利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法技术

本发明专利技术公开了利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，选取3种C3植物和4种C4植物，采用二氧化碳智能人工气候箱来模拟CCS中CO2发生泄漏后可能产生的超高浓度CO2环境，植物在CO2人工气候室培养的第10天、20天、30天分别采集植物样品，将样品用蒸馏水清洗干净，烘干；将干燥的植物叶片研磨过筛；用燃烧法收集植物完全燃烧后产生的CO2，进行数据处理与分析。本发明专利技术以C3、C4植物为研究对象，利用C4植物稳定碳同位素组成(δ

Identification of CO2 Leakage from Geological Sealing by Plant Stable Carbon Isotopes

【技术实现步骤摘要】
利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法
本专利技术涉及一种CO2泄漏风险的识别与监测方法，特别涉及利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法。
技术介绍
二氧化碳捕集与封存(CO2captureandstorage，CCS)被认为是最有前景和潜力的CO2减排技术。CCS从工业或相关能源工业的排放源捕获的CO2，注入如油气层、深层盐水层、不可开采的煤层等稳定的地质构造中，实现CO2与大气的长期隔离，达到CO2减排的目的。但CCS项目区存在的CO2泄漏风险不容忽视，如因注入井破裂造成的CO2快速泄漏以及其他未知泄漏点或封存层断裂形成的CO2慢速泄漏。一旦出现地质封存CO2的泄漏，将会对近地表水环境、土壤环境、动植物生长发育以及人体安全产生重要影响。因此，对CCS项目区域CO2泄漏风险监测与识别的方法与技术的探索从未停止。各种监测与识别方法或技术已经被提出可能可应用于现有CCS示范项目或工业项目的CO2泄漏监测与识别。这些方法包括在项目区对CO2的直接监测和基于CO2对地下水、土壤和植物等环境因子影响的间接监测方法。对整个CCS项目区域实施细致全面的CO2直接监测可能是不切实际的并且是高成本的，因为商业规模的CCS项目区域通常包括数百平方公里，所以基于CO2对地表生态系统环境影响的间接监测方法是非常必要的，尤其是利用植物生长和健康状况的监测和评价及时有效的识别项目地区CO2泄漏。West、Patil、Wu、Xue等人研究表明CO2泄漏会引起大豆、牧草、苜蓿、玉米等植物光合作用降低、植株高度下降、生物量锐减，试图利用植物植株高度以及生物量指标的变化作为识别CO2泄漏风险的方法，但植物株高与生物量等的变化受其他环境因子影响非常大，很难准确的识别CO2泄漏。而植物稳定碳同位素(δ13C)分析是近年来广泛应用于气候与环境变化研究中的一种快速、可靠的技术。植物光合作用的途径决定了碳同位素分馏(carbonisotopefractionation)模式以及植物δ13C值，C3植物δ13C值在-22‰～-34‰范围内，平均值为-26‰左右，C4植物813C值在-9‰～-19‰范围内，平均值为-12‰左右，因此植物稳定碳同位素组成δ13C是经常用于识别C3、C4植物种类的定量方法；同时，植物δ13C值不仅受其遗传因素控制，也受到如光照、温度、大气CO2浓度等环境因子的影响。许多研究学者通过建立O3、SO2、NOx等空气污染物与植物δ13C的关系，试图利用植物δ13C值掌握空气污染物污染程度，同时气候学者常基于植物的δ13C与CO2浓度、温度、光照等环境因子的关系，从中提取其生长时期的环境信息来恢复和重建历史时期的气候变化情况。Vandewater、Pasquier-Cardin等研究表明大气CO2浓度与植物的δ13C呈负相关关系，Schubert等人指出CO2在370-4200μmol·mol-1之间变化时，大气CO2浓度与C3植物的净同位素分馏(Δδ13C)之间呈现很强的双曲线关系，植物稳定碳同位素分析有效应用于各历史地质时期CO2浓度的变化趋势研究。而CCS项目一旦出现地质封存CO2的泄漏，尤其是出现CO2慢速泄漏情况，会在地表形成一个远高于之前学者所研究的超高CO2浓度环境，这将会对周围C3、C4植物碳同位素分馏作用产生不同影响进而影响其植物δ13C值。综上，目前，对整个CCS项目区域实施细致全面的CO2直接监测可能是不切实际的并且是高成本的；另外，利用植物植株高度以及生物量指标的变化作为识别CO2泄漏风险的方法因植物株高与生物量等的变化受其他环境因子影响非常大，很难准确的识别CO2泄漏。
技术实现思路
专利技术的目的在于提供利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，本专利技术以7种典型C3、C4植物为研究对象，模拟地质封存CO2泄漏产生的超高CO2浓度对植物稳定碳同位素组成δ13C的影响，C4植物在超高CO2浓度下其δ13C变化远大于C3植物，且与CO2浓度有较强相关性(R2≥0.6343)，并且当二氧化碳浓度大于20000μmol·mol-1时与CK呈显著性差异。利用C4植物稳定碳同位素组成(δ13C)可有效识别CO2的泄漏，定期采集C4植物样本分析δ13C值，通过与正常大气环境下其δ13C值比较，判断是否可能发生CO2的泄漏，为识别与监测项目区是否发生CO2的泄漏提供参考依据，以解决上述
技术介绍
中提出利用植物植株高度以及生物量指标的变化作为识别CO2泄漏风险的方法因植物株高与生物量等的变化受其他环境因子影响非常大，很难准确的识别CO2泄漏的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，包括如下步骤：S1：选取实验材料选取7种典型植物，包括3种C3植物和4种C4植物，所有植物种子均由农业技术推广站提供，实验土壤采自封存地农田0～20cm土壤；S2：实验与模拟采用二氧化碳智能人工气候箱来模拟CCS中CO2发生泄漏后可能产生的超高浓度CO2环境；S3：指标测定与方法植物在CO2人工气候室培养的第10天、20天、30天分别采集植物样品，将所采集的样品用蒸馏水清洗干净，于70℃条件下烘干24h；然后，将干燥的植物叶片在研磨机中研磨后过200目筛；用燃烧法收集植物完全燃烧后产生的CO2，收集的CO2用MAT-251质谱仪分析碳同位素组成；S4：数据统计与分析利用MicrosoftOfficeExcel2010与origin8.5进行数据处理与分析；利用SPSS22.0Two-wayAVOVA法进行显著性分析。进一步地，所述二氧化碳智能人工气候箱由CO2人工气候室、PID智能控制系统、CO2气瓶和气管组成，CO2人工气候室的底端安装PID智能控制系统，CO2人工气候室通过气管连接CO2气瓶上的气体控制阀。进一步地，所述二氧化碳智能人工气候箱控温范围：0～50℃；控湿范围30％～95％RH；光照度：0～22000Lux；CO2浓度量程到100000μmol·mol-1，各参数均为多级可调，可根据实验需要设定目标值。进一步地，S2还包括如下步骤：S201：首先在不通CO2气体的条件下，将8-10盆、4-5株/盆每种供试种植物培养至2-3叶期时，选择长势良好的6盆、1-3株/盆植物；S202：在二氧化碳控制浓度下，定期浇水、固定施肥，培育30天。进一步地，CO2浓度分别控制在380(CK)、10000、20000、40000、80000μmol·mol-1，实验条件设置为白天12h：温度25℃，湿度80％，光强100％；夜晚12h：温度20℃，湿度80％，光强20％。进一步地，植物稳定碳同位素组成的表达式为：δ13C＝[(13C/12C)sample/(13C/12C)standard-1]×1000其中，(13C/12C)sample表示植物样品碳同位素比率，(13C/12C)standard为标准的PDB碳同位素比率，样品分析在中国科学院地球环境研究所进行。进一步地，利用logarithm函数Bradley方程进行拟合，得到10d、20d和30d时不同CO2浓度下3种C3植物和4种C4植物叶片δ13C的变化特征。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：选取实验材料选取7种典型植物，包括3种C3植物和4种C4植物，所有植物种子均由农业技术推广站提供，实验土壤采自封存地农田0～20cm土壤；S2：实验与模拟采用二氧化碳智能人工气候箱来模拟CCS中CO2发生泄漏后可能产生的超高浓度CO2环境；S3：指标测定与方法植物在CO2人工气候室培养的第10天、20天、30天分别采集植物样品，将所采集的样品用蒸馏水清洗干净，于70℃条件下烘干24h；然后，将干燥的植物叶片在研磨机中研磨后过200目筛；用燃烧法收集植物完全燃烧后产生的CO2，收集的CO2用MAT‑251质谱仪分析碳同位素组成；S4：数据统计与分析利用Microsoft Office Excel 2010与origin 8.5进行数据处理与分析；利用SPSS 22.0 Two‑way AVOVA法进行显著性分析。

【技术特征摘要】
1.利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：选取实验材料选取7种典型植物，包括3种C3植物和4种C4植物，所有植物种子均由农业技术推广站提供，实验土壤采自封存地农田0～20cm土壤；S2：实验与模拟采用二氧化碳智能人工气候箱来模拟CCS中CO2发生泄漏后可能产生的超高浓度CO2环境；S3：指标测定与方法植物在CO2人工气候室培养的第10天、20天、30天分别采集植物样品，将所采集的样品用蒸馏水清洗干净，于70℃条件下烘干24h；然后，将干燥的植物叶片在研磨机中研磨后过200目筛；用燃烧法收集植物完全燃烧后产生的CO2，收集的CO2用MAT-251质谱仪分析碳同位素组成；S4：数据统计与分析利用MicrosoftOfficeExcel2010与origin8.5进行数据处理与分析；利用SPSS22.0Two-wayAVOVA法进行显著性分析。2.根据权利要求1所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，所述二氧化碳智能人工气候箱由CO2人工气候室(1)、PID智能控制系统(2)、CO2气瓶(3)和气管(4)组成，CO2人工气候室(1)的底端安装PID智能控制系统(2)，CO2人工气候室(1)通过气管(4)连接CO2气瓶(3)上的气体控制阀(31)。3.根据权利要求1或2所述的利用植物稳定碳同位素识别地质封存CO2泄漏的方法，其特征在于，所述二氧化碳智能人工气候箱控温范围：0～50℃；控湿范围30％～95％RH；光照度：0～22000Lu...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛璐，亢福仁，李强，
申请(专利权)人：榆林学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61