学术研究报告：英国旱作农田中玄武岩增强风化作用对CO₂去除的局限性研究
作者及发表信息
本研究由F.L. Buckingham（牛津大学地球科学系）、G.M. Henderson（牛津大学）、P. Holdship（牛津大学）和P. Renforth（赫瑞瓦特大学工程学院）合作完成，发表于2022年10月的期刊 *Applied Geochemistry*（卷147，文章编号105482）。论文采用开放获取形式，遵循CC BY许可协议。
研究领域与科学问题
本研究属于地球化学与气候工程交叉领域，聚焦于增强风化（Enhanced Weathering, EW）技术——通过向农田施加粉碎的硅酸盐矿物（如玄武岩）以加速自然风化过程，从而促进大气CO₂的固定。EW被广泛认为是实现《巴黎协定》2℃温控目标的关键负排放技术之一，但其实际效果受限于复杂土壤环境和水文条件的影响。
研究动机
尽管实验室和模型研究预测EW具有显著的CO₂去除潜力（全球每年0.5–4 Gt CO₂），但现有数据存在矛盾：实验室条件高估了矿物溶解速率，而田间试验则难以控制变量。本研究通过土壤柱实验，模拟真实农田环境，量化玄武岩在干旱条件下的风化速率及其对CO₂的净去除能力，填补了从实验室到田间应用的认知空白。
1. 实验设计与土壤柱采集
- 样本来源：2018年8月从英国牛津郡农田采集36根1米深的土壤柱（直径0.1米），土壤为富含石灰的壤土，此前种植燕麦和大麦。
- 处理组设计：6根土壤柱用于本研究，其中3根在表层13 cm混入玄武岩粉末（粒径125–250 μm，施用量100 t/ha），另3根作为对照。
2. 环境模拟与采样
- 自然暴露：土壤柱置于牛津大学屋顶，暴露于自然气候条件下（2018年11月至2020年1月），模拟真实农田的干湿循环。
- 溶液采集：通过Rhizon孔隙水采样器（0.15 μm孔径）在10–20 cm间隔分层采集土壤溶液，共进行5次采样（2019年10月至2020年1月）。采样前用含荧光染料的雨水灌溉以提升孔隙水饱和度。
3. 分析技术
- 地球化学分析：使用ICP-MS测定土壤溶液中的主量元素（Ca、Mg、K、Na）和痕量金属（Cr、Ni、V）。
- 矿物表征：通过X射线衍射（XRD）和X射线荧光（XRF）分析土壤和玄武岩的矿物组成及元素含量。
- 表面面积计算：采用BET法（氮气吸附）和几何法对比玄武岩比表面积。
4. 数据校正与模型
- 稀释校正：利用荧光染料浓度修正灌溉水对孔隙水的稀释效应。
- 溶解动力学模型：采用收缩核模型（Shrinking Core Model, SCM）预测玄武岩颗粒的完全溶解时间。
1. 离子释放与风化速率
- 碱性离子释放：玄武岩处理组中Ca、Mg、K、Na的溶解浓度显著高于对照组，其中Ca贡献了总碱度通量的62%。
- 风化速率：基于BET比表面积归一化，玄武岩的溶解速率为10⁻¹⁵.⁹³ g/cm²/s，比实验室模拟低3个数量级。
- 痕量金属风险：溶解态Cr、Ni、V浓度未超过饮用水安全阈值，表明短期应用无污染风险。
2. CO₂去除潜力
- 碱度通量：100 t/ha玄武岩施用量下，碱度释放速率为310 ± 30 eq/ha/yr，对应CO₂去除量为10.2 ± 0.8 kg CO₂/ha/yr。
- 水文限制：英国农田平均水文通量（57 mm/yr）导致CO₂去除效率仅为0.2 kg CO₂/ha/mm，显著低于灌溉条件下的模型预测值（2.6 kg CO₂/ha/mm）。
3. 长期土壤影响
- 残留积累：SCM预测125–250 μm玄武岩颗粒需10⁶年完全溶解，连续5年施用可能导致耕作层中10%为未溶解残留物，可能改变土壤结构和微生物群落。
- 次生矿物形成：Al、Fe、Si的溶解浓度降低，表明其可能通过吸附或黏土矿物沉淀从溶液中移除。
科学价值
本研究首次通过土壤柱实验量化了干旱条件下玄武岩增强风化的实际CO₂去除效率，揭示了水文通量是限制EW效果的关键因素。结果修正了此前模型的高估（如Kantzas等2022年预测的6–30 Mt CO₂/yr英国潜力），提出英国农田EW的合理上限为1.3 ± 0.1 Mt CO₂/yr（仅占当前农业排放的3%）。
应用启示
- 农业实践：需权衡EW的碳汇效益与残留物积累对土壤健康的潜在影响，建议单次施用后间隔数年再追加。
- 政策制定：EW在干旱地区的规模化部署需谨慎，需结合灌溉条件优化或选择高降雨区域。
补充价值
论文附录包含详细的实验设置、数据校正公式及矿物学分析结果（见Supplementary Data），可供后续研究直接比对。