利用高通量测序对封存CO2泄漏情景下土壤细菌的研究

全球CO2浓度不断升高的背景下,地质封存CO2为控制大气CO2浓度上升提供了全新的思路,但封存CO2潜在的泄漏风险也对生态系统产生重大威胁.土壤微生物与土壤健康密切联系.鉴于目前地质封存CO2泄漏对土壤微生物影响的研究鲜有报道,本研究通过模拟地质封存CO2泄漏情景,利用Miseq平台Illumina第二代高通量测序土壤细菌16S rRNA基因,结合相关生物信息学分析,初步探讨了封存CO2泄漏情景下农田土壤细菌群落丰富度、多样性和群落结构的变化.试验共获得15个土壤样本的43 017个OTU共486 645条读数,生物学分析结果表明,封存CO2泄漏通量和时间不同的情景下,农田土壤细菌丰富度和细菌群落多样性的变化存在差异,初步推测CO2泄漏量增大和泄漏时间持续更长的情景下,土壤细菌丰富度和多样性下降幅度较大,土壤细菌群落中优势菌群向若干细菌集中,其中土壤酸杆菌门细菌相对增多可能作为地质封存CO2泄漏对土壤生态系统影响的生物监测指标.     

CO2泡沫混凝土碳封存潜力分析

CO₂捕集、利用与封存是碳中和技术体系的重要组成部分,混凝土在大规模吸收CO₂方面具有巨大的发展潜力.为了掌握CO₂泡沫混凝土的碳封存潜力,分析了CO₂泡沫混凝土的固碳机制,建立了CO₂泡沫混凝土固碳能力的数学模型,估算了CO₂泡沫混凝土的固碳和储碳能力.结果表明,CO₂泡沫混凝土碳封存能力的99%以上是由混凝土骨架的化学碳化方式完成的,而泡孔的储碳能力较弱;按照30%碳化率估算,我国每年生产的混凝土在全生命周期内的碳封存量平均为2.18亿t,超过大兴安岭林区森林1 a的碳汇;近5年,我国CO₂泡沫混凝土的碳封存潜力为5.80亿t ·a^-1,在煤电一体化矿区的固废和废气资源化利用方面具有很好的应用前景.CO₂泡沫混凝土在凝固前的稳定性是下一步要重点解决的技术难题.     

透明箱法监测稻田生态系统CO2通量的研究

采用透明箱法对稻田生态系统CO₂通量进行了田间定位观测,并对透明箱内CO₂浓度的变化规律及拟合方法进行了探讨.结果表明,在水稻生长旺盛期的晴天(白天),箱内CO₂浓度随测定时间呈非线性变化,因此用常规的线性拟合法(LR)计算的CO₂净吸收通量明显低于指数一级动力学拟合法(ER).在水稻生长旺盛期的阴天、成熟期以及夜间,箱内CO₂浓度随测定时间表现为线性变化,LR法与ER法的CO₂净吸收通量计算结果无显著差异.在水稻生长期间,基于LR法的稻田生态系统碳累积吸收量结果明显低于ER法,而后者与常用方法(植物净固定碳量减去土壤异氧呼吸排放碳量)的计算结果比较接近.证实了当植被同化速率较强时,采用ER法对透明箱内CO₂浓度随时间的变化进行拟合并计算CO₂净吸收通量较为适宜.同时表明采用透明箱法观测农田生态系统CO₂通量是可行的.     

黔中岩溶地区草地土壤CO2的稳定碳同位素组成

黔中岩溶地区草地土壤 CO₂ 的δ¹³C值在地 -气界面层上随土层深度的增加而降低 ,在地 -气界面层以下 ,土壤 CO₂ 的δ¹³C值基本不变 .土壤 CO₂ 的 δ¹³C值存在季节变化与昼夜变化的特征 .夏季 CO₂ 的 δ¹³C值最高 (-15.5‰ ) ,冬季 CO₂ 的 δ¹³C值最低 (-18.9‰) ;从夏季到冬季 ,土壤 CO₂ 的 δ¹³C稳定值逐渐降低 ,降低幅度超过 3‰ .在一天中 ,中午土壤 CO₂ 的 δ¹³C值最高(-14.0‰ ) ,早晚土壤 CO₂ 的δ¹³C值较低 (-15.4‰ )     

外源盐对盐碱土壤CO2吸收的影响

为探明盐碱土壤CO₂吸收机理及影响因素,通过室内实验,利用外源盐调节土壤电导率（electrical conductivity,EC）,探究盐碱土壤CO₂吸收速率的变化趋势、累积吸收量和土壤EC之间的关系。结果表明：培养期间,土壤样品在36 h出现吸收现象,且EC值高的土壤达到CO₂吸收速率峰值时间短。回归分析显示,土壤CO₂累积吸收量随EC增加而增加（R²=0.8637）。单因素方差分析发现,不同电导率土壤,CO₂累积吸收量均具有显著差异（p＜0.001）。土壤EC是影响盐碱土壤CO₂吸收变化的重要因素,土壤EC值升高,增加盐碱土壤对CO₂的吸收速率和土壤CO₂累积吸收量。     

亚热带稻田生态系统CO2通量的季节变化特征

为估算和评价稻田生态系统碳源/汇强度及其对大气CO₂浓度变化的贡献,研究了稻田生态系统与大气间CO₂交换通量的季节变化特征及其影响因素.采用涡度相关技术对我国亚热带稻田生态系统CO₂交换通量进行了连续监测,在数据剔除、校正和差补的基础上,对瞬时CO₂通量值进行计算求得日CO₂通量值和年CO₂通量值,并对CO₂通量季节变化及其与主要气象因子的关系进行了探讨.结果表明,稻田生态系统光合吸收CO₂通量（GPP）、呼吸排放CO₂通量（R_eco）和净吸收CO₂通量（NEE）的季节变化均呈6～9月较高,1～5月和10～12月较低的对称分布.其中5～9月水稻生长时期的NEE总量占年总量的80%以上,对年NEE总量起决定性作用.光合有效辐射（PAR）和日平均气温（T_a）是GPP与NEE季节变化的最主要影响因子,二者与GPP和NEE分别存在显著的二元线性关系.年净吸收CO₂总量为2?475.6 g/(m²·a),这表明我国亚热带稻田生态系统是大气CO₂的汇.     

CO2收集封存战略及其对我国远期减缓CO2排放的潜在作用

碳收集封存(CCS)已被广泛地认为是一种潜在的、可供选择的CO₂减排方案,以稳定大气中CO₂浓度、减缓气候变化.本文介绍了CCS的3大环节：碳的捕获、运输与储存,对不同捕获技术及其技术经济参数进行分析评价,介绍了不同碳地质储存的机理、潜力与成本, 以及CCS的应用对全球减缓碳排放的作用.更新中国MARKAL模型,加入各种可能的CCS技术,特别是考虑CCS的煤间接液化以及多联产技术,以同时考虑石油安全与CO₂减排.通过设置不同的情景,应用中国MARKAL模型研究了CCS对我国远期（到2050年）减缓CO₂排放的潜在作用,结果表明,CCS技术的应用不仅可能减少我国的碳排放,降低边际碳减排成本（碳减排率50%时,下降率达45%）,减轻高减排率时对核电的高度依赖,还可能使我国更长时间地清洁利用煤炭资源（在C70情景下,2050年煤在一次能源消费中的比例可从10%增到30%）.我国应重视对CCS技术的研发以及示范项目的建设.     

施肥量对福州平原稻田CO2排放及其温度敏感性的影响

为了阐明施肥量对稻田CO_2排放及其温度敏感性的影响,采用静态箱-气相色谱法,对福州平原稻田对照(CK)、常规施肥组(CG)和倍增施肥组(BZ)的CO_2排放及其温度敏感性进行了测定和分析.结果表明,CK、CG和BZ的CO_2排放通量变化范围分别为32.33~3181.97、30.68~3701.05和32.81~3206.29 mg·m~(-2)·h~(-1),CG的CO_2排放通量比较CK增加了14.16%,BZ的CO_2排放通量较CK增加了8.04%,CK、CG和BZ之间CO_2排放通量差异不显著(p0.05);稻田CO_2排放与土温(r=0.683,p0.01)、株高(r=0.820,p0.01)及含水量(r=0.309,p0.05)具有显著的正相关关系;CK、CG和BZ的CO_2排放通量与土温和气温均具有显著的正相关关系(n=42,p0.01);CK、CG、BZ的Q_(s10)值和Q_(a10)值分别为28.13、18.88、13.24和9.86、7.64、6.35,CK的温度敏感性显著高于CG和BZ(p0.05),施肥显著降低了稻田CO_2排放的温度敏感性(p0.05).     

大气14CO2的时空分异特征及其在化石源CO2示踪中的应用

大气CO₂中放射性碳同位素(¹⁴C)的水平可以反映化石源CO₂的影响程度,这对于评估我国目前化石源CO₂的排放状况和制定节能减排政策具有重要的指导意义。本文在概述大气¹⁴CO₂采样和分析方法的基础上,简要介绍了大气¹⁴CO₂观测的起源和主要的源汇过程,重点论述了大气¹⁴CO₂的时空分异特征及其驱动因素;阐述了化石源CO₂浓度的估算方法及¹⁴CO₂在国内外化石源CO₂示踪中的应用现状,并对大气¹⁴CO₂观测在我国化石源CO₂示踪中的应用前景进行了展望;旨在为我国正确地开展大气¹⁴CO₂的观测研究,深刻地理解特定区域大气¹⁴CO₂的时空分异特征和化石源CO₂的分布状况提供参考。     

吸收CO2新型混合化学吸收剂的研究

以吸收剂吸收速率和再生程度为指标,在小型实验装置台上研究了3种混合吸收剂不同配比的吸收和再生特性,以确定其吸收剂主体和添加剂的合适配比.结果表明,在甲基二乙醇胺（MDEA）中添加哌嗪（PZ）,当混合吸收液CO₂负荷为0 .2 mol·mol^-1时,MDEA∶PZ=1∶0 .4（m∶m）混合液CO₂吸收速率比MDEA∶PZ=1∶0 .2（m∶m）混合液提高了约70％.再生40 min,PZ相对浓度为0的吸收液再生程度为91 .04％,PZ相对浓度为0 .2、0 .4和0 .8时,混合吸收液的再生程度分别降低为83 .06％、77 .77％和76 .67％.综合比较,MDEA∶PZ=1∶0 .4（m∶m）是该混合吸收液合适的配比,吸收速率和再生特性都有较好改善.在10％一级胺中添加2%三级胺既能保持高吸收效率,又能略微降低再生能耗.在10％二乙醇胺（DEA）中加入2％ 2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）,混合液表现出DEA/AMP混合吸收剂中较好的吸收和再生特性.3种配方中,在一级胺中添加少量三级胺吸收速率最高,二级胺和少量空间位阻胺混合吸收剂的再生性能最好.而综合吸收和再生2个指标,三级胺和中量活化剂的混合液有优势.     

CO2泄漏对稻田水基础水质指标的影响研究

碳捕集与封存（CCS）技术是当前抑制大气中CO₂过快增长的有效方法,但在CCS项目实施过程中仍存在CO₂泄漏而影响地表环境及生态的风险.本研究以龙粳31号和龙稻18号为实验对象,模拟研究地质封存CO₂以不同速率泄漏对稻田水环境基础水质指标D_CO2、pH、DO和ORP的影响,探讨稻田水对地质封存CO₂泄漏的响应规律.结果表明：CO₂泄漏对稻田水的D_CO2、pH、DO和ORP长期影响显著,不同CO₂泄漏速率对稻田水质指标的影响差异显著.在各指标平衡后,稻田水各水质指标均呈现明显的日变化规律,其中D_CO2呈早晚高、午间低的先减后增规律,而pH、DO和ORP均呈早晚低、午间高的先增后减规律.根据各指标差异性分析,建议将稻田水D_CO2作为稻田系统CO₂泄漏监测的主要指标,将pH、DO、ORP作为CO₂泄漏监测的辅助指标.     

CO2倍增和施氮对水稻不同生长期土壤反硝化细菌丰度的影响

随着全球气候变化的不断加剧,大气CO₂浓度呈明显增加趋势,这将间接影响土壤-植物-微生物系统的氮循环过程.为研究典型水稻土壤反硝化细菌对CO₂浓度升高的响应规律和机制,借助水稻密闭培养箱,运用实时荧光定量聚合酶链式反应（Real-Time qPCR）分子技术,设置不施氮（0 mg/kg）和常规施氮（100 mg/kg）2个处理,研究CO₂倍增对水稻不同生长期土壤关键反硝化功能细菌（narG、nirK和nirS型）丰度的影响.结果表明:①在2种施氮水平,CO₂倍增显著促进了水稻分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期水稻根系生长（增幅为2.96%~28.4%）、地上部生物量增加（增幅为7.1%~107.3%）以及成熟期籽粒干质量的增加（增幅为19.5%和38.0%）,具有显著的增产效应.②反硝化细菌丰度对CO₂倍增的响应与生育期及施氮水平有关,CO₂倍增在2个施氮水平均抑制分蘖期反硝化细菌的繁殖,显著增加孕穗期反硝化细菌数量;在水稻扬花期,CO₂倍增促进了施氮处理narG和nirS型反硝化细菌数量的增加,在成熟期抑制未施氮处理下narG、nirK和nirS型反硝化细菌的生长.另外,narG、nirK、nirS型反硝化细菌丰度整体表现为narG > nirS > nirK,且随水稻的生长,其在成熟期的丰度均呈降低趋势.nirK和nirS基因同属亚硝酸还原酶,但nirS基因丰度高于nirK,且对CO₂倍增和施氮的响应有所差异.研究显示,CO₂倍增可显著增加水稻生长和产量,不同施氮水平对稻田土壤反硝化细菌丰度的影响存在差异.      

土壤质地对自养固碳微生物及其同化碳的影响

自养微生物可同化大气中的CO2并将其转化为土壤有机碳,对提高农田土壤的碳吸收和碳储存有重要意义,然而土壤质地对自养固碳微生物功能种群及其同化碳的影响机制还不清楚.本研究选取亚热带地区同一母质发育而成的两种质地水稻土壤(壤质黏土和砂质黏壤土),通过14C-CO2连续标记技术结合室内模拟培养实验,探讨土壤质地对自养微生物同化碳(14C-SOC)、自养微生物截留碳(14C-MBC)和自养微生物可溶性碳(14C-DOC)的影响.以固碳功能基因(cbb L基因)作为指示基因,结合PCR和克隆测序技术,分析不同质地土壤自养固碳微生物群落结构和多样性的差异.结果表明,壤质黏土14C-SOC、14C-MBC和14C-DOC平均含量分别为133.81、40.16和8.10 mg·kg-1,均显著高于砂质黏壤土14C-SOC(104.95 mg·kg-1)、14C-MBC(33.26 mg·kg-1)和14C-DOC(4.18 mg·kg-1)平均含量(P0.05),说明土壤质地显著影响了土壤自养微生物碳同化量以及自养微生物同化碳在土壤中的转化.稀疏曲线、细菌cbb L基因文库覆盖度以及多样性指数分析结果显示壤质黏土固碳细菌群落多样性高于砂质黏壤土.系统发育分析表明,壤质黏土细菌cbb L基因序列与Rhodoblastus acidophilus、Blastochloris viridis、Thauera humireducens、Mehylibium sp.、Variovorax sp.等具有一定的同源性,而砂质黏壤土cbb L基因序列主要与根瘤菌和放线菌同源.可见,土壤质地对自养固碳微生物群落结构和多样性产生了深刻的影响,壤质黏土中较高的黏粒含量、土壤养分含量和阳离子交换量可能有利于维持更高的自养固碳微生物多样性和活性,从而导致不同质地土壤自养微生物碳同化量及其转化存在显著差异.     

深部储层中CO2沿断层泄漏量的影响因素

CGS（CO₂地质储存）是CO₂减排的重要手段之一,天然裂隙的存在则是CGS的潜在风险.CO₂地质储存过程中储层上覆盖层及其浅部含水层是防止CO₂泄漏的天然屏障,为了探究深部咸水层中CO₂沿断层的泄漏过程并获得断层渗透率及储层中超临界CO₂流体初始条件（初始饱和度、初始泄漏压力）对CO₂沿断层泄漏速率和泄漏量的影响程度,依据鄂尔多斯CO₂灌注工程示范区资料,使用多相、多组分溶质运移数值模拟软件TOUGH2建立了2D概念模型.结果表明,深部咸水层中的CO₂在压力差和浓度差的作用下沿断层发生泄漏,到达浅部含水层后开始发生侧向运移,100 a内运移了约200 m的水平距离;由于浮力的作用,CO₂集中在含水层顶板处,有效地防止了CO₂向外泄漏.影响因素分析表明,100 a内断层渗透性能为低渗、中渗和高渗条件时,CO₂累积泄漏量分别为0、1 050和3 000 t;CO₂初始饱和度分别为0.20、0.50和0.99时,CO₂累积泄漏量分别为550、1 050和1 650 t;初始泄漏压力分别为17.3、17.6和18.1 MPa时,CO₂累积泄漏量则分别为900、1 050和1 400 t.除此之外,断层渗透性、CO₂初始气体饱和度和初始泄漏压力对CO₂泄漏的影响还体现在泄漏发生时间和平均泄漏速率上.研究显示,各因素对CO₂沿断层泄漏过程的影响程度表现为断层渗透性能> CO₂初始饱和度> CO₂初始泄漏压力.      

杉木幼林土壤垂直剖面CO2通量对土壤增温的响应

研究土壤垂直剖面CO_2通量的分布是了解生态系统碳循环的重要环节.本研究以亚热带杉木幼林为研究对象,于2014年5月至2015年5月,采用气井法结合Fick扩散法则和扩散系数模型计算15、30、60 cm各层土壤的CO_2通量,探讨增温对其影响.结果表明:杉木幼林土壤增温影响可至60 cm土层,增温显著降低了各层土壤含水量(p0.05).增温显著增加了杉木幼林土壤CO_2通量(p0.05),深层尤为显著;增温处理(W)后15、30、60 cm土层的土壤CO_2通量年均值分别为1.35、0.73和0.36μmol·m-2·s-1,比对照(CT)相应增加了36%、180%和192%,并且增温显著影响了土壤基础呼吸速率F10和土壤温度敏感性指数Q10(p0.05).土壤温度和含水量能够共同解释各层土壤CO_2通量季节变异的62%~87%,且增温处理后其R2增大.双因子模型拟合结果优于单因子模型.增温能够增加土壤呼吸,对全球大气CO_2浓度升高具有正反馈作用.