工业革命前,大气中的CO₂浓度均值约为280ppm,目前已上升至400ppm左右。随着现代工业的迅速发展,化石燃料大量使用,人们超量地向大气排放CO₂气体,导致温室效应加剧。温室气体的过量排放威胁到人类的生存环境与社会经济的发展。各国政府采取了一系列的CO₂减排措施,其中碳捕捉和存储技术（CCS）是当前最为有效的CO₂减排措施。CCS工程就是将CO₂产生地（碳源地）的气态CO₂通过变压变温转化为超临界状态的CO₂,再通过钻孔注入到深部地质构造中进行封闭储存。CCS工程在世界上已有多个成功范例,但泄漏风险也一直备受人们关注。为此,我们利用青海省三合镇天然CO₂泄漏点搭建的试验场和长安大学渭水校区人工模拟CO₂泄漏试验场两个大试验平台。探讨深部储存的CO₂一旦以高浓度（大于2000ppm）泄漏,可能对土壤、地表植物及人类生存环境造成的影响。天然CO₂泄漏试验场位于青海省平安县三合镇一处天然CO₂泄漏点,由于本世纪初打井找水时成井工艺不完善而导致的深部CO₂泄漏,一部分CO₂沿井孔孔壁直接泄漏至大气,一部分扩散至土壤中。泄漏点空气有较大的臭味,有死亡的鸟类,附近种植的大豆、油菜、青稞、蔬菜等有CO₂泄漏产生影响的痕迹。人工模拟CO₂泄漏试验场位于长安大学渭水校区水与环境原位试验场内,主要分为主模拟试验平台、温室试验平台和阈值探索试验平台三大部分,每个试验平台均有CO₂浓度高、中、低和对照四个分区来进行模拟试验研究。主模拟试验平台包括地下室及地表高27m的CO₂泄漏观测塔,地下室设置有高2.8m高、直径1m的玻璃钢试验柱,在其不同高度上装有温度、CO₂浓度和负压等数据采集装置。试验配置CO₂浓度配比柜,按设计需要配制不同浓度的CO₂气体。试验柱中填充采自CCS示范工程基地（位于鄂尔多斯伊金霍洛旗）的土壤。根据种植季节,在试验柱中种植不同的植被（小麦、玉米等）,并按设计要求从试验柱下部向试验柱中输入不同浓度的CO₂（5×10⁴ppm、10×10⁴ppm、15×10⁴ppm）,观测地表植被的性状和试验柱中试验土壤的物理、化学及生物状态的变化。温室试验平台是为了容易控制温度,可跨季节种植不同植物,便于拓宽试验的植物品种。按设计,在温室中配置样方种植试验,向样方的试验土壤中输入不同浓度的CO₂（5×10⁴ppm、10×10⁴ppm、15×10⁴ppm）,亦观测样方中植被的性状、试验土壤的理化性质与土壤中微生物态势。阈值探索试验平台是为了探索植物和土壤微生物对超高浓度CO₂的耐受性及抗逆性,配置了不同的试验桶,置入采自CCS示范工程基地灌注场的土壤,按季节种植不同的植物,给土壤中输入不同超高浓度的CO₂（50×10⁴ppm、70×10⁴ppm、90×10⁴ppm）,以研究可以致死不同植物的CO₂浓度的阈值及植物、土壤微生物的应激反应。试验结果表明:CO₂入侵包气带后,导致土壤的理化性质改变,从而影响土壤的微生态环境,并对地表植物生态产生明显影响。（1）CO₂的入侵将改变了土壤的理化性质,土壤的原位pH发生变化,浓度越大,土壤的pH越低。通过复杂的CO₂—水—土作用,包括溶解、交换、水化、水解、溶蚀等反应,使土壤的化学组成发生变化,在不同程度上降低土壤中N、P、K及部分可溶性离子的含量。CO₂的侵入改变了土壤的矿相,CO₂浓度越大土壤的晶化程度越高,其中CaCO₃、钙长石的增加比较明显,伊利石、蒙脱土的含量也略有上升。CO₂浓度升高,还会导致土壤的温度的升高,使其导热率、热扩散系数、热容也升高。模拟试验中,CO₂浓度越大,土壤中C元素的含量就越高,这也反映了土壤对CO₂的具有一定的吸纳能力。（2）土壤微生物群落的发育,与生态环境密切相关。高浓度CO₂入侵对土壤原生动物的种类和数量产生影响,对微生物群落多样性影响显著,部分微生物生长受到抑制,而另一些微生物生长繁殖则受到刺激,致使丰度增加。土壤细菌群落中的优势菌群有变形菌门、拟杆菌门和酸杆菌门等,其中土壤酸杆菌门在土壤CO₂浓度达40×10⁴ppm时相对丰度的大幅增加,可能用作地质封存CO₂泄漏对土壤生态系统响应的指示菌。（3）人工模拟CO₂泄漏对供试表生植物的影响。土壤高浓度CO₂对豌豆的光合作用有促进作用,小麦及苋菜光合作用呈低浓度抑制高浓度促进趋势;黑麦草及玉米光合作用受到不同程度抑制。双子叶植物豌豆和苋菜的保护酶活性变化很小,保护酶系统反应不敏感;单子叶植物小麦、黑麦草、玉米CAT、SOD活性变化复杂;POD活性变化较大,对由此胁迫引起的氧自由基较敏感。所有植物在该胁迫下细胞膜脂过氧化程度加剧,植物快速衰老。比较不同类型植物及其关键生理生化指标对CO₂入侵包气的敏感差异性,可溶性糖和POD两种生化指标对土壤CO₂浓度升高反应较为敏感;C3植物豌豆和C4植物玉米对该逆境胁迫反应更敏感。（4）天然CO₂泄漏点,植物数量随CO₂浓度升高而增加,但CO₂浓度与植物种群分布未表现出一定的相关性。大部分植物的生长性状表现为在中浓度（6490ppm）条件下被促进,而高浓度（>10×10⁴ppm）条件下被抑制。其中厥麻对土壤CO₂浓度的改变表现较敏感。本试验取得的成果有:（1）土壤理化性质中,原位pH对CO₂的泄露最为敏感。CO₂浓度越大,pH下降越低,且会引起土壤温度的升高;（2）在CCS工程地表种植厥麻、豌豆和玉米,可通过观测植物生长态势并结合生理生化指标来警示CO₂的泄漏;（3）在CCS工程实施地点,实测土壤酸杆菌门的浓度背景值,按一定的频率采集土样（如每月一次）,在土壤中若显现土壤酸杆菌门的相对丰度的幅度有增大趋势,可能预警CO₂的泄漏。（4）由于土壤对CO₂有一定的吸纳能力,如果发现CCS工程地的土壤中C含量较背景有所提高,就要警惕CO₂的泄露。这些试验结论对于CCS工程实施时的风险评估、确定泄露预警指标及制定相关措施,有一定的参考价值。