模擬CCS技術CO2泄露對C4作物生物量的影響

薛 璐,馬俊杰

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

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模擬CCS技術CO2泄露對C4作物生物量的影響

薛 璐1,馬俊杰2

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

模擬CCS技術CO2泄露對C4作物生物量的影響，以期為CCS技術CO2泄露后可能產生的環(huán)境影響提供基礎性資料。利用CO2人工氣候箱，模擬CCS技術CO2泄露產生的高濃度CO2環(huán)境，研究在CO2分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，對玉米、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。試驗結果表明：當CO2濃度為10 000，20 000 mg/kg時，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，4種C4作物植株干重逐漸減少，根冠比、干濕重比均增大，并且隨著試驗天數(shù)的增加，4種C4作物的根冠比和干濕重比會逐漸減小。在CO2濃度為20 000 mg/kg時，4種C4作物的干重值最大，根冠比和干濕重達到最小值，此時，更利于植物地上部分的生長，其水分利用率達到最高。

CO2濃度; C4作物; 干重; 根冠比; 干濕重比

CO2的捕獲與儲存(CO2capture and storage，CCS)被認為是最有前景和潛力的CO2減排技術[1]，但CCS技術在CO2捕獲、運輸和封存3個環(huán)節(jié)中都會存在CO2泄露的風險，CCS技術存在的潛在環(huán)境影響也備受關注[2]。CCS技術中CO2泄露產生的高濃度CO2環(huán)境對水環(huán)境、土壤環(huán)境、動植物生長發(fā)育以及人體安全都會帶來局部和全球性的影響[3]。本文通過模擬CCS技術CO2泄露對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CO2泄露可能產生的環(huán)境影響提供基礎性依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗作物

本試驗以國家863計劃“CO2地質封存關鍵技術”項目為支撐，選擇4種典型的C4作物作為本試驗的研究作物。包括：玉米(西蒙6號)、高粱(晉雜12)、谷子(晉谷29)、糜子(內糜5號)。

1.2試驗儀器

本試驗采用寧波江南儀器廠生產的CO2人工氣候箱(RXZ-500C-CO2)來模擬CCS技術中CO2發(fā)生泄露后產生的高濃度CO2環(huán)境。CO2人工氣候箱通過采用先進的PID(比例、積分、微分)智能控制算法，對人工氣候室的CO2濃度進行采集，確定CO2的濃度是否符合試驗要求，當室內值低于設定值時，系統(tǒng)自動通過CO2儲氣罐增加人工氣候室CO2濃度，直到氣體濃度達標。該CO2人工氣候箱控溫范圍：0～50℃；控濕范圍30%～95%RH(相對濕度)；光照度：0～22 000 lux，多級可調；CO2濃度量程到100 000 mg/kg，可根據(jù)試驗需要設定目標值。

1.3試驗方法與步驟

本試驗設置5個CO2濃度梯度，分別為：正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg。在每個CO2濃度梯度下重復試驗3次，測量各C4作物的生物量指標。其中，CO2人工氣候箱設置條件為：白天12 h，溫度25℃，濕度80%，光強100%；夜晚12 h，溫度20℃，濕度80%，光強20%。

5個CO2濃度梯度下的生物量試驗嚴格按照以下步驟進行：

(1)每種作物種子準備8～10個花盆，加入處理后的試驗土壤，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)等待長出些許幼苗(一般在種植后的10～12 d，各種作物進入2～3葉期)，選擇每種作物長勢良好且基本相同的6～8個花盆重點培育，并在CO2人工氣候箱內通入試驗所需要的CO2濃度；

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

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

在各CO2濃度梯度下，每種作物的生物量指標記錄多個數(shù)據(jù)。其中，每個指標篩選出其最大值、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　結果與分析

2.1CO2泄露對C4作物干重的影響

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

圖1　不同CO2濃度對4種作物植株干重的影響

2.2CO2泄露對C4作物根冠比的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，逐日統(tǒng)計的4種C4作物的生物量數(shù)據(jù)，根據(jù)每周統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，計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作物在試驗的3周內，隨著CO2濃度增加到10 000，20 000 mg/kg時，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，其根冠比增加，并高于對照組，并且每周各C4作物的根冠比均在CO2濃度為20 000 mg/kg時達到最小值。并且，隨著試驗天數(shù)的增加，根冠比均減小，即在各CO2濃度下，隨著試驗天數(shù)的增加，植株地上部分的生長更為明顯。

2.3CO2泄露對C4作物干濕重比的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，逐日統(tǒng)計的4種C4作物的干重及濕重，根據(jù)每周統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，計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作物在試驗的3周內，隨著CO2濃度增加到10 000，20 000 mg/kg時，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，其干濕重比增加，并高于對照組，并且在每周各C4作物的干濕重比均在CO2濃度為20 000 mg/kg時達到最小值。并且，隨著試驗天數(shù)的增加，干濕重比均逐漸減小

表1　不同CO2濃度對4種作物干濕重比的影響

3　結論與討論

植物生物量是研究植物的重點，常用干重、根冠比、干濕重比等指標來衡量。Kimball等[5]對37種植物研究表明：若大氣CO2濃度倍增，全球農作物產量會增加24%～43%，并且，CO2濃度升高對同一株植物各部分生物量的分配也有所不同，有的促進根部生物量積累，有的促進地上部分生物量的積累[6]。Rogers等[7]綜述了高CO2濃度對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；我國在20世紀80年代，有郭建平[8]、溫民[9]、白月明[10]等研究表明在CO2濃度倍增時會增加大豆、冬小麥、棉花的生物量，更有利于植株積累更多的營養(yǎng)物質。

本試驗基于近幾年關注熱點CCS技術，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CO2泄露后可能產生的高濃度CO2環(huán)境并與正常大氣CO2濃度作對比，研究高濃度CO2對植物生物量的影響。主要有以下結論：在CO2濃度為10 000，20 000 mg/kg時，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，4種C4作物的干重較正常大氣CO2濃度會逐漸減少，其根冠比和干濕重比均增加；另外，隨著試驗天數(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植株地上部分與地下部分不同的促進作用，一般，根冠比越小，越有利于植株地上部分的生長，根冠比越大，越有利于植株地下部分的生長；植株的干濕重比與植株的水分利用率有一定關系，即干濕重的比值在一定程度上可以解釋植株對水分的利用能力，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，干重值最大，其根冠比、干濕重比最小，說明此時更促進植株地上部分的生長，其水分利用率最高，在CO2濃度為80 000 mg/kg時，干重值最小，其根冠比、干濕重比最大，說明此時更促進植株地下部分的生長，其水分利用率最低。并且，隨著試驗天數(shù)的增加，其根冠比和干濕重比均減小，即在不同CO2濃度下隨著試驗天數(shù)的增加，對植株地上部分的生長促進更明顯，植株的水分利用率也會越來越高。

[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.碳捕獲與封存技術潛在的環(huán)境影響及對策建議[J].氣候變化研究進展,2010,6(4):290-295.

[4]王寶山.植物生理學[M].北京:科學出版社,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水稻生長及同化物分配的影響[J].科學通報,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濃度倍增對大豆葉片和總生物量的影響研究[J].應用氣象學報,1995,6(S):62-68.

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

[10]白月明,王春乙,溫民.不同CO2濃度處理對棉花生長發(fā)育和產量形成的影響[J].生態(tài)農業(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

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)“CO2地質封存關鍵技術”(2012AA0501030);榆林學院高層次人才引進項目

薛璐(1989—),女,陜西綏德人,助理實驗師,研究方向為環(huán)境影響評價及規(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)境影響評價及規(guī)劃。E-mail:xdhgvip@163.com

X503.231

A

1005-3409(2016)05-0350-04