地质封存CO2泄露对土壤理化性质的影响

张丙华，张　倩，耿春香，景炯炯

(1 中国石油大学(华东)理学院，山东　青岛　266580;2 中国石油大学(华东)化学工程学院，山东　青岛　266580)



地质封存CO2泄露对土壤理化性质的影响

张丙华1，张倩2，耿春香2，景炯炯2

(1 中国石油大学(华东)理学院，山东青岛266580;2 中国石油大学(华东)化学工程学院，山东青岛266580)

以胜利油田正在实施CO2驱的某区块为研究对象，通过室内模拟试验模拟地质封存CO2泄露，考察CO2泄露时间和速率对土壤理化性质的影响，探讨土壤理化性质变化的机理。研究结果表明，地质封存CO2的泄露会对土壤理化性质产生显著影响，随着CO2泄露浓度的增大，土壤pH降低，土壤含水率降低，有机碳含量降低，碳酸氢根离子含量升高，硫酸根离子、电导率、全氮和磷的含量基本不发生变化。

环境；地质封存；二氧化碳泄露；土壤；理化性质

地质封存 CO2(carbon dioxide capture and storage，CCS) 指将 CO2从工业或相关能源利用产生的CO2源中分离出来，输送到一个封存点，并长期与大气隔绝的过程[1]。作为直接有效的CO2减排技术——CO2地质储存已成为当今国际社会公认的最经济、最可靠的实用技术[2]。CCS 工程是将大量超临界CO2注入地下特定的封存点，其“高效性”取决于“零泄漏”的保障，即必须保证 CCS 不发生泄漏，才能对资源、环境和人类不构成威胁[6-8]。但由于各种不稳定因素的作用，如火山、地震、断层等天然地质活动以及CO2注入井操控失败等人为原因，使得CCS很容易发生泄漏。

同时由于土壤生态系统的复杂性和脆弱性，CCS 泄漏后改变土壤气体、土壤水分、土壤 pH 以及土壤微生物群落组成和活性等，进而引起土壤理化性质和土壤环境的变化，这将引发整个生态系统失衡，带来严重的安全隐患。

当前，国内外学者已经对 CCS 地质封存选址和监测技术进行了深入研究[9-12]，指出合理选址和实时监测对于避免 CCS 泄漏意义重大。但是，关于CCS 泄漏对陆地生态系统风险评估的研究十分缺乏，尤其是对敏感的土壤生态系统影响评估研究甚少。本研究在数值模拟的基础上，进行室内模拟CO2泄漏试验，研究CO2泄漏对土壤理化性质的影响，并探讨其机理，为建立CO2封存泄漏安全监测评估指标体系提供基础，从而促进 CCS 项目的安全实施。

1　实　验

1.1实验材料

表1　供试土样基本理化性质

续表1

HCO-3/(g/kg)0.0107SO2-4/(g/kg)0.66全氮/(mg/kg)0.048磷/(mg/kg)5.7

土壤样品采集和制备: 供试土样为山东省某县农田土。将采得的土壤去除植物残体和石块, 装到实验装置待用。土壤的基本性质见表1。

1.2实验装置

本实验所用装置如图1所示。实验装置主要由土壤模拟装置、流量计和二氧化碳气瓶三部分组成。土壤模拟装置为内径50 cm，高110 cm的有机玻璃柱，底部铺有10 cm的鹅卵石。通过控制流量计，使得不同浓度的CO2从模拟装置底部进入土壤系统，模拟CO2泄露的情景。

图1　试验装置图

1.3实验方法

1.3.1模拟CO2泄露时间对土壤指标的影响

模拟CO2连续泄露48 h(每隔4 h取一次土样)时土壤指标的变化。

1.3.2模拟CO2泄露速率对土壤指标的影响

《剡录》，宋代学者高似孙著，成书于宋嘉定七年(1214)。因高氏为嵊县本地名士[8]，从今之《真诰》书前有高氏所作的序看来[9]，他对《会稽志》引用《真诰》之说和《真诰》对本地名山所记，不会是人云亦云，如没调查就难以说出墨池书楼、王右军宅、丹池等古金庭遗迹的细节来。他的《夜宿金庭洞》诗，即为实地调查的记录，所以《剡录》之记是可以采信的。

模拟CO2泄露速率分别为小流量0.04 L/min、0.08 L/min，大流量0.2 L/min、0.4 L/min、0.6 L/min、0.8 L/min时土壤指标的变化。

2　结果与讨论

2.1CO2泄露时间对土壤理化指标的影响

2.1.1CO2泄露时间对土壤pH的影响

土壤酸碱度是影响土壤生产力和土壤肥力的限制因素之一,它对土壤的氧化还原、吸附解吸、沉淀溶解和配合反应等化学过程也起到支配作用，对植物和微生物所需营养元素的有效性有显著影响。不同泄露速率下土壤pH随CO2泄露时间变化趋势如图2。

从图2中可以看出，随着泄露时间的增加，土壤pH值逐渐下降，尤其在0～4 h内，pH下降较快，这主要是由于CO2泄露至土壤后，与土壤中的水分结合生成碳酸，使土壤酸性增强，pH减小。

图2　pH随CO2泄漏时间的变化

2.1.2CO2泄露时间对土壤碳库的影响

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，土壤碳主要包括土壤有机碳和土壤无机碳两大部分[13]，土壤有机碳和碳酸氢根离子随CO2泄露时间的变化曲线见图3、图4。

图3　有机碳随泄漏时间的变化

图随泄漏时间的变化

土壤有机碳库主要由土壤植物残体、植物分泌物、土壤微生物、土壤动物及其分泌物组成，土壤无机碳库主要包括土壤中沉积的含碳酸根的盐类，土壤有机碳和无机碳之间密切相关，主要体现在有机碳分解释放的CO2与水作用后形成的碳酸、碳酸与钙离子、镁离子结合为土壤碳酸盐。由图3、图4可知，随着CO2泄露时间的增加，有机碳含量减少，碳酸氢根离子含量增多，这一变化符合土壤有机碳和无机碳之间的关系。

土壤水分随CO2泄露时间变化趋势见图5(监测土壤水分所用的土壤取自20 cm深的土样，尽量避免外界环境温度对土壤水分的影响)。

图5　水分随泄露时间的变化

由图5可知，随着泄露时间的增加，同一泄漏速率下，水分呈减少趋势，其中泄漏速率为0.8 L/min时，水分减少的程度最大。水分的减少分两个阶段，CO2刚开始泄露时，泄露出来的CO2与土壤中的水分发生反应生成碳酸，使土壤含水率下降，随着CO2泄露时间的增长，土壤中的孔隙被大量CO2占据，总孔隙度在减小，土壤水吸力降低，土壤持水能力减弱，含水量减小。

2.2模拟CO2泄露速率对土壤指标的影响

2.2.1CO2泄露速率对土壤水分的影响

土壤水分随CO2泄露速率的变化情况见图6。

图6　水分随泄漏速率的变化

由图6可知，在0.2 L/min以内，水分减少显著，在这一阶段中，CO2从无到有，土壤中的水分接触到CO2时，与其发生反应生成碳酸，从而土壤中的水分减少明显，而在0.2 L/min-0.6 L/min阶段，土壤水分的减少较为平滑，随着CO2泄露速率增大，在土壤中需要的孔隙就越多，一部分CO2与水分反应的同时，多于的CO2会继续在土壤中逸散，占据水分的空间，由图6中可看出当泄漏速率达到0.8 L/min时，土壤中含水量降至最低。

2.2.2CO2泄露速率对土壤pH的影响

pH随CO2泄露速率的变化曲线见图7。

CO2泄漏量的增加，与土壤中的水分结合生成碳酸，直接导致土壤的酸性增强，pH值减小。同时可以看到CO2浓度越大，pH减小的程度越大。

图7　pH随泄漏速率的变化

2.2.3CO2泄露速率对土壤碳库的影响

土壤有机碳在陆地生态系统碳库中占有重要地位，土壤有机碳储量极微小的变化就会对生态系统碳循环产生巨大的影响。相对于土壤有机碳来说，土壤无机碳在土壤碳库中的比例较小，然而无机碳在整个土壤系统中的重要作用却不可忽视。土壤有机碳和碳酸氢根离子随CO2泄露速率的变化曲线见图8、图9。

图8　有机碳随泄漏速率的变化

图9　碳酸氢根离子随泄漏速率的变化

由图8、图9中可知，随着CO2泄露速率增大，有机碳含量减少，碳酸氢根离子含量增多，这一变化符合土壤有机碳和无机碳之间的关系。这结果也与WEST所做的实验结果吻合，WEST 等[16]通过ASGARD 平台对英国的低地平原土壤生态系

统与理化性质的试验研究表明，土壤中较高的CO2浓度不仅降低了土壤pH，同时也使得土壤有机碳含量下降。从图中还可以看出碳酸氢根离子浓度呈扩散状，当泄漏速率为0.8 L/min时，4 h和48 h所测的浓度差接近0.03 g/kg，而泄漏速率为0.04 L/min时4 h和48 h所测的浓度差不到0.01 g/kg，这说明CO2浓度越大，对碳酸氢根的影响程度也就越大,这一点在有机碳含量(见图8)的变化上更加明显。硫酸根离子、电导率、全氮和磷的含量则只在一定范围内波动，这一点和它们在同一泄漏速率随时间的变化相同。

3　结　论

研究结果表明，地质封存CO2的泄露会对土壤理化性质产生显著影响，随着CO2泄露浓度的增大，土壤pH降低，土壤含水率降低，有机碳含量降低，碳酸氢根离子含量升高，硫酸根离子、电导率、全氮和磷的含量基本不发生变化。在CO2地质封存的过程中，可以根据土壤pH、有机碳、碳酸氢根离子和水分的急剧变化来帮助判断地址封存CO2是否发生泄露。

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Influence on Physical and Chemical Properties of Soil for the Leakage of Carbon Dioxide during Geological Storage

ZHANGBing-hua1，ZHANGQian2，GENGChun-xiang2，JINGJiong-jiong2

(1 School of Science，China University of Petroleum，Shandong Qingdao 266580；2 School of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Shandong Qingdao 266580，China)

environment；geological storage； CO2leakage；soil；physical and chemical properties

张丙华(1968-)，男，本科，高级实验师，主要研究方向元素分析。

张倩。

X53

A

1001-9677(2016)07-0156-04