玄武岩粉末施用对水稻土化学性质及元素吸收的影响：基于增强岩石风化的研究
研究团队与发表信息
本研究由Hiroshi Uchibayashi（北海道大学研究生院农业科学研究院）、Hayato Maruyama、Toshihiro Watanabe、Shoichiro Hamamoto、Yo Toma（北海道大学农学研究科）、Atsushi Nakao（京都府立大学生命环境科学研究科）、Kohei Kurokawa及Takuro Shinano（北海道大学农学研究科植物营养学实验室）合作完成，发表于Soil Science and Plant Nutrition期刊2025年第71卷第4期（484-495页），DOI: 10.1080⁄00380768.2024.2448457。
学术背景
研究领域与科学问题
本研究属于农业环境工程与土壤化学交叉领域，聚焦增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）技术——一种通过向农田施用粉碎硅酸盐岩粉以促进矿物化学风化，从而固碳并改善土壤肥力的负排放技术。
研究动机
- 气候危机应对需求：根据IPCC（2023），仅靠减少化石燃料使用难以实现《巴黎协定》的1.5℃温控目标，需开发二氧化碳移除（CDR）技术。ERW模拟地质时间尺度的硅酸盐风化过程（如方程式1-2所示），通过岩粉施用加速大气CO₂以碳酸氢盐形式固存。
- 农业协同效益：玄武岩等基性岩富含硅（Si）、钙（Ca）、镁（Mg）等元素，其风化可补充土壤养分。水稻作为全球第四大作物（FAO 2022）是典型的硅积累植物，但日本稻田因长期收割导致土壤有效硅下降（Kaneta 2019），需探索ERW对水稻的潜在增益。
- 知识空白：现有ERW研究多关注旱地作物，而淹水条件下的稻田具有独特的厌氧生物地球化学过程（如铁还原、甲烷排放），其对ERW的响应尚未明确。
研究目标
- 量化玄武岩施用对水稻土化学性质（pH、有效硅、交换性阳离子）及水稻元素吸收的影响；
- 通过元素释放动态评估玄武岩在稻田条件下的风化速率；
- 分析整个系统（土壤-植物）的碳平衡变化。
研究方法与流程
实验设计
1. 供试材料与处理
- 土壤：日本北海道灰色低地土（Gray Lowland Soil，Haplic Fluvisol），初始pH 6.19，砂质粘壤土，总碳含量27.4 g/kg。
- 玄武岩：采自日本秋田县，粉碎后粒径分布：D10=21.6 µm，D50=120 µm，D90=370 µm；主要矿物为钙长石（Bytownite, 36.6 wt.%）、拉长石（Labradorite, 25.7 wt.%）及辉石（Pyroxene, 10.2 wt.%）。
- 处理设置：盆栽试验设6个玄武岩施用量（0、5、10、20、50、100 t ha⁻¹，记为B0-B100），每处理4次重复，共24盆（1/2000 Wagner盆，直径25.2 cm）。
2. 水稻栽培
- 施肥：按当地推荐量双倍施用氮（170 kg N ha⁻¹）、磷（69.9 kg P ha⁻¹）、钾（133 kg K ha⁻¹）。
- 管理：2022年6月15日移植54日龄水稻（品种“七星”），淹水至成熟期（8月26日），后保持湿润至收获（9月22日）。
分析流程
1. 土壤与植物样品分析
- 土壤化学性质：
- pH：水土比1:5悬液测定；
- 有效硅：0.02 M磷酸缓冲液（pH 6.9）40℃提取5小时，ICP-AES分析；
- 交换性阳离子（Ca、Mg、K、Na）：1.0 M醋酸铵（pH 7.0）提取，ICP-MS测定。
- 植物元素分析：
- 水稻分部位（根、茎、叶、谷壳、籽粒）烘干后微波消解，ICP-MS测定Si、Ca、Mg、K、Na及重金属（As、Cd、Cu、Cr、Ni）；
- 硅含量通过550℃灰化法单独测定。
2. 玄武岩风化释放量计算
基于元素质量平衡法，比较各处理与对照（B0）的Si、Ca、Mg、K、Na总量变化，扣除本底释放后得到玄武岩来源的元素释放量（单位：mmol pot⁻¹）。
3. 碳平衡评估
计算整个系统（土壤+植物）的碳储量变化，公式：
[ \Delta C = (TC{after\ harvest} - TC{before\ planting}) + 0.413 \times DW_{plant} ]
（注：0.413为植物组织碳浓度系数，源自Naser et al. 2020）
4. 统计方法
采用单因素ANOVA与Tukey事后检验分析处理间差异，Pearson相关分析评估土壤-植物元素关联性，显著性水平α=0.05。
主要研究结果
1. 玄武岩对土壤化学性质的影响
- 有效硅：玄武岩施用显著增加土壤有效硅总量（B100较B0增加20.5%，p<0.05），且与施用量呈正相关（R²=0.89）。
- 交换性阳离子：
- Mg：B100处理交换性Mg总量较B0增加15.9%（p<0.01），表明玄武岩风化释放Mg；
- Na：B100的交换性Na总量为B0的1.6倍（p<0.001），反映玄武岩中钠长石风化；
- Ca：无显著差异，可能与土壤原有高Ca背景值有关（交换性Ca≈37 g pot⁻¹）。
- pH：种植前B100处理pH升至6.26（对照6.08），但收获后各处理均趋近中性（6.52-6.67），归因于淹水条件下的质子平衡机制（Sahrawat 2005）。
2. 水稻元素吸收与生长响应
- 硅吸收：水稻Si吸收量随玄武岩施用量增加（B100较B0提高9.9%，p<0.05），且与土壤有效硅呈显著正相关（R=0.82，p<0.001）。
- 钠动态：Na吸收量在B100处理达201 mg plant⁻¹（B0为126 mg），但与生物量无负相关（R=0.18，p>0.05），表明当前Na浓度未产生盐胁迫。
- 重金属：籽粒中As、Cd、Cu等浓度在各处理间无差异（p>0.05），印证玄武岩低重金属风险（表2：Cd=0.43 mg/kg）。
3. 玄武岩风化与碳平衡
- 元素释放速率：
- Si：B100释放量达1.2 mmol pot⁻¹（≈6.5 mmol m⁻² day⁻¹）；
- Mg：B100释放量6.5 mmol m⁻² day⁻¹，与旱地研究（Kelland et al. 2020）相当；
- Na：释放速率（4.6 mmol m⁻² day⁻¹）显著高于旱地，反映淹水促进钠长石溶解。
- 碳固存：99天内未检测到显著的碳平衡变化（p>0.05），可能因风化释放的Mg仅能贡献0.77 g C pot⁻¹（<0.5%土壤总碳）。
结论与价值
科学意义
- 机制验证：首次证明玄武岩在淹水条件下可通过风化释放Si、Mg、Na，且Si供应促进水稻生长（尽管生物量未达显著水平）；
- 方法学创新：建立稻田ERW的元素释放量化模型，为长期碳汇评估提供基线数据。
应用价值
- 硅肥替代：玄武岩可作为可持续硅源，缓解稻田有效硅耗竭问题；
- 风险提示：需关注高施用量（>50 t ha⁻¹）下的Na累积潜在风险，尤其在盐渍化区域。
研究亮点
- 研究对象特殊：首篇系统评估玄武岩ERW在稻田中的可行性研究；
- 多指标联动分析：耦合土壤化学-植物生理-碳平衡多维数据；
- 工程化潜力：推算日本全稻田施用100 t ha⁻¹玄武岩可在一个生长季（99天）固碳66.3万吨CO₂当量。
局限性与展望
- 时间尺度不足：短期试验未能捕捉风化作用的累计碳汇效应，需开展多年定位试验；
- 机制深化：未来需结合同位素示踪（如δ²⁶Mg）解析元素迁移路径；
- 经济性评估：玄武岩开采、粉碎及运输的能耗与成本需纳入全生命周期分析。