增强岩石风化促进土壤有机碳积累：基于实验证据的全球荟萃分析（Enhanced Rock Weathering Promotes Soil Organic Carbon Accumulation: A Global Meta-Analysis Based on Experimental Evidence）

作者及机构
本研究的共同第一作者为西北工业大学生态与环境学院的Tongtong Xu和Huiwen Li，通讯作者为Xing Wang和Zuoqiang Yuan。合作单位包括比利时安特卫普大学、法国气候与环境科学实验室（LSCE）、英国谢菲尔德大学等。研究发表于2025年的Global Change Biology期刊（卷31，文章编号e70483），DOI为10.1111/gcb.70483。

学术背景
增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）是一种通过向土壤中添加粉碎的富钙镁硅酸盐岩石以促进二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）的策略。尽管ERW被认为能调节土壤碳汇，但其对土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）的影响缺乏系统性评估。本研究通过整合74篇全球实验文献，填补了这一知识空白，旨在回答三个核心问题：(1) ERW如何影响土壤碳组分（如SOC、矿物结合有机碳等）？(2) 哪些因素调控ERW对SOC的作用？(3) 全球农田中SOC对ERW的响应模式及最优施用量。

研究流程与方法
1. 文献检索与筛选
- 数据来源：从Web of Science、Scopus和CNKI数据库检索关键词组合（如“enhanced rock weathering”“soil carbon”“crushed rock”），筛选截至2024年12月的74篇文献，涵盖201个观测数据。
- 纳入标准：需包含对照组、详细岩石施用方法（如粉碎程度、施用量）、实验时长及统计指标（均值、标准差等）。
- 地理分布：实验点主要位于亚洲（中国为主）和欧洲，涵盖热带至苔原气候带（图1）。

1. 数据提取与变量分类

   • 提取变量：土壤碳组分（SOC、矿物结合有机碳MAOC、颗粒有机碳POC等）、土壤阳离子（如交换性钙、镁）、理化性质（pH、黏土含量）、酶活性及碳输入（根系生物量、微生物生物量碳MBC）。
     
   • 岩石类型：硅酸盐岩（如玄武岩、硅灰石）和碳酸盐岩（如石灰石），其化学组成差异显著（表S1）。

2. 效应量计算与荟萃分析

   • 采用自然对数响应比（lnRR）量化ERW处理与对照组的差异，通过加权方差和95%置信区间评估显著性（R包metafor）。
     
   • 亚组分析：按施用量（50–5000 g/m²）、实验时长（1–15年）、土壤深度（0–50 cm）分组。

3. 机器学习模型构建

   • 使用随机森林（Random Forest）模型预测全球农田SOC响应，输入变量包括气候、土壤、地形、植被及ERW实践（岩石类型、施用量、时长）。
     
   • 模型验证：70%数据训练，30%验证，R²为0.69–0.87，不确定性分析通过100,000次迭代完成。

主要结果
1. ERW对土壤碳组分的影响
- SOC、MAOC和POC分别显著增加3.8%、6.1%和7.5%，而溶解性有机碳（DOC）和土壤无机碳（SIC）无显著变化（图2）。
- 硅灰石（wollastonite）使SOC提升6.6%，石灰（lime）则降低3.5%，玄武岩（basalt）效果不显著（图S2）。

1. 关键驱动因素

   • 土壤交换性钙（+13%）和微生物生物量碳（+19.5%）是SOC积累的核心驱动力（图4）。
     
   • 气候调节作用显著：暖湿地区（40°N–30°S）SOC增加，而寒冷干燥地区（高纬度）SOC下降（图5）。
     

2. 剂量与时间依赖性

   • 最优施用量为50–500 g/m²，超过500 g/m²则效果减弱甚至转为负面（图3a）。
     
   • 实验时长1–5年内SOC增幅显著（4.7%–12.9%），但超过15年可能导致SOC下降8.6%（图3b）。

3. 全球模拟结果

   • 低纬度农田（如东南亚、巴西）SOC增幅最高（平均4.98%），而高纬度地区（如加拿大、北欧）多为负响应（图5）。
     
   • 硅酸盐岩和石灰石的最优施用量分别为300 g/m²和272 g/m²，4年内可分别提升SOC 5.08%和4.35%（图7）。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次通过全球荟萃分析证实ERW通过钙释放和微生物活动促进SOC积累，填补了ERW在有机碳领域的研究空白。
- 揭示了气候-土壤-岩石类型的交互作用，为CDR策略的区域优化提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 推荐在低纬度农田短期（年）、低剂量（<500 g/m²）施用富钙硅酸盐岩，以最大化SOC增益。
     
   • 估算全球农田SOC30（0–30 cm）碳汇潜力达4.43 Pg C（硅酸盐岩）和3.46 Pg C（石灰石），远超“千分之四”倡议目标。

研究亮点
1. 方法创新：结合传统荟萃分析与机器学习模型，实现从实验数据到全球尺度的外推。
2. 发现新颖性：明确ERW对SOC的剂量-时间-空间异质性，挑战了此前仅关注SIC的范式。
3. 跨学科整合：融合土壤学、气候学与数据科学，为CDR的跨尺度评估提供范例。

其他价值
研究还指出ERW对土壤酶活性（如脲酶+73.1%）、孔隙度（+4.1%）的改善作用，并强调需避免重金属污染风险（如玄武岩中的微量元素）。未来需扩展至森林等生态系统，并加强长期监测以验证碳汇持久性。