地质封存CO2泄漏对农田生态系统的影响评估及耐受阈值

碳捕获与封存(carbon capture and storage,CCS)是全球碳减排的重要战略性技术,但封存CO2泄漏对地表生态系统的严重威胁是CCS活动的重要障碍之一。该研究选择受封存CO2泄漏威胁的农田生态系统作为研究对象,通过运用人工控制手段模拟地质封存CO2泄漏到达地表的系列情景,监测农田生态系统主要指标变化,评估和确定封存CO2泄漏对农田生态系统的影响和耐受阈值。研究结果表明,不同泄漏情景下玉米均受到不同程度的不利影响,并且泄漏通量越大,影响程度越深:CO2泄漏情景下的玉米出苗受到严重阻碍,株高和叶片数随泄漏通量增大而呈逐渐减小的趋势,地上部和地下部生物量较对照情景明显减少,光合作用受到干扰,土壤pH值降低。500～2000g/(m2·d)范围内的泄漏情景为玉米对地质封存CO2泄漏的耐受阈值。     

箱体模拟地质封存CO2泄漏速度差异对植物的影响

为了解地质封存CO_2注入井破裂等快速泄漏或者通过地质甬道缓慢弥散对植物的影响,该文试验通过箱体模拟地质封存CO_2快速和慢速的不同泄漏方式,研究其对植物的影响。结果表明:快速泄漏CO_2时,泄漏量在2 000 g/(m·d)时光合值下降明显(从(22.86±0.89)μmol/(m·s)下降到(0.1±0.08)μmol/(m·s)),植株高度从(206±10.20)cm下降到(93.67±4.78)cm,叶片数也明显减少,而CO_2慢速泄漏时,在浓度控制下植物没有明显的响应,只有长期暴露在CO_2泄漏源附近的土壤p H值下降。碳捕集与封存技术(carbon capture and storage,CCS)决策者可以根据地质封存CO_2泄漏速度差异对周围生态造成的不同影响制定相应的应对措施。     

地质封存CO2泄露对地表水中非金属类指标的影响

[目的]探讨地质封存CO_2泄露对地表水中非金属类物质指标的影响,为相关研究提供理论依据。[方法]通过控制二氧化碳泄露时间、泄露速率、泄漏时的温度等条件,分析其对地表水中pH值、溶解氧(DO)、HCO-3和化学需氧量(COD)等指标的影响。[结果]一定时间内,二氧化碳泄露对pH值和DO的影响最大,对HCO-3和COD的影响较小;泄露速率的增大将提高pH,DO,HCO-3的反应速率,即加快pH值和DO的下降,加快了HCO-3的升高;而温度的升高对COD的影响最大。[结论]建议将地质封存CO_2的监测指标选取为地表水中的pH值、DO和HCO-3,因为此三者的变化明显。     

大刍草作为地质封存CO2泄漏指示植物的评估

随着神华集团鄂尔多斯全球第一个全流程CO2盐水层封存项目进入长期监测与预警业务流程,选择适宜的CO2泄漏指示植物方法和试验十分紧迫,但相关的认识还存在不足.采用新发展的植物对CO2泄漏耐受指数方法,通过盆栽模拟CO2泄漏的试验,以广泛种植的人工牧草大刍草为例,系统评估大刍草对封存CO2泄漏的耐受能力.结果发现:随着封存CO2泄漏量的增加,大刍草株高呈下降趋势,生物量下降在70％以上.大刍草的耐受指数为0.26,属于较不耐受,没有达到CO2泄漏指示性植物的标准,需要进一步扩大筛选范围.该文初步验证了耐受指数方法在筛选地质封存CO2泄漏指标植物的适用性.同时,为增强地质封存CO2泄漏指示植物筛选的稳健性,建议未来加强对植物栽培管理措施、全生长周期等的综合评估.     

土壤调理剂对烤烟根系活力及根际土壤微生物碳代谢特征的影响

为探究土壤调理剂对烤烟根系微生态环境的影响,采用小区试验,研究土壤调理剂在不同施用量(0、1 500、3 000和4 500 kg·hm^-2)水平下烤烟根系活力的动态变化及微生物碳代谢特征。结果表明,添加土壤调理剂3 000 kg·hm^-2对烤烟生长发育中后期时的根系活力提高效应最大,移栽后60、90 d较对照分别提高了115.8%、85.3%。羧酸类、氨基酸类是烤烟根际土壤微生物利用的主要碳源,土壤调理剂作用下,羧酸类碳源在移栽后30 d并无显著变化,移栽后60、90 d,施用土壤调理剂3 000 kg·hm^-2对羧酸类和氨基酸类碳源的利用率提高作用均最显著,且微生物多样性均一性指数也显著增加。在移栽后30 d,影响微生物碳代谢强度及多样性的主要因素是烤烟根系活力,而移栽后60、90 d,主要影响因素是土壤调理剂。综上,施用土壤调理剂能提高烤烟根系活力,改善土壤微生态环境,以3 000 kg·hm^-2施用量为宜。本研究结果为土壤调理剂在烤烟生产上的应用提供了理论参考。     

北京夏季机械通风育肥猪舍CO2、NH3排放和耗水量研究

为明确拔塞式清粪机械通风育肥猪舍夏季CO2和NH3的排放量及猪舍耗水量,并建立中国类似设施猪舍的气体排放及水的消耗量基线及寻求减排和节水空间,选择北京市拔塞式清粪机械通风育肥猪舍,设计机械通风系统的通风量测量系统,并测量机械通风量,从2015年7月25日至8月11日(共18d)监测猪舍NH3、CO2排放量和耗水量.试验结果表明,NH3排放量平均值为(23.4±11.0)g/(d·500kg),范围为4.3~49.5g/(d·500kg).NH3的排放量在08:00和14:00极显著高于10:00,12:00、16:00和18:00时的排放量(P<0.001),可能是人工清粪行为导致NH3排放量降低.CO2排放量平均值为2.73±0.78kg/(d·500kg),最大和最小排放量分别是5.00和1.00kg/(d·500kg),44%的日平均排放量为2.5~3kg/(d·500kg),92%的日平均排放量小于4.0kg/(d·500kg),日间CO2排放量在12:00达到高峰.育肥猪耗水量的最大值、最小值和平均值分别为90.0,19.6和47.0L/(d·pig).     

高寒草甸植被层对于草地甲烷通量的影响

土壤对大气甲烷的汇是草地的一项重要生态功能,关于草地的温室气体通量已有大量研究,但鲜见关于植被层对于草地甲烷通量影响的报道。通过设置完整高寒草甸(IHC)、去除地上生物量草地(RAB)和裸地(RBB)三个处理,利用静态箱法来研究植被层对于草地甲烷通量的影响,结果显示在观测期间草地的平均甲烷氧化速率由高到低依次为:裸地[(52.2±18.9)μg/(m2·h)]去除地上生物量草地[(32.3±14.7)μg/(m2·h)]完整草地[(27.9±10.6)μg/(m2·h)],三者之间差异达到显著水平(P0.05)。根据三种处理计算出的草地根系和草地地上部分生物量2003—2004年的甲烷通量分别为(23.5±18.3)μg/(m2·h)和(7.4±11.5)μg/(m2·h),二者甲烷通量均为正值说明植物地上部分和草地根系都起到了促进甲烷排放的功能。在2003年、2004年、2005年、2006年RBB生长季平均甲烷通量分别为(-67.7±20.6)μg/(m2·h),(-60.7±18.5)μg/(m2·h),(-58.3±16.3)μg/(m2·h)和(-48.9±22.6)μg/(m2·h),表现为逐年降低的规律,但是IHC处理和RAB处理生长季甲烷平均通量的年季差异不显著,且没有明显的规律。在三年的原位观测期间,三种处理甲烷通量与土壤5cm温度、土壤湿度相关性也达到显著水平(P0.05)。     

生草免耕桃园生态系统的碳交换动态变化特征

植物固碳是减缓全球气候变暖的有效途径。然而,农田尺度果园固碳能力目前还不清楚。该文采用涡度相关技术,研究粗砂土立地条件下12a生树龄生草免耕桃园生态系统碳交换和能量平衡各分量的动态变化。结果表明,在盛花期存在明显的固碳能力,日峰值为-0.33mg/(m2·s)(以CO2计)。在旺盛生长期波文比值在0.3以下,日净固碳值最高为-25.1g/(m2·d)(以CO2计)。落叶期存在明显的高CO2排放,日峰值为0.60mg/(m2·s)(以CO2计)。监测期内桃园生态系统日平均波文比值和净固碳量分别为(1.22±1.56)和(-2.90±6.63)g/(m2·d)(以CO2计),年净生态系统碳交换量(net ecosystem exchange,NEE)为-1052g/(m2·a)(以CO2计)。以上结果揭示粗砂土12a生树龄生草免耕桃园生态系统有较强的固碳能力。该文为评价果园碳汇功能提供基础数据。     

高浓度CO_2地下泄漏对土壤微生物群落结构的影响

通过模拟高浓度CO_2在农田土壤中的地下泄漏,研究了不同浓度CO_2泄漏情景下土壤微生物多样性的变化。实验设置了400 g m~(-2) d~(-1)、800 g m~(-2) d~(-1)、1 200 g m~(-2) d~(-1)和2 000 g m~(-2) d~(-1)持续CO_2通气60 d共计4个处理,并与对照组、恢复组(2 000 g m~(-2) d~(-1)组停止通气60 d后)分期采集土壤样品,分析土壤理化性质、土壤闭蓄的气体浓度、微生物多样性指数及主要类群变化规律。结果表明,4种处理均提高了土壤中CO_2浓度,分别为1.60%、4.80%、10.80%和19.60%。土壤微生物多样性Chao指数和Shannon指数随CO_2通入量增加而减少,降幅分别达17.00%~27.80%和6.10%~9.50%。相反,非度量多维尺度(NMDS)分析显示土壤微生物β多样性在中、低浓度升高,在高、极端浓度表现为降低。拟杆菌属(Bacteroidales)相对丰度随CO_2泄漏量增加从3.09%上升至21.20%,可作为高浓度CO_2泄漏生态安全性评估的敏感性指标。基于高通量序列相似度OTU分类的RDA分析表明土壤环境因子的变化能够较好地解释微生物多样性演替。研究结果为评估和监测地下CO_2泄漏对近地表生态系统环境风险提供科学依据。     

模拟CCS技术CO_2泄漏对C_3、C_4作物土壤化学性质的影响

为确定CCS技术中封存的CO2是否发生泄露及估算泄漏量,分别选取绿豆、荞麦(C3作物)和高粱、玉米(C4作物)作为研究材料,采用实验室CO2人工气候箱中盆栽实验的方法,模拟CCS技术中CO2泄露情况。通过测定土壤pH、无机离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-)及肥力指标(TN、AHN、TP、AP、AK、OM、CEC),研究不同高浓度CO2对C3和C4作物土壤化学性质及肥力的影响。研究结果表明:(1)高浓度CO2对C3、C4作物土壤pH的影响不显著,pH变化值仅在(-0.03)~0.06之间;(2)同种类型作物土壤离子浓度变化的整体趋势基本相同:CO2浓度相对较低时,土壤离子含量降低;CO2浓度升高时,土壤离子含量增加。对相同离子而言,C3作物土壤中离子含量变化幅度比C4作物大;(3)高浓度CO2对C3、C4作物土壤AHN、AK、AP、CEC指标的影响情况相异,但对TN、TP、OM含量的影响情况相同。可通过监测作物土壤中离子及肥力指标的含量变化,判断CCS项目中CO2是否发生泄露及估算泄漏量,减轻CO2泄漏带来的危害。     

西南地区亚高山典型林区土壤碳排放及影响因子

为进一步厘定西南地区亚高山典型林区土壤碳(carbon,C)排放的主控因素,更精确估算土壤C排放,该文以贡嘎山峨眉冷杉林为研究对象,利用Li-6400-09土壤呼吸室,采集了2008—2009年土壤CO2排放速率及相应环境要素数据。结果表明,成熟林与中龄林区土壤储量分别为291.0、63.8 t C/hm2。成熟林与中龄林全年土壤C排放速率整体变化态势基本一致。其中中龄林土壤C排放速率日均最大值、最小值与平均值分别为34.53、6.96、16.26 kg C/(hm2·d)。成熟林土壤C排放速率日均值的最大值、最小值与平均值分别为55.34、9.50、24.57 kg C/(hm2·d)。土壤C排放速率日均值与5 cm土壤温度表现的相关性最高(r成熟=r中龄=0.73,P0.05)且二者存在指数关系(R2成熟=0.60,R2中龄=0.56)。土壤温度是影响该区域土壤C排放变化的主要环境驱动因子。在IPCC不同气候情景下(B1,A1B和A2),成熟林土壤C排放量将比基准情景分别高出15%、25%和31%;中龄林土壤C排放量将比基准情景高13%、21%和27%。该研究可为变化环境下中国西南山区碳平衡估算提供数据基础和参考依据。     

不同生长时期极端降水事件对人工针叶林净生产力的影响——以江西省吉安市千烟洲生态试验站为例

[目的]研究不同生长时期极端降水事件对生态系统碳通量的影响,为准确评估江西省吉安市千烟洲人工针叶林生态系统应对极端天气的响应机制提供理论基础。[方法]对比2008年与2010年植物生长初期(4月)与生长旺盛期(6月)碳通量对环境因子(净辐射RN、温度TA、土壤含水量SWC与增强型植被指数EVI)变化的响应差异。[结果] 4月份净生态系统生产力(NEP)降低22.87%,主要是初级生产总量和生态系统呼吸分别降低17.36%[GEP, 9.56 g/(m~2·d)]和2.84%[RE,2.86 g/(m~2·d)]导致,而6月份GEP降低3.58%[7.17 g/(m~2·d)]以及RE增长12.8%[20.37 g/(m~2·d)]导致NEP降低65.77%[27.55 g/(m~2·d)]。[结论]生长季初期TA降低对RE的抑制大于土壤含水量增加的影响,而生长旺盛期土壤含水量增加则会抵消降温对呼吸的抑制,造成更大的碳损失,因此后续研究森林生态系统碳通量对极端气候响应时还需要考虑植物生长时期的影响。     

双污泥反硝化除磷系统中氨氮容积负荷的优化

农村生活污水具有处理量小,分散,日变化系数大等特点,分散处理成为农村污水处理的首要选择。该研究采用AAO工艺与BAF组成的双污泥反硝化除磷系统（anaerobic anoxic oxic-biological aerated filter,AAO-BAF）处理农村生活污水,探讨了氨氮容积负荷对该系统BAF单元硝化性能及出水悬浮物（SS）的影响。通过改变水力负荷和有效滤料容积（即方式1和方式）2种方式,氨氮容积负荷在0.43～1.21 kg/(m3·d)之间变化。试验结果表明,随着氨氮容积负荷的增加,氨氮去除率呈现先缓慢降低后急剧减小的趋势,不同的是,出水SS对方式1（即水力负荷的变化）更敏感。当氨氮容积负荷在0.43～1.12 kg/(m3·d)时,氨氮去除率大于81%;当氨氮容积负荷大于1.12 kg/(m3·d),氨氮去除率急剧降低,氨氮容积负荷为1.21 kg/(m3·d),2种运行方式的氨氮去除率分别为65%和68%。当氨氮容积负荷小于0.74 kg/(m3·d)时,出水SS小于10 mg/L;当氨氮容积负荷大于0.74 kg/(m3·d)时,出水SS急剧增加,但方式1增加得更快,氨氮容积负荷增加到1.21 kg/(m3·d)时,方式1和方式2的出水SS分别为21.8和14.2 mg/L。所以,为保证BAF出水水质达到国家一级A排放标准,其氨氮容积负荷应小于0.74 kg/(m3·d)。     

聚丙烯酰胺对扰动红壤可蚀性及临界剪切力的影响

为了利用化学措施防治工程水土流失,研究了聚丙烯酰胺（PAM）对扰动红壤土壤可蚀性及临界剪切力的影响。采用室内人工模拟降雨试验,探讨了5o、10o、15o、20o、25o 5种坡度,0.8、1.1、1.4 mm/min 3种雨强下不同土壤处理后坡面水动力学参数、径流输沙率与流量、土壤可蚀性及临界剪切力的变化关系。试验结果表明,在相同的径流流量下,对照的输沙率是施加PAM后的300倍;施加PAM后,红壤扰动土的可蚀性由13.223 g/(min·N)降低到0.2693 g/(min·N),径流的临界剪切力大小由0.77 N/(m2·min)增加到1.47 N/(m2·min)。施加PAM可显著降低土壤可蚀性,增加径流临界剪切力。研究成果为PAM应用于工程水土流失防治提供了一定的理论依据。     

长期施肥下红壤旱地的固碳效率

红壤旱地的有机碳含量普遍较低,通过外源添加有机肥是增加土壤有机碳含量的重要手段。本研究以红壤旱地长期肥料试验为基础,研究了不同施肥处理的土壤有机碳含量和储量的变化规律,并进一步探讨碳投入与玉米产量及土壤碳储量的量化关系。结果表明:施用有机肥可以大幅提升红壤旱地的有机碳含量,氮磷钾+有机肥(NPKM)和有机肥(OM)处理在27年间的增加速率分别为0.08 g/(kg·a)和0.06 g/(kg·a),有机碳储量的增加速率分别为0.24t/(hm~2·a)和0.16 t/(hm~2·a);与不施肥(CK)处理相比,NPKM和OM处理的土壤有机碳含量分别增加了51.5%和42.0%,有机碳储量则分别增加57.1%和45.7%。进一步分析表明,有机碳投入量与土壤有机碳储量变化速率之间存在显著的正相关关系(R~2=0.971 5,P0.001),且线性拟合方程(y=–0.158+0.086x)表明,双季玉米种植下红壤旱地的固碳效率为8.6%,当有机碳投入量为1.84 t/(hm~2·a)时,红壤旱地的有机碳储量保持平衡。因此,施用有机肥是提高红壤旱地有机碳储量的有效途径,固碳效率和土壤有机碳平衡点则可以有效指导红壤旱地有机肥的管理措施。