增强岩石风化中的有机与无机碳动态平衡及其对碳封存的影响：一项实验研究
一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Kaiyu Lei（德国慕尼黑工业大学土壤科学系），合作作者包括Franziska B. Bucka（法兰克福大学）、Pedro P. C. Teixeira（慕尼黑工业大学）、Franz Buegger（德国环境健康研究中心）等。研究发表于Global Change Biology（2025年4月刊），标题为《Balancing organic and inorganic carbon dynamics in enhanced rock weathering: implications for carbon sequestration》。
二、研究背景与目标
科学领域：本研究属于土壤生物地球化学与气候变化减缓技术交叉领域，聚焦于增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）这一负排放技术的碳封存机制。
研究动机：
ERW通过加速硅酸盐矿物（如玄武岩）的风化，消耗大气CO₂并形成稳定无机碳（如碳酸盐）。然而，ERW对土壤有机碳（SOC）库的影响尚不明确，且风化阶段（如橄榄石富集与耗竭期）如何调节碳动态缺乏系统研究。此外，植物残体输入（如秸秆）可能通过酸化作用干扰ERW的碳封存效率。
核心问题：
1. 不同风化阶段的玄武岩如何影响土壤碳通量（有机碳损失 vs. 无机碳积累）？
2. 植物残体输入如何通过改变土壤pH和碳酸平衡调控ERW的碳封存潜力？
3. 长期碳封存策略中，如何平衡有机与无机碳库的协同作用？
三、实验设计与方法
研究对象：
- 土壤：德国温带农田表层土（Cambisol），初始pH 6.2，有机碳含量1.5%。
- 玄武岩材料：
- 新鲜玄武岩（Fresh Basalt）：橄榄石富集（Mg²⁺为主）。
- 风化玄武岩（Weathered Basalt）：橄榄石耗竭（Ca²⁺为主），分粗颗粒（未研磨）和细颗粒（研磨至粉状）。
- 13C标记秸秆：模拟植物残体输入，用于追踪新碳的周转。
实验流程：
1. 微宇宙培养实验：
- 设计7组处理（包括对照、单独玄武岩、玄武岩+秸秆），每组5重复。
- 玄武岩添加量为土壤质量的4%，秸秆添加量为0.8%。
- 培养周期6个月，模拟年均降水（875 mm），定期收集渗滤液并监测CO₂排放。
分析指标：
- 土壤理化性质：pH、交换性阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺）、比表面积（BET法）、粒径分布。
- 碳库量化：总碳（TC）、有机碳（SOC）、无机碳（SIC）通过元素分析仪-同位素质谱联用（IRMS）测定；渗滤液中溶解性有机碳（DOC）和无机碳（DIC）浓度。
- 同位素追踪：通过δ13C区分秸秆来源碳与原生碳的留存率。
统计与模型：
- 使用随机森林模型分析SOC和SIC的关键驱动因子（如pH、交换性Ca²⁺等）。
- 主成分分析（PCA）筛选变量，交叉验证优化模型参数。
四、主要结果
新鲜玄武岩的快速风化效应：
- 橄榄石溶解导致土壤pH显著上升（ΔpH +1.2），伴随SOC损失（-17%），但促进DIC累积（渗滤液中+0.4%）和SIC形成（+4%）。
- 机制：pH上升刺激微生物活性，加速SOC矿化；Mg²⁺释放增强碳酸氢盐碱度，推动DIC向SIC转化。
风化玄武岩的长期稳定性：
- 橄榄石耗竭后，pH变化平缓（ΔpH <0.1），SOC损失减少（-7%），SIC仍积累（+4%）。
- 机制：Ca²⁺主导的慢速矿物风化优先形成Ca-碳酸盐；高比表面积和Ca²⁺桥接作用增强秸秆碳的物理保护（留存率提高15%）。
秸秆输入的干扰效应：
- 秸秆分解释放H⁺，抵消橄榄石风化的pH上升效应，降低DIC生成（-50%）和SIC积累（%）。
- 例外：研磨风化玄武岩因高比表面积和Ca²⁺富集，仍能部分保留秸秆碳。
碳通量平衡：
- 全系统碳回收率>90%，但净碳损失因处理而异：新鲜玄武岩（-13%）>风化玄武岩（-6%）≈对照（-7%）。
- 关键发现：>95%的残留碳以有机形式存在，ERW的碳封存潜力高度依赖SOC稳定性。
五、结论与意义
科学价值：
- 首次系统量化了ERW不同风化阶段对有机-无机碳库的差异化影响，揭示了pH、交换性阳离子和矿物表面积的协同调控机制。
- 提出“风化阶段-植物输入”动态模型，为ERW的长期碳封存效能预测提供理论基础。
应用价值：
- 农业实践：建议将风化后期玄武岩（高Ca²⁺、细颗粒）作为石灰替代品，兼顾酸化土壤改良与碳封存。
- 政策制定：ERW的碳信用核算需同时评估SOC损失和SIC增益，避免高估净封存潜力。
六、研究亮点
- 方法创新：结合13C标记与多指标通量分析，解析了秸秆碳与原生碳的差异化周转路径。
- 颠覆性发现：传统ERW模型忽视植物残体输入的酸化作用，本研究证明其可显著抑制DIC形成。
- 跨尺度关联：实验室微宇宙数据与田间风化阶段理论衔接，为全球ERW部署提供参数化依据。
七、其他价值
- 数据开源（Zenodo DOI: 10.5281/zenodo.15127645），支持后续Meta分析。
- 研究受巴伐利亚环境与消费者保护部资助，成果可直接应用于中欧酸性土壤管理。
（全文约2000字）