韓耀杰,張雪艷,馬 欣,紀 翔

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 中國科學院中國農(nóng)業(yè)政策研究中心,北京 100101

二氧化碳的捕捉和封存技術(shù)(簡稱CCS)是將二氧化碳從大型排放源(如電廠、化工廠等)捕集、運輸并注入地下深部儲層進行永久封存的技術(shù),是實現(xiàn)煤炭清潔高效利用、應(yīng)對全球氣候變化的有效技術(shù)手段之一。目前全球有22個大型CCS設(shè)施正在運行或建設(shè)中,每年可減排3700萬t的CO2。全球CCS研究機構(gòu)(Global CCS Institute)指出在過去10年中CCS取得了快速發(fā)展,尤其是在美國、日本、歐洲、中東、中國進展顯著。在亞太地區(qū)有11個CCS項目在進行中,其中有8個位于中國,我國封存潛力巨大,僅在內(nèi)蒙古的鄂爾多斯就已經(jīng)封存了30萬t的CO2,且國際能源署(IEA)專家預計,未來一半以上新建項目可能在中國[1]。但是隨著CCS項目的廣泛開展,其安全性和可能存在的風險也越來越引起人們的關(guān)注[2]。由于封存的地質(zhì)條件和人類活動的不確定性,注入的CO2存在著泄漏的風險,加之我國地形條件復雜,生態(tài)環(huán)境脆弱,一旦發(fā)生泄漏,其風險會遠高于其他國家[3]。因此開展CO2泄漏后的影響研究,對于泄漏檢測和生態(tài)修復很有必要。

根系生長是地上部和地下部相互作用、相互促進的統(tǒng)一過程,地上部葉片為根系的生長發(fā)育提供所需的有機質(zhì),根系是保證葉片的水肥供應(yīng),更好的進行光合的基礎(chǔ),兩者共同作用影響玉米生長[16,17]。且與根系的凈生物量相比,根系在土壤中的形態(tài)特征對作物生產(chǎn)力作用更大[18]。目前大部分的泄漏模擬研究試驗大都是對植物地上部生理生化指標以及生物量的測定,針對植物地下部的研究尚不多見,少量的關(guān)于植物根部的研究也只是對根系生物量的簡單測量[19],沒有系統(tǒng)的對植物根系形態(tài)進行梳理。因此通過模擬地質(zhì)封存的CO2泄漏試驗,研究作物根系對CO2的泄漏響應(yīng)、揭示其形態(tài)特征變化以及其與地上部生物量的相互關(guān)系,對于系統(tǒng)分析植物對CO2泄漏的響應(yīng)很有必要。玉米作為我國的三大糧食作物之一,也是近兩年我國進口量最大的糧食作物,對CO2的泄漏較雙子葉植物有更好的耐受性。因此本文以玉米為研究對象,自玉米拔節(jié)期開始不間斷的進行模擬泄漏處理至成熟期結(jié)束,評估地質(zhì)封存的CO2泄漏對玉米根系形態(tài)的影響,為后期CO2泄漏的監(jiān)測和修復提供系統(tǒng)科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗場地

該試驗位于中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所北京順義農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合試驗示范基地(116°55′26.76″E, 40°5′41.87″N),平均海拔高程34 m,屬大陸性季風氣候,是半干旱與半濕潤、溫帶與中溫帶的過渡帶,年均日照 2684 h,有效積溫 4500℃,無霜期195 d左右。取當?shù)剞r(nóng)田表層土壤0—20 cm裝入栽培箱中,壓實后栽培箱土壤厚度為50 cm。供試土壤為潮褐土,pH 8.38,有機質(zhì)15.48 g/kg,全氮0.37 g/kg,全磷 0.61 g/kg,全鉀 20.42 g/kg。該試驗從2017年6月19日播種開始,每箱播種玉米5粒,7月3日間苗,根據(jù)整體長勢,每箱留下一株玉米,使得整體長勢相當。7月12號開始通氣進行CO2的泄漏處理,2017年9月20號,通氣停止,總通氣時間為70 d。期間水肥根據(jù)當?shù)卮筇锍Ｒ?guī)處理。

1.2 試驗處理

該試驗在人工制作的CO2泄漏控制平臺中進行,通過人為的控制通入栽培箱底部的CO2的注入速率和通量模擬不同的泄漏情景。該平臺由簡單的生態(tài)系統(tǒng)、CO2控制釋放裝置、檢測記錄和人工管理等部分組成(圖1)。模擬泄漏的人工CO2控制釋放裝置主要由CO2氣罐、減壓閥、氣體導管、流量計、閥門和智能人工控制箱等組成。其中栽培箱長寬均為50 cm,高為100 cm,孔徑0.5 cm的透氣性分隔片將整個栽培箱分為兩個部分,上部為供植物生長的土室(高度為80 cm,其中填充的土壤厚度為50 cm)下部為均勻釋放CO2氣體的氣室(高度為20 cm)。

圖1 CO2控制釋放裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of CO2 release device

該試驗一共包括3個CO2的泄漏處理,其中一個為CK空白對照即無泄漏處理,另外兩個泄漏處理分別為G1000(1000 g m-2d-1),G2000(2000 g m-2d-1),把CO2的注入通量作為泄漏指標[19],各處理重復三次。通過調(diào)節(jié)盆栽底部閥門的開口大小來控制泄漏通量,該通量設(shè)定自試驗開始之日起,至整個試驗結(jié)束后關(guān)閉。其中泄漏通量和泄漏速率之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化如下：

(1)

式中F為CO2的注入通量, g m-2d-1;v為CO2的注入速率,mL/min；ρ為常壓下CO2的密度,約為1.977 g/L;s為栽培箱橫截面面積,約為0.25 m2。可以看出注入速率分別是CK(0 mL/min),G1000(88 mL/min),G2000(176 mL/min)。

1.3 樣品采樣及指標測定

在玉米成熟期,對其地上部和地下部進行取樣。地上部生物量測定：田間用剪刀在土壤表層高度剪下玉米莖稈,做好標記,牛皮紙包裹帶回實驗室,首先在105℃鼓風干燥箱中烘30 min殺青,然后降溫至50℃烘至恒重,干燥后的樣品與牛皮紙袋一塊稱量,而后扣除牛皮紙袋重量,得出玉米地上部干重。玉米地下部生物量測定：地上部取樣結(jié)束后,將栽培箱放倒,用水管緩沖栽培箱中土壤,待全部沖走再將根系緩慢從栽培箱中取出裝進盛水的自封袋,放入收納箱,帶回實驗室并逐株放在沖洗盆中,用較小水流緩慢沖洗,后用膠頭滴管和鑷子清洗側(cè)根分叉處,最后用蒸餾水浸泡沖洗干凈,每株節(jié)根逐個剪下裝入自封袋中,放入-20℃冰箱冷凍保存。

根系形態(tài)測定：掃描時將冷凍根系取出靜置解凍,每條節(jié)根均勻剪成10—15 cm小段,根據(jù)每小段的側(cè)根量確定放入根盤的小根段數(shù)量,用鑷子整理節(jié)根側(cè)根系,盡量避免重疊。將根盤放入Epson根系掃描儀進行根系掃描,根據(jù)根量不同,每株玉米掃描圖片30—120張不等。并用 Win-Rhizo 根系分析軟件(WinRhizo 2013 Pro)對掃描根系圖片進行逐個處理,得出每張圖片的根系形態(tài)指標如直徑、長度、體積、表面積等數(shù)據(jù),后對玉米根系的所有掃描圖片數(shù)據(jù)信息進行整理分析,得出每株玉米根系形態(tài)指標數(shù)據(jù)。掃描結(jié)束后,試驗用紙吸干表面水分,裝入牛皮紙袋,并將前期清洗根系和擺盤過程中不可避免的根系損失量裝入,放入烘箱50℃烘干至恒重稱量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

通過對成熟期玉米根系的總根長、平均直徑、總體積、總表面積等形態(tài)指標以及地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量和產(chǎn)量進行測定,對比不同泄漏處理之間與空白對照的差異,評估玉米的根系形態(tài)特征以及產(chǎn)量對CO2泄漏的響應(yīng)。采用Microsoft Excel和 Origin 8.0進行數(shù)據(jù)的簡單處理及作圖、SPSS 25.0軟件進行相關(guān)性分析,單因素相關(guān)顯著性檢驗采用LSD(least significant difference),置信水平取95%。

2 結(jié)果分析

2.1 不同泄漏情景下玉米的株高

圖3展示了對照和兩個CO2泄漏處理條件下玉米的株高隨時間的變化情況。泄漏處理下,玉米的株高隨著泄漏時間的增加,較CK下降明顯。7月12日對G1000和G2000分別進行相應(yīng)通量的泄漏處理,7月19日至7月21日,泄漏處理G1000((110.97±2.19) cm)和G2000((105.6±3.86) cm)的株高較空白對照CK((117±3.01) cm)已出現(xiàn)降低趨勢。7月26日G2000泄漏處理下玉米的株高((126.35±5.26) cm)顯著低于CK((144.4±0.7) cm)。7月26日至8月12日,空白對照下玉米的株高顯著高于G1000和G2000(P<0.05)。8月16日后玉米的株高基本趨于穩(wěn)定,空白對照CK和泄漏處理G1000和G2000玉米株高分別為(204.83±8.95) cm、(198±9.16) cm 和(185.83±2.16) cm。

2.2 不同泄漏情景下玉米根系形態(tài)

圖4展示了CK和兩個不同泄漏處理下,成熟期玉米根系形態(tài)指標的分布狀況。CO2泄漏對玉米根系的生長抑制主要體現(xiàn)在總根長、總表面積和總體積上。其中總根長對CO2的泄漏最為敏感,處理間差異顯著。G1000和G2000泄漏情景下的總根長顯著(P<0.05)低于CK,分別減少了32.41%和46.77%,G2000較G1000總根長減少了21.24%。成熟期玉米根系的平均直徑隨著泄漏通量的增大差異不大,CK、G1000、G2000三種情形下平均直徑分別為0.0531 mm、0.0587 mm,0.0600 mm,任意兩組最大相差不超過0.0070 mm。玉米根系的總表面積大小為CK>G1000>G2000,其中CK的表面積大于G1000但不顯著,顯著大于G2000,G1000和G2000存在差異但不顯著。G2000情景下玉米根系總體積較CK和G1000分別減少了30.78%和14.92%。

圖4 不同CO2泄漏情景下玉米的根系形態(tài)Fig.4 Root morphology of maize under different CO2 leakage scenarios不同字母表示情景間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同泄漏情景下玉米的生物量

在玉米成熟期,地上部干物質(zhì)量對封存的CO2泄漏呈現(xiàn)明顯的響應(yīng),泄漏處理下的玉米地上部干物質(zhì)量低于對照,且泄漏通量越大玉米地上部生物量減少越多(圖5)。但地下部干物質(zhì)量對CO2泄漏的響應(yīng)不明顯。G1000和G2000兩種泄漏情景下地上部干物質(zhì)量較CK顯著減少(P<0.05),減少量為60.43 g和98.64 g,減少率分別為18.03%、29.43%。就地下部干重而言,CK(25.07 g)、G1000(22.062 g)、G2000(18.42 g)對CO2泄漏的響應(yīng)則不明顯(P>0.05)。就根冠比而言,不同于生物量對CO2泄漏的響應(yīng),G1000和G2000均略大于CK。

圖5 不同CO2泄漏情景下玉米的生物量Fig.5 Biomass of maize under different CO2 leakage scenarios

表1顯示了兩種泄漏處理G1000和G2000、以及空白對照CK在收獲處理后期玉米的產(chǎn)量狀況,隨著封存CO2泄漏量的增大,產(chǎn)量呈下降趨勢。G1000((153.94±20.04) g)和G2000((144.16±9.90) g)相較CK產(chǎn)量分別減少了42.46 g和52.34 g,減少率分別為21.66%和26.64%。其中CK和G2000在0.05水平上存在顯著差異。

表1 玉米產(chǎn)量的單因素ANOVA檢驗結(jié)果分析

不同字母表示情景間差異顯著(P<0.05)

2.4 根系形態(tài)指標與生物量的相關(guān)分析

各根系形態(tài)指標之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)關(guān)系(表2),根表面積和根長、根體積和根表面積、根表面積和根干重、根體積和根干重均在0.01水平上呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。地上部指標產(chǎn)量和地上部干重在0.01水平上表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。玉米的直徑和根長呈現(xiàn)出一定的負相關(guān)關(guān)系,但不顯著。此外,根系總長度對地上部干重和產(chǎn)量會有不同程度的影響,根長與地上部干重在0.01水平上呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,與產(chǎn)量的正相關(guān)關(guān)系在0.05水平上才有所體現(xiàn)。根表面積與地上部干重呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,與產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,但不顯著。由圖4可知,總根長和地上部干重、根表面積和地上部干重均表現(xiàn)出很強的線性關(guān)系,但根系其他形態(tài)指標與地上部生物量的相關(guān)性則不強。

表2 根系形態(tài)指標與生物量的相關(guān)性分析

**. 在 0.01 級別(雙尾),相關(guān)性顯著; *.在 0.05 級別(雙尾),相關(guān)性顯著

圖6 根系形態(tài)指標與地上部生物量的線性關(guān)系Fig.6 Linear relationship between root morphological indexes and aboveground biomass

3 討論

從成熟期玉米的根系形態(tài)指標可以看出泄漏情景下(G1000和G2000)玉米的總根長較CK有顯著減少(P<0.05),減少率分別為32.41%和46.77%。CO2泄漏引起土壤中CO2濃度升高,O2濃度減小[9],pH降低的結(jié)果已被論證[13,21-22],且植物根系的深度易受到環(huán)境因素的影響[23],張雪艷、伍洋等通過模擬CO2泄漏實驗,測量得出根系延伸總長顯著降低[14,24-25]。本文從根系系統(tǒng)分析的角度出發(fā),得出CO2泄漏對0.1 mm直徑分辨率下植株總根長的抑制作用隨著泄漏量的增大逐漸增強。CO2泄漏對玉米根系的平均直徑并無顯著的影響,有略微增大趨勢,G1000和G2000較CK分別增大10.56%和13.03%。但這種略微的增大并不能抵消CO2泄漏對根系系統(tǒng)的抑制作用,其總體積和總面積由大到小依次為CK,G1000和G2000。說明根系長度響應(yīng)CO2泄漏最為敏感。三種處理下根系干重并無顯著變化,由此可以推斷CK的細根含量要高于G1000和G2000。

CO2泄漏可以導致玉米減產(chǎn),且泄漏通量越大減產(chǎn)越多。本研究中,G1000泄漏處理下減產(chǎn)率超過20%,在G2000處理下已顯著減產(chǎn)(P<0.05)。根系系統(tǒng)通過吸收土壤中的水分和養(yǎng)分供給植物的生長,根系系統(tǒng)吸收水分和養(yǎng)分的能力在很大程度上可以通過根長評定[28]。其中直徑小于2 mm 的細根吸收水分和養(yǎng)分能力遠遠大于較老和較粗根系[20]?？梢钥闯?封存CO2的泄漏主要通過減少根系的長度影響其生長與產(chǎn)量。張雪艷等[19]在模擬CO2泄漏對三葉草生長的影響中得出G1000情景下三葉草的總干質(zhì)量比CK略少, G2000情景下總干重減小幅度增大,但是未出現(xiàn)顯著性差異。說明較三葉草而言,玉米對CO2的泄漏更為敏感。從玉米根系形態(tài)與地上生物量的相關(guān)性分析可以看出玉米根系長度與根表面積、地上部生物量存在一定的線性正相關(guān)關(guān)系,表明玉米根系越長、面積越大,地上部干物質(zhì)的積累越多。結(jié)合圖4和圖5 CO2泄漏對玉米地上部和地下部的協(xié)同影響方面,得出CO2泄漏對玉米根長,根表面積和地上部生物量的抑制作用具有一致性。

4 結(jié)論

本文通過模擬封存CO2的泄漏試驗評估CO2泄漏對玉米根系形態(tài)的影響。結(jié)果表明,封存的CO2泄漏會對玉米的總根長有明顯的抑制作用,泄漏通量越大抑制作用越強,抑制作用最大可使總根長減少46.77%；玉米的地上部生物量相較于地下部生物量對CO2泄漏更敏感；長期的CO2的泄漏會造成玉米產(chǎn)量的明顯減少,減產(chǎn)率最大為26.43%；封存CO2泄漏對玉米總根長、總表面積與地上部的干物質(zhì)量的抑制作用表現(xiàn)出協(xié)同一致性,均隨著泄漏通量的增多而減少。模擬封存的CO2泄漏對作物根系形態(tài)的影響仍需深入研究。