0引言

碳捕獲與封存（carboncaptureandstorage，CCS）作為一項(xiàng)新興的、具有大規(guī)模碳減排潛力的技術(shù)，有望成為未來全球應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)，是全球減排的重要戰(zhàn)略性技術(shù)[1]。2010年12月，在墨西哥坎昆舉行的聯(lián)合國氣候變化談判大會(huì)通過了《將地質(zhì)形式的CCS作為CDM項(xiàng)目活動(dòng)》的協(xié)議，預(yù)示著CCS將進(jìn)入快速發(fā)展期。中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，正處在快速工業(yè)化和城市化的關(guān)鍵發(fā)展時(shí)期，特別是以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變，面臨著發(fā)展經(jīng)濟(jì)和積極應(yīng)對(duì)氣候變化的雙重壓力[2]。而CCS具有對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響較小、減排效果顯著的特點(diǎn)，開展CCS項(xiàng)目的技術(shù)研發(fā)與示范，形成戰(zhàn)略性技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)中國具有非同尋常的意義[3]。但是目前的CCS工程存在CO2泄漏的風(fēng)險(xiǎn)[4]，如果封存在鹽水層或廢棄油氣礦床等地質(zhì)構(gòu)造中的CO2通過斷層、斷裂或人工鉆探口泄漏到地表，將會(huì)抵消CCS對(duì)于減緩氣候變化的貢獻(xiàn)[5]，更重要的是鑒于CCS項(xiàng)目的空間規(guī)模，短期或長期的泄漏都可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐慕】怠踩铜h(huán)境造成顯著的影響[6-8]。同時(shí)，由于中國生態(tài)環(huán)境脆弱、氣象和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，CCS技術(shù)在中國的風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)高于其他地區(qū)[9]，實(shí)際上，由于擔(dān)心封存CO2泄漏引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題而導(dǎo)致的公眾反對(duì)已經(jīng)成為CCS活動(dòng)的重要障礙之一[10]。因此，在不同時(shí)空尺度下研究地質(zhì)封存CO2泄漏對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的影響，特別是確定生態(tài)系統(tǒng)的耐受閾值，對(duì)于理解封存CO2泄漏環(huán)境影響的機(jī)理，為決策和管理者定量評(píng)估CCS風(fēng)險(xiǎn)和制定氣候變化減緩對(duì)策，引導(dǎo)公眾正確對(duì)待CCS活動(dòng)，都有十分重要的意義。

以往氣候變化影響的研究多集中于大氣CO2濃度升高對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響[11-12]，而關(guān)于由地下土壤深層向上遷移的CO2氣體導(dǎo)致土壤層中CO2濃度升高的影響研究，相比于前者要少得多[13]。世界上第一個(gè)把CO2捕獲與封存和溫室氣體減排概念相結(jié)合在一起的是始于20世紀(jì)90年代中期的挪威Sleipner項(xiàng)目[14-15]。雖然CO2捕獲與封存概念經(jīng)歷了大約25a的研究取得了很大進(jìn)展，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地質(zhì)封存CO2的長期性和安全性問題也做了不少相關(guān)研究和報(bào)道[16-17]，封存CO2發(fā)生泄漏和遷移的過程可以通過CO2傳感器或者同位素示蹤劑來準(zhǔn)確地跟蹤監(jiān)測(cè)[18-19]甚至模型模擬[20]，但是關(guān)于CO2在其泄漏過程中對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的影響卻并沒有出現(xiàn)較完善和統(tǒng)一的結(jié)論。目前，有關(guān)地質(zhì)封存CO2泄漏對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的研究主要分為2個(gè)思路：一是基于地下深處釋放的CO2天然試驗(yàn)地，例如地?zé)峄钴S區(qū)[21-22]、火山活躍區(qū)[23-25]和天然CO2溫泉[26]，當(dāng)這些天然CO2釋放源附近的土壤CO2濃度達(dá)到毒性級(jí)時(shí)，植物葉片光合作用降低、提前衰老[27-28]甚至死亡[29]。Beaubien等[22]對(duì)意大利中部地中海草原生態(tài)系統(tǒng)上一個(gè)由深層地?zé)嵝纬傻耐饪谡归_研究發(fā)現(xiàn)，距離通氣口中心6m寬的范圍內(nèi)沒有植物生長，由中心向外形成了一個(gè)近似20m寬的環(huán)形過渡區(qū)，沿徑向由中心向外穿過這個(gè)過渡區(qū)后生態(tài)系統(tǒng)的各物理參數(shù)逐漸回歸到背景值。然而這類天然試驗(yàn)地?zé)o法與工業(yè)級(jí)別的CCS封存庫相比較，而且長時(shí)期暴露在高濃度CO2環(huán)境后，生態(tài)系統(tǒng)可能已經(jīng)完成了適應(yīng)和恢復(fù)過程[22]，無法評(píng)估影響發(fā)生的全過程；二是基于定量模擬CO2泄漏的人工控制裝置，這正逐漸成為當(dāng)前研究地質(zhì)封存CO2泄漏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的熱點(diǎn)，當(dāng)前正在運(yùn)作的2個(gè)大規(guī)模人工控制試驗(yàn)系統(tǒng)分別是英國諾丁漢大學(xué)的人造土壤氣體和響應(yīng)監(jiān)測(cè)（artificialsoilgassingandresponsedetection，ASGARD）和美國蒙大拿州立大學(xué)的零排放研究和技術(shù)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連續(xù)注入CO2氣體，并運(yùn)用基礎(chǔ)生物技術(shù)去監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)“泄漏”的響應(yīng)，結(jié)果顯示通氣小區(qū)受到了明顯的壓力征兆；West等[31]發(fā)現(xiàn)單子葉植物比雙子葉植物具有更大的耐受性，并且不同深度的土壤氣體通量不能直接與地表泄漏通量相聯(lián)系，注入土壤中的CO2大概只有1/3在地表試驗(yàn)區(qū)邊界內(nèi)被觀測(cè)到。而ZERT對(duì)深入研究泄漏CO2在近地表的時(shí)空變化起到了很好的作用[19,32]。但這些人工控制試驗(yàn)都存在特定性，對(duì)現(xiàn)實(shí)可能泄漏情景的多樣性考慮不夠，而且分析的時(shí)空尺度不同，其結(jié)果很難具有可比性。然而，此類人工試驗(yàn)方法的構(gòu)建思想以及基于現(xiàn)實(shí)模擬的特點(diǎn)，使其在未來評(píng)估CCS泄漏風(fēng)險(xiǎn)的研究方面具有十分重要的借鑒意義[33]。

地質(zhì)封存CO2泄漏對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)理較為復(fù)雜，國外開始有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行不少相關(guān)研究[22,30-31]，但仍處于起步階段，因?yàn)檫@些試驗(yàn)大多都基于天然CO2釋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礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)[7,34]。而國內(nèi)在CCS風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的試驗(yàn)研究尚未見報(bào)道，隨著未來中國CCS項(xiàng)目的陸續(xù)實(shí)施，開展定量模擬試驗(yàn)勢(shì)在必行。在此背景下，本研究通過構(gòu)建人工封存CO2泄漏模擬裝置，運(yùn)用人為控制手段，模擬地質(zhì)封存CO2泄漏到地表生態(tài)系統(tǒng)的不同情景，通過地表生態(tài)系統(tǒng)對(duì)不同泄漏情景的響應(yīng)，更好地理解封存CO2泄漏對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，確定地表生態(tài)系統(tǒng)對(duì)CO2泄漏的耐受閾值，深化對(duì)封存CO2泄漏環(huán)境影響機(jī)理的理解，為正在實(shí)施和規(guī)劃中的CCS示范項(xiàng)目提供環(huán)境影響評(píng)估的定量標(biāo)準(zhǔn)，為政府和相關(guān)機(jī)構(gòu)提供決策依據(jù)。基于代表性和廣泛性的考慮，以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植物類型和結(jié)構(gòu)單一、對(duì)外界變化的響應(yīng)具有高度的一致性等特點(diǎn)，本文選擇以玉米為代表的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象。1封存CO2泄漏人工控制模擬平臺(tái)與研究方法

1.1封存CO2泄漏人工控制模擬平臺(tái)

封存CO2泄漏人工控制模擬平臺(tái)的基本原理是構(gòu)建一組相互獨(dú)立的簡(jiǎn)單生態(tài)系統(tǒng)，通過人工控制的方式從土壤中以不同速率釋放CO2氣體，形成不同的土壤CO2通量，模擬封存CO2泄漏的不同情景。通過一套觀測(cè)系統(tǒng)記錄不同模擬情景下對(duì)各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，評(píng)估封存CO2泄漏對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的影響。模擬平臺(tái)由簡(jiǎn)單生態(tài)系統(tǒng)、人工CO2控制釋放裝置、監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)和管理等部分構(gòu)成（圖1）。

人工CO2控制釋放裝置包括試驗(yàn)容器（土室、透氣性分隔片、CO2氣室）、導(dǎo)管、流量計(jì)和CO2氣源組成。其中，透氣性分隔片把供作物生長的土室和均勻釋放CO2氣體的氣室分隔開來，以確保氣室的CO2氣體均勻分布地進(jìn)入土室的土壤；土室上部開口直徑40cm、土室下部（即圓形分隔片）直徑36cm，土室高33cm，而氣室高17cm；CO2氣體通過導(dǎo)氣管進(jìn)入氣室，利用流量計(jì)控制其注入速率。