本研究由Thorben Amann（汉堡大学地球系统科学与可持续发展中心）、Jens Hartmann（汉堡大学地质研究所）、Roland Hellmann（法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学）、Elisabete Trindade Pedrosa（阿尔弗雷德·韦格纳研究所）和Aman Malik（波茨坦气候影响研究所）共同完成。研究论文于2022年7月22日发表在开放获取期刊《Frontiers in Climate》的”负排放技术”专栏，DOI号为10.3389/fclim.2022.929268。
化学风化是地球重要的碳汇过程，通过硅酸盐岩石与大气CO₂的反应实现长期碳封存。增强风化（Enhanced Weathering，EW）作为一种负排放技术（Negative Emission Technologies，NETs），通过将岩石粉末施用于农田来加速这一自然过程。然而，目前对颗粒尺寸分布和土壤CO₂分压（pCO₂）如何影响CO₂吸收速率仍存在许多不确定性。
本研究旨在阐明两个关键参数对EW效率的影响：一是不同材料（纯橄榄岩、碧玄岩、农业氧化土、两者的混合物和黄土）在环境CO₂和100%CO₂条件下的风化差异；二是单一材料（纯橄榄岩）三种不同颗粒尺寸分布的风化表现。研究选择模拟热带潮湿条件（年降水量约8000mm），因为这些地区是已知的风化热点区域。
研究使用了五种材料： - 纯橄榄岩（Dunite）：含93%镁橄榄石（Mg₂SiO₄），来自挪威Åheim矿床 - 碧玄岩（Basanite）：商业产品”Eifelgold”，来自德国艾费尔火山地区 - 氧化土（Oxisol）：来自巴西米纳斯吉拉斯州的咖啡农场 - 碧玄岩-氧化土混合物（1:1比例） - 黄土（Loess）：来自德国Remagen的上更新世沉积物
所有材料通过X射线荧光光谱（XRF）分析化学成分（表1），采用Kr吸附法（Brunauer-Emmett-Teller，BET）测定比表面积（表2），并用激光粒度仪确定颗粒尺寸分布特征（图1）。
研究分为两个系列实验：
CO₂实验系列： - 使用丙烯酸圆柱（内径56mm，高度250mm）填充20cm材料 - 设置两种CO₂条件：环境空气（0.046%）和饱和CO₂（100%） - 模拟热带降雨条件：每周5天，每天添加75ml去离子水 - 实验持续约300天，收集流出液测定总碱度（Total Alkalinity，TA）、pH、主要离子和溶解硅含量
颗粒尺寸实验系列： - 使用纯橄榄岩材料，设置三种颗粒尺寸分布：细颗粒、粗颗粒和1:1混合 - 固定环境CO₂条件 - 同样模拟热带降雨条件，监测流出液化学组成变化
研究采用多种分析技术： - 总碱度通过自动滴定至pH4.3测定 - 溶解硅采用钼蓝比色法测定 - 主要阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）通过离子色谱分析 - 使用PHREEQC软件计算矿物饱和指数 - 风化速率计算基于柱体表面积标准化方法
特别开发了计算模型来估算： 1. 阳离子损失百分比（公式2） 2. 总碱度释放速率（公式5） 3. 基于土地面积的CO₂消耗率（公式12-14）
在环境CO₂条件下，不同材料的CO₂消耗率差异显著： - 氧化土柱最低：100 t CO₂ km⁻² year⁻¹ - 纯橄榄岩和碧玄岩相似：约220 t CO₂ km⁻² year⁻¹ - 碧玄岩-氧化土混合物最高：约430 t CO₂ km⁻² year⁻¹
在饱和CO₂条件下，所有材料的风化通量显著提高： - 碧玄岩、氧化土和混合物提高约4倍 - 纯橄榄岩提高超过11倍（图6）
与传统假设相反，研究发现： - 细颗粒柱的总碱度通量虽高，但经表面积标准化后，其CO₂吸收仅比粗颗粒高7% - 混合颗粒尺寸表现接近细颗粒而非粗颗粒 - 粗颗粒柱因更好的水力传导性和孔隙连通性，表现出更高的表面标准化风化速率
各材料的阳离子释放模式与其矿物组成相关： - 纯橄榄岩以Mg释放为主（来自橄榄石） - 碧玄岩释放大量Na和K（来自霞石） - 氧化土表现出异常的K释放（可能来自肥料残留） - 黄土以二价阳离子（Ca、Mg）释放为主
在300天实验期内，材料溶解比例： - 环境CO₂条件下约需一个世纪才能完全溶解 - 饱和CO₂条件下溶解速率显著加快
热力学计算表明： - 在环境条件下，流出液对碳酸盐矿物（如方解石）大多不饱和 - 饱和CO₂条件下，碧玄岩和混合物柱的流出液常接近方解石饱和 - 所有溶液对无定形SiO₂接近饱和（图7）
首次系统量化了CO₂浓度梯度对增强风化的影响，为地球系统模型参数化提供了关键数据。研究发现CO₂增强因子（α）在basaltic材料中约为4.5，对应反馈指数n=0.2，这一数值与早期火星等CO₂浓度较高行星的风化模型相符。
挑战了”颗粒越小风化越快”的传统认知，证明水力条件（决定孔隙水停留时间）可能比小颗粒尺寸更重要。这对降低EW能耗成本具有指导意义。
建立了饱和CO₂条件下风化的上限参考值，为评估实际土壤中（CO₂浓度可达70,000 ppm）的EW潜力提供了基准。
材料选择策略：建议考虑矿物特异性（如含霞石的碧玄岩风化更快）和当地土壤特性，而非简单选择”玄武岩”。
施用方案优化：初期风化速率极高，建议采用”少量多次”的施用策略而非单次大量施用。
颗粒尺寸设计：适当增大目标颗粒尺寸可降低粉碎能耗，同时维持较好风化效果。
协同效益评估：某些材料（如碧玄岩）释放的K等营养元素可能促进植物生长，带来额外碳汇。
实验设计创新：首次在控制条件下系统比较了五种常见EW材料在极端CO₂梯度下的表现，实验周期长达300天，数据翔实。
反直觉发现：颠覆性地证明在真实土壤条件下，中等颗粒尺寸可能优于超细粉末，这一发现对降低EW技术能耗门槛至关重要。
跨尺度关联：将实验室柱实验数据与流域尺度的天然风化率相比较，验证了实验条件的合理性，为模型降尺度提供了依据。
多方法验证：结合流体化学分析、矿物饱和计算和表面反应动力学理论，全面解析了限制EW效率的关键因素。
实用指标开发：建立了基于总碱度测量的CO₂封存潜力评估框架，并发现电导率可作为TA生产的替代指标（在作者后续研究中发表）。
生物过程耦合：本研究主要关注非生物风化，未来需整合植物根系和微生物对风化的促进作用。
真实土壤条件：需要研究更接近田间条件的CO₂梯度（如70,000 ppm）下的风化行为。
长期稳定性：评估次生矿物形成对碳封存持久性的影响。
流域尺度影响：大规模EW实施可能改变河流地球化学基线，需预先评估。
这项研究为增强风化作为碳移除技术的实际应用提供了关键科学依据，特别是在材料选择、施用方法和效率评估方面做出了实质性贡献。研究结果对实现《巴黎协定》1.5℃目标所需的碳移除量（每年约1.1 Gt CO₂通过热带农业区EW实现）具有重要指导意义。