模拟CCS技术CO2泄露对C4作物种子萌发的影响

薛 璐， 马俊杰

(西北大学 城市与环境学院， 陕西 西安 710127)

二氧化碳的捕获与储存(CO2capture and storage，CCS)被认为是最有前景和潜力的CO2减排技术[1]，但CCS技术在CO2捕获、运输和封存3个环节中都会涉及到CO2泄露的风险，因此，CCS技术存在的潜在环境影响也备受关注[2]。CCS技术中CO2泄露产生的高浓度CO2环境对水环境、土壤环境、动植物生长发育以及人体安全都有重要影响，会带来局部和全球性的环境影响[3]。通过模拟CCS技术CO2泄露对C4作物种子萌发的影响，以期为CCS技术CO2泄露后可能产生的环境影响提供基础性资料。

1 材料与方法

1.1 试验作物

试验地点为陕西省榆林市靖边县。选择当地4种典型的C4作物作为本试验的研究作物。包括：玉米(Zeamays.L.,西蒙6号)、高粱〔Sorghumbicolor(Linn.)Moench,晋杂12号〕、谷子〔Setariaitalica(L.)Beauv.,晋谷29号〕、糜子(PanicummiliaceumL.,内糜5号)。

1.2 试验方法

CCS技术中CO2若发生泄露，必然会产生高浓度的CO2环境。试验采用宁波江南仪器厂生产的二氧化碳人工气候箱(RXZ-500C-CO2)来模拟CCS技术中CO2发生泄露后产生的高浓度CO2环境。CO2人工气候箱通过采用先进的PID(proportion integral derivative)智能控制算法，对人工气候室的CO2浓度进行采集，确定CO2的浓度是否符合试验要求，当室内值低于设定值时，系统自动通过CO2储气罐增加人工气候室CO2浓度，直到气体浓度达标。该CO2人工气候箱控温范围为0～50 ℃；控湿范围30%～95%相对湿度RH(relative humidity))；光照度0～22 000 lux，多级可调；CO2浓度量程到100 000 mg/kg，可根据试验需要设定目标值。

本试验设置5个CO2浓度梯度，分别为：正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg。在每个CO2浓度梯度下重复试验5次，观察各C4作物种子的萌发。其中，CO2人工气候箱设置条件为：白天12 h，温度25 ℃，湿度80%，光强0%；夜晚12 h，温度20 ℃，湿度80%，光强0%。

1.3 试验步骤

本种子萌发试验按照国家标准《农作物种子检验规程发芽试验(GB/T 33543.4—1995)》的方法进行。

(1)精选颗粒饱满且大小基本相同的各作物种子各100粒，首先将种子在20 ml 3%的双氧水稀释10倍的溶液里消毒浸泡5 min，再用温水浸泡1 h，使种子充满水分，最后，分别用自来水、蒸馏水冲洗多次。

(2)将每种作物种子放入以一层纱布为发芽床的培养皿，并用一层纱布盖住培养皿(培养皿直径大约为9 cm)。定时补充水分，保持纱布湿润。

(3)以种子胚根突破种皮2 mm 以上作为发芽标准, 逐日统计各作物发芽种子粒数。

1.4 数据统计

在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，逐日统计4种C4作物的发芽数，并计算其发芽率、发芽势以及平均发芽天数。试验数据取5次重复试验平均值。

发芽率=第7 d萌发种子粒数/供试种子总粒数 100%

发芽势=第3 d萌发种子粒数/供试种子总粒数 100%

平均发芽天数=∑(Gt×Dt)/∑Gt

式中：Gt——在不同天数的发芽率(%)；Dt——发芽天数(d)。

2 结果与分析

2.1 CO2泄露对C4作物发芽率的影响

在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，对4种C4作物的发芽率影响见图1。

图1 不同CO2浓度对4种C4作物发芽率的影响

由图1可知，模拟CCS技术CO2泄露在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，对玉米的发芽率基本没有影响，发芽率均为100%；高粱、谷子和糜子随着CO2浓度增加到10 000，20 000，40 000 mg/kg时，其发芽率均高于对照组，但对其促进作用不是很显著，较对照组促进范围在1%～5%，其中高粱、谷子和糜子分别在CO2浓度为10 000，20 000，20 000 mg/kg，发芽率达到最高，但CO2浓度为80 000 mg/kg时，对高粱、谷子和糜子的发芽率产生抑制作用，其发芽率均小于对照组。

2.2 CO2泄露对C4作物发芽势的影响

在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，对玉米、高粱、谷子以及糜子发芽势的影响见图2。

图2 不同CO2浓度对4种C4作物发芽势的影响

由图2可知，模拟CCS技术CO2泄露在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，对玉米的发芽势基本无影响，发芽势均为100%；不同浓度CO2对高粱、谷子和糜子发芽势的影响较为显著，3种作物均在CO2浓度为20 000 mg/kg时，其发芽势达到最高。其中，高粱随着CO2浓度增加到10 000，20 000 mg/kg时，对其发芽势有促进作用，其发芽势较对照组都有所增加，但在CO2浓度为40 000和80 000 mg/kg时，对高粱的发芽势有抑制作用，其发芽势均小于对照组；谷子和糜子随着CO2浓度增加到10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，对其发芽势都有促进作用，其发芽势均高于对照组，但对糜子发芽势的变化趋势最为显著，在CO2浓度为20 000 mg/kg时，发芽势达到92%，比对照组增加了16%。

2.3 CO2泄露对C4作物平均发芽天数的影响

在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，4种C4作物的平均发芽天数见表1。

表1 4种C4作物在不同CO2浓度下的平均发芽天数统计 d

由表1可知，模拟CCS技术CO2泄露在CO2浓度分别为正常大气CO2浓度(对照组)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，对4种C4作物平均发芽天数均有一定影响。其中，玉米、高粱和谷子在CO2浓度从正常大气CO2浓度增加到20 000 mg/kg时，随着CO2浓度的增加，其发芽天数均缩短，随着CO2浓度的继续增加，这种趋势受到抑制，在CO2浓度为40 000，80 000 mg/kg时，其发芽天数较对照组均延长；但对糜子发芽天数的影响较玉米、高粱和谷子有所不同，糜子在CO2浓度为10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg时，其发芽天数较对照组均缩短，并在CO2浓度为10 000 mg/kg时其发芽天数最短，较对照组缩短了0.09 d。

3 结 论

(1)从发芽率来说，在一定CO2浓度范围内(10 000～40 000 mg/kg)，对C4作物种子发芽率有促进作用，促进范围约1%～5%，当CO2浓度高达80 000 mg/kg时，对C4作物种子发芽率有抑制作用，抑制范围在1%～4%。但促进和抑制作用都不是很显著。

(2)从发芽势来说，高浓度CO2对C4作物种子发芽势有比较显著的促进作用，较对照组，发芽势的促进范围在9%～16%。

(3)从平均发芽天数来说，高浓度CO2对4种C4作物发芽天数均产生较小影响，其中，对糜子发芽天数的影响最为显著，较对照组，发芽天数最大能缩短0.09 d。

国内外对高浓度对植物发芽的影响研究较少，只有少数学者做了在高浓度CO2条件下对植物发芽影响的试验，并且观点不一致。

国外学者主要有两种观点：CO2浓度的升高并不会影响种子的萌发；CO2浓度升高对种子萌发出土有促进作用。我国刘建利[4]利用人工气候箱在不同CO2浓度下对苜蓿种子进行发芽试验，结果显示发芽率、发芽势和发芽指数显著提高，发芽天数显著减少；陈章和等[5]在高CO2浓度条件下对4 种豆科乔木的种子萌发试验，结果表明CO2浓度只能使光叶红豆种子萌发率提高12%，但对其他3类豆科种子的萌发没有明显影响；高素华等[6]利用OTC-1型开顶式气室在高CO2浓度下研究大豆、玉米、白菜、黄瓜、棍豆等11中常见植物种子的萌发，结果表明，CO2浓度对这11种植物大部分种子的发芽势有促进作用，但对种子的发芽率影响不大，这一结果与本文研究结果相似。

种子萌发需要充足的氧气，以保证其强呼吸作用。在高CO2浓度下，会使种子萌发环境O2浓度降低，但在一定范围内仍能满足一般种子萌发的正常需要，另外，在自然情况下，土壤空气中本身CO2浓度是很高的[7]，种子在土壤中萌发时，其CO2浓度可能也较高，这些似乎可以解释在高CO2浓度下，对种子的发芽率不会产生显著影响。

刘大永等[8]研究表明，高浓度CO2下，会使种子中过氧化氢酶(CAT)活性、酸性磷酸酯酶活性增强，这两种酶在种子萌发期间会释放O2，增加种子活力，同时与种子代谢直接相关的ATP含量也相应增加，这似乎可以解释高浓度CO2对种子的发芽势有明显的促进作用。

另外，据刘存德等[9]研究，不同作物种子萌发对O2的需求不同，例如5%的O2即可满足水稻种子的萌发，但小麦可能需要更多的O2才能保证种子的正常萌发。虽然不同C4作物在高浓度CO2条件下发芽率和发芽势的变化具有一定的规律性，但这似乎可以解释各C4作物分别在不同的CO2浓度下其发芽率、发芽势达到最大值。但是，高浓度CO2下对种子萌发影响的机理还有待于进一步研究。

[参考文献]

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

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

[3]刘兰翠,曹东,王金南.碳捕获与封存技术潜在的环境影响及对策建议[J].气候变化研究进展,2010,6(4):290-296.

[4]刘建利.CO2对蒺藜状苜蓿种子萌发的影响[J].种子,2009,28(12):10-13.

[5]陈章和,林丰平,张德明.高CO2浓度下4种豆科乔木种子萌发和幼苗生长[J].植物生态学报,1999,23(2):161-170.

[6]高素华,郭建平,毛飞,等.CO2浓度升高对植物种子萌发及叶片的影响[J].资源科学,2000,22(6):18-21.

[7]曲仲湘,吴玉树,王焕校,等.植物生态学[M].2版.北京:高等教育出版社,1983.

[8]刘大永,刘庆全,梁颖.大气中CO2含量对水稻种子萌发和幼苗生长的生理效应[J].西南农业大学学报,1996,18(4):343-345.

[9]刘存德,沈全光,梁峥,等.O2和CO2浓度对水稻和小麦种子萌发过程中同工酶的影响[J].植物学报,1981,23(5)364-369.