强化风化与生物炭协同增效：通过调控土壤性质提升CO2封存潜力

本刊推荐：为应对实现1.5℃温控目标对大规模二氧化碳去除（CDR）技术的迫切需求，研究人员探索了强化岩石风化（ERW）与生物炭协同部署的CDR潜力。研究表明，在砂土和黏土中，纯橄榄岩风化可分别封存1.06-3.48和0.28-1.60 t CO2ha-1；生物炭协同在黏土中轻微促进风化。短期内土壤呼吸增强，但土壤pH和无定形铁（氢）氧化物矿物的增加为长期有机碳（OC）稳定化提供了巨大机遇，表明ERW与生物炭联合应用在多重时间尺度上提升CDR的巨大潜力。

气候变化的影响日益显现，极端天气事件频发，迫切需要大幅减少温室气体排放。然而，要将全球变暖限制在1.5℃以内，仅靠减排已不足够，还必须进行大规模的二氧化碳去除（CDR）。在此背景下，强化岩石风化（ERW）和生物炭技术因其有效性、可扩展性以及能提供长期碳储存和土壤改良等协同效益而备受关注。然而，当前的研究多集中于ERW和生物炭的单独应用，对两者协同部署的CDR潜力、内在机理以及在不同土壤类型中的表现尚缺乏深入的实验数据支持。此外，ERW相关的CDR量化方法尚未标准化，导致不同研究结果差异较大。为了解决这些问题，并探索协同部署是否能产生更大的CDR效应，研究人员在《Geoderma》上发表了题为“Enhanced weathering and biochar co-deployment boosts CO₂sequestration through changing soil properties”的研究论文。

为了评估ERW和生物炭协同部署对CDR的潜力及其机理，研究人员设计并进行了两项温室盆栽实验。实验选用砂土和黏土两种具有不同理化性质的土壤（分别采集自荷兰瓦赫宁根和Lingemeer湖附近的草地），种植玉米（Zea mays L）。实验设置了不同的处理组，包括单独施用不同剂量（20-220 t ha^-1）的粉碎纯橄榄岩（dunite，一种富含镁的超基性岩，主要矿物为镁橄榄石forsterite, Mg₂SiO₄），以及固定剂量（20 t ha^-1）的生物炭（由木材残渣在700℃下热解制成，并预先用营养液活化）与不同剂量纯橄榄岩的组合。实验持续约两个月，期间监测了土壤孔隙水化学性质、土壤CO₂排放，并在实验结束后分析了土壤和植物生物量的各种参数。

研究采用的关键技术方法主要包括：通过不同的化学提取程序（0.01 M CaCl₂, 0.1 M BaCl₂, 0.43 M HNO₃）结合电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）分析土壤中镁（Mg）的形态和含量，用于构建元素质量平衡（EMB）以计算无机CO₂封存量；通过测量土壤孔隙水总碱度（TA）和土壤无机碳（SIC）含量（IC法）作为CDR的辅助评估；每周使用CO₂气体传感器测量土壤CO₂通量；利用草酸铵-草酸提取法测定土壤中无定形铁（Fe_ox）、铝（Al_ox）和硅（Si_ox）（氢）氧化物的含量，以评估次生矿物的形成；并构建了全碳（TC）预算来评估碳的收支情况。数据分析采用线性混合效应模型进行统计检验。

3.1. 基于不同方法的土壤无机CO₂封存

研究人员采用元素质量平衡法（EMB法）和基于总碱度/无机碳的方法（IC法）来量化ERW带来的无机CO₂封存。结果表明，基于EMB法（使用0.1 M BaCl₂提取土壤Mg），纯橄榄岩风化在砂土中封存了1.06 ± 0.025 至 3.48 ± 0.084 t CO₂ha^-1，在黏土中封存了0.28 ± 0.015 至 1.60 ± 0.051 t CO₂ha^-1。砂土中的封存量显著高于黏土，这与砂土初始pH较低（4.16）更有利于风化有关，但差异倍数（2-3倍）小于单纯pH效应所能解释的范围，表明其他过程（如黏土较高的阳离子交换容量促进Mg吸附从而降低溶液饱和度）也影响了风化速率。生物炭的添加在黏土中显示出轻微但显著地促进了纯橄榄岩的风化（增加了可提取Mg含量），但在砂土中效果不显著，这可能与砂土实验后筛分去除了大颗粒生物炭有关。研究比较了不同提取剂，发现0.1 M BaCl₂能较好地反映风化释放并被土壤吸附的Mg量，避免了弱提取剂（如0.01 M CaCl₂）的低估和强酸提取剂（如0.43 M HNO₃）溶解未风化矿物导致的高估。相比之下，IC法（基于TA测量）估算的CDR值（最高约0.05 t CO₂ha^-1）远低于EMB法，主要是因为TA仅反映了溶解态的碱度，而大部分风化产物（Mg²⁺）被吸附在土壤固相表面。研究还发现，尽管土壤pH显著升高且有矿物饱和迹象，但SIC含量并未检测到显著增加，研究人员推测土壤溶液中高浓度的Mg²⁺可能抑制了碳酸钙（CaCO₃）的沉淀，这反而可能有利于净CO₂封存（因为若形成CaCO₃，每风化1摩尔镁橄榄石只能固定2摩尔而非4摩尔CO₂）。

3.2. 碳收支

对土壤CO₂排放的测量显示，纯橄榄岩的施用显著降低了砂土的净CO₂排放，但对黏土影响不显著。然而，生物炭的添加显著增强了两种土壤的CO₂排放。净CO₂排放是土壤呼吸（CO₂产生）和ERW封存（CO₂消耗）共同作用的结果。通过从测量的净通量中减去EMB法估算的无机封存量，研究人员计算了土壤呼吸量。结果发现，随着纯橄榄岩剂量的增加，土壤呼吸实际上显著增强，这一效应被同时增加的无机封存所掩盖。这意味着短期内ERW虽然封存了CO₂，但也刺激了微生物活性，导致更多的土壤有机碳（SOC）被分解。全ΔTC（总碳变化量）预算分析表明，在砂土中，ΔTC随着纯橄榄岩剂量增加而显著下降，这主要是由于植物生物量减少和土壤呼吸增强所致。而在黏土中，纯橄榄岩对ΔTC预算无显著影响，但生物炭显示出显著的正面效应。尽管短期内土壤呼吸导致的碳损失超过了无机碳的封存量，造成净CO₂排放，但研究人员认为这种呼吸增强效应是短期的。已有研究表明，ERW和生物炭的施用在中长期能通过促进有机-矿物结合体的形成来稳定SOC。

3.3. 次生矿物的形成

对土壤中无定形（氢）氧化物的分析显示，纯橄榄岩的施用显著增加了草酸铵可提取铁（Fe_ox）和硅（Si_ox）的含量，同时降低了可提取铝（Al_ox）的含量。Fe_ox的增加（尤其在黏土中）表明形成了次生的、反应活性高的铁（氢）氧化物矿物。Si_ox的增加则可能与形成的无定形铁、铝氧化物吸附硅或形成短程有序的铝硅酸盐（如水铝英石）有关。这些次生矿物，特别是无定形铁（氢）氧化物，对土壤有机质（SOM）具有很强的吸附能力，是长期稳定OC的关键。生物炭处理对这些次生矿物含量的影响大多不显著。这些次生矿物的形成为ERW和生物炭协同部署能够通过促进有机-矿物结合来长期稳定SOC提供了直接证据。

本研究首次提供了纯橄榄岩与生物炭在不同土壤类型中协同部署的实验数据。研究结果表明，ERW与生物炭的协同部署具有通过改变土壤性质（如提高pH、形成次生反应性矿物）来提升CO₂封存的多时间尺度潜力。研究人员推荐使用具有强竞争吸附能力的阳离子（如Ba²⁺）的提取剂（如0.1 M BaCl₂）来更准确地量化ERW相关的CDR。虽然短期内土壤呼吸增强可能导致净CO₂排放，但观察到的次生矿物（尤其是无定形铁（氢）氧化物）的形成，预示着巨大的长期有机碳稳定化潜力。这种稳定化作用有望补偿短期的碳损失，甚至带来额外的碳收益。研究还提出了Mg²⁺抑制碳酸钙沉淀从而可能提高净CDR的新假设。不同土壤类型对处理响应存在差异，强调了因地制宜的重要性。总之，这项研究为ERW和生物炭作为有前景的CDR组合技术提供了重要的机理见解和数据支持，指出未来研究应重点关注协同部署对有机-矿物结合体形成的长期影响，以及更精确的CDR量化方法的标准化。