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主要作者及研究机构
本文由 Yongxue Yan、Xiaohan Dong、Renshan Li、Yankuan Zhang、Shaokui Yan、Xin Guan、Qingpeng Yang、Longchi Chen、Yunting Fang、Weidong Zhang* 和 Silong Wang* 共同完成，作者来自多个研究机构，包括中国科学院应用生态研究所（CAS Key Laboratory of Forest Ecology and Management）、湖南会同森林生态实验站（Huitong Experimental Station of Forest Ecology）、洛阳师范学院（Life Science Department, Luoyang Normal University）以及中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）。研究发表在期刊 Catena 上，出版时间为2023年2月24日。
学术背景
本研究属于土壤科学与气候变化领域的交叉研究，关注增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）对土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）矿化的潜在影响。ERW是一种通过向土壤中添加硅酸盐岩石粉末（如硅灰石）来加速岩石风化过程的方法，旨在通过固定大气中的二氧化碳（CO₂）到土壤无机碳（SIC）库中，减缓气候变化。然而，ERW对土壤有机碳稳定性的影响尚不明确，这可能为其作为碳封存工具的可行性带来不确定性。研究旨在通过实验评估硅灰石添加对不同土地利用类型土壤SOC矿化的影响，并揭示其潜在机制。
研究流程
土壤采样
- 研究地点位于中国湖南会同森林生态实验站，采集了12种土地利用类型的土壤样本，包括水稻田、大豆田、魔芋田以及茶园、油茶、柑橘、杨梅等人工林土壤。
- 每种土壤类型采集10-12个样本，混合成复合样品，并通过2毫米筛网去除植物残体和石块。
- 样品分为两部分：一部分冷藏用于培养实验，另一部分风干用于理化性质分析。
培养实验
- 实验设计分为处理组（添加0.1 g/g土壤的硅灰石粉末）和对照组（无添加），每组设3个重复，共72个培养瓶。
- 硅灰石粉末成分为CaO（42.51%）、SiO₂（53.14%）等，粒度≤50微米。
- 土壤在25°C黑暗环境中培养90天，定期测量CO₂排放量（使用红外气体分析仪LI-COR 820）。
土壤理化性质分析
- 测定土壤pH、溶解性有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）、有效硅（ASI）、有效氮（AN）、有效磷（AP）和交换性钙（Ca²⁺）等指标。
- 分析方法包括水提取法测pH、TOC分析仪测DOC、氯仿熏蒸提取法测MBC等。
数据统计分析
- 计算CO₂排放速率和累积排放量，通过线性回归和方差分析（ANOVA）评估处理和土地类型的差异。
- 使用层次分区法（hierarchical partitioning）分析初始土壤性质对CO₂排放变化的贡献。
主要结果
土壤性质变化
- 硅灰石添加显著提高了土壤pH（平均增加2.78单位），并显著增加了有效硅（ASI）、DOC和MBC含量（分别增加14.16、2.04和1.75倍）。
- 土壤初始pH越低，硅灰石添加后CO₂排放增加幅度越大（例如pH 4.43的Michelia macclurei林地上升465.63%，而pH 5.14的水稻田仅上升170.21%）。
CO₂排放响应
- 培养期间，硅灰石组CO₂排放量平均比对照组高330.97%。
- 回归分析表明，CO₂排放增加与土壤pH、ASI和DOC变化显著正相关（R²=0.57、0.55、0.26）。
机制解释
- 硅灰石通过提高土壤pH和释放硅、钙等营养元素，缓解了酸性土壤对微生物的抑制，从而促进SOC矿化。
- 低pH土壤的微生物群落对pH变化更敏感，导致矿化速率显著升高。
研究结论
- 硅灰石添加会显著促进酸性土壤中SOC的矿化，可能削弱ERW作为碳封存策略的有效性。
- 土壤pH、DOC和ASI是调控矿化响应的关键因子，其中低pH土壤的矿化速率增幅最大。
- 研究建议在评估ERW的气候效益时需考虑其对SOC平衡的潜在负面影响，尤其在酸性土壤区域。
研究亮点
- 样本多样性：涵盖12种土地利用类型，增加了结论的普适性。
- 机制深入：揭示了pH和硅循环在SOC矿化中的协同作用。
- 应用警示：首次系统评估了ERW对SOC稳定性的风险，为气候政策提供科学依据。
其他有价值内容
- 研究指出硅灰石中含5% CaCO₃，但通过计算证明其贡献的CO₂仅占总排放量的1.01%-1.82%，排除了非生物源的干扰。
- 未来需结合植物生长反馈（如根系分泌物）进一步评估ERW的净碳平衡效应。