0引言

碳捕獲與封存（carboncaptureandstorage，CCS）作為一項新興的、具有大規模碳減排潛力的技術，有望成為未來全球應對氣候變化、實現低碳經濟轉型的重要環節，是全球減排的重要戰略性技術[1]。2010年12月，在墨西哥坎昆舉行的聯合國氣候變化談判大會通過了《將地質形式的CCS作為CDM項目活動》的協議，預示著CCS將進入快速發展期。中國作為世界上最大的發展中國家，正處在快速工業化和城市化的關鍵發展時期，特別是以煤炭為主的能源結構短期內難以改變，面臨著發展經濟和積極應對氣候變化的雙重壓力[2]。而CCS具有對經濟發展影響較小、減排效果顯著的特點，開展CCS項目的技術研發與示范，形成戰略性技術儲備，對中國具有非同尋常的意義[3]。但是目前的CCS工程存在CO2泄漏的風險[4]，如果封存在鹽水層或廢棄油氣礦床等地質構造中的CO2通過斷層、斷裂或人工鉆探口泄漏到地表，將會抵消CCS對于減緩氣候變化的貢獻[5]，更重要的是鑒于CCS項目的空間規模，短期或長期的泄漏都可能會對當地的健康、安全和環境造成顯著的影響[6-8]。同時，由于中國生態環境脆弱、氣象和地質災害頻發，CCS技術在中國的風險要遠高于其他地區[9]，實際上，由于擔心封存CO2泄漏引發的生態環境問題而導致的公眾反對已經成為CCS活動的重要障礙之一[10]。因此，在不同時空尺度下研究地質封存CO2泄漏對地表生態系統的影響，特別是確定生態系統的耐受閾值，對于理解封存CO2泄漏環境影響的機理，為決策和管理者定量評估CCS風險和制定氣候變化減緩對策，引導公眾正確對待CCS活動，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濃度升高對農業生態系統的影響[11-12]，而關于由地下土壤深層向上遷移的CO2氣體導致土壤層中CO2濃度升高的影響研究，相比于前者要少得多[13]。世界上第一個把CO2捕獲與封存和溫室氣體減排概念相結合在一起的是始于20世紀90年代中期的挪威Sleipner項目[14-15]。雖然CO2捕獲與封存概念經歷了大約25a的研究取得了很大進展，國內外學者對地質封存CO2的長期性和安全性問題也做了不少相關研究和報道[16-17]，封存CO2發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確地跟蹤監測[18-19]甚至模型模擬[20]，但是關于CO2在其泄漏過程中對地表生態系統的影響卻并沒有出現較完善和統一的結論。目前，有關地質封存CO2泄漏對生態環境影響的研究主要分為2個思路：一是基于地下深處釋放的CO2天然試驗地，例如地熱活躍區[21-22]、火山活躍區[23-25]和天然CO2溫泉[26]，當這些天然CO2釋放源附近的土壤CO2濃度達到毒性級時，植物葉片光合作用降低、提前衰老[27-28]甚至死亡[29]。Beaubien等[22]對意大利中部地中海草原生態系統上一個由深層地熱形成的通氣口展開研究發現，距離通氣口中心6m寬的范圍內沒有植物生長，由中心向外形成了一個近似20m寬的環形過渡區，沿徑向由中心向外穿過這個過渡區后生態系統的各物理參數逐漸回歸到背景值。然而這類天然試驗地無法與工業級別的CCS封存庫相比較，而且長時期暴露在高濃度CO2環境后，生態系統可能已經完成了適應和恢復過程[22]，無法評估影響發生的全過程；二是基于定量模擬CO2泄漏的人工控制裝置，這正逐漸成為當前研究地質封存CO2泄漏對生態系統影響的熱點，當前正在運作的2個大規模人工控制試驗系統分別是英國諾丁漢大學的人造土壤氣體和響應監測（artificialsoilgassingandresponsedetection，ASGARD）和美國蒙大拿州立大學的零排放研究和技術中心（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注入CO2氣體，并運用基礎生物技術去監測生態系統對“泄漏”的響應，結果顯示通氣小區受到了明顯的壓力征兆；West等[31]發現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系，注入土壤中的CO2大概只有1/3在地表試驗區邊界內被觀測到。而ZERT對深入研究泄漏CO2在近地表的時空變化起到了很好的作用[19,32]。但這些人工控制試驗都存在特定性，對現實可能泄漏情景的多樣性考慮不夠，而且分析的時空尺度不同，其結果很難具有可比性。然而，此類人工試驗方法的構建思想以及基于現實模擬的特點，使其在未來評估CCS泄漏風險的研究方面具有十分重要的借鑒意義[33]。

地質封存CO2泄漏對地表生態系統的影響機理較為復雜，國外開始有學者對此進行不少相關研究[22,30-31]，但仍處于起步階段，因為這些試驗大多都基于天然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信息和數據[7,34]。而國內在CCS風險評估方面的試驗研究尚未見報道，隨著未來中國CCS項目的陸續實施，開展定量模擬試驗勢在必行。在此背景下，本研究通過構建人工封存CO2泄漏模擬裝置，運用人為控制手段，模擬地質封存CO2泄漏到地表生態系統的不同情景，通過地表生態系統對不同泄漏情景的響應，更好地理解封存CO2泄漏對地表生態系統的潛在風險，確定地表生態系統對CO2泄漏的耐受閾值，深化對封存CO2泄漏環境影響機理的理解，為正在實施和規劃中的CCS示范項目提供環境影響評估的定量標準，為政府和相關機構提供決策依據。基于代表性和廣泛性的考慮，以及農田生態系統的植物類型和結構單一、對外界變化的響應具有高度的一致性等特點，本文選擇以玉米為代表的農田生態系統作為試驗對象。1封存CO2泄漏人工控制模擬平臺與研究方法

1.1封存CO2泄漏人工控制模擬平臺

封存CO2泄漏人工控制模擬平臺的基本原理是構建一組相互獨立的簡單生態系統，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。通過一套觀測系統記錄不同模擬情景下對各個生態系統的影響，評估封存CO2泄漏對地表生態系統的影響。模擬平臺由簡單生態系統、人工CO2控制釋放裝置、監測記錄系統和管理等部分構成（圖1）。

人工CO2控制釋放裝置包括試驗容器（土室、透氣性分隔片、CO2氣室）、導管、流量計和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氣體通過導氣管進入氣室，利用流量計控制其注入速率。