研究报告：玄武岩、混凝土细料和钢渣对玉米生长及有毒微量元素积累的影响
作者及发表信息
本研究由比利时安特卫普大学（University of Antwerp）生物科学工程系的Jet Rijnders、Arthur Vienne和Sara Vicca合作完成，发表于期刊*Biogeosciences*（2025年6月19日第22卷，页码2803–2829），文章标题为《Effects of basalt, concrete fines, and steel slag on maize growth and toxic trace element accumulation in an enhanced weathering experiment》。
学术背景
本研究属于增强硅酸盐风化（Enhanced Silicate Weathering, EW）领域，旨在探索农业土壤中应用硅酸盐材料对二氧化碳（CO₂）去除、土壤肥力及作物生长的潜在影响。EW技术通过将研磨后的硅酸盐矿物施用于农田，加速自然风化过程，从而固定大气中的CO₂。然而，硅酸盐材料可能含有有毒微量元素（如铬Cr、镍Ni、铅Pb等），其释放可能对植物及环境构成风险。
本研究的目标包括：
1. 评估玄武岩（basalt）、混凝土细料（concrete fines）和钢渣（steel slag）对玉米（Zea mays）生物量及营养元素吸收的影响；
2. 量化硅酸盐施用对土壤孔隙水及植物组织中有毒微量元素积累的影响；
3. 比较不同硅酸盐材料在温带气候条件下的适用性。
研究流程
1. 实验设计
研究采用中宇宙（mesocosm）实验，共设置30个实验单元（直径0.25 m，高0.6 m），填充砂质壤土（sandy loam）。实验分为三组硅酸盐处理：
- 玄武岩：7种施用量（10–200 t ha⁻¹），其中50 t ha⁻¹设5个重复；
- 混凝土细料：7种施用量（7–31 t ha⁻¹）；
- 钢渣：7种施用量（1–10 t ha⁻¹）。
对照组（无硅酸盐添加）设5个重复。硅酸盐材料混合于土壤表层（0–20 cm），并于2021年5月10日完成施用。
2. 植物培养与监测
- 种植：2021年6月3日，每个中宇宙种植两株甜玉米（品种Tom Thumb），并施加氮磷钾（NPK）肥料（96–10–79 kg ha⁻¹）。
- 生长监测：记录植株高度、叶面积指数（LAI），并于2021年8月26日收获。
- 生物量分析：将植株分为茎、叶、雄穗（tassel）、玉米粒和根系，烘干后测定干重。
3. 土壤与孔隙水分析
- 土壤化学性质：每周采集孔隙水样本，测定pH、溶解无机碳（DIC）及Ca、Mg、Si等元素浓度。
- 有毒微量元素：在生长季末期（8月18日）分析孔隙水中的Cd、Cr、Ni、Pb、V含量。
- 植物可利用性：使用植物根系模拟探针（PRS probes）测定土壤中营养元素的动态释放。
4. 数据分析
- 统计方法：采用R语言进行线性回归、混合效应模型及主成分分析（PCA），评估硅酸盐施用量与植物/土壤参数的关系。
- 数据公开性：原始数据发布于Zenodo（DOI: 10.5281/zenodo.15674598）。
主要结果
1. 土壤化学变化
- pH与DIC：钢渣和混凝土细料显著提高土壤pH（最高达7.5），而玄武岩的pH增幅较小（图2）。孔隙水DIC浓度随钢渣施用量增加最显著，表明其风化速率高于玄武岩。
- 营养元素释放：
- Ca与Mg：钢渣和混凝土细料显著增加孔隙水Ca浓度，而玄武岩初期降低Ca但后期回升（图3）。Mg浓度随所有硅酸盐施用量增加，但生长季末期效应减弱。
- Si：玄武岩和钢渣的Si释放前期较高，混凝土细料的释放较稳定（图3）。
2. 植物生长响应
- 生物量：玄武岩显著增加玉米总生物量（茎、叶、根系），而钢渣和混凝土细料仅增加雄穗生物量（图7）。
- 营养元素吸收：
- Mg与Si：所有处理均提高植物Mg浓度，玄武岩还增加玉米粒Si浓度（图9, 12）。
- Ca：玄武岩降低茎中Ca浓度，可能与Mg竞争吸收有关（图9）。
3. 有毒微量元素积累
- 植物组织：大多数有毒微量元素（Cd、Cr、V）在植物地上部分的浓度随硅酸盐施用量增加而降低，推测因土壤pH升高导致其在根系积累（图14–16）。
- 风险评估：仅钢渣处理的叶片Pb浓度增加（最高0.03 mg kg⁻¹湿重），但仍低于WHO/FAO标准（0.05 mg kg⁻¹）。
结论与意义
科学价值：
- 证实玄武岩在温带气候下可提升玉米生物量，而工业副产品（钢渣、混凝土细料）效果有限。
- 首次系统评估硅酸盐材料对有毒微量元素迁移的影响，证明短期施用风险较低。
应用价值：
- 玄武岩作为EW材料兼具CO₂去除与农业增产潜力，但需长期监测有毒元素释放。
- 工业副产品因高pH可能限制作物生长，需优化施用量。
研究亮点
- 创新方法：结合中宇宙实验与剂量响应设计，量化不同硅酸盐材料的风化动力学。
- 跨学科视角：链接地质工程（硅酸盐风化）、农业科学（作物响应）与环境化学（微量元素迁移）。
- 数据支持：通过孔隙水化学、PRS探针及植物组织分析，提供多维度证据链。
补充说明
研究局限性包括未重复高剂量处理（如200 t ha⁻¹玄武岩），且未分析根系有毒元素积累。未来研究需延长实验周期，评估长期风化效应。