科研报告：美国中西部农业系统中增强风化作用对净碳预算的直接测量影响研究
一、作者及发表信息
本研究由Ilsa B. Kantola（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）领衔，联合Elena Blanc-Betes、Michael D. Masters等来自美国、英国、澳大利亚多所高校及企业的13位学者共同完成，发表于Global Change Biology期刊2023年第29卷（7012–7028页）。研究获美国能源部及英国Leverhulme信托基金资助，数据公开于伊利诺伊大学数据库及AmeriFlux平台。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于碳负排放技术（Carbon Dioxide Removal, CDR）与农业生态交叉领域，聚焦增强风化（Enhanced Weathering, EW）——通过向土壤施加镁/钙质岩石粉末（如玄武岩）加速自然风化过程，溶解大气CO₂形成碳酸氢盐，最终封存于海洋。
研究动机：
1. 气候紧迫性：现有减排措施不足，需通过CDR技术实现《巴黎协定》目标。
2. 农业系统潜力：全球农业用地占比高，但传统耕作（如玉米-大豆轮作）是重要碳排放源，而多年生作物（如芒草）可能成为碳汇。
3. 技术验证需求：EW模型预测乐观，但缺乏野外实测数据支持，尤其在温带农业系统中的有效性未知。
研究目标：量化EW在美国中西部玉米-大豆轮作及芒草种植系统中的碳封存潜力，并揭示其对作物产量和土壤碳循环的影响。
三、研究设计与方法
研究在美国伊利诺伊大学能源农场进行（2016–2020年），采用随机区组设计，对比玄武岩处理组（50吨/公顷/年）与对照组，涵盖以下流程：
1. 实验处理与样品采集
- 作物系统：玉米-大豆轮作（70公顷主产区代表性作物）vs. 芒草（多年生能源草）。
- 玄武岩施加：玉米田秋收后翻耕施加（4次），芒草田春季地表施加（3次）。
- 土壤与植物样本：采集0–30cm土层（稀有金属REE标记法）、根系及地上生物量，测定元素组成（ICP-MS、元素分析仪）。
2. 碳通量监测
- 涡度协方差（Eddy Covariance）：连续测量CO₂通量（Net Ecosystem Exchange, NEE），划分总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（Re）。
- 土壤呼吸（Rs）：分异养呼吸（Rh）和自养呼吸（Ra），通过浅层（5–10cm）与深层（50cm）PVC环测定。
3. 增强风化CDR量化
- REE示踪法：通过玄武岩与土壤中REE比例变化，计算实际风化率。
- 碱度通量模型：结合Ca²⁺/Mg²⁺淋溶量、植物吸收及硝酸盐流失校正，估算CO₂封存量（公式：CDR = (净碱度通量 × 1.6) – 硝酸盐损失）。
4. 碳预算构建
整合GPP、NEE、收获量等数据，计算净生态系统碳平衡（NECB），评估系统净碳汇/源效应。
四、主要结果
1. 作物响应
- 产量提升：玄武岩处理使玉米/大豆籽粒增产12–16%，芒草地上生物量峰值增加29–42%（图2）。归因于土壤pH升高及磷释放。
- 土壤呼吸：玉米田Rs显著增加（+8–15%），芒草田Rh主导（占总呼吸60%），反映微生物活性增强。
2. 碳封存效能
- EW直接贡献：
- 玉米-大豆系统：CDR为102±4.9 g C/m²/年（抵消23–42%土壤碳损失）。
- 芒草系统：CDR达234±18.3 g C/m²/年，叠加原有NECB（63–129 g C/m²/年），总碳汇提升至8.6吨CO₂/公顷/年（表1）。
- 机制解析：93.7%碱度通量进入深层土壤，芒草因根系发达促进更多Ca²⁺/Mg²⁺淋溶（图4）。
3. 碳预算对比
- 玉米-大豆系统：NECB为-199至-453 g C/m²/年（碳源），EW部分缓解损失。
- 芒草系统：NECB正显著，EW使其碳汇能力翻倍（图5）。
五、结论与价值
科学意义：
1. 首项长期田间验证：证实EW在温带农业中的CDR实效，REE示踪法为风化率测量提供新范式。
2. 作物特异性差异：芒草因多年生特性与EW协同效应成为“气候解决方案双赢作物”。
应用价值：
- 规模化潜力：若全美玉米-大豆田应用EW，年封存1.79亿吨碳。
- 政策建议：推广“芒草+EW”组合，可降低生物燃料全生命周期碳排放。
六、研究亮点
- 方法创新：融合REE地球化学示踪与生态系统级碳通量监测，解决EW量化难题。
- 跨尺度数据：从离子迁移（毫米级）到流域碳平衡（公顷级）的全链条解析。
- 负面结果报告：玉米田EW未能完全逆转碳损失，提示需结合免耕等保护性农业措施。
局限与展望：未纳入EW全生命周期排放（如玄武岩开采运输），需后续平衡分析。
注：全文数据及代码已开源，供全球CDR政策制定与农业管理参考。