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1. 研究团队与发表信息
本研究由Tongtong Xu（西北工业大学秦岭生态智能监测与保护陕西省重点实验室）、Zuoqiang Yuan（同单位）领衔，联合比利时安特卫普大学、法国气候与环境科学实验室、中国科学院沈阳应用生态研究所等9个机构的14位学者共同完成，2024年7月30日发表于《Global Change Biology》（期刊号：30:e17464）。研究获中国国家自然科学基金（32171581等）、陕西省重点研发计划（2024SF-YBXM-558）等多项资助。
2. 学术背景与研究目标
科学领域与问题
研究聚焦于增强硅酸盐风化（Enhanced Silicate Weathering, ERW）技术——一种通过加速硅酸盐岩石（如硅灰石）的自然风化过程实现二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）的负排放技术（Negative Emission Technology, NET）。尽管ERW的无机碳封存路径（如形成碳酸氢盐）已被广泛研究，但硅酸盐风化对土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）（陆地生态系统最大碳库）的影响缺乏野外实验证据。
科学假设
研究提出三条机制假设（图1）：
1. 植物驱动路径：ERW促进植物生长，增加凋落物输入，从而提升颗粒有机质（Particulate Organic Matter, POM）积累。
2. 微生物-矿物交互路径：矿物养分释放刺激根系生长和微生物衍生碳输入，通过与矿物元素（如Ca、Fe）结合形成矿物结合有机质（Mineral-Associated Organic Matter, MAOM）。
3. 团聚体形成路径：矿物元素和黏粒增加促进大团聚体（>250μm）形成，物理保护SOC。
3. 研究方法与流程
实验设计
- 地点：中国云南西双版纳热带橡胶种植园（酸性Oxisol土壤，pH≈4.9）。
- 处理：设置3个硅灰石（Wollastonite）添加水平（0、0.25、0.5 kg/m²），每个处理3个重复（共9个20m×20m样地），拉丁方排列。
- 时间：2021年5月施入，2023年4月采样（为期2年）。
关键分析方法
土壤碳组分分离：
- SOC：盐酸熏蒸去除无机碳后通过TOC分析仪测定。
- MAOM与POM：湿筛法（<53μm和>53μm）结合密度分馏。
- 团聚体分级：湿筛法分为大团聚体（>250μm）、微团聚体（53–250μm）和黏粉粒（<53μm）。
生物与非生物指标：
- 矿物元素：ICP-AES测定交换性Ca、Si、Fe等。
- 微生物衍生碳：氨基糖标记法量化细菌/真菌残体碳。
- 根系性状：扫描仪分析比根长（Specific Root Length, SRL）、直径（Root Diameter, RD）。
- 无机碳：双指示剂滴定法测HCO₃⁻浓度。
风化速率计算：基于阳离子电荷平衡法估算硅灰石溶解速率，关联有机/无机CDR潜力。
4. 主要研究结果
(1) ERW显著提升SOC稳定性
- 高剂量处理（0.5 kg/m²）使表层土壤（0–10cm）SOC和MAOM分别增加22%和16%，但POM无显著变化（图4a–c）。
- 团聚体保护：大团聚体碳浓度增加14%（图4d），证实物理保护机制。
(2) 矿物-微生物协同主导碳固存
- 直接效应：硅灰石释放的Ca、Si、Fe直接促进MAOM形成（路径分析显示矿物元素贡献变异度22.3%，图6a）。
- 间接效应：
- 根系：高剂量处理下细根生物量增加，但凋落物输入未变化，表明碳输入主要源于地下部分（图3d–f）。
- 微生物：微生物生物量碳（MBC）和残体碳显著增加，真菌占比上升（图3g–i），通过“微生物碳泵”稳定SOC。
(3) 无机碳封存贡献有限
- HCO₃⁻浓度虽增加42%（高剂量），但绝对值仅升高0.04 g/kg，有机CDR（5 t/ha）是无机CDR（0.65 t/ha）的8倍（图5e–f）。
5. 研究结论与价值
科学意义
- 机制突破：首次通过野外实验验证ERW可通过“矿物碳泵”和“微生物碳泵”双路径增强SOC固存，而传统模型仅考虑无机路径。
- 技术优化：钙质硅灰石（CaSiO₃）在酸性土壤中更具应用潜力，因其高反应性且重金属风险低（表1）。
应用前景
- 气候政策：ERW的有机CDR潜力需纳入全球碳核算体系，可能低估其总减排贡献。
- 农业实践：联合硅酸盐改良与农林管理（如橡胶园）可实现“固碳-增产”协同。
6. 研究亮点
- 方法创新：结合同位素标记（氨基糖）与矿物组分分析，量化微生物衍碳对MAOM的贡献。
- 长期动态：揭示风化速率（log Wₐₜₕ）与SOC组分的线性关系（图5a–d），为模型参数化提供依据。
- 争议解答：证实酸性土壤中碳酸盐形成受限，ERW的碳汇效益主要依赖有机路径。
7. 补充讨论
- 争议点：短期（2年）实验可能未充分捕获凋落物输入的长期效应，需延长观测。
- 深土碳库：仅分析0–10cm土层，未来需探究深层SOC响应（如淋溶或 priming effect 的影响）。
（全文约2000字）