關(guān)笑坤，王 蓉

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054)

由于人類工業(yè)活動(dòng)向大氣中排放大量CO2導(dǎo)致氣候變化問題加劇，使科學(xué)家們的目光匯聚在二氧化碳的減排問題上，各國開始進(jìn)行二氧化碳的地質(zhì)儲(chǔ)存(CO2geological storage，CGS)項(xiàng)目以減少向大氣排放的 CO2氣體［1］。但在長期的儲(chǔ)存過程中，CO2可能通過斷層、斷裂或人工鉆探口泄漏到地表［2］。其危害有:使得地質(zhì)儲(chǔ)存的效益降低，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失;CO2可能通過溶解在水中使酸度升高，或者攜帶其他污染物使得地下水受到污染;CO2的注入使地層壓力增加，當(dāng)注入壓力超過地層壓力，將可能誘發(fā)地層裂縫的產(chǎn)生和斷層的移動(dòng)，誘發(fā)地震;高濃度的CO2使得生態(tài)平衡被破壞，影響動(dòng)、植物等的生長和發(fā)育，也可能使人類窒息［3－6］。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)封存CO2意外泄漏至淺地表時(shí)，由于環(huán)境的改變，CO2仍會(huì)保持一般氣體性質(zhì)。在關(guān)于CO2在淺地表土壤中的運(yùn)移、監(jiān)測(cè)和分布研究方面，許多學(xué)著做了相關(guān)研究，Patil等［7］以1 L/min的速度將 CO2氣體注入牧草地和冬豆休耕地下，發(fā)現(xiàn)通氣區(qū)范圍內(nèi)受到了明顯的壓力;West等［8］在英國一個(gè)低地牧場(chǎng)注入CO2，研究其對(duì)植物影響，結(jié)果單子葉植物比雙子葉植物具有更大的耐受性，注入的CO2在試驗(yàn)區(qū)的地表監(jiān)測(cè)到約僅有1/3。Amonette等［9］以每日52 Kg的速度注入地表的方法對(duì)泄漏的CO2在近地表的時(shí)空變化進(jìn)行了研究。張春林等［10］利用紅外CO2監(jiān)測(cè)儀對(duì)西安市草地土壤CO2進(jìn)行觀測(cè)，得出隨著溫度的升高CO2濃度增大，CO2濃度白天比夜間高，在1～4 m深度的范圍，CO2濃度隨深度增加而增加。秦小光等［11］通過對(duì)土壤 CO2的源、匯和中間氣體交換通量、氣溫、土溫以及表土濕度進(jìn)行觀察，表明土壤CO2排放通量與氣溫存在正相關(guān)關(guān)系，日變化尺度上隨表土濕度增加而增加，氣溫主要影響土壤CO2向大氣的擴(kuò)散和對(duì)流。刁一偉等［12］在江蘇省稻麥農(nóng)田對(duì)土層CO2濃度廓線進(jìn)行了研究，表明在0～30 cm土層中，上層土壤中的CO2向上垂直擴(kuò)散比下層土壤快，作物旺盛生長期大氣CO2濃度升高使0～30 cm土層的CO2濃度顯著提高。

根據(jù)人工模擬CO2地質(zhì)封存泄露至地表的試驗(yàn)，分析淺地表土壤中CO2氣體濃度變化規(guī)律，及其運(yùn)移受到溫度和水分影響，推動(dòng)和補(bǔ)充CO2地質(zhì)儲(chǔ)存泄露在地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基本理論、及其對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的影響和地表碳循環(huán)規(guī)律的研究。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在西安北郊長安大學(xué)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地下室放置9個(gè)試驗(yàn)筒，玻璃鋼材質(zhì)，直徑1 m，桶高3.3 m，壁厚 10 mm，其中裝入土壤，并在不同深度插入測(cè)量探頭，在試驗(yàn)筒－0.5 m、－1.5 m、－2.5 m 深度處設(shè)有 CO2濃度測(cè)量探頭，連接CO2濃度測(cè)量?jī)x器?？諝鈮嚎s機(jī)和工業(yè)CO2氣罐作供氣源，利用質(zhì)量流量計(jì)控制兩者的流量，混合達(dá)到設(shè)定濃度的CO2氣體，通入試驗(yàn)筒底部進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)選擇3個(gè)CO2濃度，A組5×104ppm，B組10×104ppm，C組 15×104ppm，約大氣中CO2濃度300～400 ppm的百倍。每組用3個(gè)試驗(yàn)筒進(jìn)行平行試驗(yàn)，共9個(gè)試驗(yàn)筒。

因天氣、溫度和氣體濃度變化等原因，選擇7月下旬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。記錄期間不同的天氣狀況;利用基于時(shí)域反射技術(shù)(TDR)的土壤剖面水分速測(cè)儀(德國 IMKO－PICO－BT)測(cè)量土壤的含水率;利用華云分析儀器研究所有限公司制造的GXH－3011N型紅外線分析器測(cè)量CO2濃度，多臺(tái)測(cè)量?jī)x同時(shí)對(duì)3組試驗(yàn)筒測(cè)量并記錄。CO2儀器使用不分光紅外線氣體分析法(NDIR)，基于不同氣體對(duì)紅外線有選擇性吸收的原理，因此在測(cè)量的過程中不會(huì)改變CO2濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2在土壤中濃度分布規(guī)律

根據(jù)多日測(cè)量的結(jié)果，不同深度土壤中CO2濃度隨時(shí)間發(fā)生變化，表現(xiàn)為上下波動(dòng)，但總體圍繞某值保持不變。計(jì)算比較不同深度土壤CO2濃度的多日均值，可見從深層到地表土壤中CO2濃度分布減小，－2.5 m和 －1.5 m深度 CO2濃度相差不大，但－0.5 m CO2濃度減小較明顯。以A組為例說明如圖1(上)所示，在 －0.5 mCO2濃度保持在3.39×104ppm、－1.5 m 約為4.57×104ppm、－2.5 m 約4.64×104ppm上下變化。而B組、C組因CO2耗氣量較大、氣壓不穩(wěn)定，使得試驗(yàn)到達(dá)和保持平衡的時(shí)間短，不利于多日測(cè)量的精確性，不能準(zhǔn)確表現(xiàn)出相同規(guī)律。

圖1 土壤不同深度CO2濃度和日溫變化圖

CO2氣體存在土壤中，應(yīng)滿足的氣體運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律，如式(1)所示:

其中:C為CO2的濃度;D為CO2的擴(kuò)散系數(shù);v為氣體運(yùn)移速度;t為時(shí)間;x為垂直方向距離;W為CO2其他源匯項(xiàng)。

方程忽略了溫度對(duì)CO2的影響，其他源匯項(xiàng)W包括土壤微生物活動(dòng)，動(dòng)、植物呼吸作用等吸收或釋放的CO2以及水分等其他物質(zhì)與CO2發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在長時(shí)間作用后，方程中通氣速度v保持不變，氣體運(yùn)動(dòng)保持動(dòng)態(tài)平衡，土壤的各項(xiàng)參數(shù)和取決于氣體、土壤本身的物理性質(zhì)的CO2彌散系數(shù)D短時(shí)間不會(huì)發(fā)生變化。與物理、化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的CO2其他源匯項(xiàng)W在無外界干擾，足夠長時(shí)間作用下達(dá)到飽和或平衡狀態(tài);最后CO2濃度C僅與土壤深度 X相關(guān)，某一深度CO2濃度應(yīng)保持不變，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果CO2濃度基本保持不變相同。

2.2 溫度影響土壤中CO2的濃度變化

在試驗(yàn)期間輸氣速度不變，各試驗(yàn)筒土壤中的CO2濃度在保持動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，對(duì)照時(shí)間變化仍呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，取同時(shí)間不同深度CO2濃度測(cè)量值的均值如圖1(下)所示，發(fā)現(xiàn)其基本呈現(xiàn)規(guī)律的波動(dòng)變化，在下午約17點(diǎn)左右濃度達(dá)到最大值，夜間4點(diǎn)左右達(dá)到最小值。

分析土壤中CO2濃度圍繞某值上下波動(dòng)的原因，溫度作為氣體運(yùn)動(dòng)的影響因素之一，其主要影響表現(xiàn)為溫度梯度作用，即在溫度場(chǎng)作用下，氣體會(huì)由溫度高的地方向溫度低的地方運(yùn)動(dòng)。地表溫度變化是由太陽輻射引起的，太陽輻射增強(qiáng)必然引起溫度升高，并且大氣和土壤接觸，之間存在熱傳導(dǎo)，設(shè)地表溫度與大氣底面溫度相同，土壤間由熱傳導(dǎo)方程，如式(2)所示:

其中:T為溫度;z為深度;t為時(shí)間;k為土壤熱擴(kuò)散系數(shù)。

由方程可知地溫變幅隨深度減弱，地表溫度變化最為強(qiáng)烈，地溫的變化對(duì)于大氣溫度變化有一定的延遲性。白天太陽光充足，大氣溫度高而土壤中溫度低，故在土壤垂直方向上形成了地表高溫而試驗(yàn)桶低溫的溫度差，CO2氣體除了在供氣源的輸氣影響下向上運(yùn)動(dòng)，還受到溫度場(chǎng)作用，氣體向下運(yùn)動(dòng)，則比沒有溫度場(chǎng)作用情況下CO2在土壤中濃度更大。反之在夜間時(shí)由于空氣中溫度較低，試驗(yàn)筒中土壤形成了深處溫度高地表溫度低的梯度差，溫度場(chǎng)控制CO2向上運(yùn)移，土壤中CO2濃度則較低。所以土壤溫度變化較氣溫變化有一定的滯后時(shí)間，而CO2濃度最終表現(xiàn)為下午17點(diǎn)時(shí)最大，夜間4點(diǎn)最小，較日氣溫的最高、最低時(shí)間有一定延遲。

2.3 含水率影響土壤中CO2的濃度變化

含水率是研究土壤包氣帶的重要參數(shù)，CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但能溶于水，產(chǎn)生碳酸，所以含水率可能會(huì)影響土壤中CO2的濃度分布狀況。為測(cè)量土壤含水率對(duì)平衡狀態(tài)下的CO2濃度分布的影響，選擇在不同的天氣狀況對(duì)各試驗(yàn)組土壤含水率進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示，得到兩種天氣狀況下的土壤含水率隨深度變化圖，以其均值與這兩種狀況下土壤中的CO2平衡濃度進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖2可見降雨?duì)顩r下土壤表層含水率增大，而對(duì)土壤深部含水率的影響較小，對(duì)比各試驗(yàn)組之間的含水率大小，說明CO2濃度大小難以影響土壤含水率。圖3取兩種狀況下含水率的均值并與土壤CO2濃度值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雨天情況下土壤中CO2濃度比晴天大，并且高濃度的實(shí)驗(yàn)組表現(xiàn)較為明顯，土壤淺層的CO2濃度明顯變大，中部出現(xiàn)不太明顯CO2小峰值，深層CO2濃度變化幅度較小，而晴天情況下呈現(xiàn)土壤從深到淺CO2濃度基本漸小的趨勢(shì)。

圖2 雨天、晴天不同CO2濃度土壤中含水率隨深度變化圖

圖3 雨天、晴天含水率的變化趨勢(shì)和不同深度土壤CO2濃度測(cè)量值

3 討論

CO2的地質(zhì)儲(chǔ)存是解決CO2大量排放問題的有效途徑，對(duì)于可能存在CO2泄露至地表造成的環(huán)境影響，CO2在表層土壤中的運(yùn)移與分布的研究是不可或缺的。對(duì)于多孔介質(zhì)中的流體運(yùn)動(dòng)的研究，CO2由于其氣體的特殊性，濃度梯度成為其擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)溫度、水分也會(huì)對(duì)其運(yùn)動(dòng)造成影響，在本試驗(yàn)中土壤中CO2的濃度分布從深到淺依次減小，提供向大氣中逸散的驅(qū)動(dòng)力。

試驗(yàn)中當(dāng)輸氣時(shí)間足夠長時(shí)試驗(yàn)筒中的CO2保持動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)底部輸入的CO2氣體與試驗(yàn)筒中逃逸出來的進(jìn)入大氣的CO2氣體量相等，雖然土壤中發(fā)生了吸附等其他物理或者化學(xué)反應(yīng)使得逃逸的CO2減少，但最終會(huì)達(dá)到一種飽和、平衡狀態(tài)。這種情況的發(fā)生對(duì)于實(shí)際的CO2泄露的地表監(jiān)測(cè)來說，一方面在泄露初期可能不易發(fā)現(xiàn)泄露情形，因?yàn)橥寥赖淖饔孟魅趿诵孤兜臐舛?。另一方面，在土壤作用逐漸達(dá)平衡后，CO2可能已經(jīng)作為一種污染物向其他地層擴(kuò)散。而土壤作為碳源循環(huán)的一部分，據(jù)曾世文，鄭樂平［13］在對(duì)巖溶地區(qū)土壤CO2運(yùn)移的數(shù)值模型研究中，在數(shù)值上計(jì)算了土壤中CO2變化，對(duì)于水流遷移、根系呼吸、分解有機(jī)物、微生物活動(dòng)所產(chǎn)生的CO2共同進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算中所采用的基本方程與分析中使用的(1)式基本相同，而土壤本身可能作為碳源向大氣釋放CO2，這很可能影響在地表對(duì)CO2泄露的監(jiān)測(cè)。

本次試驗(yàn)據(jù)氣溫－土壤深層溫度影響CO2濃度分布的考慮，是間接的分析，意在分析其內(nèi)在機(jī)理，而較難滿足精確計(jì)算溫度對(duì)多孔介質(zhì)中氣體的運(yùn)移影響，這需要建立土壤溫度變化方程與CO2變化方程的耦合方程。而曾亦鍵［14］曾對(duì)土壤孔隙中水汽運(yùn)移機(jī)制進(jìn)行研究，認(rèn)為當(dāng)溫度梯度向下時(shí)，水汽往地下運(yùn)移;當(dāng)溫度梯度向上時(shí)，水汽往地表運(yùn)移，若水汽的移動(dòng)使CO2隨之運(yùn)動(dòng)，也是溫度對(duì)CO2運(yùn)移影響的一個(gè)原因，同時(shí)也與本次的測(cè)量結(jié)果相同。

淺地表的土壤多孔介質(zhì)具有固、液、氣三相性，降雨驅(qū)使水分在土壤運(yùn)動(dòng)，水在下滲過程中驅(qū)替空氣，通常對(duì)土壤中的氣體和液體都有影響，即涉及兩相流，降雨量的大小和土壤的滲透系數(shù)是影響水分入滲的重要因素。本次試驗(yàn)測(cè)量地表含水率時(shí)是在開始下雨后一段時(shí)間，測(cè)量土壤含水率趨勢(shì)線與范磊［15］所進(jìn)行的降雨試驗(yàn)繪制的含水率曲線基本相同，他對(duì)于降雨入滲過程中氣壓的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，降雨過程中首先土壤中含水量接近飽和含水量，然后土壤中各處的氣壓增大，對(duì)于1.2 m，1.5 m，1.8 m 深度土壤中的氣壓隨著降雨時(shí)間不斷增大，而本試驗(yàn)同樣在降雨時(shí)測(cè)量土壤中CO2濃度有明顯增大，其增大幅度可能會(huì)隨降雨過程發(fā)生變化，降雨過后將慢慢回復(fù)正常。土壤中的CO2氣體受水分、溫度共同影響，水－氣－熱之間又會(huì)互相影響，精確計(jì)算需要建立相互依托的耦合方程共同求解。

4 結(jié)語

(1)保持CO2的濃度和輸氣速度不變，CO2在土壤的運(yùn)移將處于平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為土壤由深到淺CO2濃度遞減，－1.5 m、－2.5 m相差不大，－0.5 m明顯減小，土壤各深度的CO2隨時(shí)間變化幅度不大，圍繞一定值上下波動(dòng)。

(2)土壤各深度的CO2隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為下午時(shí)間濃度較大而夜間濃度較小，與氣溫變化有相似的規(guī)律，但有一定的滯后時(shí)間。

(3)雨天情況下土壤的含水率發(fā)生變化，CO2平衡狀態(tài)同樣發(fā)生變化，各深度的CO2濃度比晴天時(shí)大，淺地表部分CO2濃度明顯增大，深處的CO2濃度增大幅度較小。

(4)土壤中水－氣－熱之間互相影響，本次試驗(yàn)僅將水分、溫度和CO2的濃度的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行規(guī)律性研究，一定程度上分析其內(nèi)在機(jī)理，但精確計(jì)算模擬氣體在土壤中的運(yùn)移情況，則需要建立相互依托的耦合方程共同求解。

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