本文由Seung H. Baek、Yoshiki Kanzaki、Juan M. Lora、Noah Planavsky、Christopher T. Reinhard和Shuang Zhang共同撰写，发表于2023年的《Earth’s Future》期刊。该研究主要探讨了增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）在农田中的应用潜力及其对全球气候变化的响应。

研究背景

自工业革命以来，人类活动导致的二氧化碳（CO₂）和其他温室气体排放已使全球气温较工业化前水平上升了约1.2°C，且近年来升温速度加快。全球变暖不仅导致极端天气事件频发，还引发了土壤、植被和水资源的退化，以及海平面上升等问题。为应对气候变化，政府间气候变化专门委员会（IPCC）提出了多种减缓路径，其中包括通过负排放技术（Negative Emissions Technologies, NETs）主动移除大气中的CO₂。增强岩石风化（ERW）作为一种负排放技术，因其能够利用现有基础设施进行大规模推广而备受关注。ERW通过加速自然风化过程，将大气中的CO₂转化为溶解的无机碳，最终以碳酸盐形式长期储存于海洋中。

研究目标

本研究旨在通过结合一维反应传输模型（SCEPTER）和气候模型实验，模拟全球约1000个农田站点上ERW的应用效果，评估其在75年内（2006-2080年）的CO₂封存潜力，并探讨其对区域气候条件的敏感性。

研究方法

1. 农田站点选择：研究使用全球1公里分辨率的土地覆盖数据，筛选出农田覆盖率超过70%的963个网格点，代表全球主要农田区域。
2. 反应传输模型（SCEPTER）：SCEPTER模型模拟了土壤中的风化过程，考虑了土壤混合、矿物颗粒尺寸分布、土壤有机质追踪以及气候条件的变化。模型还引入了新的功能，如土壤CO₂的深度和时间追踪、玄武岩分步施用等。
3. 气候模型实验：研究使用社区地球系统模型（CESM1）提供的气候数据，模拟了不同气候情景下（RCP4.5和RCP8.5）的ERW效果。
4. 玄武岩施用实验：在963个农田站点上，每年施用10吨/公顷的玄武岩粉尘，持续75年，模拟ERW的CO₂封存效果。

主要结果

1. CO₂封存潜力：在963个农田站点上，ERW在75年内可封存64吉吨（Gt）CO₂。若推广至全球所有农田，封存量可达217 Gt CO₂。这一结果支持了ERW在全球范围内作为大规模CO₂移除技术的潜力。
2. 气候敏感性：ERW的效果对全球气候变化的响应较小，但在热带和湿润地区更为高效。例如，印度和非洲的部分地区由于高温和高降水，ERW的CO₂封存速率显著高于其他地区。
3. 玄武岩颗粒尺寸的影响：细颗粒玄武岩（P80=100 μm）的CO₂封存效率显著高于粗颗粒玄武岩（P80=1220 μm），后者在数十年后仍有大量未风化物质残留。

结论与意义

研究表明，ERW在农田中的应用具有巨大的CO₂封存潜力，尤其是在热带和湿润地区。尽管全球气候变化对ERW的整体效果影响有限，但其在高温高湿环境中的高效性为发展中国家提供了重要的农业改革契机。此外，研究还指出，优化玄武岩的颗粒尺寸和施用策略是提高ERW经济性和效率的关键。

研究亮点

1. 全球范围的模拟：研究首次在全球范围内对ERW的CO₂封存潜力进行了系统评估，提供了重要的数据支持。
2. 气候敏感性分析：研究揭示了ERW在不同气候条件下的表现差异，为区域化应用提供了科学依据。
3. 颗粒尺寸的影响：研究首次量化了玄武岩颗粒尺寸对ERW效率的影响，为未来的技术优化提供了方向。

应用价值

ERW不仅能够有效封存CO₂，还具有改善土壤质量、提高作物产量和减缓海洋酸化的生态效益。研究结果为全球范围内的碳减排策略提供了新的思路，尤其是在发展中国家，ERW的应用有望成为农业改革和气候适应的重要工具。

本研究通过先进的模型模拟和气候实验，全面评估了ERW在农田中的应用潜力，为未来的碳减排和农业可持续发展提供了重要的科学依据。