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作者与机构
本研究由Ilsa B. Kantola、Elena Blanc-Betes、Michael D. Masters等多名作者共同完成，他们分别来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的可持续发展、能源与环境研究所（Institute for Sustainability, Energy, and Environment）以及英国谢菲尔德大学的动物与植物科学系（Department of Animal and Plant Sciences）等机构。该研究于2023年发表在期刊《Global Change Biology》上，文章标题为“Improved net carbon budgets in the US Midwest through direct measured impacts of enhanced weathering”。
学术背景
本研究属于气候变化与农业生态学的交叉领域，主要探讨了增强风化（Enhanced Weathering, EW）技术在农业生态系统中的应用及其对碳预算的影响。增强风化是一种通过向土壤中添加富含镁（Mg）或钙（Ca）的岩石粉末，加速自然风化过程，从而捕获大气中的二氧化碳（CO₂）的负排放技术。随着全球气候变化的加剧，减少大气中的CO₂浓度成为当务之急，而增强风化被认为是一种潜在的碳捕获与存储策略。然而，该技术在实际农田中的效果尚未得到充分验证。因此，本研究旨在通过在美国中西部的玉米/大豆轮作和芒草（Miscanthus）种植系统中应用玄武岩粉末，量化增强风化对碳预算的直接影响。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 实验设计
研究在伊利诺伊大学能源农场进行，采用随机区组设计，设置了玉米/大豆轮作和芒草两种种植系统，每种系统分别设置了对照组和玄武岩处理组。玄武岩以每年50吨/公顷的速率施加，持续4年。
2. 生态系统碳通量测量
使用涡度协方差（Eddy Covariance, EC）技术测量了CO₂通量，包括净生态系统交换（Net Ecosystem Exchange, NEE）、生态系统呼吸（Ecosystem Respiration, Re）和总初级生产力（Gross Primary Productivity, GPP）。
3. 土壤碳通量测量
通过安装浅层和深层土壤呼吸环，测量了土壤呼吸（Soil Respiration, Rs），并将其分为异养呼吸（Heterotrophic Respiration, Rh）和自养呼吸（Autotrophic Respiration, Ra）。
4. 植物生物量测量
在作物生长高峰期采集了地上和地下生物量，并通过元素分析仪测定了碳和氮含量。
5. 增强风化碳捕获量估算
通过测量土壤中稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）的积累和基性阳离子（Mg和Ca）的流失，估算了增强风化的碳捕获量。
6. 数据分析
使用EddyPro和PyFluxPro软件对涡度协方差数据进行了处理和质量控制，并通过回归分析和统计模型对数据进行了分析。
主要结果
1. 碳通量与生物量
涡度协方差测量显示，玉米/大豆系统的净生态系统碳平衡（Net Ecosystem Carbon Balance, NECB）为负值（-199至-453 g C m⁻² year⁻¹），表明该系统正在向大气释放碳。而芒草系统的NECB为正值（63至129 g C m⁻² year⁻¹），表明该系统在积累碳。
2. 增强风化的碳捕获效果
在玉米/大豆系统中，增强风化每年捕获102 g C m⁻²，抵消了23%-42%的碳损失。在芒草系统中，增强风化每年捕获234 g C m⁻²，显著增加了无机碳的存储。
3. 土壤呼吸与微生物活动
玄武岩处理显著提高了玉米和大豆的土壤呼吸，但对芒草的影响较小。这可能与土壤pH值的提高和微生物活动的增强有关。
4. 作物产量
玄武岩处理显著提高了玉米和大豆的产量，分别增加了12%和16%。芒草的地上生物量也显著增加，但收获量未受影响。
结论
研究表明，增强风化技术在美国中西部的农田中具有显著的碳捕获潜力，特别是在芒草种植系统中效果尤为突出。该技术不仅能够减少大气中的CO₂浓度，还能提高作物产量和土壤肥力。研究还提出，增强风化与多年生生物能源作物（如芒草）的结合，可以显著提高碳捕获效率，为实现碳中和目标提供了新的途径。
研究亮点
1. 直接测量增强风化的碳捕获效果
本研究首次通过实地测量量化了增强风化在农田中的碳捕获效果，为相关研究提供了可靠的数据支持。
2. 多系统对比
研究同时对比了玉米/大豆轮作和芒草种植系统，揭示了不同作物对增强风化的响应差异。
3. 创新性分析方法
通过稀土元素示踪技术和基性阳离子流失测量，提出了一种新的增强风化碳捕获量估算方法。
其他价值
本研究不仅为增强风化技术的应用提供了科学依据，还为农业生态系统的碳管理提供了新的思路。此外，研究结果还表明，增强风化技术具有提高作物产量和改善土壤健康的潜力，为农业可持续发展提供了新的解决方案。
这篇报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义，旨在为相关领域的研究者提供全面的参考。