作物的干重及濕重，根據(jù)每周統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，計(jì)算各種作物的干濕重比并作圖，可得到在不同CO2濃度下，連續(xù)3周各C4作物干濕重比的變化規(guī)律(表1)。

由表1可知，玉米、高粱、谷子和糜子各C4作物在試驗(yàn)的3周內(nèi)，隨著CO2濃度增加到10 000，20 000 mg/kg時(shí)，其干濕重比減小，但隨著CO2濃度持續(xù)增加到40 000，80 000 mg/kg時(shí)，其干濕重比增加，并高于對(duì)照組，并且在每周各C4作物的干濕重比均在CO2濃度為20 000 mg/kg時(shí)達(dá)到最小值。并且，隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，干濕重比均逐漸減小

表1　不同CO2濃度對(duì)4種作物干濕重比的影響

3　結(jié)論與討論

植物生物量是研究植物的重點(diǎn)，常用干重、根冠比、干濕重比等指標(biāo)來(lái)衡量。Kimball等[5]對(duì)37種植物研究表明：若大氣CO2濃度倍增，全球農(nóng)作物產(chǎn)量會(huì)增加24%～43%，并且，CO2濃度升高對(duì)同一株植物各部分生物量的分配也有所不同，有的促進(jìn)根部生物量積累，有的促進(jìn)地上部分生物量的積累[6]。Rogers等[7]綜述了高CO2濃度對(duì)不同植物根冠比的影響，發(fā)現(xiàn)隨著CO2濃度的升高多數(shù)植物的根冠比增加；我國(guó)在20世紀(jì)80年代，有郭建平[8]、溫民[9]、白月明[10]等研究表明在CO2濃度倍增時(shí)會(huì)增加大豆、冬小麥、棉花的生物量，更有利于植株積累更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

本試驗(yàn)基于近幾年關(guān)注熱點(diǎn)CCS技術(shù)，首次以C4作物為主，將CO2濃度控制在10 000～80 000 mg/kg，模擬CCS技術(shù)CO2泄露后可能產(chǎn)生的高濃度CO2環(huán)境并與正常大氣CO2濃度作對(duì)比，研究高濃度CO2對(duì)植物生物量的影響。主要有以下結(jié)論：在CO2濃度為10 000，20 000 mg/kg時(shí)，玉米、高粱、谷子和糜子4種C4作物的干重較正常大氣CO2濃度會(huì)逐漸增加，其根冠比和干濕重比均減小，在CO2濃度為40 000，80 000 mg/kg時(shí)，4種C4作物的干重較正常大氣CO2濃度會(huì)逐漸減少，其根冠比和干濕重比均增加；另外，隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，根冠比和干濕重比均在逐漸減小。

有研究表明，植株的根冠比在一定程度上可以表示對(duì)植株地上部分與地下部分不同的促進(jìn)作用，一般，根冠比越小，越有利于植株地上部分的生長(zhǎng)，根冠比越大，越有利于植株地下部分的生長(zhǎng)；植株的干濕重比與植株的水分利用率有一定關(guān)系，即干濕重的比值在一定程度上可以解釋植株對(duì)水分的利用能力，一般，干濕重比越小，植株的水分利用率越高，干濕重比越大，植株的水分利用率越低。玉米、高粱、谷子和糜子4種C4作物在CO2濃度為20 000 mg/kg時(shí)，干重值最大，其根冠比、干濕重比最小，說(shuō)明此時(shí)更促進(jìn)植株地上部分的生長(zhǎng)，其水分利用率最高，在CO2濃度為80 000 mg/kg時(shí)，干重值最小，其根冠比、干濕重比最大，說(shuō)明此時(shí)更促進(jìn)植株地下部分的生長(zhǎng)，其水分利用率最低。并且，隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，其根冠比和干濕重比均減小，即在不同CO2濃度下隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，對(duì)植株地上部分的生長(zhǎng)促進(jìn)更明顯，植株的水分利用率也會(huì)越來(lái)越高。

[1]Working Group Ⅲ of the Intergovernmental Panel on Climate Change.IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage[M].Cambridge: Cambridge University Press,2005.

[2]IPCC.IPCC special report on carbon dioxide capture and storage[R].Geneva: IPCC,2005.

[3]劉蘭翠,曹東,王金南.碳捕獲與封存技術(shù)潛在的環(huán)境影響及對(duì)策建議[J].氣候變化研究進(jìn)展,2010,6(4):290-295.

[4]王寶山.植物生理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[5]Kimball B A,Mauney J R,Nakayama F S,et al.Effects of increasing atmospheric CO2on vegetation[J].Vegetatio,1993,104(1):65-75.

[6]林偉宏,王大力.大氣二氧化碳升高對(duì)水稻生長(zhǎng)及同化物分配的影響[J].科學(xué)通報(bào),1998,43(21):2299-2302.

[7]Rogers H H,Runion G B,Prior S A,et al.Response of Plants to Elevated Atmospheric CO2: Root Growth,Mineral Nutrition,and Soil Carbon [M]∥Luo Y,Mooney H A.Carbon Dioxide and Environmental Stress.New York,USA: Academic Press,1999.

[8]郭建平,高素華,白月明,等.CO2濃度倍增對(duì)大豆葉片和總生物量的影響研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1995,6(S):62-68.

[9]溫民,王春乙,高素華,等.CO2濃度倍增對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)量形成及發(fā)芽率的影響[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究,1994,2(6):37-42.

[10]白月明,王春乙,溫民.不同CO2濃度處理對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究,1995,3(2):20-25.

Effect of CCS Technology for CO2Leakage on Biomass of C4Crops

XUE Lu1,MA Junjie2

(1.College of Life Science,Yulin University,Yulin,Shaanxi 719000,China; 2.College of Urban and Environmental Science,Northwestern University,Xi′an 710127,China)

Effect of CO2capture and storage(CCS)technology for CO2leakage on C4crops biomass is simulated to provide basic information for the potential effect of CCS technology for CO2leakage on environment.With the help of artificial CO2climate chamber,the impacts of CO2on the plant dry weight,root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps such as corn,sorghum,millet and broom corn millet were examined under the condition of CO2concentrations of normal,10 000,20 000,40 000,and 80 000 mg/kg by simulating the environment of high CO2concentration resulted from CCS technology for CO2leakage.When CO2concentrations reach to 10 000 mg/kg and 20 000 mg/kg,plant dry weight will increase， root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps will decrease,but as the CO2concentrations reach to 40 000 mg/kg and 80 000 mg/kg,plant dry weight will decrease， root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps will increase compared with the control group.With the increase of experiment days,root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps will gradually decrease.When CO2concentration is 20 000 mg/kg,plant dry weight of four C4corps reaches the maximum value,while root-shoot ratio and dry-wet weight ratio of four C4corps reach the minimum values,at this time,it is more advantageous to the growth of the aerial parts and more conducive to use of water.

CO2concentration; C4crops; dry weight; root-shoot ratio,dry-wet weight ratio

2015-08-15

2015-11-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“CO2地質(zhì)封存關(guān)鍵技術(shù)”(2012AA0501030);榆林學(xué)院高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目

薛璐(1989—),女,陜西綏德人,助理實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)及規(guī)劃。E-mail:xuelusuper@163.com

馬俊杰(1962—),男,陜西戶縣人,教授,主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)及規(guī)劃。E-mail:xdhgvip@163.com

X503.231

A

1005-3409(2016)05-0350-04