类型a：学术研究报告

主要作者及机构
本研究的核心作者团队由Lyla L. Taylor（英国谢菲尔德大学动物与植物科学系Leverhulme气候变化减缓中心）、Charles T. Driscoll（美国雪城大学土木与环境工程系）、Peter M. Groffman（纽约市立大学高级科学研究中心及Cary生态系统研究所）、Greg H. Rau（加州大学圣克鲁兹分校海洋科学研究所）、Joel D. Blum（密歇根大学地球与环境科学系）和David J. Beerling（谢菲尔德大学）组成。研究论文《Increased carbon capture by a silicate-treated forested watershed affected by acid deposition》于2021年1月12日发表在期刊《Biogeosciences》（第18卷，169-188页），并采用知识共享许可协议（Creative Commons Attribution 4.0 License）开放获取。

学术背景
本研究属于生物地球化学与气候变化交叉领域，聚焦于增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）技术作为二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）策略的潜力。全球变暖背景下，IPCC特别报告指出，要实现1.5°C温控目标，必须大规模部署CDR技术（Rogelj et al., 2018）。ERW通过向土壤中添加钙/镁硅酸盐矿物（如硅灰石wollastonite）加速自然风化过程，以固定大气CO₂。然而，ERW的实际效能及生态影响尚不明确。本研究以美国新罕布什尔州Hubbard Brook实验森林（HBEF）的酸化流域为对象，通过15年长期观测，评估硅灰石处理对碳捕获的综合影响，包括无机碳（通过风化反应）和有机碳（通过森林生产力提升）的协同作用。

研究流程与方法
1. 实验设计与处理
- 研究地点：HBEF的W1流域（11.8公顷）于1999年10月接受硅灰石处理（3.44吨/公顷），W6流域（13.2公顷）作为对照。硅灰石（CaSiO₃）以颗粒形式直升机播撒，其溶解后不释放CO₂（区别于碳酸盐矿物），适合CDR目标。
- 监测指标：长期监测（1992-2014年）包括流域水文、溪水化学（Ca²⁺、HCO₃⁻、SO₄²⁻、NO₃⁻等）、土壤pH、植被生长及温室气体通量（CO₂、CH₄、N₂O）。

1. 地球化学模型与CO₂消耗计算

   • 溪水化学建模：使用PHREEQC软件模拟溶解无机碳（DIC）形态，结合降水化学数据，区分降水与风化对溪水离子的贡献。关键反应包括：
     [ \text{CaSiO}_3 + 3\text{H}_2\text{O} + 2\text{CO}_2 \rightarrow \text{Ca}^{2+} + \text{H}_4\text{SiO}_4 + 2\text{HCO}_3^- ]
     
   • CO₂消耗量化：通过两种方法计算：
     
     • 保守估计（基于HCO₃⁻）：扣除降水贡献后，计算硅灰石风化直接驱动的CO₂消耗（公式3）。
       
     • 乐观估计（基于Ca²⁺释放）：假设所有释放的Ca²⁺均转化为HCO₃⁻（公式4）。
       

2. 生态系统响应分析

   • 森林生产力：通过植被调查（1999-2011年）量化木材生物量变化，结合碳含量（46.5%）计算碳汇增量。
     
   • 土壤温室气体通量：2002年起监测土壤呼吸（CO₂）、CH₄吸收和N₂O排放，采用Kruskal-Wallis检验比较处理与对照差异。
     

3. 碳成本核算

   • 物流排放：涵盖硅灰石开采、研磨、运输（公路与直升机）及播撒的CO₂排放，基于能源类型（水电、煤电）和运输距离（1397-1757公里）分情景计算。
     

主要结果
1. 无机碳捕获
- 硅灰石处理显著提升溪水Ca²⁺浓度（从<30增至60 μmol/L），持续15年（图2a）。CO₂消耗峰值出现在处理后2-3年，保守估计累计0.025-0.13吨CO₂/公顷，乐观估计0.294吨CO₂/公顷（表3）。
- 酸沉降（SO₄²⁻、NO₃⁻）和有机酸（OA）抑制HCO₃⁻生成，使CO₂消耗效率降低50%以上（图S5）。

1. 有机碳增益

   • 处理流域木材生产力10年内增加20.7 mol C/m²（9.1吨CO₂/公顷），主要归因于钙限制缓解（Battles et al., 2014）。
     
   • 土壤呼吸在高海拔硬木区显著降低（p<0.001），可能与细根生物量减少有关（图3）；低海拔区CH₄吸收增强（p<0.001）。
     

2. 净CDR评估

   • 扣除物流排放（0.8-2.4吨CO₂/公顷）后，净CDR达8.5-11.5吨CO₂/公顷（图5）。若硅灰石用量增至34.4吨/公顷，理论CDR可提升8%（图6）。
     

结论与价值
本研究首次在流域尺度验证了ERW技术的CDR有效性，揭示了酸化森林中硅酸盐处理的“碳捕获-生产力”协同机制。科学价值在于：
1. 方法学创新：结合Sr同位素示踪与PHREEQC模型，量化了风化驱动的CO₂消耗及其环境干扰因素（酸沉降、氮循环）。
2. 应用潜力：全球酸化森林（如中国、欧洲）若推广ERW，可能贡献0.2-0.7%的2050年CDR需求（50-150 Gt CO₂）。
3. 政策启示：需开发可持续硅酸盐来源（如矿山废料），并优化处理剂量与频次以平衡生态响应。

研究亮点
1. 长期实证：15年监测数据为ERW的持久性提供了关键证据。
2. 多维度评估：涵盖无机/有机碳库、物流成本及下游N₂O排放，形成完整CDR核算框架。
3. 跨学科整合：融合地球化学、生态学与工程学，为CDR技术的大规模部署奠定基础。

其他价值
研究指出，硅酸盐矿物选择需匹配植被需求（如钙敏感树种Acer saccharum），并警示DOC（溶解有机碳）输出增加可能抵消部分碳汇效益。这些发现为后续区域化ERW实验提供了设计依据。