大芻草作為地質封存CO2泄漏指示植物的評估

馬 欣，張雪艷，田 地，何霄嘉，韓耀杰，紀 翔

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大芻草作為地質封存CO2泄漏指示植物的評估

馬 欣1，張雪艷2,3※，田 地4，何霄嘉5，韓耀杰1，紀 翔1

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；3. 中國科學院農(nóng)業(yè)政策研究中心，北京 100101；4. 北京大學城市與環(huán)境學院，北京 100871；5. 中國21世紀議程管理中心，北京 100038）

隨著神華集團鄂爾多斯全球第一個全流程CO2鹽水層封存項目進入長期監(jiān)測與預警業(yè)務流程，選擇適宜的CO2泄漏指示植物方法和試驗十分緊迫，但相關的認識還存在不足。采用新發(fā)展的植物對CO2泄漏耐受指數(shù)方法，通過盆栽模擬CO2泄漏的試驗，以廣泛種植的人工牧草大芻草為例，系統(tǒng)評估大芻草對封存CO2泄漏的耐受能力。結果發(fā)現(xiàn)：隨著封存CO2泄漏量的增加，大芻草株高呈下降趨勢，生物量下降在70%以上。大芻草的耐受指數(shù)為0.26，屬于較不耐受，沒有達到CO2泄漏指示性植物的標準，需要進一步擴大篩選范圍。該文初步驗證了耐受指數(shù)方法在篩選地質封存CO2泄漏指標植物的適用性。同時，為增強地質封存CO2泄漏指示植物篩選的穩(wěn)健性，建議未來加強對植物栽培管理措施、全生長周期等的綜合評估。

植物；試驗；評估；CO2封存；泄漏；大芻草

0 引 言

碳捕集與封存可將主要工業(yè)源排放的CO2封存在穩(wěn)定的地質結構中，包括注入到盆地的石油與天然氣儲層、深層咸水層和不可開采的煤層等，特別是鹽水層封存具有巨大的減排潛力[1]。2016年，由神華集團建設的全球第一個全流程鹽水層封存工程——鄂爾多斯30萬噸煤制油工程高濃度CO2捕集與封存工程完成，封存深度約700 m，已進入長期監(jiān)測與預警業(yè)務流程[2]。為了確保地質封存CO2的安全性，及時發(fā)現(xiàn)跨越蓋層、水力圈閉逃逸至土壤層的CO2泄漏，地表植被響應作為重要的預警指標，已經(jīng)引起廣泛的關注[3-4]。

已有研究揭示了玉米出苗、株高和生物量受到淺層泄漏CO2的嚴重阻礙[5-6]，春蠶豆的豆莢數(shù)量和干重下降了36%～65%[7]，表明部分農(nóng)作物易受到封存CO2泄漏的影響。而有試驗發(fā)現(xiàn)三葉草能耐受500 g/(m2·d)的CO2泄漏強度[8-9]，揭示出不同植物的耐受性存在一定的差異。因此，為深入認識植物對封存CO2泄漏的響應，更多的植物需要納入到測試范圍中[10]。

地質封存風險可以通過觀察對CO2泄漏敏感的植物表征進行預警[11-12]。Beaubien等[13]調(diào)查意大利Latera地區(qū)的天然CO2釋放點的植物表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在中心區(qū)域沒有植物存活，在釋放點周邊土壤CO2濃度40%的區(qū)域生長耐酸性植物L.，在離釋放中心6 m遠的區(qū)域生長著三葉草。West等[14]發(fā)現(xiàn)在土壤60 cm深度通入1 L/min CO2后，牧草在試驗區(qū)域占據(jù)主導地位，表現(xiàn)出較好的耐受性。盡管相關案例研究已有一定的積累，但植物對CO2泄漏耐受能力的定量評估還不多[15-16]。在農(nóng)業(yè)領域，有大量關于植物對環(huán)境脅迫的研究，比如干旱、洪澇、冷害和鹽堿等[17-21]。蘭巨生等[22]發(fā)展的干旱耐受指數(shù)被廣泛應用于抗旱作物的育種。因此，發(fā)展可靠的封存CO2泄漏的耐受指數(shù)對指示植物的篩選具有重要意義[23-24]。

目前，鄂爾多斯鹽水層封存工程沒有發(fā)現(xiàn)CO2泄漏到地表的現(xiàn)象[2]，但為應對未來可能發(fā)生的泄漏風險，需要在工程現(xiàn)場種植適宜當?shù)貧夂颉Ψ獯鍯O2泄漏敏感的指示性植物，發(fā)揮地表植物的預警作用。大芻草是優(yōu)良的人工牧草品種，屬于禾本類假蜀黍屬，全年可多次刈割，畝產(chǎn)鮮草10 t以上，是牧區(qū)優(yōu)質的牛、羊飼料[25]。大芻草根系發(fā)達、莖桿粗壯、直徑1.5～2.0 cm，高約1.5～3.0 m，對環(huán)境脅迫的影響易于觀察[26]。本文通過發(fā)展植物對封存CO2泄漏的耐受指數(shù)方法，以盆栽模擬地質封存CO2泄漏，評估大芻草對封存CO2泄漏的響應，為鄂爾多斯CO2鹽水層封存工程篩選預警植物和定量指標提供參考。

1 數(shù)據(jù)與試驗設計

1.1 試驗設計

淺層土壤CO2釋放試驗。通過向高100 cm，邊長50 cm的大芻草栽培箱體土壤中通入CO2氣體，使箱體土壤中CO2濃度升高，對栽培的大芻草生長發(fā)育形成脅迫（圖1）。其中，CO2泄漏處理為5種，分別是對照CK（0 g/(m2·d)）、G500（500 g/(m2·d)、G1000（1 000 g/(m2·d)）、G1500（1 500 g/(m2·d)）和G2000（2 000 g/(m2·d)），以CO2計量，每個處理重復3次，使用標準CO2氣體（50 kg；15 MPa；99.5%）。

a. CO2控制釋放裝置示意圖

a. Schematic diagram of CO2controlled-release device

b. CO2控制釋放裝置現(xiàn)場圖

試驗點位于中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所延慶試驗站（116°03′37″E，40°32′37″N，海拔534 m），屬于中溫帶北部，年均溫8.5 ℃，年均降水423.3 mm。每個栽培箱裝入162 kg土壤，土壤為取自延慶試驗站內(nèi)農(nóng)田20 cm表土，土壤類型為褐土，主要理化性質見（表1）。大芻草播種于2012年4月26日，5月19日三葉一心期定苗，每個栽培箱留壯苗1株。試驗期間，施用磷酸三銨復合底肥（有效成分≥51%，包括17%N，19%P和17%K）。每（10±2）天手工灌溉水5 L。5月21日正式進行通氣處理，6月24日刈割，7月31日收獲完成試驗。

表1 土壤理化性質

1.2 數(shù)據(jù)觀測與處理

數(shù)據(jù)觀測包括大芻草株高、生物量測量、葉片光合參數(shù)測量等部分。大芻草刈割后，用烘干法獲得生物量干重。大芻草光合參數(shù)采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)（LI-COR公司，美國）對穗位葉進行測定，采用開路式氣路，進氣口緩沖瓶CO2濃度、葉溫、濕度均與環(huán)境背景值一致。選擇在晴朗無云天氣的10:30－13:30時段進行測定，指標包括凈光合速率（net photosynthetic rate，P）、氣孔導度（stomatal conductance，G）、蒸騰速率（transpiration rate，T），測定頻率為每3 d測1次。水分利用效率的計算公式為[17]：

WUE=P/T（1）

式中WUE為水分利用效率（water use efficiency），mol/mol；P為凈光合速率，mol/(m2·s)；T為蒸騰速率，mol/(m2·s)。

1.3 耐受性指數(shù)

將無CO2泄露對照處理下植物生理指標設為基準線，植物的耐受性可以通過泄露處理與對照處理下植物生理指標的比值來評估。泄露處理下植物生理指標與對照處理下植物生理指標越接近，耐受性越強。反之亦然。當泄露處理與對照處理下植物生理指標的比值為1時，則植物不受封存CO2泄露的影響。

植物耐受性的計算式如下：

考慮到指示植物對CO2泄漏的響應特征要明顯，初步設定0≤LCTI<0.25為不耐受；0.25≤LCTI<0.5為較不耐受；0.5≤LCTI<0.75為較耐受；0.75≤LCTI≤1.0為耐受。為實現(xiàn)植物對地質封存CO2泄漏靈敏的指示作用，設定植物的耐受指數(shù)LCTI<0.25可作為指示性植物。

1.4 統(tǒng)計分析

LCTI指標分析采用均值比較獨立標本檢驗，不同的處理被劃分為4個對照組（CK, G500; CK, G1000; CK, G1500; CK, G2000）。所有分析采用SPSS 19.0，顯著性檢驗≤0.05。

2 結 果

2.1 封存CO2泄漏條件下大芻草的株高與生物量

圖2展示了在對照和4個處理條件下大芻草株高隨時間的變化情況。在多數(shù)時間，大芻草的株高隨著封存CO2泄漏量的增加，株高呈下降趨勢。但是，5月19日至6月23日，G2000處理下大芻草株高（35.7±1.96）cm高于G1000（34.4±2.15）cm和G1500（32.7±1.71）cm。經(jīng)過6月24日刈割后，G2000處理下大芻草沒有再次萌發(fā)，直接死亡。另外，5月24日至5月28日，G500處理下大芻草株高（27.0±1.96）cm低于G1000（29.3±1.97）cm、G1500（27.7±1.20）cm和G2000（29.8±2.26）cm。在6月5日后，G500處理下大芻草株高顯著高于G1000、G1500和G2000。

在刈割和最終收獲大芻草的過程中，4個泄漏處理條件下平均刈割生物量和收獲生物量低于對照（表2），即大芻草生物量對封存CO2泄漏呈現(xiàn)顯著的響應。從封存CO2泄漏與對照情景下生物量變化比例來看，大芻草生物量下降均在70%以上。其中，僅G500處理下，收獲生物量與對照相比沒有通過顯著性檢驗（=0.06）。

注：CK、G500、G1000、G1500、G2000分別表示通入CO2量0、500、1 000、1 500和2 000 g·m-2·d-1的處理。

表2 刈割和收獲生物量均值t檢驗結果

2.2 封存CO2泄漏條件下大芻草光合作用

圖3展示4個CO2泄漏處理和對照處理下大芻草凈光合速率（P）、氣孔導度（G）、蒸騰速率（T）和水分利用效率（WUE）的時間動態(tài)變化。整體上看，泄漏處理由G500增加到G2000，大芻草P、G、T和WUE呈下降趨勢。特別是在6月14日后，對照處理下大芻草的光合作用顯著高于CO2泄漏處理。

圖3 封存CO2泄漏條件下大芻草光合作用

2.3 大芻草CO2泄漏耐受指數(shù)

由于大芻草在G2000處理下刈割后死亡，因此，選擇G1500泄漏處理作為Leakage計算大芻草的耐受指數(shù)（LCTI）。如表3所示，選擇株高、刈割生物量、收獲生物量、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和水分利用效率作為大芻草耐受指數(shù)的觀測指標。根據(jù)大芻草各觀測指標對CO2泄漏響應的情況，以及監(jiān)測指標自身反映大芻草生理形態(tài)特征的重要程度，設定株高權重為0.20，刈割生物量和收獲生物量權重為0.22，凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和水分利用效率權重為0.09。根據(jù)LCTI計算公式，得到大芻草對封存CO2泄漏的耐受指數(shù)為0.26，屬于較不耐受。其中，大芻草株高對封存CO2泄漏最不敏感，在G1500處理下對比對照處理下降了33%。大芻草收獲生物量對封存CO2泄漏最敏感，在G1500處理下對比對照處理下降了95%。

表3 G1500泄漏處理下大芻草耐受指數(shù)

3 討 論

本文提出利用耐受指數(shù)（LCTI）評價植物對地質封存CO2泄漏的耐受程度，用于篩選適宜的CO2泄漏指示性植物。經(jīng)過系統(tǒng)評估，大芻草的耐受指數(shù)為0.26，屬于較不耐受，沒有達到CO2泄漏指示性植物的標準（表3）。從單一指標來看，刈割生物量和收獲生物量分別下降了85%和95%，但大芻草仍然不能作為CO2泄漏指示性植物，似乎設定的選擇標準過高。但如果綜合考慮大芻草株高在CO2泄漏情景下下降33%，以及干旱等其他自然環(huán)境協(xié)迫下植物生長發(fā)育的不確定性，株高下降33%確實不能很好的指示出存在地質封存CO2泄漏。因此，為保證指示植物的高度敏感性，且指標具有較好穩(wěn)健性，宜設定較嚴苛的選擇標準。從指標觀測的難易程度來看，株高、生物量宜于觀測，而凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和水分利用效率等光合相關指標需要使用LI－6400等設備，不易于直觀觀測。如果未來CCS（carbon capture and storage）項目需要制定野外確定CCS泄漏的植物指數(shù)快速檢測方法，可考慮以易于觀測的株高、生物量為主構建耐受指數(shù)。

圖2和圖3展示大芻草株高和光合作用隨時間動態(tài)變化?？梢钥吹綀D2中，在試驗過程某些階段（5月19日至6月23日）高CO2泄漏處理下（G2000）株高高于低CO2泄漏處理（G1000、G1500）。圖3中大芻草的氣孔導度（G）和蒸騰速率（T）也存在CO2泄漏處理的觀測值高于對照處理。在植物生長發(fā)育的不同階段，植物可能對CO2泄漏的耐受性存在一定的變化，表現(xiàn)出植物對CO2泄漏響應的時間復雜性[27]。因此，評價植物對CO2泄漏的耐受性，以全生命周期的綜合評估為宜，可獲得較穩(wěn)健的評估結果[28]。

植物栽培管理措施可能會對CO2泄漏耐受性評估產(chǎn)生影響[29]。在大芻草生長過程中，采用了刈割的管理措施。表2中刈割和收獲生物量數(shù)據(jù)表明，在6月24日對大芻草進行了全面的刈割后，直接使G2000處理下大芻草無法再萌發(fā)，導致死亡。因此，植物栽培管理措施可能會干擾評估過程和結果，需要在未來的篩選過程中充分考慮管理措施的作用。

從已有研究來看，土壤對CCS泄漏導致的CO2濃度升高響應比較復雜。在試驗草地土壤中以3 L/min的速率連續(xù)19 d釋放CO2，使釋放點附近土壤pH值下降了0.5，呈現(xiàn)弱酸化的趨勢[14]。但伍洋等[6]以500和2000 g/(m2·d) 通量向玉米栽培箱內(nèi)通入CO2，未觀察到土壤pH值顯著變化。特別是Zhang等[10]發(fā)現(xiàn)封存CO2泄漏對植物生長負面作用主要是由于高土壤CO2濃度導致的植物根呼吸抑制，與土壤pH值無關。因此，不同的土壤環(huán)境在影響植物對封存CO2泄漏耐受能力方面存在不確定因素，需要在試驗中進一步加強觀測與研究。

4 結 論

本文發(fā)展了用于篩選地質封存CO2泄漏指示性植物的LCTI耐受指數(shù)方法，通過案例植物大芻草和盆栽試驗，初步驗證了耐受指數(shù)方法在篩選地質封存CO2泄漏指標植物的適用性。試驗評估大芻草的耐受指數(shù)為0.26，屬于較不耐受，未能達到CO2泄漏指示性植物標準。同時，為增強地質封存CO2泄漏指示植物篩選的穩(wěn)健性，未來需要加強對植物栽培管理措施、全生長周期綜合評估的考慮。

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Assessment onL. as bio-indicator of CO2leakage from geological storage

Ma Xin1, Zhang Xueyan2,3※, Tian Di4, He Xiaojia5, Han Yaojie1, Ji Xiang1

(1.100081,; 2.100101,; 3.100101,; 4.100871,; 5.21st100038,)

Carbon capture and storage (CCS) projects can sequester anthropogenic carbon dioxide (CO2) in deep geological formations and avoid emissions into the atmosphere while supporting coal use. Thus, the technology is an attractive way of controlling greenhouse gases in the countries whose economies heavily depend on coal energy, such as China, whose goal is to reach an emissions cap by 2030. Currently, more than 12 CCS demonstration projects are in development in China. The global first full-ranged demonstration project, Shenhua Ordos CCS project, which has captured CO2from the first worldwide large-scale direct coal-to-liquid plant and injected cumulatively 300 000 t CO2into the saline aquifer from 2010 to 2015, has developed long-term monitoring and early warning work flow, and the ground and above-ground monitoring schemes were designed for Shenhua CO2project and have been proved to be safe so far. However, leakage of stored CO2, through gas permeable channels/faults in the caprock or failure of injection wells, has a significant adverse effect on plant growth and development. Thus, the risks of leakage and its subsequent effects on land degradation must be carefully evaluated. The most visible impact of CCS leakage is the degradation of plant cover. It is urged to select suitable bio-indicator for leakage of stored CO2. However, there is little knowledge about this. A carefully designed field experiment of CO2shallow release ofL. was put into effect to reveal the impacts of leaked CO2in Yanqing, Beijing. In this study, we proposed a new index (leaking CO2tolerance index, LCTI) to assess the tolerance ofL. for leakage of stored CO2through pot experiment. The application of the LCTI (higher values indicate more tolerance and lower values indicate more sensitivity) revealed that the plant height ofL. decreased with the elevated CO2leakage (500, 1 000, 1 500, and 2 000 g/(m2·d)). Measurementofmaizeleafphotosynthesisandtranspirationparametersinvolved netphotosyntheticrate(P),stomatalconductance(G),transpirationrate(T) and water use efficiency (WUE), and the observational values of,,, and WUE were reduced with the increasing of CO2leakage. And the biomass ofL. declined by more than 70%. The LCTI ofL. was 0.26, which should be classed as less tolerant, and cannot be used as bio-indicator for CO2leakage. The LCTI method is preliminary verified by our experiment which is suitable for selection of bio-indicator for leakage of stored CO2. In the future, for robustness of LCTI, we suggest to add plant management and growth cycle into LCTI assessment.

plants; experiments; estimation; CO2storage; leakage;L.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.029

S541+.2

A

1002-6819(2017)-18-0224-06

2017-05-22

2017-08-29

國家自然科學基金項目（31400376、31600351），國家科技支撐計劃課題（2011BAC08B03）

馬 欣，湖南懷化人，副研究員，主要從事氣候變化對農(nóng)業(yè)影響評估、農(nóng)林業(yè)碳交易、CO2環(huán)境效應評估研究。北京 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，100081。Email：maxin02@caas.cn

張雪艷，助理研究員，主要從事碳減排的社會經(jīng)濟代價評估、農(nóng)業(yè)環(huán)境政策、地理信息與遙感在環(huán)境領域的應用等研究。北京 中國科學院地理科學與資源研究所，100101。Email：xyzhang@igsnrr.ac.cn