地质储存二氧化碳泄漏对土壤——植物系统的影响

摘要

当前，地质储存CO2被公认为是能在短期内迅速减少大气CO2含量的有效举措之一。然而，由于储存于地下的超临界CO2会受到各种因素的影响，很有可能会发生泄漏，因而对储存点附近乃至更大区域的生态环境产生极其严重的威胁。特别是土壤作为生态系统中物质与能量交换的主要介质，其理化性质的好坏直接决定地下水水质优劣、微生物群落多样性及地表植物的生长性状等。因此研究CO2泄漏对土壤理化性质的影响至关重要。
　　本文通过温室试验、地下试验桶试验、粘土柱试验分析了不同浓度CO2入侵土壤后，对土壤肥力相关化学性质及土壤部分物理性质的影响，并结合地表植物(大豆、萝卜、小麦与豌豆)的生长性状研究了不同浓度CO2入侵对土壤——植物系统的的影响，成果对进一步研究CO2泄漏所引起的土壤环境变化有一定的借鉴作用，力求为地质储存CO2技术的安全性提供理当前，地质储存CO2被公认为是能在短期内迅速减少大气CO2含量的有效举措之一。然而，由于储存于地下的超临界CO2会受到各种因素的影响，很有可能会发生泄漏，因而对储存点附近乃至更大区域的生态环境产生极其严重的威胁。特别是土壤作为生态系统中物质与能量交换的主要介质，其理化性质的好坏直接决定地下水水质优劣、微生物群落多样性及地表植物的生长性状等。因此研究CO2泄漏对土壤理化性质的影响至关重要。
　　本文通过温室试验、地下试验桶试验、粘土柱试验分析了不同浓度CO2入侵土壤后，对土壤肥力相关化学性质及土壤部分物理性质的影响，并结合地表植物(大豆、萝卜、小麦与豌豆)的生长性状研究了不同浓度CO2入侵对土壤——植物系统的的影响，成果对进一步研究CO2泄漏所引起的土壤环境变化有一定的借鉴作用，力求为地质储存CO2技术的安全性提供理论与现实依据。
　　本试验采用人工模拟CO2泄漏地表的方式，将预设浓度的CO2气通过软管输送至各试验区底部，让其源源不断地泄漏至温室与地下试验桶，并分析了土壤pH值、总有机碳、氮、磷、钾、水溶性盐的变化，以及地表植物的生长性状。后期模拟超常压CO2泄漏至粘土隔水层，测定了粘土的温度、含水率、负压、pH值的变化。通过试验，主要得到以下结论：
　　(1)当CO2浓度为2％、4%、8%时，随浓度的增加，温室试验区各植物根际处的土壤pH值有所上升，最高达9.34左右，Ca2+、Mg2+含量减少；相比于对照，种植大豆、萝卜、小麦与豌豆的土壤总有机碳增加了1.56%～43.75%；营养元素氮、磷、钾均有所下降：萝卜、豌豆根际处的土壤总氮在8%试验区分别减少了11.98%、10.25%，小麦、豌豆根际处的土壤硝氮在8%试验区分别减少了94.65%、76.68%，总磷、速效磷、全钾、速效钾都随CO2泄漏浓度的增加表现出下降趋势。在这一浓度范围，萝卜与豌豆的生长得到了促进。
　　(2)当CO2泄漏浓度为5%、10%、15%时，随浓度的增加，温室土壤的pH值有所上升，最高达9.11，且Ca2+降幅较大；相比于对照，总有机碳在5%、15%浓度区各减少了10.38%、16.51%；土壤营养元素方面：总氮、硝氮在15%试验区分别减小了17.5%、87.01%，速效磷与速效钾在5%试验区显著下降了15.18%、16.06%，总磷与全钾在高浓度CO2入侵下有略微的增加。在这一浓度范围，豌豆、黑麦草随CO2浓度的增加，叶片稀疏且发黄。
　　(3)当5%、10%、15%浓度的CO2入侵室外地下试验桶两年后，土壤总有机质、氮素水平、磷、钾的分布都表现出桶上端要显著高于桶底处，且基本与CO2浓度无关。其中，pH值在高度上无明显变化；随着CO2浓度的增加，在桶底与顶端处，总氮有略微的减少，速效钾在10%浓度区最小，速效磷在桶底是下降的。此浓度下，种植于试验桶包气带的玉米黄叶逐渐增多，小麦株高有所下降。
　　(4)超常压CO2入侵粘土层后，对土壤温度影响不显著；含水率有所下降，而负压明显增大，pH值也有所上升。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与技术路线

第二章 试验设计与方法

2.1 温室试验

2.2 地下试验桶试验

2.3 粘土柱试验

第三章 不同植物覆盖下低浓度CO2入侵对土壤肥力相关化学指标的影响

3.1 CO2入侵对土壤pH值的影响

3.2 CO2入侵对土壤总有机碳的影响

3.3 CO2入侵对土壤营养元素的影响

3.4 土壤水溶性盐

3.5 分析与讨论

3.6 本章小结

第四章 不同植物覆盖下高浓度CO2入侵对土壤肥力相关化学指标的影响

4.1 温室土壤的变化

4.2 地下试验桶土壤的变化

4.3 分析与讨论

4.4 本章小结

第五章 超常压CO2入侵对土壤部分物理性质的影响

5.1 CO2入侵对粘土柱温度的影响

5.2 CO2入侵对含水率的影响

5.3 CO2入侵对粘土柱负压的影响

5.4 负压与含水率关系

5.5 CO2入侵对pH值的影响

5.6 本章小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果及参与的主要课题

致谢