研究背景：巖石風化如何成為氣候救星？
為應對日趨嚴峻的全球氣候危機，除減少碳排放外，能夠主動清除大氣CO?的“負排放技術(shù)”已成為迫切需求。其中，“增強巖石風化”作為一種通過施用特定巖石粉末以加速天然固碳過程的地球工程技術(shù)，近年來受到廣泛關(guān)注。
過往的研究多聚焦于農(nóng)田系統(tǒng)，證實了該技術(shù)在固碳與改善土壤肥力方面的雙重效益。然而，作為地球碳匯體系的重要組成部分，森林生態(tài)系統(tǒng)中有機碳儲存和樹木生長的響應研究相對較少。實際上，森林碳匯不僅來自土壤碳庫，還與植被生長及系統(tǒng)級碳循環(huán)過程密切相關(guān)。
在此背景下，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所團隊在《Forest Ecology and Management》發(fā)表了研究成果?；跒槠趦赡甑穆淙~松人工林實地試驗，研究者通過施用硅灰石，追蹤了土壤呼吸、無機碳與有機碳變化以及樹木生長等關(guān)鍵過程，系統(tǒng)揭示了增強巖石風化在森林生態(tài)系統(tǒng)中的固碳機制。
研究方法：實地添加硅灰石，兩年追蹤碳足跡
實驗設(shè)計：研究團隊在長白山西坡一處20年樹齡的落葉林種植園，隨機分布12個樣地（每個30 m×30 m）。相鄰樣地之間保持至少20 m的緩沖區(qū)，2022年7月31日施用硅灰石，設(shè)3個處理水平，每個組4個重復：
對照組：不添加硅灰石；
低劑量組：5噸/公頃；
高劑量組：10噸/公頃；
監(jiān)測指標：土壤CO?通量、土壤有機碳/ 無機碳變化、樹木生物量、凋落物和細根的生長情況等指標；
土壤碳通量采用PS-9000便攜式土壤碳通量自動測量系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）進行監(jiān)測。兩年內(nèi)累計完成49次原位觀測，所有采樣在固定時段（上午8:30-12:30）進行，施用硅灰石后，在土壤解凍到土壤凍結(jié)期間每周測量一次。同時結(jié)合同步記錄的土壤溫度數(shù)據(jù)，為準確量化增強巖石風化對土壤呼吸的動態(tài)影響及其溫度敏感性提供了可靠依據(jù)。
圖1.圖(a)和(b)分別展示了施用硅灰石巖粉（0–5 cm土層深度）后一年(2022年)、第二年 (2023年) 未施用 (W0)、施用5 tha?1(W1) 和10 t ha?1(W2)處理下土壤溫度和含水量的變化，圖(c)則展示了土壤CO?通量的變化。圖(c)中的插圖展示了施用硅灰石前所有樣地的土壤CO?通量。
圖2.2022年和2023年，在未施用（W0）、施用5 t ha?1（W1）和施用10 t ha?1（W2）硅灰石巖粉的處理下，整個測量期間（a，d）、生長季（b，e）和非生長季（c，f）的土壤CO?累積通量。
圖3.添加硅灰石對土壤無機碳（SIC，a，e）、溶解性無機碳（DIC，b，f）、有機碳（SOC，c，g）和溶解性有機碳（DOC，d，h）的影響。
圖4.添加硅灰石對土壤pH（a，e）、交換性鈣（Ca，B，f）、鎂（Mg，c，g）和鉀（K，d，h）的影響。
圖5.生物量增加 (a)、凋落物產(chǎn)生 (b) 和細根生物量 (c) 對硅灰石添加的響應。
表1.直接測量法與陽離子電荷平衡法估算IC封存量的比較。
表2.土壤CO2通量與土壤溫度在0-5 cm土層深度關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)。
Year | Treatment | a | b | p | R2 | Q10 |
2022 | W0 | 7.08 | 0.104 | ＜0.001 | 0.91 | 2.84 |
W1 | 5.77 | 0.108 | ＜0.001 | 0.88 | 2.95 | |
W2 | 5.62 | 0.110 | ＜0.001 | 0.84 | 3.02 | |
2023 | W0 | 7.17 | 0.092 | ＜0.001 | 0.88 | 2.50 |
W1 | 6.56 | 0.102 | ＜0.001 | 0.89 | 2.77 | |
W2 | 6.57 | 0.103 | ＜0.001 | 0.89 | 2.79 |
研究發(fā)現(xiàn)：給森林“撒硅灰石”，兩年后怎么樣了？
土壤呼吸：
施用不同濃度的硅灰石后年通量分別降低16.5%和15.4%，與礦物層土壤有機碳（SOC）穩(wěn)定性增強相關(guān)；第二年通量分別升4.1%和5.1%，主要由于根系呼吸增強，同時Oa+e 層 pH 升高和 DOC 增加可能促進了有機碳分解。
土壤碳庫：
增強巖石風化在顯著增加土壤無機碳的同時，通過鈣離子介導的“礦物—有機質(zhì)結(jié)合”作用，增強了礦質(zhì)層（0–10 cm）土壤有機碳的穩(wěn)定性，在不同土層中表現(xiàn)出對無機碳和有機碳的協(xié)同影響。
植被響應：
樹木年生物量增量、凋落物產(chǎn)量與細根生物量均隨硅灰石添加量增加而上升，雖未達統(tǒng)計顯著水平，但揭示了植被生長對碳匯的潛在貢獻。
無機碳固存：
兩種方法測算的無機碳固存量相差3.8～4.9 倍，提示固碳量的評估受方法差異影響顯著，實際固碳效率仍需通過長期觀測進一步驗證。
結(jié)語：森林碳中和的新路徑
這項來自東北落葉松人工林的實地試驗為增強巖石風化在森林生態(tài)系統(tǒng)中的固碳作用提供了關(guān)鍵證據(jù)。研究顯示，增強風化會同時影響無機碳形成、土壤有機碳穩(wěn)定性以及根系與微生物過程，使森林碳匯呈現(xiàn)出明顯的時間動態(tài)特征。
雖然試驗周期僅兩年，但結(jié)果表明：增強風化可能通過“礦物—土壤—植被”多過程共同作用，參與森林碳循環(huán)并潛在提升碳匯。未來仍需開展更長期、更系統(tǒng)的監(jiān)測，以全面評估其在森林生態(tài)系統(tǒng)中的固碳潛力與應用前景。
發(fā)表期刊：Forest Ecology and Management【影響因子：3.7】
研究單位：中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所、法國原子能委員會-科學研究中心等
研究地點：中國東北長白山西坡20年樹齡的落葉松種植園
使用設(shè)備：PS-9000便攜式土壤碳通量自動測量系統(tǒng)
