非飽和帶二氧化碳入侵對表生植物及土壤的影響

潘 穎，趙曉紅，王文科，鄧紅章，韓 楓，羅平平，楊雨萌，張 徽

（1.長安大學旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061；3.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051）

環(huán)境中的CO2與全球氣候變化、植物生長發(fā)育及人類健康安全息息相關，研究CO2的減排技術如地質碳儲存（GCS）及CO2對生態(tài)環(huán)境的影響至關重要。在地震、火山爆發(fā)和采礦等干擾下，GCS可能會發(fā)生泄漏，高濃度CO2通過裂縫、地質斷層或注水井向上移動并逃逸到地表環(huán)境中[1]。因此，CO2對地下水、土壤、植被、大氣等環(huán)境的影響及其監(jiān)測技術[2?5]備受關注。

過量的CO2對地下水可能會造成一系列影響，包括pH值降低[6?8]，某些離子（如鎘、鎂、鉛、砷、鋅等）濃度發(fā)生變化[9]，水體氧化還原電位的變化可能引發(fā)某些化學反應及改變一些污染物的生物活性[9?12]。有文獻研究CO2滲流對土壤化學的影響，揭示了pH值、輝石、鈉長石、石英等礦物，CaO、MgO、Fe2O3、Mn3O4等氧化物以及Mg、K、Ba、Al、Cr、Fe、Mn、Pb、Co等金屬元素濃度的下降趨勢[13?14]。

另外，大量研究關注了高濃度CO2對生態(tài)系統(tǒng)和表生植被的影響。CO2濃度升高會影響土壤酶、土壤呼吸、根系分泌物、微生物活性和群落結構[15?18]。Kruger等[19]研究了德國Leacher See天然陸地CO2排放口的植被和微生物種群，發(fā)現(xiàn)雙子葉植物比單子葉植物對CO2注入更為敏感。有研究考察了自然產(chǎn)生的CO2對植物生長的影響，發(fā)現(xiàn)植株高度和CO2濃度之間存在很強的負相關[20]。此外，CO2濃度升高會對植物的光合作用、根呼吸和植物發(fā)育產(chǎn)生不利影響[21?22]。在諾丁漢大學校區(qū)的ASGARD（Artificial Soil Gasassing Response Detection）基地進行的類似研究表明：種子萌發(fā)率、生長響應與CO2濃度呈負相關關系[23]。West等[24]通過模擬CO2泄漏試驗，發(fā)現(xiàn)單子葉植物比雙子葉植物更耐脅迫，這也與其他研究結果[19,25- 26]一致。雖然這些研究探討了土壤和生態(tài)系統(tǒng)對CO2入侵的響應，但很少進行系統(tǒng)、全面的模擬試驗。

本研究利用長安大學渭水校區(qū)的CO2泄漏模擬試驗平臺，對當?shù)剡x定的土壤和植物進行可控的CO2注入，研究高濃度CO2入侵非飽和帶土壤對植物生長、光合作用、代謝作用和抗逆性的影響，探討土壤理化性質的變化，評估CO2對生態(tài)環(huán)境安全的影響，同時尋找可用于監(jiān)測CO2泄漏的潛在指示植物。

1 材料與方法

1.1 研究地點和試驗控制系統(tǒng)

長安大學渭水校區(qū)水與環(huán)境原位試驗場（圖1）總面積13 300 m2，其中CO2模擬試驗區(qū)2 190 m2，包括CO2混配系統(tǒng)、CO2監(jiān)測塔和溫室，可模擬和探索高濃度CO2對表生植物和土壤地球化學性質的影響。

圖1（b）為溫室，由4個單獨室組成，每個室有15個木制試驗樣框，見圖1（c）。通過試驗框中圓形進氣管從底部注入不同濃度的CO2，CO2濃度配比調控系統(tǒng)由計算機控制，可將高壓氣瓶中純CO2和空氣以不同的體積比混合，并按照設計的濃度及釋放速率將CO2通過壓縮機和配氣管道輸送到各個試驗區(qū)。

圖1 原位試驗場地總覽（a）、溫室（b）、溫室試驗框（c）及CO2入侵模擬試驗流程圖（d）Fig.1 Overview of the test field（a）,the greenhouse（b）,the plant plot（c）and the schema of CO2 transport system（d）

1.2 試驗方法和樣品采集

研究中使用的土壤采自鄂爾多斯GCS工程示范區(qū)。播種前，將土壤與一定量的有機肥料混合并充分攪拌均勻。此后，將溫室中每個試驗框裝滿相等重量的土壤，用相同體積的自來水澆灌保持20%～40%的水分。選擇C3單子葉植物黑麥草和小麥，C3雙子葉植物豌豆，C4單子葉植物玉米和C4雙子葉植物莧菜，在4個溫室60個試驗框中播種，每種植物在同一溫室內設置三個平行樣。在植物生長期內（4月—11月），從試驗框底部持續(xù)注入高濃度CO2。同一溫室CO2濃度相同，不同溫室濃度分別設定為5%、10%和15%（V/V），第四個溫室作為對照組，沒有注入CO2。

在植物生長周期期間，測量植株高度和葉片數(shù)，并在成熟時記錄果實的重量和數(shù)目。取植物葉片樣分析植物光合作用、代謝功能以及抗逆性變化。植物樣品采集后保存在冰箱中，并在一周內完成測試分析。

土壤取樣時將所有植物去除，從20～30 cm深度采集土壤樣品，每個溫室試驗框中采點2～3處，每個框均采集，后將土壤樣混合均勻，最終形成4份土壤樣品，分別標記為X0、X5、X10、X15（分別代表注入0、5%、10%和15%的 CO2）。將收集的土壤樣品風干并通過200目篩網(wǎng)過篩除去大的根莖及顆粒，存儲在干凈袋子中，進行測試和分析。

1.3 指標及測試方法

1.3.1 植物生理生化指標

使用標準方法測量植株高度和葉片數(shù)。挑選新鮮的植物樣品進行生理生化指標測試：抗逆性指標包括過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、脯氨酸（PRO）和丙二醛（MDA）；光合作用指標包括葉綠素a、b和類胡蘿卜素；代謝功能指標包括可溶性蛋白質和糖。所有測量均根據(jù)標準方法進行[27]。

1.3.2 土壤理化性質

土壤pH值通過標準脫CO2水萃取法（水土比為2.5∶1）使用pH計測定[28]。按照標準程序，使用全自動凱氏定氮儀（Foss 8 400，丹麥）測量總氮（TN），使用間斷化學分析儀（ADA，CleverChem200，德國）分析氨（NH+4）、硝酸鹽（NO?3）、總磷（TP）和有效磷（AP）。采用火焰光度計（6400A，德國）測試總鉀（TK）和有效鉀（AK）。通過X射線衍射儀（XRD）（D / MAX-3C，日本）研究土壤礦相組成變化，并通過元素分析儀（VarioELⅢ，德國）測量土壤總碳（TC）及有機碳（TOC）。

2 試驗結果與討論

2.1 CO2入侵對表生植物的影響

2.1.1 發(fā)芽率和表觀性狀

選擇豌豆作為目標植物，在發(fā)芽的第10天進行測試。圖2為4種植物在生長過程中的表觀形狀。可以看出：在對照區(qū)和CO2濃度為5%、10%和15%的土壤中，豌豆的發(fā)芽率分別為90%、82%、69%、46%，發(fā)芽率與CO2濃度之間存在直接的負相關關系。植物在對照土壤中生長良好，莖較高，葉片顏色較深，密度也較高。在高CO2濃度下，植物的生長受到顯著抑制，特別是豌豆。

圖2 不同濃度CO2入侵下植物的生長狀況（從上到下：小麥、玉米、黑麥草、豌豆）Fig.2 The pictures of plants（from top to bottom: wheat,corn,ryegrass and pea）

2.1.2 植物生長和果實質量

在植物生長中期測量株高和葉片數(shù)，結果如圖3（a）（b）所示?？梢钥闯觯衩缀颓{菜高度受CO2影響最明顯，玉米在5%區(qū)域中最低，較對照區(qū)低44.94%，但在不同CO2濃度下高度沒有明顯差異；莧菜在10%區(qū)域高度最低，比對照組低約45.45%。黑麥草和豌豆高度在其他濃度區(qū)變化不大，在15%時株高最低，分別低于對照19.15%和7.8%。值得注意的是，隨著CO2濃度的增加，豌豆高度也有小幅增加的趨勢，在10%達到最高。

小麥和豌豆的葉片數(shù)隨著CO2濃度的增長沒有顯著變化，而黑麥草的葉片數(shù)有適度增加。玉米和莧菜的葉片數(shù)在5%和10% CO2濃度區(qū)下分別比對照區(qū)低20%和46.15%。

收獲小麥和豌豆果實以測定其重量和數(shù)量，結果如圖3（c）（d）所示。對照區(qū)的小麥果實總重量達到40 g，而其他CO2濃度區(qū)的小麥果實的重量不到5 g；豌豆莢的重量和數(shù)量與CO2濃度呈負相關，相關系數(shù)分別為0.912和0.981。

圖3 植株高度（a）、葉片數(shù)量（b）、果實質量（c）及顆粒數(shù)（d）等的生長情況Fig.3 Plant growth analysis including plant height(a),plant leaf number(b),fruit weight(c) and fruit quantity(d)

2.1.3 植物光合作用

如圖4所示，黑麥草、豌豆和玉米的葉綠素a在濃度為5%的CO2影響下增加，后隨CO2濃度升高而降低；小麥和莧菜中葉綠素a含量隨著CO2濃度升高先下降后升高。與葉綠素a相比，葉綠素b和類胡蘿卜素的含量很低，在CO2干擾下變化不大，尤其是類胡蘿卜素?？傮w上，CO2濃度對黑麥草、小麥和莧菜光合作用的影響是顯而易見的，對豌豆和玉米的影響相對較弱。在高CO2濃度下葉綠素含量增加，表明適度CO2可以促進植物的光合作用。

圖4 不同CO2濃度下植物的光合作用指標Fig.4 Photosythesis of plants under CO2 exposure

2.1.4 植物代謝功能

蛋白質對細胞和生物的生命活動十分重要。在植物細胞中，可溶性蛋白對植物具有特異性調節(jié)代謝和脫水保護作用[29]，植物可通過合成更多的可溶性蛋白質以降低滲透壓，維持細胞充沛并減少傷害[30?31]。表1為5種植物在不同CO2濃度影響下可溶性蛋白質濃度。可以看出，不同植物表顯著下降，但當CO2分別達到10%和15%后，基本保持穩(wěn)定；玉米和莧菜葉片中蛋白質含量分別在15%和10%出現(xiàn)最大值，比對照組總體含量增加；豌豆的蛋白質含量有一定的下降，但變化幅度不大。

表1 不同CO2濃度下植物的可溶性蛋白濃度Table 1 Soluble protein concentrations of the plants under CO2 exposure/（mg·g?1）

可溶性糖是新陳代謝的主要產(chǎn)物，對調節(jié)植物的生長、發(fā)育、成熟、衰老和抗逆性，以及對滲透調節(jié)和蛋白質儲存至關重要[32]。通常，在環(huán)境壓力下會觀察到植物中糖類含量的增加，以平衡滲透壓、減少水分流失、維持植物的生長[33]。如表2所示，隨著CO2濃度的增加，所有植物中的可溶性糖含量均有所增加，黑麥草和小麥中的可溶性糖含量遠高于玉米、豌豆和莧菜。另外，當CO2濃度為5%時，黑麥草和小麥的含糖量已明顯增加；豌豆和玉米在10%下才開始增加，莧菜在15%時變化較明顯。

表2 不同CO2濃度下植物的可溶性糖濃度Table 2 Soluble saccharide concentrations of the plants under CO2 exposure/（μmol·g?1）

2.1.5 植物抗逆性

正常情況下植物體內自由基維持在濃度很低的水平，當遭受某種環(huán)境脅迫時自由基就會增多，而SOD、CAT、POD等酶活性的增強可以清除超氧自由基、H2O2和過氧化物[34]，減少生物所受的傷害。

圖5顯示，除莧菜外，其他植物中的POD遠高于SOD和CAT。與對照組相比，黑麥草在15% CO2影響下，SOD、CAT的活性有所降低，POD總體升高；小麥中的SOD活性沒有明顯變化，CAT、POD先降低后升高；豌豆中的SOD、CAT、POD變化不明顯，說明其對外界脅迫的敏感性較低；玉米中的SOD、CAT濃度相似，對CO2不敏感，但在5%時POD顯著增加，隨后急劇下降；莧菜體內的SOD、CAT、POD含量最低，在CO2濃度增加時，SOD降低，CAT先升高，然后保持穩(wěn)定，而POD無明顯變化。

圖5 不同CO2濃度下植物的抗氧化酶活性Fig.5 Antioxidant enzyme activity of plants under the CO2 exposure

植物在處于壓力和衰老的狀態(tài)下產(chǎn)生自由基，會導致膜脂質過氧化作用增強[35]。MDA是膜脂質過氧化過程中的重要產(chǎn)物，嚴重影響膜的健康，因此MDA可用作評估膜脂過氧化水平的指標[35?36]。如表3所示，所有植物中的MDA濃度都非常低。在CO2濃度增加的情況下，黑麥草，小麥，豌豆和玉米中的MDA濃度呈上升趨勢，且在15%和10%時，黑麥草和小麥的MDA顯著增強。莧菜中的MDA含量相對穩(wěn)定。

表3 不同CO2濃度下植物的丙二醛濃度Table 3 MDA concentrations of the plants under CO2 exposure/（μmol·g?1）

PRO是植物蛋白的一種成分，廣泛存在于植物的各個部位，包括根、莖、葉、花和果實[37]。當植物遭受干旱、寒冷、高溫和鹽分等脅迫時，調節(jié)滲透的PRO濃度將增加，以降低水勢和傷害。從表4中可以看出，黑麥草中的PRO隨CO2濃度的增加而降低，在CO2達到10%后急劇下降；小麥沒有明顯的變化趨勢，總體上PRO濃度下降；豌豆中PRO含量隨CO2濃度升高增加明顯；玉米在5%時增加31.4%，但在較高的CO2濃度下又迅速下降；莧菜中PRO含量減少，在10%條件下含量處于最小值，比對照組減少了64%。

表4 不同CO2濃度下植物的脯氨酸濃度Table 4 Proline concentrations of the plants under CO2 exposure/（mg·g?1）

2.2 土壤理化性質

土壤pH值是土壤理化性質的重要參數(shù)，通常在pH值小于4或大于9時，植物的代謝功能會受到抑制或破壞。此外，pH值也會影響植物對Ca、Mg、N、P和K等離子的吸附。本研究中，原始風干土壤（對照區(qū)）的pH為8.85。在注入CO2后，5%、10%和15%濃度區(qū)的pH分別為8.98，9.10，9.12，表明風干土壤pH值隨CO2濃度的增加而略微升高。

如圖6所示，土壤中的TN和TC濃度范圍分別在0.2～0.24 g/kg和14.18～16.25 g/kg之間，并且隨著CO2濃度的增加而降低，最大降幅分別為16.7%和12.7%。土壤中NH+4（0.73～13.12 mg/kg）和NO?3（2.35～18.09 mg/kg）含量較低，但在5%和10%時NH+4含量有明顯升高，硝酸鹽總體上與總氮的變化一致。土壤中的TP含量為0.505～0.543 g/kg，CO2入侵可導致TP濃度略微升高；AP的占比很低，僅為TP的2%～2.6%，在CO2入侵的條件下沒有明顯變化。TK在10% CO2時含量最高，為20.1 g/kg；AK占比TK不足1%，在CO2影響下比對照降低了約一半。如圖6（d）所示：TOC約占TC的25%～30%，在CO2脅迫下有較小波動。

圖7為土壤XRD衍射圖譜。根據(jù)標準圖譜，位于27°，28°和29.5°的衍射峰確定為SiO2（silica），鈣長石- CaO.Al2O3.2SiO2（anorthite）和CaCO3的特征峰；伊利石- KAl2[（OH）2AlSi3O10]（illite）的主要特征峰位于8.8°、27° 2θ角，與SiO2重疊；高嶺石- Al4[Si4O10]（OH）8（kaolinite）的最強峰是在12.5°；綠泥石和蒙脫石的衍射峰變化不太明顯。通過比較峰的位置和強度，土壤的主要成分是SiO2，并且在暴露于CO2的情況下，CaCO3和鈣長石含量稍有增加，土壤的結晶程度增強，但總體變化不明顯。

圖7 土壤XRD衍射圖譜（X0：對照; X10：10%; X15：15%）Fig.7 XRD image of soil（X0: control; X10: 10%; X15: 15%）

2.3 討論

非飽和帶土壤特性對植物的生長至關重要。通常，土壤是一個復雜的多相系統(tǒng)，水分、氣體成分和礦物質會影響土壤的物理和化學性質。

CO2在土壤水相中溶解產(chǎn)生的H2CO3，分解為H+和HCO?3，會導致土壤pH下降[38]。試驗使用土壤原位pH計進行了現(xiàn)場測量，其值在6.4～7.8之間，此時CO2氣體在土壤中處于飽和狀態(tài)，土壤含水率較高，CO2氣體溶于土壤水相，導致土壤pH值較低。而風干土壤X0（對照）的pH為8.85，X5、X10、X15的pH逐漸增加至9.12。與原位pH值不同，風干土壤中已無CO2氣體，其pH值主要受可溶性礦物質的影響。長期注入CO2，土壤中產(chǎn)生了更多的堿性CaCO3、Ca（HCO3）2、鈣長石，從而引起pH值略微升高。此外，XRD測試證實了礦物的結晶及其類型的變化，這也與以前的研究結果相吻合[39]。

由于復雜的氣-水-土壤多相反應過程，如溶解、交換、水合作用、水解和腐蝕等過程，礦物類型和濃度會發(fā)生改變[40- 41]。高濃度CO2入侵會導致土壤氣相中CO2含量的變化，并增加H+、HCO?3、CO23?的濃度，從而破壞沉淀-溶解平衡，導致礦物類型和含量、孔隙度、滲透率發(fā)生變化[42]。本文中CO2的入侵也影響了土壤營養(yǎng)元素氮、磷、鉀及碳含量。但總體上，土壤的理化性質變化不明顯，表明在短時期內CO2的入侵不足以給土壤帶來顯著變化。

土壤特性、天氣條件、地貌、植被和土地利用類型都是影響植物生長的主要因素。由于本試驗在溫室中進行，因此CO2濃度是影響植物生長的主要因素。試驗結果表明，高濃度CO2對不同植物生長和發(fā)育產(chǎn)生的影響比較復雜：不同植物對不同濃度CO2的響應不同，但總體上高濃度CO2會抑制植物的生長發(fā)育，可能由于土壤pH的降低、CO2濃度的升高抑制了植物根系的呼吸和對營養(yǎng)物質及微量元素的吸收[43]。

對于植物的光合作用，CO2入侵對不同植物的影響不同。在低濃度5%，CO2可以促進黑麥草、豌豆和玉米的光合作用，而在較高濃度下會產(chǎn)生抑制作用。相反，在低CO2濃度下，小麥和莧菜的光合作用受到抑制，但在10%和15%的高CO2濃度下，光合作用得到增強。這一現(xiàn)象可能是由于不同植物光合作用的CO2飽和點不同所致。

蛋白質和糖類對于植物代謝至關重要。隨著CO2含量的增加，C3植物黑麥草、小麥和豌豆的蛋白質增加，而C4植物玉米和莧菜的蛋白質減少。糖類在所有植物中均有提高，特別是C3植物黑麥草、小麥和豌豆。結果表明與C4植物相比，CO2入侵對C3植物的代謝影響更為顯著。

植物中SOD、CAT和POD濃度與CO2濃度變化沒有顯著相關性，這可能是由于SOD、CAT、POD的抗逆性閾值不同所致。而且，不同植物的抗逆性機制是多種多樣的：玉米主要依賴于蛋白質的增加，黑麥草依賴于糖和POD，小麥、豌豆和莧菜主要依賴于糖、SOD和CAT?？傮w上，黑麥草和玉米對CO2脅迫較為敏感，具有其作為CO2泄漏指示植物的潛在優(yōu)勢。但由于本研究時間較短，未獲得顯著規(guī)律，未來的研究應側重CO2長期入侵對土壤性質的影響及揭示植物抗逆性的詳細機理，為評估CO2對生態(tài)環(huán)境帶來的潛在威脅提供理論與技術支持。

3 結論

（1）CO2入侵非飽和帶會導致土壤pH的變化。隨著CO2濃度的增加，氮、碳、有效鉀、有效磷相對減少，而TP、TK沒有明顯變化。XRD表明CO2的入侵可能促進CaCO3、鈣長石等礦物的增加，并提高土壤的晶化程度。

（2）CO2入侵對植物的生長、生理生化系統(tǒng)都會產(chǎn)生不利影響：植物葉片光合作用受到明顯抑制，各植物體內的可溶性糖、蛋白質、PRO等滲透調節(jié)物質以及CAT、POD、SOD等抗氧化酶對CO2入侵的響應均有很大差異。相比較而言，可溶性糖和POD的敏感性較高；

（3）不同植物對CO2脅迫的響應不同，各因子的變化趨勢也不同：C3單子葉黑麥草和C4單子葉玉米比其他植物更敏感，具有作為監(jiān)測CO2泄漏的指示植物的潛力。