CO2置换开采天然气水合物研究进展

介绍了近年来CO2置换开采天然气水合物技术的研究进展；论述了CO2与天然气水合物中CH4置换反应在热力学上的可能性；认为正确理解置换反应机理、探索新的反应技术并提高反应速率是置换开采技术走向产业化的关键。

Effects of metal catalysts on CO2 gasification reactivity of biomass char

The effects of five metal catalysts (K, Na, Ca, Mg, and Fe) on CO2 gasification reactivity of fir char were studied using thermal gravimetric analysis. The degree of carbonization, crystal structure and morphology of char samples was characterized by X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The CO2 gasification reactivity of fir char was improved through the addition of metal catalysts, in the order K>Na>Ca>Fe>Mg. XRD analysis indicated that Na and Ca improved the formation of crystal structure, and that Mg enhanced the degree of carbon structure ordering. SEM analysis showed that spotted activation centers were distributed on the surface of char samples impregnated with catalysts. Moreover, a loose flake structure was observed on the surface of both K-char and Na-char. Finally, the kinetic parameters of CO2 gasification of char samples were calculated mathematically.

利用医用质谱仪测定经皮血气CO2的渗透速率

利用质谱分析仪测定成人皮肤释放出的微量CO_(2)气体, 研究流过皮肤表皮的CO_(2)渗透率。对六名健康男性受试者的前臂曲侧面皮肤测定的CO_(2)气体渗透率平均值为3.78±0.45×10~(-4)m l/min cm~(2)。CO_(2)释放的强度取决于在身体不同的测试部位, 而且还受到呼吸深度的影响。图5表1参9

CO2、O3浓度升高对油松、银杏抗氧化系统的影响

本文以开顶箱法分别控制CO2、O3浓度，在CO2、O3浓度升高及其二者相互作用条件下，分析沈阳城市森林主要树种油松、银杏活性氧水平，抗氧化系统活性以及膜脂过氧化程度动态变化，揭示城市油松、银杏抗氧化系统对全球气候变化的响应规律。 1. 在短期(60天)内CO2浓度倍增（700µmol mol-1）使油松、银杏超氧自由基（O2-.） 产生速率与过氧化氢（H2O2）含量减少，而抗坏血酸（ASA）含量与超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDAR）、脱氢抗坏血酸还原酶（GR）活性升高，丙二醛（MDA）含量下降。与对照相比，大多数测定显示出显著差别。植株抗氧化能力增强，对活性氧清除能力提高。但长期（70天以上）CO2浓度倍增处理则使试验结果发生逆转。 2. 高浓度O3（80nmol mol-1）使O2-. 产生速率提高，H2O2 含量增加，MDA含量也随之增加。ASA含量与SOD、APX及GR活性在高浓度臭氧熏蒸的前期升高，但随着臭氧暴露时间的延长ASA含量与保护酶活性均变得低于对照。因此，在高浓度臭氧熏蒸的前期（30天以内），抗氧化酶能够在一定程度上调节自身的活性适应环境变化。但连续的高浓度臭氧胁迫导致活性氧含量升高，抗氧化酶活性下降。在试验后期, 虽然肉眼可见的伤害尚未观察到，但丙二醛含量显著升高，膜脂过氧化程度加深，油松、银杏的抗氧化系统已经不能抵抗长期臭氧胁迫所带来的氧化伤害。 3. 高浓度O3熏蒸初期，经倍增浓度CO2预处理的油松、银杏O2-.产生速率与H2O2含量，SOD、APX、MDAR、GR活性与自然O3浓度条件下植株无显著差异，表明高浓度CO2预处理银杏、油松对O3的抵抗能力增强。但随着高O3曝露时间的延长，O2-.产生速率与H2O2含量增加，SOD、APX、MDAR与GR活性低于对照，而且（经高CO2预处理后移入自然CO2、O3浓度中的植株）之差异逐渐增大，在试验末期达到差异显著水平，表明高CO2诱导油松、银杏产生的对O3胁迫的高抗性是不稳定的。 4.高浓度O3预处理(50天)使油松、银杏的抗氧化系统活性下降，已如前述。将经高浓度O3预处理的油松、银杏分别置入倍增浓度CO2与自然CO2环境中，随后的20天高CO2处理使活性氧水平低于自然CO2环境，而抗氧化酶活性高于自然CO2环境。这表明倍增CO2浓度能有效的恢复高浓度O3处理对油松、银杏的氧化胁迫。

长白山阔叶红松林CO2收支特征

植被-大气间CO2交换研究对准确评价陆地生态系统碳收支有重要意义。本研究以我国北方典型的植被类型—长白山阔叶红松林为研究对象，以国际公认的涡度相关技术为主要手段，结合微气象观测和生物学实验，探讨了森林碳交换过程与机制，建立了CO2通量观测数据的质量评价与控制体系。主要结论： （1）长白山阔叶红松林湍流通量贡献区主要集中在0.01~2Hz频率范围内，在弱湍流条件下存在通量低估现象。经过质量控制，CO2通量数据能够反映阔叶红松林与大气间CO2交换的真实过程； （2）森林生态系统CO2通量变化范围为-1.5~1.0 mg CO2•m-2•s-1，白天主要受光合有效辐射PAR的影响，但高的空气饱和水汽压差VPD对植被光合有一定的抑制作用，夜间CO2通量主要受温度的控制； （3）5cm温度是控制土壤碳排放的主导因素，由于雨热同季，因此干旱胁迫现象并不明显。土壤呼吸Q10变化范围为3.88~4.67，其值大小与温度区间有关； （4）2003~2005年森林GPP分别为1441、1312和1502gC•m-2，NEE分别为-188、-157和-186gC•m-2，森林碳收支的年际差异是由水热条件引起。叶片和群落高的弱光利用率和较强的光合吸收能力是其作为有200多年林龄的温带原始林，仍保持较高固碳能力的重要原因之一； （5）2003~2005年生态系统碳排放量分别为1252、1155和1326gC•m-2，土壤呼吸约占生态系统呼吸排放的80%； （6）长白山阔叶红松林具有较高的碳代谢能力，但由于光合吸收和呼吸释放都很活跃，森林总体表现为一稳定、适度的碳汇。这与其温带成熟原始林在碳循环领域的生态功能相一致。

银杏、油松对CO2和O3浓度升高的生理响应

随着工业化和城市化的迅速发展，高浓度CO2和高浓度O3对植物影响的研究受到了广泛的重视，但二者交互作用对城市树木的生理及碳氧平衡的影响尚不清楚。银杏（Ginkgo biloba）、油松（Pinus tabulaeformis）是沈阳市城市森林的两种重要树种，对大气环境变化的响应具有代表性。本文采用开顶箱法研究了在高浓度CO2（700 μmol•mol-1）、O3（80 nmol•mol-1）及其复合作用条件下城市银杏、油松生长、光合、蒸腾以及呼吸作用的日动态、季节动态变化，揭示了银杏、油松光合对高浓度CO2、O3的适应机制及其本身环境效应的变化规律，为研究城市森林对全球变化的响应与反馈提供了重要基础。 得出的主要结果如下： 1. 短期（0-30 d）高浓度CO2处理提高了银杏、油松叶片/针叶细胞间CO2浓度、羧化效率和表观量子效率，从而提高了银杏、油松的净光合速率。 2. 一个生长季(100 d)高浓度CO2处理促进了银杏、油松叶片/针叶的生长，提高了细胞渗透调节物质含量，增强了银杏、油松抵御逆境胁迫的潜能。银杏、油松日变化曲线趋向单峰曲线，缓解了中午的光抑制现象；固碳释氧量提高了近1倍，有助于减缓全球变化的速度。 银杏、油松的气孔导度和羧化效率的降低是发生光合适应的重要原因。 3. 高浓度O3处理可导致两树种的生理伤害，银杏叶片表现为褐斑型伤害，油松则为水锈型，叶片生长受到抑制。同时两树种可溶性蛋白、可溶性糖含量降低，电导率升高。 两树种叶绿素含量降低，净光合速率下降。银杏光合速率的降低前期表现为气孔限制，后期转为非气孔限制为主。油松光合速率下降则是两种限制因素共同作用的结果,难分主次，表明油松的气孔调节能力弱于银杏，更易受到O3的伤害。造成实验处理后期银杏、油松光合速率下降的非气孔因素是表观量子效率和羧化效率的降低。 高浓度O3处理使银杏、油松的光抑制现象加强，固碳释氧、降温增湿能力降低，且油松降低幅度大于银杏。 4. 高浓度CO2和O3复合处理提高了银杏油松的叶绿素含量，减轻了高浓度O3对叶片/针叶的伤害，促进了叶的生长。 与对照相比，复合处理提高了银杏、油松的净光合速率，降低了气孔导度和蒸腾速率，从而使水分利用效率和含水量得到提高。表观量子效率和羧化效率的提高是光合速率大幅度上升的重要因素；呼吸速率的提高则是后期光合速率增幅减小的重要原因。复合处理前期CO2主要是通过气孔调节来缓解O3对树木的伤害，高浓度CO2处理对光合作用的促进作用大于高浓度O3处理的抑制作用。 高浓度CO2和O3复合处理的银杏、油松的光呼吸速率、可溶性蛋白、可溶性糖的含量增加，电导率降低，提高了银杏、油松的抗逆性，这是高浓度CO2缓解O3胁迫对树木伤害的一个原因。复合处理同样缓解了银杏、油松光抑制现象，提高了固碳释氧量，但银杏降温增湿能力降低。

CO2升高对土壤微生物群落影响的模拟研究

大气CO2浓度升高可以通过植物间接影响土壤生态系统。土壤生态系统的结构和功能改变将影响有机质矿化和营养物质循环，进而可能对CO2浓度升高产生正反馈或负反馈。微生物是土壤生态系统的主体，在对CO2浓度升高的反馈中起着至关重要的作用。本研究以开顶箱系统为平台，采用微生物分子生态学技术和现代酶学技术，通过对长期接受500 ppm CO2的红松幼树、长白赤松幼树和蒙古栎幼树非根际土壤连续两个生长季的测定，系统研究了高浓度CO2对温带森林土壤微生物群落的生物量和微生物活性的影响，检测了土壤微生物群落的结构和功能以及土壤化学性质变化，主要结论如下： （1）高浓度CO2处理提高了土壤有机碳含量。与对照组相比较，红松幼树土壤有机碳含量提高9.4%；长白赤松幼树土壤提高0.6%；蒙古栎幼树土壤提高1.3%。 （2）高浓度CO2处理使土壤磷酸酶（phosphatase）、几丁质酶（1,4-β-acetylglucosaminidase, 1,4-β-NAG）和多酚氧化酶（phenol oxidase）活性发生了显著变化，高浓度CO2使红松土壤 1,4-β-NAG活性提高7-25%，长白松土壤1,4-β-NAG平均活性降低14%，蒙古栎土壤1,4-β-NAG平均活性提高31%。 同时研究还发现，过氧化物酶（peroxidase）和多酚氧化酶(phenol oxidase)活性与微生物量碳和微生物量氮呈显著的正相关。相关分析还显示，土壤湿度与1,4-α-葡萄糖苷酶（1,4-α-glucosidase）活性、 微生物生物量碳和微生物生物量氮呈显著的正相关。 高浓度CO2在不同程度上改变了土壤转化酶活性和脱氢酶活性。高浓度CO2显著提高了红松和长白赤松土壤硝化酶活性；而显著降低反硝化酶活性。 （3）研究发现三种树土壤的真菌和细菌群落存在着季节性演替，并且高浓度CO2熏蒸处理使真菌群落结构发生了显著的变化，表现为一些种群优势度下降，另一些升高。虽然，细菌群落没有如真菌群落变化的明显，但研究中也发现高浓度CO2的确使个别细菌种群的优势度发生了显著改变。 亲缘关系与Calocybe carnea，Magmatodrilus obscurus密切的真菌是红松土壤优势种群，与Humicola fuscoatra关系相近的是长白松土壤的优势种群，并且此三种真菌的季节性变化不显著。研究发现高浓度CO2使红松土壤中亲缘关系与Pachyella clypeata，Cochlonema euryblastum，Lepiota cristata，Eimeriidae sp.， Trichoderma sp.相近的种群的丰富度显著提高，使蒙古栎土壤中亲缘关系与Serendipita vermifera，Calocybe carnea种群丰富度显著下降，使蒙古栎土壤中与Candida sp.，Magmatodrilus obscurus和Pachyella clypeata亲缘关系密切种群的丰富度显著提高。 （4）三种幼树叶的原位分解培养429天结果显示，红松和长白松凋落物的β-葡萄糖苷酶（1,4-β-glucosidase）和木糖苷酶（1,4-β-xylosidase）活性随着分解而逐渐增加，而这两种酶在蒙古栎凋落物分解过程中保持相对恒定；高浓度CO2显著影响叶凋落物分解磷酸酶（phosphatase），纤维二糖酶（cellobiohydrolase）, 几丁质酶(1,4-β-NAG)，多酚氧化酶（phenol oxidase）和过氧化物酶（peroxidase）的活性。研究发现，凋落物的生物化学性质变化能引起分解的微生物群落发生变化，进而引起分泌的胞外酶活性变化，科学印证了大气CO2浓度升高“通过影响凋落物质量进而影响分解叶凋落物的微生物群落的结构和功能”的猜测。 不同凋落物之间酶活性差异显著，真菌和细菌群落结构也显著不同。序列与Hyphodiscus hymeniophilus亲缘关系密切的真菌和亲缘关系与Verrucomicrobia bacterium密切的细菌是长白松凋落分解的最优势种群，序列与Lophium mytilinum亲缘关系密切的真菌是红松凋落分解的最优势种群。 另外，研究还发现，高浓度CO2使参与分解红松凋落物Beta proteobacterium OS-15A亲缘关系相近的细菌种群和与Azospirillum amazonense亲缘关系相近的种群丰富度显著降低；使与Luteibactor rhizovicina亲缘关系相近的种群和与Luteibactor rhizovicina亲缘关系相近的种群显著提高。高浓度CO2使定殖于长白松凋落物上Hyphodiscus hymeniophilus亲缘关系相近的种群和与Bionectria pityrodes亲缘关系相近的种群显著提高，而使与Neofabraea malicorticis亲缘关系相近的种群和与Hyphodiscus hymeniophilus亲缘关系相近的种群显著下降。

CO2浓度升高对三个树种资源分配模式的影响

　　由大气CO2浓度升高导致的气候变化是全球变化的重要研究内容之一。大气 CO2浓度升高会对植物的生理活动产生深刻的影响。本论文以开顶箱（Open top chamber）法控制 CO2浓度，在长期野外实地模拟基础上，研究三个树种资源分配模式的变化，揭示了长白山地区三个主要树种—红松（Pinus koraiensis）、长白松（Pinus sylvestriformis）和蒙古栎（Quercus mongolica）叶含碳结构物质和次生代谢物（CBSSCs）含量的变化动态及植物各器官内碳-防卫物质分配模式对CO2浓度升高的响应，这对预测未来CO2浓度升高条件下树木的适应性提供了科学依据。研究结果如下： 1）红松和长白松针叶总非结构性碳水化合物含量在生长季呈现先升高后降低的变化趋势，生长季末期稍有升高，休眠季含量较稳定。脂肪和结构性物质如半纤维素、纤维素和木质素含量在生长季和休眠季中含量比较稳定。 2）CBSSCs在植物叶中的含量存在显著的种间差异性，CBSSCs含量在生长季变化较大，休眠季变化很小。 3）从三个树种叶CBSSCs浓度的年平均值来看，植物对高浓度CO2没有持续和明显的反应，叶内不会出现较高浓度的酚类物质和其它CBSSCs物质。 4）高浓度CO2对植株氮总量没有影响，但由于生长导致的稀释效应使得红松叶、茎全氮浓度显著降低。 5）长期高浓度CO2处理使得红松生长和光合能力都有提高，碳向酚类物质和结构物质的分配提高。由高浓度CO2诱导的植物的这种碳向防卫物质的分配格局符合生长分化平衡模型（GDBe）的预测结果。

CO2浓度升高对三种树木叶片化学和舞毒蛾幼虫取食及生长的影响

探讨全球气候变化的生物学和生态学效应是当今生态学中的热点，研究大气CO2浓度升高对植物-昆虫相互作用关系的影响具有重要的理论和实践意义。本文使用开顶式气室（Open-top chamber，OTC）在野外条件下研究了CO2浓度升高对三种树木（小青杨、白桦和蒙古栎）叶片化学成分含量的影响，以及树木叶片品质变化对一种广食性森林昆虫（舞毒蛾）幼虫取食、生长发育和取食偏嗜性的影响。得出如下结果：（1）CO2浓度升高对3个受试树种叶片中的营养成分及次生代谢物含量均有显著影响，总体表现为氮含量降低，而碳氮比、非结构性碳水化合物、总酚和缩合丹宁含量增加。叶片中的化学成分含量可随时间发生显著变化，不同树种、甚至同一树种不同冠层高度的叶片对CO2浓度升高的响应强度也是不同的。叶片的干物质含量和比叶重对CO2浓度升高的响应不显著。（2）室内非选择性取食实验、室内选择性取食实验以及上树取食饲养方式下的多龄期取食实验，均发现高浓度CO2处理组内舞毒蛾幼虫的生长发育受到显著抑制。但对四龄舞毒蛾幼虫所进行的短期生物测定并未发现不同CO2浓度处理下幼虫的生长发育速率、对食物的取食率和转化率等昆虫营养指标存在显著差异。（3）叶片品质的降低是导致舞毒蛾幼虫生长发育受抑制的主要原因。但是总体上，CO2浓度升高导致的叶片品质变化并未显著影响幼虫的取食率和取食量。（4）舞毒蛾幼虫对不同叶片种类表现出清晰的取食选择性，这种选择性在其幼龄期就可表现出来。幼虫对小青杨上层叶片有最显著的偏嗜性，对蒙古栎下层叶片有最明显的拒食性。但是CO2浓度升高导致的叶片品质变化对舞毒蛾幼虫的取食选择性和寄主偏嗜行为并未产生显著影响。（5）检测出高浓度CO2处理组内舞毒蛾幼虫虫粪中含有浓度更高的植物次生代谢物质（总酚和缩合单宁），这很可能是昆虫整体生长发育受抑制的重要原因之一。