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研究作者与机构
本研究的作者包括Emily E. E. M. te Pas、Mathilde Hagens和Rob N. J. Comans，均来自荷兰瓦赫宁根大学与研究所（Wageningen University and Research）的土壤化学与土壤化学质量研究组。研究于2023年1月10日发表在期刊《Frontiers in Climate》上，文章标题为《Assessment of the Enhanced Weathering Potential of Different Silicate Minerals to Improve Soil Quality and Sequester CO2》。
学术背景
研究的主要科学领域是负排放技术（Negative Emission Technologies, NETs），特别是增强风化（Enhanced Weathering, EW）技术。增强风化是一种通过将粉碎的硅酸盐矿物和岩石散布在土地和水体中以加速自然风化过程的技术，旨在通过二氧化碳（CO₂）的固定和土壤质量的改善来缓解气候变化。随着大气中CO₂浓度的持续上升，大规模应用负排放技术成为实现《巴黎协定》目标的关键。然而，不同硅酸盐矿物和岩石在增强风化潜力（即CO₂固定和土壤质量改善的双重潜力）方面的比较研究仍然缺乏。因此，本研究旨在通过实验比较五种不同硅酸盐矿物（橄榄石、玄武岩、硅灰石、钙长石和钠长石）的增强风化潜力，以支持在农田中应用增强风化技术的策略开发。
研究流程
研究设计了一个下流式土壤柱实验，实验流程包括以下几个步骤：
1. 实验土壤与硅酸盐矿物的表征
实验土壤采自荷兰瓦赫宁根的一片沙质草地表层土壤。土壤样品经过干燥、筛分和均质化处理后，用于实验。五种硅酸盐矿物（橄榄石、玄武岩、硅灰石、钙长石和钠长石）分别来自不同的矿区，经过粉碎后用于实验。这些矿物的化学成分通过X射线荧光光谱（XRF）分析，比表面积（SSA）通过氮气吸附法（BET法）测定，粒度分布通过激光衍射法测定。
2. 实验设置
实验采用下流式土壤柱装置，每个土壤柱由聚乙烯容器制成，底部钻孔以收集渗滤液。土壤柱中填充150克土壤和100毫升去离子水，经过五步填充程序以减少优先流路径。实验在20±2°C的恒温条件下进行，持续9周（64天）。实验开始时，在土壤表面施加18.75克（125克/千克土壤）的硅酸盐矿物，每种处理设置两个重复，对照组不施加硅酸盐矿物。
3. 渗滤液与土壤的化学分析
在实验期间，每隔2至7天收集渗滤液样品，测定其中的Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺和Ni²⁺浓度，使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和高分辨率ICP质谱（HR-ICP-MS）进行分析。渗滤液中的总碳（TC）和无机碳（DIC）浓度通过分段流动分析（SFA）测定，有机碳（DOC）浓度通过计算得出。土壤的阳离子交换容量（CEC）和基础阳离子浓度通过0.1M BaCl₂提取法测定，土壤中的Ni含量通过0.43M HNO₃提取法测定。
4. 数据计算与分析
研究采用两种方法计算CO₂固定量：一种基于元素质量平衡（EMB法），另一种基于无机碳测量（IC法）。此外，研究还计算了无机碳和有机碳的预算，以评估增强风化对土壤CO₂净固定或排放的影响。
主要结果
1. 土壤质量参数
所有硅酸盐处理均显著提高了土壤pH值，其中硅灰石和橄榄石处理的pH值最高。土壤基础饱和度和阳离子交换容量（CEC）也显著增加，尤其是橄榄石和硅灰石处理。土壤中的镍（Ni）含量在橄榄石和玄武岩处理中有所增加，但均未超过欧洲农业土壤的阈值。渗滤液中的Ni²⁺浓度在实验初期超过荷兰地下水阈值，但后期除橄榄石处理外均低于阈值。
2. CO₂固定潜力
基于元素质量平衡（EMB法）和无机碳测量（IC法）的计算结果显示，硅灰石和橄榄石处理的CO₂固定量最高。按比表面积（SSA）校正后，硅灰石的CO₂固定潜力最高，钙长石和钠长石也显示出较高的潜力。
3. 有机碳与无机碳预算
计算结果显示，大多数处理在短期内产生了净CO₂排放，主要是由于有机碳的分解。然而，硅灰石处理的一个重复显示出净CO₂固定，表明增强风化在长期内可能具有净CO₂固定潜力。
结论与意义
研究表明，硅灰石在CO₂固定和土壤质量改善方面具有较高的增强风化潜力，而橄榄石的潜力可能受到Ni²⁺渗滤的限制。钙长石和钠长石显示出较高的CO₂固定潜力，但需要进一步研究其增强风化潜力。研究结果支持在农田中应用增强风化技术，以改善土壤质量并缓解气候变化。此外，研究强调了监测Ni²⁺渗滤的重要性，并建议进一步探索其他硅酸盐矿物的增强风化潜力。
研究亮点
1. 重要发现
硅灰石和橄榄石在CO₂固定和土壤质量改善方面表现出较高的潜力，但橄榄石的Ni²⁺渗滤问题可能限制其应用。钙长石和钠长石作为增强风化的新型矿物，显示出较高的CO₂固定潜力。
2. 方法创新
研究设计了下流式土壤柱实验，结合元素质量平衡和无机碳测量两种方法计算CO₂固定量，为增强风化的量化提供了新的方法论支持。
3. 研究对象的特殊性
研究首次在增强风化的背景下比较了钙长石和钠长石的潜力，为未来研究提供了新的方向。
其他有价值的内容
研究还探讨了增强风化对土壤有机碳（SOC）含量的影响，指出短期内pH值的升高可能导致有机碳的分解，但长期内增强风化可能通过提高作物生产力和增加地下碳输入来抵消这一影响。此外，研究强调了增强风化在缓解海洋酸化方面的潜在贡献，特别是通过生成碳酸氢根离子（HCO₃⁻）的途径。