本文发表于《Nature Geoscience》期刊，2021年8月，题为“Potential CO2 removal from enhanced weathering by ecosystem responses to powdered rock”。该研究由来自多个国际研究机构的学者共同完成，主要作者包括Daniel S. Goll、Philippe Ciais、Thorben Amann等，研究机构包括德国奥格斯堡大学、法国巴黎萨克雷大学、中国浙江大学、奥地利国际应用系统分析研究所等。该研究探讨了通过向土壤中添加玄武岩粉末（basalt dust, BD）来增强风化作用，从而实现二氧化碳去除（carbon dioxide removal, CDR）的潜力。

研究背景

为了实现《巴黎协定》中提出的气候稳定目标，负排放技术（negative emission technologies, NETs）的快速和大规模部署至关重要。自然基础的负排放技术（如植树造林、可持续林业、土壤碳封存等）具有技术门槛低、能源需求适中的优势，但其潜力和可扩展性尚不确定，且可能与土地利用、水资源和养分竞争。玄武岩粉末的土壤改良是一种有前景的负排放技术，其通过加速大气中的二氧化碳与玄武岩中的硅酸盐反应，形成碳酸氢盐离子，最终通过河流输送到海洋并长期储存。此外，玄武岩粉末还能通过释放养分、调节土壤pH值、稳定土壤有机质等方式提高土壤肥力，促进植物生长，从而进一步增强碳封存。

研究流程

研究使用了一个包含风化过程的陆地表面模型（ORCHIDEE-CNP），模拟了玄武岩粉末在全球植被覆盖的内陆地区（hinterland）的应用。研究假设在全球内陆地区一次性施用不同剂量的玄武岩粉末（1、3、5 kg/m²），并分析了50年内的二氧化碳去除潜力。模型考虑了玄武岩粉末的溶解速率、磷的释放对生态系统碳封存的刺激作用，以及风化过程中释放的碱金属离子与二氧化碳反应生成碳酸氢盐的过程。

研究的主要流程包括： 1. 模型构建与参数化：使用ORCHIDEE-CNP模型，结合简化的风化模块，模拟玄武岩粉末在不同土壤条件下的溶解和磷释放过程。模型参数基于实验室条件下的玄武岩溶解数据。 2. 模拟实验设计：设计了多个模拟实验，分别考察不同玄武岩粉末剂量（1、3、5 kg/m²）和不同磷含量（0.036-0.286%）对二氧化碳去除的影响。 3. 数据分析：通过对比有无玄武岩粉末应用的模拟结果，计算了生物途径（植物生长和碳封存）和非生物途径（风化反应）对二氧化碳去除的贡献。

主要结果

研究发现，在全球内陆地区施用5 kg/m²的玄武岩粉末，50年内可实现每年2.5 GtCO₂的二氧化碳去除潜力，其中生物途径贡献了约40-58%的二氧化碳去除。热带地区由于土壤磷缺乏，玄武岩粉末的施用显著促进了木材生产和生物量碳封存。研究还发现，随着玄武岩粉末施用量的增加，单位玄武岩粉末的二氧化碳去除效率逐渐降低，表明存在一个上限。

结论与意义

该研究表明，玄武岩粉末的土壤改良是一种具有潜力的负排放技术，能够通过增强风化作用和促进生态系统碳封存，显著提高二氧化碳去除效率。该技术的优势在于其可以与现有土地利用系统共同部署，且具有改善土壤肥力、促进植物生长等协同效益。然而，实现大规模的玄武岩粉末应用仍面临经济成本、温室气体排放和环境风险等挑战。

研究亮点

1. 创新性：该研究首次在全球范围内评估了玄武岩粉末在自然生态系统中的应用潜力，特别是生物途径对二氧化碳去除的贡献。
2. 模型优势：研究使用了包含风化过程的陆地表面模型，能够同时模拟生物和非生物途径的二氧化碳去除效果。
3. 应用前景：玄武岩粉末的应用不仅有助于气候缓解，还能改善土壤肥力，促进农业和林业生产，具有广泛的应用前景。

局限性

1. 经济成本：玄武岩的开采、粉碎和运输成本较高，尤其是在偏远地区，使用飞机进行撒播的成本尤为显著。
2. 环境风险：大规模应用玄武岩粉末可能对水生系统、生物多样性和土壤健康产生负面影响，需要进一步的实地实验验证。
3. 技术障碍：需要开发新的技术来降低运输和撒播的成本，并减少温室气体排放。

未来展望

未来的研究应进一步评估玄武岩粉末在不同生态系统中的应用效果，特别是其对生物多样性和水质的长期影响。此外，还需要开发更经济的运输和撒播技术，以降低应用成本并提高二氧化碳去除效率。