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本研究由F.L. Buckingham、G.M. Henderson、P. Holdship和P. Renforth共同完成。主要研究机构包括牛津大学地球科学系和赫瑞瓦特大学工程与物理科学学院。该研究于2022年10月17日发表在《Applied Geochemistry》期刊上，文章编号为105482。
本研究聚焦于“增强风化”（Enhanced Weathering, EW）技术，这是一种通过将粉碎的硅酸盐矿物应用于农业土壤以加速自然风化过程，从而增加二氧化碳（CO₂）吸收的碳去除技术。随着全球气候变化的加剧，国际社会设定了将全球平均气温上升限制在2°C以内的目标，这需要在世纪末从大气中移除数百亿吨的CO₂。增强风化技术被认为是实现这一目标的重要途径之一。
然而，现有的实验室研究往往无法模拟土壤环境的复杂地球化学过程，而野外研究则受限于数据采集的局限性。因此，本研究旨在通过一种实验装置，在受控环境中完全模拟野外条件，评估增强风化技术在干旱农田中的CO₂去除潜力。研究的主要目标是量化玄武岩在土壤中的溶解速率及其对CO₂吸收的贡献，并探讨其在英国农田中的应用潜力。
实验设计
研究使用从英国农田中提取的土壤核心样本，并在其中添加粉碎的玄武岩。土壤核心样本在自然天气条件下暴露14个月，期间定期采集土壤溶液，以分析溶解产物在土壤深度中的分布情况。玄武岩的添加量为100吨/公顷，研究在添加后的8个月评估了玄武岩的溶解速率和化学变化。
样本处理与实验设置
2018年8月，研究人员从牛津郡的农田中提取了36个长度为1.0米、直径为0.1米的土壤核心样本。这些样本被装入透明塑料管中，并放置在牛津大学地球科学系的屋顶上，暴露于自然天气条件下。在2018年11月至2020年1月期间，研究人员对6个核心样本进行了实验。在每个核心样本中，每隔10-20厘米插入Rhizon CCS采样器，用于采集土壤溶液。
玄武岩添加与采样
2019年2月，研究人员将粉碎的玄武岩（粒径为125-250微米）以100吨/公顷的速率混合到3个土壤核心样本的表层13厘米中，另外3个核心样本作为对照组，仅进行相同的混合操作但不添加玄武岩。2019年10月至2020年1月期间，研究人员开始采集土壤溶液，共进行了5次采样。每次采样前，研究人员向核心样本中添加330毫升雨水，并加入荧光染料以追踪水分渗透情况。
土壤溶液分析
采集的土壤溶液通过电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行主要和微量元素的浓度测定。研究人员使用PerkinElmer NexION 350D ICP-MS仪器，校准后对样本进行分析，并通过内标法校正仪器漂移。
离子释放
研究结果显示，添加玄武岩后，土壤溶液中的钙（Ca）、钾（K）、钠（Na）和镁（Mg）浓度显著升高，尤其是在玄武岩添加的表层区域。然而，铁（Fe）、铝（Al）、锰（Mn）和硅（Si）的浓度在玄武岩处理的核心样本中显著降低，表明这些元素可能通过吸附或次生矿物形成从溶液中移除。
碱度通量与CO₂吸收
研究计算了玄武岩溶解过程中释放的碱度通量，并以此评估了CO₂吸收潜力。结果表明，玄武岩在英国石灰质、未灌溉的土壤中释放碱度的速率为310 ± 30当量/公顷/年，CO₂吸收潜力为10.2 ± 0.8公斤CO₂/公顷/年。这一结果显著低于之前的模型预测，可能是由于土壤系统的复杂性和水分限制。
玄武岩溶解速率
研究还评估了玄武岩的溶解速率，发现其溶解速率比橄榄石等快速风化矿物慢得多。通过缩小核心模型（Shrinking Core Model, SCM）计算，125-250微米的玄武岩颗粒完全溶解需要约106年，表明玄武岩在土壤中的积累可能会对土壤组成产生不可逆的影响。
本研究表明，在英国干旱农田中，增强风化技术的CO₂去除潜力有限。尽管玄武岩的溶解能够释放碱度并吸收CO₂，但其速率显著低于之前的模型预测。研究还指出，玄武岩在土壤中的积累可能会对土壤结构、养分交换能力和微生物活动产生长期影响。因此，在推广增强风化技术时，需要谨慎考虑其应用频率和规模。
研究还探讨了玄武岩溶解过程中重金属的释放情况，发现其浓度远低于饮用水和淡水的安全阈值，表明玄武岩的应用不会对土壤和水环境造成显著污染风险。然而，研究人员建议在大规模应用增强风化技术时，仍需建立全面的监测体系，以确保土壤质量不受影响。