硅灰石粉末施用提升中国东北稻田产量及二氧化碳封存效应的研究

作者及机构
本项研究由中国科学院应用生态研究所的王方娜（Fangna Wang）、朱菲菲（Feifei Zhu）等联合美国新罕布什尔大学（University of New Hampshire）的Erik A. Hobbie等学者共同完成，论文于2024年2月发表于期刊 *Plant Soil*（2024年卷502期，页码589–603）。

学术背景

研究领域与动机
本研究聚焦于 增强硅酸盐岩石风化（Enhanced Silicate Rock Weathering, ERW） 技术在农业生态系统中的应用，属于农业环境科学与气候变化缓解交叉领域。全球人口增长与粮食需求上升对作物增产提出迫切需求，但传统化肥的过度使用导致土壤酸化、重金属污染等问题。ERW通过向农田施加硅酸盐矿物粉末（如硅灰石），既能改善土壤性质、提高作物产量，又能通过矿物风化反应封存大气二氧化碳（CO₂），是一种具有双重效益的绿色农业技术。

科学问题与目标
尽管ERW在旱地作物（如玉米、大豆）中已有研究，但其在灌溉稻田系统中的效果尚不明确，尤其是对水稻产量、稻米品质及CO₂封存效率的影响。本研究以中国东北典型稻田为对象，探究硅灰石（CaSiO₃）粉末施用的实际效果，旨在：
1. 量化硅灰石对水稻产量、籽粒品质及重金属吸收的影响；
2. 评估稻田表层土壤的无机碳（SIC）积累与CO₂封存潜力；
3. 提出兼顾经济效益与环境可持续性的ERW应用方案。

研究方法与流程

1. 实验设计与田间试验

研究地点
实验位于中国辽宁省沈阳农业生态系统国家野外科学观测站（41°31′ N, 123°22′ E），该区域年均降水量680 mm，土壤为中性粉砂壤土（pH 6.9）。

实验设计
- 处理设置：对照（0 t/ha）与硅灰石处理（5 t/ha），各4次重复，完全随机区组设计。
- 施用方式：水稻移栽前将200目（≤75 μm）硅灰石粉末均匀撒施于地表，翻耕至15 cm土层混合。硅灰石主要成分为CaSiO₃（69.4%），含微量碳酸钙（2.6%）及无害金属（符合国家标准）。
- 管理措施：所有处理同步进行常规灌溉与施肥，避免交叉污染。

2. 数据采集与分析

水稻生长与产量指标
- 定期监测：每月测定株高、分蘖数；收获时统计单位面积穗数、每穗粒数、千粒重及籽粒产量。
- 样品分析：
- 植物组织：稻秆与籽粒的硅（Si）、钙（Ca）、镁（Mg）含量通过ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱）测定；砷（As）、镉（Cd）含量采用原子吸收光谱法；籽粒中蛋白质（凯氏定氮法）、淀粉与糖分（蒽酮比色法）用于品质评估。
- 土壤性质：pH、有效硅（柠檬酸浸提-硅钼蓝比色法）、交换性Ca²⁺/Mg²⁺（醋酸铵提取-ICP法）、无机碳（中和滴定法）及微生物生物量碳（氯仿熏蒸-TOC法）。

CO₂封存估算
通过扫描电镜（SEM）观察硅灰石风化形态，结合土壤碳酸钙（CaCO₃）增量，按公式计算CO₂封存量：
[ \text{CO}_2 \text{封存} (\text{t/ha}) = \Delta \text{CaCO}_3 (\text{g/kg}) \times \text{土壤容重} \times \text{采样深度} \times 10^{-6} ]

主要研究结果

1. 水稻产量与生理响应

• 增产效应：硅灰石处理使水稻籽粒产量显著提高12%（13.7 ±0.5 vs. 12.3 ±0.6 t/ha），主要归因于每穗粒数增加10%（15±2粒/穗）及单位面积总粒数提升15%。
  
• 硅吸收增强：稻秆中硅浓度上升40%（12.5→17.4 g/kg），有效硅供应改善土壤肥力，促进分蘖形成（图2-3）。
  
• 重金属减排：稻米中砷（As）、镉（Cd）含量分别降低15–31%与108–264%，但未达统计学显著水平（p>0.05）。
  

2. 土壤改良与CO₂封存

• 硅动态：0–20 cm土层有效硅含量显著增加27–53%（p<0.05），而交换性Ca²⁺/Mg²⁺无显著变化（图4）。
  
• 无机碳积累：5个月生长期内，硅灰石处理使表层土壤CaCO₃增量对应1.20±0.03 t CO₂/ha封存量，是对照组的3倍（图5）。
  

3. 经济与环境效益

• 净收益：结合增产（1.4 t/ha）与碳交易（1.2 t CO₂/ha），每公顷净收益约300美元（按2023年碳价160元/t计算）。
  

结论与价值

1. 科学价值：首次在田间尺度证实硅灰石ERW可同步提升水稻产量与土壤碳汇，揭示了硅供应与分蘖形成的正反馈机制，为全球稻田ERW应用提供实证依据。
   
2. 应用潜力：中国东北硅灰石矿藏丰富（占全国82%），该技术若推广至该区域19%的稻田，可显著提升粮食安全与碳中和潜力。
   

研究亮点

• 创新方法：采用低成本硅灰石（5 t/ha）实现“增产-固碳”双目标，较以往高剂量（≥100 t/ha）试验更具可行性。
  
• 多指标联动分析：结合植物生理（Si-Cd拮抗）、土壤化学（pH缓冲）及碳循环（SIC累积）多维数据，系统解析ERW作用机制。
  
• 政策启示：提出“矿物资源-农田-碳市场”联动模式，为农业绿色转型提供技术路径。
  

未来方向
需进一步验证长期施用的重金属风险、碳封存上限及区域性适用条件，以优化ERW技术规程。