影響土壤中二氧化碳濃度分布的因素分析

關(guān)笑坤，王 蓉

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西西安710054)

由于人類工業(yè)活動向大氣中排放大量CO2導(dǎo)致氣候變化問題加劇，使科學(xué)家們的目光匯聚在二氧化碳的減排問題上，各國開始進行二氧化碳的地質(zhì)儲存(CO2geological storage，CGS)項目以減少向大氣排放的 CO2氣體［1］。但在長期的儲存過程中，CO2可能通過斷層、斷裂或人工鉆探口泄漏到地表［2］。其危害有:使得地質(zhì)儲存的效益降低，造成一定的經(jīng)濟損失;CO2可能通過溶解在水中使酸度升高，或者攜帶其他污染物使得地下水受到污染;CO2的注入使地層壓力增加，當注入壓力超過地層壓力，將可能誘發(fā)地層裂縫的產(chǎn)生和斷層的移動，誘發(fā)地震;高濃度的CO2使得生態(tài)平衡被破壞，影響動、植物等的生長和發(fā)育，也可能使人類窒息［3－6］。

當?shù)刭|(zhì)封存CO2意外泄漏至淺地表時，由于環(huán)境的改變，CO2仍會保持一般氣體性質(zhì)。在關(guān)于CO2在淺地表土壤中的運移、監(jiān)測和分布研究方面，許多學(xué)著做了相關(guān)研究，Patil等［7］以1 L/min的速度將 CO2氣體注入牧草地和冬豆休耕地下，發(fā)現(xiàn)通氣區(qū)范圍內(nèi)受到了明顯的壓力;West等［8］在英國一個低地牧場注入CO2，研究其對植物影響，結(jié)果單子葉植物比雙子葉植物具有更大的耐受性，注入的CO2在試驗區(qū)的地表監(jiān)測到約僅有1/3。Amonette等［9］以每日52 Kg的速度注入地表的方法對泄漏的CO2在近地表的時空變化進行了研究。張春林等［10］利用紅外CO2監(jiān)測儀對西安市草地土壤CO2進行觀測，得出隨著溫度的升高CO2濃度增大，CO2濃度白天比夜間高，在1～4 m深度的范圍，CO2濃度隨深度增加而增加。秦小光等［11］通過對土壤 CO2的源、匯和中間氣體交換通量、氣溫、土溫以及表土濕度進行觀察，表明土壤CO2排放通量與氣溫存在正相關(guān)關(guān)系，日變化尺度上隨表土濕度增加而增加，氣溫主要影響土壤CO2向大氣的擴散和對流。刁一偉等［12］在江蘇省稻麥農(nóng)田對土層CO2濃度廓線進行了研究，表明在0～30 cm土層中，上層土壤中的CO2向上垂直擴散比下層土壤快，作物旺盛生長期大氣CO2濃度升高使0～30 cm土層的CO2濃度顯著提高。

根據(jù)人工模擬CO2地質(zhì)封存泄露至地表的試驗，分析淺地表土壤中CO2氣體濃度變化規(guī)律，及其運移受到溫度和水分影響，推動和補充CO2地質(zhì)儲存泄露在地表進行監(jiān)測的基本理論、及其對地表生態(tài)系統(tǒng)的影響和地表碳循環(huán)規(guī)律的研究。

1 試驗方法

試驗在西安北郊長安大學(xué)進行。試驗區(qū)地下室放置9個試驗筒，玻璃鋼材質(zhì)，直徑1 m，桶高3.3 m，壁厚 10 mm，其中裝入土壤，并在不同深度插入測量探頭，在試驗筒－0.5 m、－1.5 m、－2.5 m 深度處設(shè)有 CO2濃度測量探頭，連接CO2濃度測量儀器。空氣壓縮機和工業(yè)CO2氣罐作供氣源，利用質(zhì)量流量計控制兩者的流量，混合達到設(shè)定濃度的CO2氣體，通入試驗筒底部進行試驗。本次試驗選擇3個CO2濃度，A組5×104ppm，B組10×104ppm，C組 15×104ppm，約大氣中CO2濃度300～400 ppm的百倍。每組用3個試驗筒進行平行試驗，共9個試驗筒。

因天氣、溫度和氣體濃度變化等原因，選擇7月下旬的試驗數(shù)據(jù)。記錄期間不同的天氣狀況;利用基于時域反射技術(shù)(TDR)的土壤剖面水分速測儀(德國 IMKO－PICO－BT)測量土壤的含水率;利用華云分析儀器研究所有限公司制造的GXH－3011N型紅外線分析器測量CO2濃度，多臺測量儀同時對3組試驗筒測量并記錄。CO2儀器使用不分光紅外線氣體分析法(NDIR)，基于不同氣體對紅外線有選擇性吸收的原理，因此在測量的過程中不會改變CO2濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2在土壤中濃度分布規(guī)律

根據(jù)多日測量的結(jié)果，不同深度土壤中CO2濃度隨時間發(fā)生變化，表現(xiàn)為上下波動，但總體圍繞某值保持不變。計算比較不同深度土壤CO2濃度的多日均值，可見從深層到地表土壤中CO2濃度分布減小，－2.5 m和 －1.5 m深度 CO2濃度相差不大，但－0.5 m CO2濃度減小較明顯。以A組為例說明如圖1(上)所示，在 －0.5 mCO2濃度保持在3.39×104ppm、－1.5 m 約為4.57×104ppm、－2.5 m 約4.64×104ppm上下變化。而B組、C組因CO2耗氣量較大、氣壓不穩(wěn)定，使得試驗到達和保持平衡的時間短，不利于多日測量的精確性，不能準確表現(xiàn)出相同規(guī)律。

圖1 土壤不同深度CO2濃度和日溫變化圖

CO2氣體存在土壤中，應(yīng)滿足的氣體運動一般規(guī)律，如式(1)所示:

其中:C為CO2的濃度;D為CO2的擴散系數(shù);v為氣體運移速度;t為時間;x為垂直方向距離;W為CO2其他源匯項。

方程忽略了溫度對CO2的影響，其他源匯項W包括土壤微生物活動，動、植物呼吸作用等吸收或釋放的CO2以及水分等其他物質(zhì)與CO2發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在長時間作用后，方程中通氣速度v保持不變，氣體運動保持動態(tài)平衡，土壤的各項參數(shù)和取決于氣體、土壤本身的物理性質(zhì)的CO2彌散系數(shù)D短時間不會發(fā)生變化。與物理、化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的CO2其他源匯項W在無外界干擾，足夠長時間作用下達到飽和或平衡狀態(tài);最后CO2濃度C僅與土壤深度 X相關(guān)，某一深度CO2濃度應(yīng)保持不變，與實際測量結(jié)果CO2濃度基本保持不變相同。

2.2 溫度影響土壤中CO2的濃度變化

在試驗期間輸氣速度不變，各試驗筒土壤中的CO2濃度在保持動態(tài)平衡時，對照時間變化仍呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，取同時間不同深度CO2濃度測量值的均值如圖1(下)所示，發(fā)現(xiàn)其基本呈現(xiàn)規(guī)律的波動變化，在下午約17點左右濃度達到最大值，夜間4點左右達到最小值。

分析土壤中CO2濃度圍繞某值上下波動的原因，溫度作為氣體運動的影響因素之一，其主要影響表現(xiàn)為溫度梯度作用，即在溫度場作用下，氣體會由溫度高的地方向溫度低的地方運動。地表溫度變化是由太陽輻射引起的，太陽輻射增強必然引起溫度升高，并且大氣和土壤接觸，之間存在熱傳導(dǎo)，設(shè)地表溫度與大氣底面溫度相同，土壤間由熱傳導(dǎo)方程，如式(2)所示:

其中:T為溫度;z為深度;t為時間;k為土壤熱擴散系數(shù)。

由方程可知地溫變幅隨深度減弱，地表溫度變化最為強烈，地溫的變化對于大氣溫度變化有一定的延遲性。白天太陽光充足，大氣溫度高而土壤中溫度低，故在土壤垂直方向上形成了地表高溫而試驗桶低溫的溫度差，CO2氣體除了在供氣源的輸氣影響下向上運動，還受到溫度場作用，氣體向下運動，則比沒有溫度場作用情況下CO2在土壤中濃度更大。反之在夜間時由于空氣中溫度較低，試驗筒中土壤形成了深處溫度高地表溫度低的梯度差，溫度場控制CO2向上運移，土壤中CO2濃度則較低。所以土壤溫度變化較氣溫變化有一定的滯后時間，而CO2濃度最終表現(xiàn)為下午17點時最大，夜間4點最小，較日氣溫的最高、最低時間有一定延遲。

2.3 含水率影響土壤中CO2的濃度變化

含水率是研究土壤包氣帶的重要參數(shù)，CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但能溶于水，產(chǎn)生碳酸，所以含水率可能會影響土壤中CO2的濃度分布狀況。為測量土壤含水率對平衡狀態(tài)下的CO2濃度分布的影響，選擇在不同的天氣狀況對各試驗組土壤含水率進行測量，如圖2所示，得到兩種天氣狀況下的土壤含水率隨深度變化圖，以其均值與這兩種狀況下土壤中的CO2平衡濃度進行對比，如圖3所示。

圖2可見降雨狀況下土壤表層含水率增大，而對土壤深部含水率的影響較小，對比各試驗組之間的含水率大小，說明CO2濃度大小難以影響土壤含水率。圖3取兩種狀況下含水率的均值并與土壤CO2濃度值對比，發(fā)現(xiàn)雨天情況下土壤中CO2濃度比晴天大，并且高濃度的實驗組表現(xiàn)較為明顯，土壤淺層的CO2濃度明顯變大，中部出現(xiàn)不太明顯CO2小峰值，深層CO2濃度變化幅度較小，而晴天情況下呈現(xiàn)土壤從深到淺CO2濃度基本漸小的趨勢。

圖2 雨天、晴天不同CO2濃度土壤中含水率隨深度變化圖

圖3 雨天、晴天含水率的變化趨勢和不同深度土壤CO2濃度測量值

3 討論

CO2的地質(zhì)儲存是解決CO2大量排放問題的有效途徑，對于可能存在CO2泄露至地表造成的環(huán)境影響，CO2在表層土壤中的運移與分布的研究是不可或缺的。對于多孔介質(zhì)中的流體運動的研究，CO2由于其氣體的特殊性，濃度梯度成為其擴散的主要驅(qū)動力，同時溫度、水分也會對其運動造成影響，在本試驗中土壤中CO2的濃度分布從深到淺依次減小，提供向大氣中逸散的驅(qū)動力。

試驗中當輸氣時間足夠長時試驗筒中的CO2保持動態(tài)平衡，此時底部輸入的CO2氣體與試驗筒中逃逸出來的進入大氣的CO2氣體量相等，雖然土壤中發(fā)生了吸附等其他物理或者化學(xué)反應(yīng)使得逃逸的CO2減少，但最終會達到一種飽和、平衡狀態(tài)。這種情況的發(fā)生對于實際的CO2泄露的地表監(jiān)測來說，一方面在泄露初期可能不易發(fā)現(xiàn)泄露情形，因為土壤的作用削弱了泄露的濃度。另一方面，在土壤作用逐漸達平衡后，CO2可能已經(jīng)作為一種污染物向其他地層擴散。而土壤作為碳源循環(huán)的一部分，據(jù)曾世文，鄭樂平［13］在對巖溶地區(qū)土壤CO2運移的數(shù)值模型研究中，在數(shù)值上計算了土壤中CO2變化，對于水流遷移、根系呼吸、分解有機物、微生物活動所產(chǎn)生的CO2共同進行數(shù)值模擬計算，計算中所采用的基本方程與分析中使用的(1)式基本相同，而土壤本身可能作為碳源向大氣釋放CO2，這很可能影響在地表對CO2泄露的監(jiān)測。

本次試驗據(jù)氣溫－土壤深層溫度影響CO2濃度分布的考慮，是間接的分析，意在分析其內(nèi)在機理，而較難滿足精確計算溫度對多孔介質(zhì)中氣體的運移影響，這需要建立土壤溫度變化方程與CO2變化方程的耦合方程。而曾亦鍵［14］曾對土壤孔隙中水汽運移機制進行研究，認為當溫度梯度向下時，水汽往地下運移;當溫度梯度向上時，水汽往地表運移，若水汽的移動使CO2隨之運動，也是溫度對CO2運移影響的一個原因，同時也與本次的測量結(jié)果相同。

淺地表的土壤多孔介質(zhì)具有固、液、氣三相性，降雨驅(qū)使水分在土壤運動，水在下滲過程中驅(qū)替空氣，通常對土壤中的氣體和液體都有影響，即涉及兩相流，降雨量的大小和土壤的滲透系數(shù)是影響水分入滲的重要因素。本次試驗測量地表含水率時是在開始下雨后一段時間，測量土壤含水率趨勢線與范磊［15］所進行的降雨試驗繪制的含水率曲線基本相同，他對于降雨入滲過程中氣壓的變化規(guī)律進行了研究，降雨過程中首先土壤中含水量接近飽和含水量，然后土壤中各處的氣壓增大，對于1.2 m，1.5 m，1.8 m 深度土壤中的氣壓隨著降雨時間不斷增大，而本試驗同樣在降雨時測量土壤中CO2濃度有明顯增大，其增大幅度可能會隨降雨過程發(fā)生變化，降雨過后將慢慢回復(fù)正常。土壤中的CO2氣體受水分、溫度共同影響，水－氣－熱之間又會互相影響，精確計算需要建立相互依托的耦合方程共同求解。

4 結(jié)語

(1)保持CO2的濃度和輸氣速度不變，CO2在土壤的運移將處于平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為土壤由深到淺CO2濃度遞減，－1.5 m、－2.5 m相差不大，－0.5 m明顯減小，土壤各深度的CO2隨時間變化幅度不大，圍繞一定值上下波動。

(2)土壤各深度的CO2隨時間的變化表現(xiàn)為下午時間濃度較大而夜間濃度較小，與氣溫變化有相似的規(guī)律，但有一定的滯后時間。

(3)雨天情況下土壤的含水率發(fā)生變化，CO2平衡狀態(tài)同樣發(fā)生變化，各深度的CO2濃度比晴天時大，淺地表部分CO2濃度明顯增大，深處的CO2濃度增大幅度較小。

(4)土壤中水－氣－熱之間互相影響，本次試驗僅將水分、溫度和CO2的濃度的動態(tài)變化進行規(guī)律性研究，一定程度上分析其內(nèi)在機理，但精確計算模擬氣體在土壤中的運移情況，則需要建立相互依托的耦合方程共同求解。

［1］IEA 2007.Legal Aspects of Storing CO2:Update and Recommendations.OECD/IEA.

［2］張森琦，刁玉杰，程旭學(xué)，等，二氧化碳地質(zhì)儲存逃逸通道及環(huán)境監(jiān)測研究［J］.冰川凍土，2012，32(6):1251－1260.

［3］BertMetz，Ogunlade D，Heleen D C，etal.2005.IPCC special reporton CO2capture and storage.Cambridge University Press，195 ～276.

［4］崔振東，劉大安，曾榮樹，等，CO2地質(zhì)封存工程的潛在地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險及防范措施［J］.地質(zhì)評論，2011，57(5):700－706.

［5］Wang S，Jaff P R.2004.Dissolution of trace metals in potable aquifers due to CO2releases from deep formations.Energy Conversion and Management，2833 ～2848.

［6］許志剛，陳代釗，曾榮樹.CO2地質(zhì)埋存滲漏風(fēng)險及補救對策［J］.地質(zhì)評論，2008，5(3):373－386.

［7］Patil R H，Colls JJ，Steven M D.Effects of CO2gas as leaks from geological storage sites on agro－ ecosystems［J］.Energy，2010，35(12):4587 －4591.

［8］West JM，Pearce JM，Coombs P，etal.The impactof controlled injection of CO2on the soil ecosystem and chemistry of an English lowland pasture［J］.Energy Procedia，2009，1(1):1863－1870.

［9］Amonette JE，Barr J L，Dobeck L M，et al.Spatiotemporal changes in CO2emissions during the second ZERT injection，August－ September 2008［J］.Environmental Earth Sciences，2010，60(2):263 －272.

［10］張春林，趙景波，楊曉東，草地不同深度土壤CO2濃度變化特征研究［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報，2008，36(6):90－95.

［11］秦小光，蔡炳貴，劉東生，等.北京靈山草地土壤CO2源匯和排放通量與溫度濕度晝夜變化的關(guān)系［J］.生態(tài)環(huán)境，2004，13(4):470－475.

［12］刁一偉，鄭循華，王躍思，等.開放式空氣CO2濃度增高條件下旱地土壤氣體CO2濃度廓線測定［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13(10):1249－1252.

［13］曾世文，鄭樂平，巖溶地區(qū)土壤二氧化碳運移的數(shù)值模型［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2002，21(12):712－715.

［14］曾亦鍵，淺層包氣帶水_汽_熱耦合運移規(guī)律及其數(shù)值模擬研究［D］，2011，北京:中國地質(zhì)大學(xué).

［15］范磊，降雨入滲過程中包氣帶水分運移轉(zhuǎn)化機理研究［D］，2008，西安:長安大學(xué).