二氧化碳泄漏对农田环境的影响

二氧化碳泄漏对农田环境的影响 0引言碳捕获与封存（carboncaptureandstorage，CCS）作为一项新兴的、具有大规模碳减排潜力的技术，有望成为未来全球应对气候变化、实现低碳经济转型的重要环节，是全球减排的重要战略性技术1。2010年12月，在墨西哥坎昆举行的联合国气候变化谈判大会通过了将地质形式的CCS作为CDM项目活动的协议，预示着CCS将进入快速发展期。中国作为世界上最大的发展中国家，正处在快速工业化和城市化的关键发展时期，特别是以煤炭为主的能源结构短期内难以改变，面临着发展经济和积极应对气候变化的双重压力2。而CCS具有对经济发展影响较小、减排效果显著的特点，开展CCS项目的技术研发与示范，形成战略性技术储备，对中国具有非同寻常的意义3。但是目前的CCS工程存在CO2泄漏的风险4，如果封存在盐水层或废弃油气矿床等地质构造中的CO2通过断层、断裂或人工钻探口泄漏到地表，将会抵消CCS对于减缓气候变化的贡献5，更重要的是鉴于CCS项目的空间规模，短期或长期的泄漏都可能会对当地的健康、安全和环境造成显著的影响6-8。同时，由于中国生态环境脆弱、气象和地质灾害频发，CCS技术在中国的风险要远高于其他地区9，实际上，由于担心封存CO2泄漏引发的生态环境问题而导致的公众反对已经成为CCS活动的重要障碍之一10。因此，在不同时空尺度下研究地质封存CO2泄漏对地表生态系统的影响，特别是确定生态系统的耐受阈值，对于理解封存CO2泄漏环境影响的机理，为决策和管理者定量评估CCS风险和制定气候变化减缓对策，引导公众正确对待CCS活动，都有十分重要的意义。以往气候变化影响的研究多集中于大气CO2浓度升高对农业生态系统的影响11-12，而关于由地下土壤深层向上迁移的CO2气体导致土壤层中CO2浓度升高的影响研究，相比于前者要少得多13。世界上第一个把CO2捕获与封存和温室气体减排概念相结合在一起的是始于20世纪90年代中期的挪威Sleipner项目14-15。虽然CO2捕获与封存概念经历了大约25a的研究取得了很大进展，国内外学者对地质封存CO2的长期性和安全性问题也做了不少相关研究和报道16-17，封存CO2发生泄漏和迁移的过程可以通过CO2传感器或者同位素示踪剂来准确地跟踪监测18-19甚至模型模拟20，但是关于CO2在其泄漏过程中对地表生态系统的影响却并没有出现较完善和统一的结论。目前，有关地质封存CO2泄漏对生态环境影响的研究主要分为2个思路：一是基于地下深处释放的CO2天然试验地，例如地热活跃区21-22、火山活跃区23-25和天然CO2温泉26，当这些天然CO2释放源附近的土壤CO2浓度达到毒性级时，植物叶片光合作用降低、提前衰老27-28甚至死亡29。Beaubien等22对意大利中部地中海草原生态系统上一个由深层地热形成的通气口展开研究发现，距离通气口中心6m宽的范围内没有植物生长，由中心向外形成了一个近似20m宽的环形过渡区，沿径向由中心向外穿过这个过渡区后生态系统的各物理参数逐渐回归到背景值。然而这类天然试验地无法与工业级别的CCS封存库相比较，而且长时期暴露在高浓度CO2环境后，生态系统可能已经完成了适应和恢复过程22，无法评估影响发生的全过程；二是基于定量模拟CO2泄漏的人工控制装置，这正逐渐成为当前研究地质封存CO2泄漏对生态系统影响的热点，当前正在运作的2个大规模人工控制试验系统分别是英国诺丁汉大学的人造土壤气体和响应监测（artificialsoilgassingandresponsedetection，ASGARD）和美国蒙大拿州立大学的零排放研究和技术中心（zeroemissionresearchandtechnologycenter，ZERT）。例如，利用ASGARD，Patil等30以1L/min的流速往牧草地和冬豆休耕地下连续注入CO2气体，并运用基础生物技术去监测生态系统对泄漏;的响应，结果显示通气小区受到了明显的压力征兆；West等31发现单子叶植物比双子叶植物具有更大的耐受性，并且不同深度的土壤气体通量不能直接与地表泄漏通量相联系，注入土壤中的CO2大概只有1/3在地表试验区边界内被观测到。而ZERT对深入研究泄漏CO2在近地表的时空变化起到了很好的作用19,32。但这些人工控制试验都存在特定性，对现实可能泄漏情景的多样性考虑不够，而且分析的时空尺度不同，其结果很难具有可比性。然而，此类人工试验方法的构建思想以及基于现实模拟的特点，使其在未来评估CCS泄漏风险的研究方面具有十分重要的借鉴意义33。地质封存CO2泄漏对地表生态系统的影响机理较为复杂，国外开始有学者对此进行不少相关研究22,30-31，但仍处于起步阶段，因为这些试验大多都基于天然CO2释放源或人工恒定速率的CO2泄漏源，缺少基于不同泄漏情景下的基础信息和数据7,34。而国内在CCS风险评估方面的试验研究尚未见报道，随着未来中国CCS项目的陆续实施，开展定量模拟试验势在必行。在此背景下，本研究通过构建人工封存CO2泄漏模拟装置，运用人为控制手段，模拟地质封存CO2泄漏到地表生态系统的不同情景，通过地表生态系统对不同泄漏情景的响应，更好地理解封存CO2泄漏对地表生态系统的潜在风险，确定地表生态系统对CO2泄漏的耐受阈值，深化对封存CO2泄漏环境影响机理的理解，为正在实施和规划中的CCS示范项目提供环境影响评估的定量标准，为政府和相关机构提供决策依据。基于代表性和广泛性的考虑，以及农田生态系统的植物类型和结构单一、对外界变化的响应具有高度的一致性等特点，本文选择以玉米为代表的农田生态系统作为试验对象。1封存CO2泄漏人工控制模拟平台与研究方法1.1封存CO2泄漏人工控制模拟平台封存CO2泄漏人工控制模拟平台的基本原理是构建一组相互独立的简单生态系统，通过人工控制的方式从土壤中以不同速率释放CO2气体，形成不同的土壤CO2通量，模拟封存CO2泄漏的不同情景。通过一套观测系统记录不同模拟情景下对各个生态系统的影响，评估封存CO2泄漏对地表生态系统的影响。模拟平台由简单生态系统、人工CO2控制释放装置、监测记录系统和管理等部分构成（图1）。人工CO2控制释放装置包括试验容器（土室、透气性分隔片、CO2气室）、导管、流量计和CO2气源组成。其中，透气性分隔片把供作物生长的土室和均匀释放CO2气体的气室分隔开来，以确保气室的CO2气体均匀分布地进入土室的土壤；土室上部开口直径40cm、土室下部（即圆形分隔片）直径36cm，土室高33cm，而气室高17cm；CO2气体通过导气管进入气室，利用流量计控制其注入速率。