1 封存CO2泄漏人工控制模拟平台与研究方法

1.1 封存CO2泄漏人工控制模拟平台

封存CO2 泄漏人工控制模拟平台的基本原理是构建一组相互独立的简单生态系统，通过人工控制的方式从土壤中以不同速率释放CO2 气体，形成不同的土壤CO2通量，模拟封存CO2 泄漏的不同情景。通过一套观测系统记录不同模拟情景下对各个生态系统的影响，评估封存CO2 泄漏对地表生态系统的影响。模拟平台由简单生态系统、人工CO2 控制释放装置、监测记录系统和管理等部分构成（图1）。

图1 人工控制模拟平台示意图 Fig.1 Schematic of manual control simulation platform

人工CO2 控制释放装置包括试验容器（土室、透气性分隔片、CO2 气室）、导管、流量计和CO2 气源组成。其中，透气性分隔片把供作物生长的土室和均匀释放CO2气体的气室分隔开来，以确保气室的CO2 气体均匀分布地进入土室的土壤；土室上部开口直径40 cm、土室下部（即圆形分隔片）直径36 cm，土室高33 cm，而气室高17 cm；CO2 气体通过导气管进入气室，利用流量计控制其注入速率。

监测记录系统由作物形态生理测量、土壤pH 值测量、光合作用气体交换参数测量等组成。主要使用便携式土壤原位酸碱度测量仪（IQ Scientific Instruments 150，美国）、LI-6400XT 便携式光合作用测量系统（LI-COR公司，美国）等观测设备。

试验地点为中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验站（40°13′N，116°14′E），为温带半湿润季风型大陆性季风气候，年平均气温11～12℃，年平均降水量约640 mm，年平均日照时数是2 000～2 800 h，年均无霜期是190～195 d，年均风速1.8～3 m/s。玉米选用玉米杂交种“京科糯2000”，土壤为当地农田地下约0～20 cm 的褐土，基肥按每公顷施315 kg（N 135 kg、P2O5 45 kg、K2O 135 kg）纯养分、氮磷钾质量比为3：1：3[35]；分别称取50 kg 已施基肥的土壤装入各个盆钵，压实，使得土壤厚度均为30 cm。试验前土壤pH 值为7.43，有机质质量分数为32.8 mg/g，碱解氮质量分数为79.8 mg/kg、速效磷质量分数为91.1 mg/kg、速效钾质量分数为115.4 mg/kg，土壤质地为中壤土，田间持水率为26%，土壤体积质量为1.32 g/cm3[36]；水分按常规管理，2010 年9 月6日追肥1 次，每盆施1.5 g 尿素。

1.2 研究方法

1.2.1 泄漏情景的设置

整个试验时间为2010 年8 月12 日至10 月18 日，CO2 泄漏时间开始于9 月12 日直至试验结束，其中：主要试验是在8 月12 日第1 次播种后直到10 月18 日之间进行，研究生长初期CO2 泄漏对作物形态参数、生物量、光合特性及土壤pH 值等的影响；补充试验是在9 月22日第2 次播种至10 月18 日之间进行，研究播种期CO2泄漏对作物出苗率的影响。

由于本研究试图寻找农业生态系统对封存CO2 泄漏的耐受水平，因此把泄漏CO2 通量和速率作为度量其对农业生态系统影响的关键指标[8]，共设置了6 种可能泄漏情景，包括5 种存在泄漏情景和1 个无泄漏对照情景（表1）。结合国外相关研究成果[22,31]以及尽量将玉米对泄漏CO2 的耐受阈值包含在内的原则，6 个泄漏情景之间的通量梯度设置得较宽，试验中每种情景重复3 次。

表1 不同泄漏情景下的CO2 注入通量与注入速率 Table 1 CO2 injection rate and injection flux under different leakage scenarios 注：CO2 注入通量计算公式为F=v*ρ/s，式中，F 为CO2 注入通量，g/(m2·d)；v 为CO2 注入速率，mL/min；ρ 为常压下CO2 密度，约为1.977 g/L；s 为盆钵横截面面积，约为0.113 m2。 泄漏情景 CO2 注入通量/(g·m-2·d-1) CO2 注入速率/(mL·min-1) CK 0 0 G500 500 20 G1000 1000 40 G2000 2000 79 G4000 4000 159 G8000 8000 318

1.2.2 指标测定方法

出苗率：9 月12 日CO2 开始泄漏后，于9 月22 日往每个盆钵里各播种20 颗，开始对出苗率进行记录，至10月18 日结束。

植物形态：自二叶期开始对玉米株高、叶片数进行采样和测定。对于株高，选择全展叶的最长叶测定；对于叶片数，记录可见叶数、全展叶数和枯叶数。

生物量：10 月18 日生长季末期，用水缓缓冲走盆钵里的土壤，取出整株玉米，分别称量地上部和地下部鲜质量，烘干后再测定地上部和地下部干质量。

光合作用气体交换参数：采用LI-6400XT 便携式光合作用测量系统（LI-COR 公司，美国）对穗位叶进行测定。从9 月12 日开始，选择晴朗无云天气，在10：30－13：30 时段进行。采用开路式气路，进气口缓冲瓶CO2 浓度、叶温、湿度均与环境背景值一致，用LED 红/蓝光源控制光合有效辐射为1000 μmol/(m2·s)。

文章来源：《地质论评》 网址: http://www.dzlpzz.cn/qikandaodu/2021/0708/440.html