模擬CCS技術CO2泄露對C4作物種子萌發(fā)的影響

薛 璐， 馬俊杰

(西北大學 城市與環(huán)境學院， 陜西 西安 710127)

二氧化碳的捕獲與儲存(CO2capture and storage，CCS)被認為是最有前景和潛力的CO2減排技術[1]，但CCS技術在CO2捕獲、運輸和封存3個環(huán)節(jié)中都會涉及到CO2泄露的風險，因此，CCS技術存在的潛在環(huán)境影響也備受關注[2]。CCS技術中CO2泄露產生的高濃度CO2環(huán)境對水環(huán)境、土壤環(huán)境、動植物生長發(fā)育以及人體安全都有重要影響，會帶來局部和全球性的環(huán)境影響[3]。通過模擬CCS技術CO2泄露對C4作物種子萌發(fā)的影響，以期為CCS技術CO2泄露后可能產生的環(huán)境影響提供基礎性資料。

1 材料與方法

1.1 試驗作物

試驗地點為陜西省榆林市靖邊縣。選擇當地4種典型的C4作物作為本試驗的研究作物。包括：玉米(Zeamays.L.,西蒙6號)、高粱〔Sorghumbicolor(Linn.)Moench,晉雜12號〕、谷子〔Setariaitalica(L.)Beauv.,晉谷29號〕、糜子(PanicummiliaceumL.,內糜5號)。

1.2 試驗方法

CCS技術中CO2若發(fā)生泄露，必然會產生高濃度的CO2環(huán)境。試驗采用寧波江南儀器廠生產的二氧化碳人工氣候箱(RXZ-500C-CO2)來模擬CCS技術中CO2發(fā)生泄露后產生的高濃度CO2環(huán)境。CO2人工氣候箱通過采用先進的PID(proportion integral derivative)智能控制算法，對人工氣候室的CO2濃度進行采集，確定CO2的濃度是否符合試驗要求，當室內值低于設定值時，系統自動通過CO2儲氣罐增加人工氣候室CO2濃度，直到氣體濃度達標。該CO2人工氣候箱控溫范圍為0～50 ℃；控濕范圍30%～95%相對濕度RH(relative humidity))；光照度0～22 000 lux，多級可調；CO2濃度量程到100 000 mg/kg，可根據試驗需要設定目標值。

本試驗設置5個CO2濃度梯度，分別為：正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg。在每個CO2濃度梯度下重復試驗5次，觀察各C4作物種子的萌發(fā)。其中，CO2人工氣候箱設置條件為：白天12 h，溫度25 ℃，濕度80%，光強0%；夜晚12 h，溫度20 ℃，濕度80%，光強0%。

1.3 試驗步驟

本種子萌發(fā)試驗按照國家標準《農作物種子檢驗規(guī)程發(fā)芽試驗(GB/T 33543.4—1995)》的方法進行。

(1)精選顆粒飽滿且大小基本相同的各作物種子各100粒，首先將種子在20 ml 3%的雙氧水稀釋10倍的溶液里消毒浸泡5 min，再用溫水浸泡1 h，使種子充滿水分，最后，分別用自來水、蒸餾水沖洗多次。

(2)將每種作物種子放入以一層紗布為發(fā)芽床的培養(yǎng)皿，并用一層紗布蓋住培養(yǎng)皿(培養(yǎng)皿直徑大約為9 cm)。定時補充水分，保持紗布濕潤。

(3)以種子胚根突破種皮2 mm 以上作為發(fā)芽標準, 逐日統計各作物發(fā)芽種子粒數。

1.4 數據統計

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，逐日統計4種C4作物的發(fā)芽數，并計算其發(fā)芽率、發(fā)芽勢以及平均發(fā)芽天數。試驗數據取5次重復試驗平均值。

發(fā)芽率=第7 d萌發(fā)種子粒數/供試種子總粒數 100%

發(fā)芽勢=第3 d萌發(fā)種子粒數/供試種子總粒數 100%

平均發(fā)芽天數=∑(Gt×Dt)/∑Gt

式中：Gt——在不同天數的發(fā)芽率(%)；Dt——發(fā)芽天數(d)。

2 結果與分析

2.1 CO2泄露對C4作物發(fā)芽率的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，對4種C4作物的發(fā)芽率影響見圖1。

圖1 不同CO2濃度對4種C4作物發(fā)芽率的影響

由圖1可知，模擬CCS技術CO2泄露在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，對玉米的發(fā)芽率基本沒有影響，發(fā)芽率均為100%；高粱、谷子和糜子隨著CO2濃度增加到10 000，20 000，40 000 mg/kg時，其發(fā)芽率均高于對照組，但對其促進作用不是很顯著，較對照組促進范圍在1%～5%，其中高粱、谷子和糜子分別在CO2濃度為10 000，20 000，20 000 mg/kg，發(fā)芽率達到最高，但CO2濃度為80 000 mg/kg時，對高粱、谷子和糜子的發(fā)芽率產生抑制作用，其發(fā)芽率均小于對照組。

2.2 CO2泄露對C4作物發(fā)芽勢的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，對玉米、高粱、谷子以及糜子發(fā)芽勢的影響見圖2。

圖2 不同CO2濃度對4種C4作物發(fā)芽勢的影響

由圖2可知，模擬CCS技術CO2泄露在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，對玉米的發(fā)芽勢基本無影響，發(fā)芽勢均為100%；不同濃度CO2對高粱、谷子和糜子發(fā)芽勢的影響較為顯著，3種作物均在CO2濃度為20 000 mg/kg時，其發(fā)芽勢達到最高。其中，高粱隨著CO2濃度增加到10 000，20 000 mg/kg時，對其發(fā)芽勢有促進作用，其發(fā)芽勢較對照組都有所增加，但在CO2濃度為40 000和80 000 mg/kg時，對高粱的發(fā)芽勢有抑制作用，其發(fā)芽勢均小于對照組；谷子和糜子隨著CO2濃度增加到10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，對其發(fā)芽勢都有促進作用，其發(fā)芽勢均高于對照組，但對糜子發(fā)芽勢的變化趨勢最為顯著，在CO2濃度為20 000 mg/kg時，發(fā)芽勢達到92%，比對照組增加了16%。

2.3 CO2泄露對C4作物平均發(fā)芽天數的影響

在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，4種C4作物的平均發(fā)芽天數見表1。

表1 4種C4作物在不同CO2濃度下的平均發(fā)芽天數統計 d

由表1可知，模擬CCS技術CO2泄露在CO2濃度分別為正常大氣CO2濃度(對照組)，10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，對4種C4作物平均發(fā)芽天數均有一定影響。其中，玉米、高粱和谷子在CO2濃度從正常大氣CO2濃度增加到20 000 mg/kg時，隨著CO2濃度的增加，其發(fā)芽天數均縮短，隨著CO2濃度的繼續(xù)增加，這種趨勢受到抑制，在CO2濃度為40 000，80 000 mg/kg時，其發(fā)芽天數較對照組均延長；但對糜子發(fā)芽天數的影響較玉米、高粱和谷子有所不同，糜子在CO2濃度為10 000，20 000，40 000，80 000 mg/kg時，其發(fā)芽天數較對照組均縮短，并在CO2濃度為10 000 mg/kg時其發(fā)芽天數最短，較對照組縮短了0.09 d。

3 結 論

(1)從發(fā)芽率來說，在一定CO2濃度范圍內(10 000～40 000 mg/kg)，對C4作物種子發(fā)芽率有促進作用，促進范圍約1%～5%，當CO2濃度高達80 000 mg/kg時，對C4作物種子發(fā)芽率有抑制作用，抑制范圍在1%～4%。但促進和抑制作用都不是很顯著。

(2)從發(fā)芽勢來說，高濃度CO2對C4作物種子發(fā)芽勢有比較顯著的促進作用，較對照組，發(fā)芽勢的促進范圍在9%～16%。

(3)從平均發(fā)芽天數來說，高濃度CO2對4種C4作物發(fā)芽天數均產生較小影響，其中，對糜子發(fā)芽天數的影響最為顯著，較對照組，發(fā)芽天數最大能縮短0.09 d。

國內外對高濃度對植物發(fā)芽的影響研究較少，只有少數學者做了在高濃度CO2條件下對植物發(fā)芽影響的試驗，并且觀點不一致。

國外學者主要有兩種觀點：CO2濃度的升高并不會影響種子的萌發(fā)；CO2濃度升高對種子萌發(fā)出土有促進作用。我國劉建利[4]利用人工氣候箱在不同CO2濃度下對苜蓿種子進行發(fā)芽試驗，結果顯示發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數顯著提高，發(fā)芽天數顯著減少；陳章和等[5]在高CO2濃度條件下對4 種豆科喬木的種子萌發(fā)試驗，結果表明CO2濃度只能使光葉紅豆種子萌發(fā)率提高12%，但對其他3類豆科種子的萌發(fā)沒有明顯影響；高素華等[6]利用OTC-1型開頂式氣室在高CO2濃度下研究大豆、玉米、白菜、黃瓜、棍豆等11中常見植物種子的萌發(fā)，結果表明，CO2濃度對這11種植物大部分種子的發(fā)芽勢有促進作用，但對種子的發(fā)芽率影響不大，這一結果與本文研究結果相似。

種子萌發(fā)需要充足的氧氣，以保證其強呼吸作用。在高CO2濃度下，會使種子萌發(fā)環(huán)境O2濃度降低，但在一定范圍內仍能滿足一般種子萌發(fā)的正常需要，另外，在自然情況下，土壤空氣中本身CO2濃度是很高的[7]，種子在土壤中萌發(fā)時，其CO2濃度可能也較高，這些似乎可以解釋在高CO2濃度下，對種子的發(fā)芽率不會產生顯著影響。

劉大永等[8]研究表明，高濃度CO2下，會使種子中過氧化氫酶(CAT)活性、酸性磷酸酯酶活性增強，這兩種酶在種子萌發(fā)期間會釋放O2，增加種子活力，同時與種子代謝直接相關的ATP含量也相應增加，這似乎可以解釋高濃度CO2對種子的發(fā)芽勢有明顯的促進作用。

另外，據劉存德等[9]研究，不同作物種子萌發(fā)對O2的需求不同，例如5%的O2即可滿足水稻種子的萌發(fā)，但小麥可能需要更多的O2才能保證種子的正常萌發(fā)。雖然不同C4作物在高濃度CO2條件下發(fā)芽率和發(fā)芽勢的變化具有一定的規(guī)律性，但這似乎可以解釋各C4作物分別在不同的CO2濃度下其發(fā)芽率、發(fā)芽勢達到最大值。但是，高濃度CO2下對種子萌發(fā)影響的機理還有待于進一步研究。

[參考文獻]

[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]劉蘭翠,曹東,王金南.碳捕獲與封存技術潛在的環(huán)境影響及對策建議[J].氣候變化研究進展,2010,6(4):290-296.

[4]劉建利.CO2對蒺藜狀苜蓿種子萌發(fā)的影響[J].種子,2009,28(12):10-13.

[5]陳章和,林豐平,張德明.高CO2濃度下4種豆科喬木種子萌發(fā)和幼苗生長[J].植物生態(tài)學報,1999,23(2):161-170.

[6]高素華,郭建平,毛飛,等.CO2濃度升高對植物種子萌發(fā)及葉片的影響[J].資源科學,2000,22(6):18-21.

[7]曲仲湘,吳玉樹,王煥校,等.植物生態(tài)學[M].2版.北京:高等教育出版社,1983.

[8]劉大永,劉慶全,梁穎.大氣中CO2含量對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的生理效應[J].西南農業(yè)大學學報,1996,18(4):343-345.

[9]劉存德,沈全光,梁崢,等.O2和CO2濃度對水稻和小麥種子萌發(fā)過程中同工酶的影響[J].植物學報,1981,23(5)364-369.