类型a：学术研究报告

一、作者与发表信息
本研究由Fredrick J. Holden（詹姆斯库克大学科学与工程学院）、Kalu Davies（詹姆斯库克大学）、Michael I. Bird（詹姆斯库克大学及谢菲尔德大学LC3M中心）等团队共同完成，发表于期刊 Science of the Total Environment 2024年第955卷。

二、学术背景
本研究属于增强岩石风化（Enhanced Weathering, EW）领域，旨在探索硅酸盐岩石（如玄武岩）风化对二氧化碳去除（Carbon Dioxide Removal, CDR）的潜力。全球变暖背景下，亟需大规模温室气体减排及负排放技术。EW通过加速硅酸盐矿物（如玄武岩）的自然风化反应，将大气CO₂转化为碳酸氢盐（HCO₃⁻）并长期封存于土壤或海洋，理论上可减缓气候变化。然而，现有EW研究多基于模型或中尺度实验，热带酸性农田中的实际CDR数据稀缺。因此，本研究在澳大利亚东北部酸性热带甘蔗田（pH=5.8）开展为期5年的野外试验，直接量化玄武岩风化对CDR的贡献，并分析其与土壤酸度的相互作用。

三、研究流程与方法
1. 试验设计与实施
- 地点与土壤：试验位于昆士兰Gordonvale的甘蔗田，土壤为酸性Ultisol（红Kandosol），初始pH 5.8（0–0.25 m深度）。
- 处理设置：采用随机区组设计，设置对照组（0 t/ha）与玄武岩处理组（50 t/ha/年），2018–2022年共施5次。玄武岩为砾石生产副产品（粒径 mm），2018年首次施用时混入土壤，后续年份表层撒施。
- 农业管理：甘蔗种植遵循常规实践，禁用石灰以避免干扰玄武岩的酸化改良效果，肥料按推荐量施用（如氮130 kg/ha）。

1. 数据采集与分析

   • 土壤与作物监测：2022年收获后采集土壤样品（0–0.5 m分层），测定pH、交换性阳离子（如Mg、Na）、可提取硅（Si）及无机碳含量；同步分析甘蔗产量、养分吸收等。
     
   • 淋溶水化学分析：2022–2023雨季安装排水通量计（DFMs，深1.25 m），收集根区深层淋溶水，测定pH、HCO₃⁻、NO₃⁻等离子浓度及通量，量化CDR。
     
   • 酸贡献量化：通过土壤pH缓冲容量、交换性酸、硝酸盐淋失等数据，解析玄武岩风化的主要驱动力（如表面结合质子、硝酸、有机酸等）。
     

2. 统计与模型

   • 使用R软件进行方差分析（ANOVA）与广义线性混合模型（GLMM），评估处理间差异。
     
   • 广义加性模型（GAM）拟合HCO₃⁻淋失通量的时间动态。
     

四、主要结果
1. 风化证据与土壤改良
- 玄武岩处理显著提升土壤pH（0–0.1 m深度从5.63增至6.13）、交换性Mg（0.24→0.54 cmol/kg）和Na（0.01→0.07 cmol/kg），表明玄武岩发生显著风化（p<0.05）。
- 无CDR显著增加：处理组HCO₃⁻淋失通量（3.15 kmol/ha/a）虽高于对照组（2.56 kmol/ha/a），但差异不显著（p=0.082），相当于年CDR仅0.026 t CO₂/ha。

1. 风化驱动力解析

   • 玄武岩风化主要由非碳酸的强酸驱动（占比98%），贡献顺序为：
     
     1. 土壤固有酸度（表面结合质子，13.7 kmol/ha/a）
        
     2. 硝酸（硝化作用产生）
        
     3. 有机酸（根系分泌）
        
     4. 阳离子吸收伴随的酸分泌
        
   • 碳酸（H₂CO₃）贡献仅2%，因酸性土壤pH（<6.4）抑制其解离（pkₐ₁=6.4）。
     

2. 作物响应

   • 玄武岩处理未显著提高甘蔗产量或糖分，但叶片Mg、K等元素含量略有增加（p≈0.09），反映风化释放了部分养分。
     

五、结论与意义
1. 科学价值：
- 酸性土壤中EW的CDR效率极低：因风化主要由非碳酸强酸驱动，生成的HCO₃⁻在酸性环境下易重新转化为CO₂（Eq.3），导致实际封存量远低于理论值。
- 验证模型预测：支持“土壤pH时EW效率下降”的假设（Bertagni et al., 2022），为全球EW部署策略提供关键数据。

1. 应用启示：
   
   • 酸性农田EW的局限性：需结合土壤改良（如提升pH至6.4以上）或转向碳酸盐矿物（如石灰石）以增强CDR。
     
   • 长期潜力：持续施用玄武岩可能通过消耗强酸逐步提高土壤pH，最终促进碳酸风化，但时间与经济成本需进一步评估。
     

六、研究亮点
1. 首创热带酸性农田EW实地数据：填补了模型与中尺度实验的空白。
2. 多指标解析风化机制：结合土壤化学、淋溶水通量及酸贡献量化，系统性揭示EW在酸性环境中的失效原因。
3. 方法创新：采用被动芯式排水计（DFMs）精准监测深层淋溶，克服传统渗漏计在热带雨季的取样难题。

七、延伸讨论
作者建议未来研究关注：
- 碳酸盐与硅酸盐的EW对比：碳酸盐风化速率更高，且在近中性pH下CDR效率更优（如石灰石rCO₂=0.44 vs玄武岩0.31）。
- 全流域碳核算：评估EW对河流CO₂逸出的间接影响（如减少酸性淋溶可能抑制下游CO₂释放）。