类型a：学术研究报告
一、研究作者与发表信息
本研究由William J. Knapp（剑桥大学地球科学系）领衔，联合Emily I. Stevenson、Phil Renforth（赫瑞瓦特大学碳解决方案研究中心）等来自英国多所高校及研究机构的学者共同完成，成果发表于环境科学领域权威期刊《Environmental Science & Technology》2023年第57卷，标题为《Quantifying CO2 Removal at Enhanced Weathering Sites: A Multiproxy Approach》。
二、学术背景与研究目标
科学领域与背景
研究聚焦于“增强风化（Enhanced Weathering, EW）”技术——一种通过加速硅酸盐或碳酸盐矿物与大气CO₂的化学反应实现碳封存的负排放策略。钢铁工业产生的炉渣（slag）因富含碱性矿物（如硅酸钙、氢氧化钙）被视为EW的理想材料，但其实际碳封存效率的监测、报告与验证（MRV）存在挑战，尤其是如何区分封存碳的大气来源与地质来源。
研究动机
英国Consett钢铁厂遗留的炉渣堆积场（Howden Burn）历经40年自然风化，为研究EW的长期碳封存机制提供了天然实验室。此前研究对封存碳的大气贡献比例估算差异大（50%-99%），且缺乏多指标联合验证方法。本研究旨在通过放射性碳（radiocarbon）、Sr同位素（87Sr/86Sr）、稳定同位素（δ13C）及主量元素等多指标联用，建立EW场地的碳封存量化新框架。
三、研究流程与方法
1. 研究地点与样品采集
- 研究对象：Howden Burn流域的河水、自生碳酸钙（authigenic CaCO₃）、土壤及地下水。
- 采样设计：2020-2022年分三次采集河水（n=11）、泉水（n=3）、钻孔水（n=1）、自生CaCO₃（n=11）及土壤（n=3），覆盖流域上下游及主要支流（图1）。
- 样品处理：水样经0.2 μm过滤后分装为阳离子、阴离子及同位素分析用；自生CaCO₃表层取样以避免成岩作用干扰，60°C烘干后研磨。
2. 实验分析
- 放射性碳（14C）：通过加速器质谱（AMS）测定自生CaCO₃的“现代碳百分比（PMC）”，校正δ13C分馏效应，量化大气CO₂贡献。
- Sr同位素（87Sr/86Sr）与Sr/Ca比值：通过MC-ICP-MS分析，区分炉渣风化（低87Sr/86Sr）与基岩地下水（高87Sr/86Sr）的混合比例。
- 稳定同位素（δ13C与δ18O）：通过气体同位素质谱（GasBench）测定，辅助碳来源解析。
- 主量元素（Ca、Mg、Si等）：ICP-OES测定，结合PHREEQC软件模拟矿物溶解-沉淀平衡。
3. 数据建模
- 碳来源分配模型：整合14C-PMC与87Sr/86Sr数据，计算大气CO₂封存占比（γ）。
- 碳输出效率模型：基于下游碱度损失估算海洋输出比例（f），结合海洋碱度增强（OAE）与直接碳化（DC）的CO₂移除效率（ω），最终计算碳封存速率（κ）。
四、主要研究结果
1. 碳来源解析
- 放射性碳主导证据：自生CaCO₃的PMC均值为82%（2σ=8%），表明80%的封存碳源自现代大气（图4），显著优于δ13C-δ18O联用法的误差（±60%）。
- Sr同位素验证：河水87Sr/86Sr（0.708972±88 ppm）接近炉渣钻孔水（0.708853），证实80-90%溶质来自炉渣风化（图3b），与14C结果一致。
2. 风化反应机制
- 氢氧化钙主导溶解：钻孔水Ca/Si比（42:1）及PHREEQC模拟显示，炉渣溶解以氢氧化钙（Portlandite）为主（占比>97%），硅酸盐矿物（如Gehlenite）贡献%（图5）。
- 快速碳酸盐沉淀：下游碱度与[Ca+Mg]线性下降（r²=0.88），反映自生CaCO₃沉淀速率高达100 g/m²/天（图2）。
3. 碳封存速率量化
- 当前速率：Howden Burn的年碳封存量为2.7-3.5吨碳（图6），最大潜力达5吨碳/年。
- 海洋输出贡献：20%的溶解无机碳（DIC）通过河流输入海洋，其长期封存效率（ω=1.12）高于陆地直接碳化（ω=1）。
五、结论与价值
科学意义
- 方法学创新：首次将14C-PMC作为EW场地MRV的核心指标，解决了传统碱度监测无法区分碳来源的缺陷。
- 反应机制修正：揭示钢铁炉渣自然风化以氢氧化钙溶解为主导，挑战了实验室条件下硅酸盐主导碳化的认知。
应用价值
- 工业碳封存：为钢铁行业利用炉渣实现“被动碳捕集”提供量化依据，支持其纳入自愿碳市场。
- MRV框架推广：提出的多指标联用方法可拓展至农业EW及矿山尾矿碳封存评估。
六、研究亮点
1. 高精度碳溯源：14C-PMC将大气碳贡献比例的不确定性从±50%（δ13C法）降至±8%。
2. 天然-实验室差异：发现实际场地中氢氧化钙反应主导性，修正了实验室高温高压条件下硅酸盐反应为主的假设。
3. 全链条量化模型：从矿物溶解、碳来源分配到海洋输出效率，构建了EW碳封存的完整计算链条。
其他发现
- 土壤有机碳的PMC（40%）显示地质有机碳（OCpetro）氧化的潜在影响，需进一步研究其季节性变化对MRV的干扰。
- 河流DIC运输能力分析表明，Howden Burn下游的Derwent河可额外承载4800吨碳/年的碱度输入，为规模化EW提供容量参考。