三年的田间试验表明，岩石风化作用得到了持续增强，同时二氧化碳的去除量有限

　　CO?去除效率低：瑞士三葡萄园试验显示玄武岩粉末应用使土壤孔隙水中钠浓度平均增加3倍，证实了风化信号的存在，但CO?去除率仅为100±30 kg/ha/yr，远低于模型预测值。研究指出土壤生物地球化学过程和矿物溶解动力学差异导致实际效率低下，钠浓度可作为监测新指标，未来需更多跨气候和土壤类型试验验证ERW潜力。

　　

增强岩石风化（ERW）作为二氧化碳（CO?）移除技术，近年来在应对气候变化中备受关注。该技术通过施用硅酸盐岩石粉末加速矿物化学风化过程，将大气中的CO?转化为溶解无机碳（DIC）和次生碳酸盐，最终通过水文循环将碳封存于海洋沉积物中。尽管实验室和理论模拟显示ERW具有显著的CO?移除潜力，但其在真实土壤环境中的实际效果仍存在较大争议。以下基于瑞士温带气候葡萄园的三年田间试验，系统解析ERW技术的运行机制、监测难点及CO?移除效率。### 一、研究背景与意义

ERW的核心机理是通过硅酸盐岩石与土壤孔隙水的化学反应，逐步释放碱金属（如Na?、K?）和碱土金属（如Ca2?、Mg2?），这些离子与CO?结合形成HCO??进入水体。理论计算表明，每吨岩石理论上可移除400公斤CO?，若全球农业用地按20吨/公顷/年的剂量施用，理论上每年可移除0.3-4 Gt CO?，相当于当前全球年排放量的1%-21%。然而，实际田间试验中CO?移除效率普遍低于实验室值，主要归因于土壤生物地球化学过程对矿物溶解产物的再分配。### 二、试验设计与关键发现

#### 1. 实验体系构建

研究在瑞士Neuchatel州三个地质特征差异显著的葡萄园（pH 6.4-7.5，CEC 22.4-29.7 cmol/kg）开展三年试验，施用德国Eifel地区产basanite岩石粉末（粒径<52 μm，含Na?丰富矿物占比约8%）。试验采用9块地/处理（施岩vs对照）的网格设计，通过埋设孔隙水采样器（深度25 cm，负压-0.8 bar）每月监测离子浓度与pH变化。#### 2. 化学信号监测

- **pH与EC值**：施用岩石的土壤孔隙水pH、电导率（EC）等传统监测指标未呈现显著变化（p>0.05），与实验室快速pH上升现象（24小时内pH+0.5）形成对比。

- **钠离子浓度突破性发现**：Na?浓度在施用组平均提升200%-300%，且与岩石中Na?含量（来自interstitial glass和细粒斜长石）呈正相关。通过Na?/Ca2?比值变化（比值降低12%-15%），证实硅酸盐风化主导了化学信号。

- **碳酸盐风化抑制效应**：在碳酸盐含量高的土壤（13.8%碳酸钙）中，施用岩石初期Ca2?浓度显著上升（+67%），但随后被Mg2?的竞争吸附抵消，导致DIC生成量下降，揭示矿物风化与土壤吸附过程的耦合作用。#### 3. CO?移除效率定量

- **第一性原理估算**：基于离子通量（Ca2?、Mg2?、Na?、K?）和HCO??的摩尔比例计算，平均年移除率仅100±30 kg CO?/公顷，约为理论最大值的25%。其中：

- **钠离子贡献率最高**（约45%），源于basanite中8%的玻璃相（含Na?、K?）在pH 6.5-7.5条件下的快速溶解。

- **镁离子**（15%）和**钾离子**（12%）次之，而钙离子（28%）因土壤高饱和度（>80% CEC被Ca2?占据）难以有效释放。

- **模型验证（SMEW）**：通过耦合水文学（Penman-Monteith蒸发模型）与地球化学模型（考虑矿物表面钝化效应），修正后的溶解系数为0.02，表明实际风化速率比理论预测低50倍。模型显示：

- **矿物风化速率差异**：Na-rich glass（10??.6 mol/m2/s）风化速率是辉石（10?11.4）的1000倍，但受土壤CEC饱和度限制（>95% CEC被基础阳离子占据），其释放的Na?仅12%参与CO?固定。

- **次生矿物形成竞争**：约30%的Na?被吸附于土壤有机质表面，导致有效CO?固定量进一步降低。### 三、技术瓶颈与监测挑战

#### 1. 化学信号与CO?移除的解耦现象

- **监测指标局限性**：传统指标（pH、EC、Ca2?/Na?）在温带中性土壤中灵敏度不足。例如，本试验pH仅波动±0.1，而EC值（0.1-0.3 mS/cm）与对照差异不显著（p>0.05）。

- **钠离子作为新型生物地球化学标记物**：通过长期监测发现，Na?浓度在施用后3个月内稳定上升（+200%），且与矿物溶解量呈线性关系（R2=0.89）。但需注意：在盐碱化土壤（EC>0.5 mS/cm）中，钠离子可能被吸附而非释放，需结合土壤CEC状态解读。#### 2. 环境因素的放大影响

- **降水-蒸发平衡关键作用**：试验期间年降水量955 mm（1994-2024平均），但2022-2023年遭遇干旱（年降水仅833-974 mm），导致孔隙水采样频率从每月1次降至每季度1次。模型显示干旱年移除率降低40%-60%，验证了水文条件对ERW效率的调节作用。

- **植被干扰机制**：葡萄园高密度植被（冠层覆盖度>85%）通过根系竞争吸附（如K? uptake降低率达18%）和根系分泌物（H?、有机酸）抑制矿物风化。例如，对照处理组因自然风化产生的DIC中，有32%被植物吸收再循环。### 四、技术优化路径

#### 1. 矿物特性改良

- **优先选择高活性矿物**：在温带气候下，辉石（Forsterite）风化速率（10?11.4 mol/m2/s）低于Na-rich glass（10??.6），建议通过球磨工艺将岩石破碎至亚微米级（<5 μm），使玻璃相占比从8%提升至25%。

- **混合矿物应用**：添加少量方解石（CaCO?）可提高pH至7.5以上，促进辉石风化（pH>7时风化速率提升2-3倍）。#### 2. 精准监测体系构建

- **分层采样技术**：在0-10 cm（根系活动层）和10-25 cm（矿物风化层）分别布设采样器，可检测到pH差值达0.3（p<0.01）。

- **多指标联合分析**：建议采用Na?/Ca2?比值（敏感度达0.1）、SiO??浓度（表征玻璃相溶解）等组合指标，规避单一参数的误导性。#### 3. 田间管理优化

- **机械混合替代表施**：将岩石粉末与土壤混合深度>15 cm，可提高矿物接触面积，使风化速率提升至表施的3倍（实验室数据）。

- **水肥协同调控**：在干旱年份配合滴灌（5 mm/次）可维持孔隙水流动，使移除率从12 kg/ha·yr提升至67 kg/ha·yr。### 五、气候工程应用前景

本试验验证了温带中性土壤中ERW的实际效率（100 kg CO?/ha·yr），与德国Carbon Drawdown Initiative的同类研究（年均移除率85-120 kg CO?/ha·yr）一致。但相较于实验室条件（移除率可达理论值的80%），田间效率损失主要来自：

1. **矿物钝化效应**：风化产物（如Fe3?氧化物）覆盖矿物表面，使后续反应速率降低至初始值的5%（3年累计）。

2. **离子再分配**：植物吸收使释放的K?、Mg2?等基础阳离子中，有18%-27%被重新固定于有机质或次生矿物（如白云石）中。### 六、结论与建议

1. **技术适用性边界**：ERW在pH>6.5的中性土壤中效率显著降低（移除率<150 kg CO?/ha·yr），建议优先在酸性土壤（pH<6.5）和贫瘠土壤（CEC<20 cmol/kg）部署。

2. **规模化推广障碍**：当前施用成本约$120/ha（按20 t/ha剂量计算），结合边际效益递减规律，单次施用建议控制在10 t/ha以内，分三次施用可提升总移除率至240 kg CO?/ha·yr。

3. **监测体系升级**：建议开发便携式离子传感器阵列（采样间隔<72小时），结合机器学习算法（如随机森林模型）实时预测移除效率。该研究为ERW技术从实验室验证迈向气候工程应用提供了关键数据支撑，但需警惕过度依赖单一风化矿物（如basanite）的风险。未来需开展跨气候带对比试验（如地中海气候>200 kg CO?/ha·yr vs 高寒草甸<50 kg CO?/ha·yr），并建立矿物-土壤-植被相互作用数据库，以实现精准化工程应用。