0引言
碳捕获与封存(carboncaptureandstorage, CCS)作为一项新兴的、 具有大规模碳减排潜力的技术，有望成为未来全球应对气候变化、实 现低碳经济转型的重要环节，是全球减排的重要战略性技术［1］。2010 年12月，在墨西哥坎昆举行的联合国气候变化谈判大会通过了《将 地质形式的CCS作为CDM项目活动》的协议，预示着CCS将进入快 速发展期。中国作为世界上最大的发展中国家，正处在快速工业化和 城市化的关键发展时期，特别是以煤炭为主的能源结构短期内难以改 变，而临着发展经济和积极应对气候变化的双重压力［2］。而CCS具有 对经济发展影响较小、减排效果显著的特点，开展CCS项目的技术研 发与示范，形成战略性技术储备，对中国具有非同寻常的意义⑶。但 是目前的CCS工程存在C02泄漏的风险［4］,如果封存在盐水层或废 弃油气矿床等地质构造中的C02通过断层、断裂或人工钻探口泄漏 到地表，将会抵消CCS对于减缓气候变化的贡献［5］,更重要的是鉴于 CCS项目的空间规模，短期或长期的泄漏都可能会对当地的健康、安 全和环境造成显著的影响［6-8］o同时，由于中国生态环境脆弱、气象 和地质灾害频发，CCS技术在中国的风险要远高于其他地
区［9］,实际 上，由于担心封存C02泄漏引发的生态环境问题而导致的公众反对 己经成为CCS活动的重要障碍之一［10］。因此，在不同时空尺度下研 究地质封存C02泄漏对地表生态系统的影响，特别是确定生态系统 的耐受阈值，对于理解封存C02泄漏环境影响的机理，为决策和管 理者定量评估CCS风险和制定气候变化减缓对策，引导公众正确对待 CCS活动，都有十分重要的意义。
以往气候变化影响的研究多集中于大气C02浓度升高对农业生态 系统的影响［11-12］,而关于由地下土壤深层向上迁移的C02气体导致 土壤层中C02浓度升高的影响研究，相比于前者要少得多［13］0世界 上第一个把C02捕获与封存和温室气体减排概念相结合在一起的是 始于20世纪90年代中期的挪威Sleipner项目［14-15］0虽然CO2捕获 与封存概念经历了大约密封性测试
25a的研究取得了很大进展，国内外学者对地 质封存CO2的长期性和安全性问题也做了不少相关研究和报道 ［16-17］,封存空调百叶风口CO2发生泄漏和迁移的过程可以通过CO2传感器或者 同位素示踪剂来准确地跟踪监测［28-19］甚至模型模拟［20］,但是关于 CO2在其泄漏过程中对地表生态系统的影响却并没有出现较完善和 统一的结论。目前，有关地质封存CO2泄漏对生态环境影响的研究 主要分为2个思路：一是基于地下深处释放的CO2天然试验地，例 如地热活跃区［21-22］＞火山活跃区［23-25］和天然CO2温泉［26］,当这 些天然CO2释放源附近的土壤CO2浓度达到毒性级时，植物叶片光 合作用降低、提前衰老［27-28］甚至死亡［29］。Beaubien等［22］对意大 利中部地中海草原生态系统上一个由深层地热形成的通气口展开研 究发现，距离通气口中心6m宽的范围内没有植物生长，由中心向外 形成了一个近似20m宽的环形过渡区，沿径向由中心向外穿过这个 过渡区后生态系统的各物理参数逐渐回归到背景值。然而这类天然试 验地无法与工业级别的CCS封存库相比较，而且长时期暴露在高浓度 CO2环境后，生态系统可能已经完成了适应和恢复过程［22］,无法评 估影响发生的全过程;二是基于定量模拟CO2泄漏的人工控制装置， 这正逐渐成为当前研究地质封存弹CO2泄漏对生态系统影响的热点， 当前正在运作的2个大规模人工控制试验系统分别是英国诺丁汉大 学的人造土壤气体和响应监测
(artificialsoilgassingandresponsedetection, ASGARD)和美国蒙大拿州 立大学的零排放研究和技术中心
(zeroemissi on researcha nd tech no logyce nter, ZERT )。例 女口，利用 ASGARD, Patil等［30］以lL/min的流速往牧草地和冬豆休耕地下连续 注入C02气体，并运用基础生物技术去监测生态系统对“泄漏〃的响应, 结果显示通气小区受到了明显的压力征兆；West等［
31］发现单子叶植 物比双子叶植物具有更大的耐受性，并且不同深度的土壤气体通量不 能直接与地表泄漏通量相联系，注入土壤中的C02大概只有1/3在地 表试验区边界内被观测到。而ZERT煅烧石油焦对深入研究泄漏C02在近地表的 时空变化起到了很好的作用［29,32］。但这些人工控制试验都存在特定 性，对现实可能泄漏情景的多样性考虑不够，而且分析的时空尺度不 同，其结果很难具有可比性。然而，此类人工试验方法的构建思想以 及基于现实模拟的特点，使其在未来评估CCS泄漏风险的研究方而具 有十分重要的借鉴意义［33］ o
地质封存C02泄漏对地表生态系统的影响机理较为复朵，国外开 始有学者对此进行不少相关研究[22,30-31],但仍处于起步阶段，因 为这些试验大多都基于天然CO2释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础信息和数据[7,34]o而国内在CCS 风险评估方而的试验研究尚未见报道，随着未来中国CCS项目的陆续 实施，开展定量模拟试验势在必行。在此背景下，木研究通过构建人 工封存CO2泄漏模拟装置，运用人为控制手段，模拟地质封存CO2 泄漏到地表生态系统的不同情景，通过地表生态系统对不同泄漏情景 的响应，更好地理解封存CO2泄漏对地表生态系统的潜在风险，确 定地表生态系统对CO2泄漏的耐受阈值，深化对封存CO2泄漏环境 影响机理的理解，为正在实施和规划中的CCS示范项目提供环境影响 评估的定量标准，为政府和相关机构提供决策依据。基于代
表性和广 泛性的考虑，以及农田生态系统的植物类型和结构单一、对外界变化 的响应具有高度的一致性等特点，本文选择以玉米为代表的农田生态 系统作为试验对象。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C02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C02光端机箱控制释放装置、监测记录系统和管理等部分构成（图2）网络安全事件管理。
人工C02控制释放装置包括试验容器（土室、透气性分隔片、C02 气室）、导管、流量计和C02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C02气体的气室分隔开来，以确保气室的 C02气体均匀分布地进入土室的土壤；土室上部开口直径40cm> 土
室下部（即圆形分隔片）直径36cm, 土室高33cm,而气室高17cm； CO2气体通过导气管进入气室，利用流量计控制其注入速率。
