学术研究报告：土壤中通过增强风化作用直接降低CO₂的证据

第一作者及研究机构
本研究的通讯作者为T. Linke（冰岛大学地球科学研究所），合作作者包括E.H. Oelkers（冰岛大学及沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学）、S.C. Möckel（冰岛大学生命与环境科学研究所）和S.R. Gislason（冰岛大学）。研究于2024年4月30日发表在期刊 *Geochemical Perspectives Letters*（DOI: 10.7185/geochemlet.2415）。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于地球化学与气候科学交叉领域，聚焦于增强风化作用（Enhanced Weathering, EW）——一种通过向土壤中添加粉碎的玄武岩等硅酸盐矿物，加速自然风化过程以封存大气CO₂的技术。尽管EW被提议为缓解气候变化的潜在手段，但其实际效果因土壤复杂过程及短期实验限制而难以量化。
科学问题：如何验证EW在长期尺度上对CO₂的封存能力？
研究目标：通过冰岛南部一处3300年来持续接收玄武岩粉尘的沼泽/潜育土（Histic/Gleyic Andosol），量化EW的碳平衡效应，揭示其长期影响机制。

研究流程与方法

1. 研究地点与样本采集
- 地点：冰岛南部Hella镇附近的Rauðalækur河流域（63°53’42.5”N, 20°21’15.9”W），土壤剖面包含多层火山灰（tephra）沉积，时间跨度达3300年。
- 样本类型：
- 土壤水：2018年5月至11月通过吸力杯采样器（suction cup samplers）采集不同深度的土壤溶液。
- 固体沉积物：分析玄武岩粉尘的矿物组成、粒度（10–62 μm）及历史累积量（约16,500吨/公顷）。

2. 实验分析
- 流体化学：使用PHREEQC软件（Parkhurst & Appelo, 1999）计算土壤水pH（校正至7°C原位温度）及氧化还原电位（Eh）。
- 碱度与碳输出：
- 测量土壤水碱度（0–3 meq/kg），模拟其暴露大气后因铁氧化/沉淀导致的碱度下降（最终均值1.53 ± 0.2 meq/kg）。
- 结合年水通量（925 ± 150 kg/m²/yr）估算CO₂封存量。
- 有机碳存储：通过土壤有机质含量（12%–20%）及沉积速率推算净碳固定量。

3. 自然类比法
- 对比无玄武岩粉尘的沼泽土（Histosols）数据，验证EW对碱度提升的贡献。
- 通过质量平衡模型计算玄武岩粉尘的输入（Ca、Mg通量）与输出（溶解离子通量），评估其长期溶解动态。

主要结果

1. 碱度驱动的CO₂封存
- 玄武岩粉尘持续溶解，深层土壤水碱度达无粉尘土壤的10倍以上。
- 经大气平衡校正后，每年通过碱度输出封存的CO₂为0.17 ± 0.036吨碳/公顷（相当于17 ± 3.6 g C/m²/yr）。

2. 有机碳的主导作用
- 土壤有机碳储量（86–172 kg C/m²）远超碱度封存量，年净固定量达26–52 g C/m²/yr，表明EW的CO₂封存效率可能被有机质分解抵消。

3. 规模化挑战
- 若要封存全球1 Gt CO₂/yr，需覆盖1600万平方公里土地（超过美国面积），并每年消耗8–13 Gt玄武岩粉末（远超全球水泥产量）。

结论与价值

科学意义
- 首次通过自然类比直接证明EW可通过碱度输出封存CO₂，但效率受限于土地与资源需求。
- 揭示了有机碳动态对EW净效应的潜在主导作用，警示盲目推广EW可能因加速有机质分解导致净碳排放。

应用价值
- 为EW技术优化提供基准数据，建议优先考虑高有机碳土壤以最大化封存潜力。
- 呼吁进一步研究玄武岩添加对土壤微生物及有机质稳定性的影响。

研究亮点

1. 长期尺度验证：利用3300年自然沉积的玄武岩粉尘，突破短期实验限制。
   
2. 多过程量化：整合碱度生成、有机碳存储及大气平衡，全面评估EW的碳平衡。
   
3. 批判性视角：指出EW规模化应用的现实障碍及潜在风险，为政策制定提供科学依据。
   

其他发现
- 玄武岩粉尘在土壤中保持反应活性超千年，支持EW的长期可行性。
- 冰岛火山灰层（tephra）为年代学与风化速率研究提供了独特标记层。

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“增强风化作用（Enhanced Weathering, EW）”）