高浓度二氧化碳入侵对土壤理化性质的影响

裴宇 赵晓红 邓红章 李春荣 韩枫 张青海 张徽

摘 要：在地质储存CO2（GCS）泄漏对生态环境的影响中，土壤作为生态系统中物质与能量交换的主要介质，其理化性质的变化研究尤为重要。采用人工模拟CO2泄漏地表的方式，并分析土壤pH值、总有机碳、氮、磷、钾、水溶性盐浓度的变化及地表植物响应。结果表明：CO2入侵使土壤总有机碳相比于对照增加了1.56%～43.75%，总氮下降了0.88%～13.25%，氨氮与硝氮也同比下降，磷、钾、水溶性盐总体也是减少的，但土壤pH值有所上升，且各植物长势均较好，尤其是豌豆与萝卜的生长较好。结论：高浓度CO2入侵会对土壤理化性质产生一定影响，而且对植物的生长有促进作用。

关 键 词：地质储存CO2；高浓度CO2入侵；土壤理化性质；植物响应

中图分类号：X 131.3 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）04-0682-05

Abstract： In the impact of the leakage of CO2 geological storage on the ecological environment， especially， the soil， it is the main medium of the exchange of substances and energy in ecological system， so studying the soil physical and chemical properties are very significant. This experiment artificially simulated the leakage of CO2 to the soil surface， and then the changes in soil organic carbon， nitrogen， phosphorus， potassium and water-soluble salts and the responses of plants were analyzed. The results show that， after the invasion of CO2， compared with the controlled area， the soil total organic carbon increases by 1.56%～43.75%， total nitrogen decreases by 0.88%～13.25%， ammonia and nitrate reduce as well， phosphorus， potassium and water-soluble salts also decline in general， while the pH of the soil is up，and every plant grows well， particularly， peas and radish. Conclusion： the invasion of high concentration of CO2 has some impacts on soil physical and chemical properties， in addition， can promote the growth of plants.

Key words： CO2 geological storage； High concentration of CO2 invasion； Soil physical and chemical properties； The responses of plants

随着社会经济的快速发展，CO2作为主要的温室气体，在大气中的浓度已由工业革命前的280×10-6升至370×10-6，且以每年1～2×10-6的速率在增加[1]，由此引发一系列的危害，如冰川融化、极端气候增加、人类生存环境与健康受到威胁等。当前，GCS被认为是快速减少全球温室气体的有效举措之一，但其有可能发生泄漏与逃逸，渗漏的CO2会对生态环境等诸多方面产生影响，特别是土壤作为万物生长与分解代谢的介质，其理化性质的优劣直接决定地下水水质、微生物群落多样性与地表植被生长等生态功能[2]。因此研究CO2泄漏对土壤理化性质的影响至关重要。

目前国内外相关研究主要聚焦于大气CO2升高对生态环境造成的影响。一些研究表明：土壤是温室气体的源或汇，其碳的变化与大气CO2浓度密切相关，如大气CO2量上升会增加土壤碳汇[3]，使土壤微生物的活性与呼吸增强，从而引起土壤有机碳下降[4]；高浓度CO2能促进植物对氮的吸收，使土壤氮素减少[5]；也有研究表明土壤中高浓度CO2能与水长期作用使土壤pH值降低[6]。而对GCS中高浓度CO2泄漏对土壤理化性质的研究鲜见报道， 因此本文模拟不同浓度CO2入侵地表土壤，以分析其理化性质的变化，力求为GCS的安全性提供理论支撑与现实依据。

1 实验部分

1.1 试验设计

此试验在长安大学渭水校区进行，共设置长6.0 m，宽4.0 m的日光温室大棚4个，每个温室里设有12个1.0 m×1.0 m×0.6 m的木质实验框，试验框底部埋有气体盘管，以用来输送CO2气体。试验土壤采用黄土。

1.2 试验方法

土壤CO2浓度背景一般为0.05～0.08%，因此给4个温室中依次通入浓度为0%、2%、4%、8%的CO2，然后在每个温室中分别种植大豆、萝卜、小麦与豌豆4种C3植物各3框，同时保持各温室平均温度为25 ℃左右、土壤表层含水率在8%～11%。在一个生长期（8个月）后，于距各实验框土壤表层20～30 cm处均匀取样并依次编号为D21、D22、D23（D21代表大豆在2%浓度区第一个平行样），以下分析中均取3个平行样的均值。采样结束后，待土样自然风干后测试其理化参数。

测试的土壤理化指标主要有pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾。其中，土壤总有机碳用multi N/C 2100分析仪（德国）测定，土壤总氮用Foss8400全自动凯氏定氮仪测定，土壤氨氮、硝氮、总磷及有效磷用全自动间断化学分析仪（ADA，CleverChem 200，德国）测定，土壤全钾与有效钾用火焰光度法测定，土壤水溶性盐据国标（NY/T 1121.16-2006）测定。

2 实验结果

2.1 高浓度CO2入侵对土壤pH值的影响

pH值是土壤理化性质中最重要的指标之一，它直接影响土壤营养元素的转化、土著微生物的代谢及矿物的沉淀溶解等。当CO2入侵之后，不同植物根际处的风干土样pH值变化如图1所示。

由图1可以看出，随着总体CO2浓度的提高，土壤的pH值有所上升，且不同植物类型间的pH值差异较小。尤其在4%浓度区， pH值增幅较快，最高可达9.34左右。可见，CO2的入侵并没有使土壤pH值降低。

2.2 高浓度CO2入侵对土壤有机碳（TOC）的影响

土壤是自然界最大的碳库载体，并主要以有机碳形式存在。通常土壤有机碳含量约占土壤有机质的60%～80%，且随深度的增加而递减。土壤有机碳含量主要受不同植物对有机碳的吸收利用差异、土壤微生物多样性、降雨淋溶等影响。当CO2入侵之后，各浓度区土壤TOC变化如图2所示。

由图2可以看出，各土壤TOC较对照区总体是上升的，但不同植物土壤的TOC对CO2胁迫反应的差异较大，大豆与萝卜土壤的TOC在2%时就高于其他浓度区，较对照分别增加了30.43%和15.23%，而小麦与豌豆在8%浓度区明显增加。且不同植物土壤TOC大致随CO2浓度的升高有下降趋势，但与不通气时的相差不大。

2.3 高浓度CO2入侵对土壤营养元素的影响

土壤营养元素主要有氮、磷、钾，三者只有按照一定的比例组合时，才能对植物的生长有促进作用。以下分别对其进行分析：

2.3.1 氮对高浓度CO2入侵的响应

土壤氮含量会直接影响植物光合作用、有机质分解以及同化产物的分配等[5]，土壤中氨氮与硝氮统称为有效氮，它是植物生长所必需的元素之一。氮不足会阻碍植物光合作用、降低相关酶水平及限制蛋白质合成[7]。当给黄土中通入高浓度CO2后，氮的各形式变化如图3所示。

由图3看出，总体上，随着CO2入侵浓度的增加，所有硝氮降幅最大，其次是总氮与氨氮。特别是小麦与豌豆土壤中硝氮在8%浓度区较对照分别减少了94.65%和76.68%。但由于各植被生理代谢等差异，其所生长的土壤中氮素变化又有细微差别。随着CO2浓度的增加，萝卜与豌豆中总氮下降明显，小麦与豌豆中氨氮下降明显，而所有植物土壤硝氮降低趋势虽不一致，但整体都显著减小。

2.3.2 磷对高浓度CO2入侵的响应

土壤中磷通常以有机和无机态形式存在，而速效磷含量大小可决定土壤磷素的丰缺、植被根系的发育及农田生产力。当CO2入侵后，磷的变化如图4所示。

由图4可以看出，不同CO2浓度下，各植物土壤总磷、速效磷大致都是降低的，且植物类型间差异不明显。可看出，速效磷在CO2入侵前后均介于10～20 mg/kg，所以磷并没有太受高浓度CO2的影响。相比对照，萝卜中总磷、速效磷在4%浓度区最多分别减小了15.08%和24.55%，而豌豆土壤的总磷在8%浓度区却增加了5.14%，速效磷减小了3.38%。可见，一定浓度CO2减少了总磷与速效磷含量，但豌豆在8%浓度区总磷却增加，这可能与采样均匀性有关。

2.3.3 钾对高浓度CO2入侵的响应

土壤中钾以全钾和有效钾形式存在居多，有效钾又可分为交换性钾与水溶性钾。钾不仅是植物所必备的营养元素之一，也是植物抗逆性强弱的决定因素。当CO2入侵后，钾的变化如图5所示。 由图5可以看出，各植物土壤全钾、有效钾整体呈下降趋势，有效钾在CO2入侵前后都高于200 mg/kg，属钾含量丰富，可见钾并没有太受高浓度CO2的影响。相比对照，小麦中的全钾、有效钾在8%浓度区分别下降了41.65%和28.13%%，豌豆中的全钾、有效钾也各自下降了29.30%和9.98%，其他植物土壤的全钾与有效钾降幅在8.41%～26.61%。

2.4 土壤水溶性盐浓度的变化

土壤水溶性盐是盐碱土的重要指标之一，可反映土壤盐渍化的变化趋势[8]，给土壤改良和作物生长提供依据。因此，分析不同CO2浓度下，各植物土壤中主要离子浓度如表1所示。

由表1可以看出，随着CO2入侵浓度的增加，相比对照样本，各土样K+都下降，且在2%浓度区下降最明显，特别是萝卜土壤的K+下降了48.22%；Na+也呈现下降趋势，尤其是萝卜与大豆；类似的，土壤水溶性Ca2+含量较大，介于80～126.7 mg/kg范围内，相比之下，在8%浓度区，萝卜与豌豆中Ca2+各减少了33.36%、35.01%；而Mg2+对高浓度CO2响应并不明显，但总体是减小的，这可能与风干土样pH值的升高而使Ca2+、Mg2+形成沉淀有关。

阴离子中，CO32-几乎为零，可能因为只有当土壤pH大于8.5时才可用滴定法测出土壤浸提液中CO32-，而pH大于10时才有较多CO32-存在[9]，这与CO2入侵后pH最大为9.34是一致的。而HCO3-含量较少且变化不大可能是其与土壤中Ca2+形成了难溶的沉淀物，因此土壤的碱化度并不高；但Cl-有小幅增长，而SO42-却显著减少，当在4%浓度区，萝卜与豌豆土壤中SO42-减小了69.79%、80.21%。所有阴阳离子之和为全盐量，也有所下降，并均介于0.225～0.333 g/kg，属于非盐化土。

3 分析与讨论

综合实验结果，随着CO2入侵浓度的增加，萝卜、豌豆土壤总有机碳均增加。可能是CO2入侵相对增加了土壤碳含量，这与Cardon[10]CO2量增加会导致土壤碳累积相似，也与Pregitzer等[11]大气CO2量增加可能使细根处生物量增大并促进各植物群落土壤的呼吸；Cheng等[12]运用同位素跟踪得出CO2浓度升高会使O2量减少，可能会迫使植被根系与土壤微生物的呼吸增强，从而使土壤有机碳含量上升相一致。

种植各植物土壤的硝氮下降最为明显，总氮与氨氮也下降。可能原因是高浓度CO2入侵促进了植物对氮的吸收，或是CO2作为胁迫因子，使植物体产生一定的抗性物质来维持生长，这些抗性物质会消耗部分氮。这与Kimball B A[13]、林伟宏[14]、尹飞虎等[5]大气CO2浓度升高引起植物对氮的吸收增强而相应减少土壤有效氮，任书杰等[15]大气CO2浓度升高使多数土地的氮含量匮乏，Roser M等[16]在干旱半干旱农田系统中，大气CO2浓度增加使土壤表层10 cm区域内的氮浓度降低8%且氨氮、硝氮也有所下降这些研究结果相似。

磷与钾总体也是下降的，一方面CO2入侵使土壤总有机碳升高，会破坏原来碳、氮、磷、钾四者的平衡配比，可认为土壤有机碳的增加会相对稀释氮、磷、钾的含量，这与Roger等[17]大气CO2升高时，植物组织及土壤的C/N比升高，刘五星等[18]土壤受石油污染后，有机碳含量增加，导致氮、磷相对匮乏是一致的。因此本试验所有营养元素含量均下降。另外，磷的减小也可能是CO2在入侵前后，并没有太大改变土壤总磷含量，这将会使土壤解磷细菌（PSB）大量繁殖，它们能把土壤中难以被植物利用的磷转化为速效磷等[19]，并通过其代谢改善根际处磷的供应，因而总磷在一定程度上有减小趋势；速效磷虽然在PSB菌的转化下会增加少许，但毕竟是有限的，且在高浓度CO2胁迫下，植物会加快吸收利用这些营养元素，因此氮磷钾都相应减少。

最后结合植物长势，萝卜即使在8%浓度区长势也较好，如图6（图中CO2浓度：左上0%、右上2%、左下4%、右下8%），且在一定范围内随CO2浓度的增加，各植物长势较对照区明显变好，特别是萝卜与豌豆，可能是CO2浓度虽然在增加，然而并没有达到植物生长所受限的阈值，再者高浓度CO2为不利因子入侵土壤，使植物对各种营养元素的汲取增加，同时也使土壤有机质较为丰富，反而对其是有利的。

4 结 论

（1）随着CO2入侵浓度的增大，各供试植物土壤的pH值有所增加，引起Ca2+、Mg2+等水溶性离子含量的降低；萝卜与豌豆土壤总有机质分别在2%、8%浓度区达最大，且相比对照各增加了43.75%、9.88%。但不同植物的总有机质、氮素变化略微不同，表明地表植被类型对同一CO2浓度的响应差异甚大。

（2）随着CO2浓度增大，各植物土壤的所有营养元素都呈现减小趋势，且萝卜与豌豆土壤中氮营养素下降最为明显。

（3）高浓度CO2入侵对土壤理化性质产生了一定的影响，但在此浓度下，植物的生长并没有受到显著影响，反倒是长势良好。

因此，高浓度CO2入侵虽对土壤理化性质有一定影响，但植物的生长并没有异常。后期需加大CO2的入侵浓度，以便探寻植物生长的阈值，并进行相关定量研究。

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