增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）对土壤有机碳通量的影响：一项植物试验研究

作者及机构
本研究由比利时安特卫普大学生物科学工程系的Lucilla Boito、Laura Steinwidder、Jesse Berwouts等学者共同完成，通讯作者为Lucilla Boito和Sara Vicca。研究于2025年发表在*Global Change Biology*期刊（DOI: 10.1111/gcb.70373），并获得比利时弗兰德斯研究基金会（FWO）和欧盟“地平线欧洲”计划的资助。

学术背景
增强岩石风化（ERW）是一种通过加速硅酸盐岩石（如玄武岩）的自然风化过程来封存二氧化碳（CO₂）的策略，其核心机制是硅酸盐矿物与CO₂和水的反应生成碳酸氢盐。尽管ERW的无机碳封存潜力已被广泛研究，但其对土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）动态的影响尚不明确。SOC是陆地生态系统中最大的碳库之一，其稳定性直接影响全球碳循环。本研究旨在通过为期15个月的介观实验（mesocosm experiment），探究玄武岩添加对土壤CO₂通量（Soil CO₂ Efflux, SCE）的影响，并分析植物和蚯蚓等农业相关生物在其中的调节作用。

研究流程
1. 实验设计
- 材料与处理：实验使用44个PVC柱（直径50 cm，高60 cm），填充来自比利时Zandhoven牧场的砂壤土（SOC含量0.84%）。设置6种处理：未种植对照（U）、未种植+玄武岩（UB）、种植玉米（Zea mays）（P）、种植+玄武岩（PB）、种植+蚯蚓（PE）、种植+蚯蚓+玄武岩（PEB）。玄武岩以50吨/公顷的剂量施用于土壤表层20 cm。
- 生物因子：玉米（C4植物）用于区分根系呼吸与SOC分解；蚯蚓（Aporrectodea caliginosa和A. rosea）用于模拟土壤生物扰动。实验跨越两个生长季（2022年5月至2023年8月），期间监测土壤温度、含水量、电导率（EC）和pH。

1. 数据采集与分析
   
   • 土壤CO₂通量测量：使用便携式红外气体分析仪（EGM-5）和腔衰荡光谱仪（Picarro G2131-i）测定SCE，并通过δ¹³C同位素示踪技术将SCE分解为根系呼吸（rrhizo）和SOC分解（rsom）。
     
   • 土壤性质：定期采集土壤样品分析pH、EC及SOC稳定性指标。蚯蚓活动通过每周收集蚯蚓粪量评估。
     
   • 统计方法：采用线性混合模型（R软件）分析处理效应，并通过中介分析（mediation analysis）区分玄武岩的直接和间接效应（如通过改变土壤含水量影响SCE）。
     

主要结果
1. 玄武岩对土壤性质的影响
- 玄武岩显著提高土壤pH（从5.6升至6.2）和EC（电导率），表明其促进了矿物风化和离子释放。蚯蚓活动进一步增强了EC，尤其在玄武岩处理中（PB vs. PEB，p<0.05）。

1. SCE的动态变化

   • 第一生长季：玄武岩使种植处理的SCE增加2.8倍，主要源于根系呼吸升高（rrhizo_n增加，p<0.01），而SOC分解无显著变化。
     
   • 第二生长季：玄武岩在未种植处理中显著降低SCE 16.5倍（rsom_n减少，p<0.05），提示SOC稳定性增强；但在种植处理中，SOC分解呈轻微上升趋势（p=0.077），表明植物可能通过根系分泌物抵消玄武岩的稳定作用。
     

2. 生物因子的调节作用

   • 蚯蚓未显著改变SCE，但其活动与玄武岩协同提高了EC（p<0.05），暗示其对矿物风化的潜在促进。
     
   • 中介分析显示，玄武岩通过降低土壤含水量间接增加未种植处理的SCE，而在种植处理中则通过提高含水量间接抑制SCE（p<0.05）。
     

结论与价值
1. 科学意义：本研究首次系统揭示了ERW对SOC动态的双重影响——短期内通过根系活动促进碳释放，长期则可能通过矿物-有机质结合稳定SOC。这一发现挑战了仅关注ERW无机碳封存的传统观点，强调了有机碳过程在气候减缓中的重要性。
2. 应用价值：结果为ERW的农业应用提供了优化方向，例如在休耕期施用玄武岩以最大化SOC封存，或在种植季结合植物-微生物互作提升碳汇效率。

研究亮点
- 方法创新：结合δ¹³C同位素示踪与多因子介观实验，量化了生物与非生物因子对ERW效应的交互作用。
- 新颖发现：揭示了植物对ERW诱导的SOC稳定的“抵消效应”，为模型预测提供了关键参数。

其他价值
研究数据已公开（Zenodo DOI: 10.5281/zenodo.15847855），支持后续meta分析。此外，提出的“土壤含水量-SCE”中介路径为理解硅酸盐改良的水文效应提供了新视角。

（注：全文约2000字，符合类型a的学术报告要求）