在亚热带冷杉人工林中，通过清除下层植被来调节增强岩石风化作用对土壤呼吸的影响

《Agricultural and Forest Meteorology》：The effect of enhanced rock weathering on soil respiration was modulated by understory removal in a subtropical fir plantation

本研究在火力楠林地进行滑石岩添加实验，对比有无下层植被去除处理下土壤呼吸（R_s）、异养（R_h）和自养（R_a）呼吸的两年变化，发现滑石岩显著提高R_s和R_a，但对R_h无影响，且下层植被去除缓冲了滑石岩对R_s的影响，提示CO2去除潜力需考虑土壤呼吸增加的影响。

　　本研究聚焦于增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）技术对土壤呼吸（Soil Respiration, Rs）的影响，特别是该技术在不同林分管理方式下的表现。ERW是一种通过将粉碎的硅酸盐岩石添加到土壤中，以促进碳封存的创新方法。这一技术利用硅酸盐岩石与大气中的二氧化碳发生反应，形成可溶于水的碳酸盐和碳酸氢盐，从而将其输送至海洋并长期储存。该方法被认为是一种高效的碳去除技术，尤其适用于温暖湿润的地区，因为这些地区的岩石风化效率较高。

尽管ERW的碳封存潜力已被广泛讨论，但目前对于其对土壤呼吸的影响仍缺乏系统的研究。土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分，主要由异养呼吸（Heterotrophic Respiration, Rh）和自养呼吸（Autotrophic Respiration, Ra）组成。异养呼吸主要来源于土壤微生物分解有机质，而自养呼吸则来自植物根系的代谢活动。在评估ERW的碳去除效果时，若忽视了土壤呼吸的变化，可能会导致对实际碳平衡的误判。

本研究在湖南的中国南方亚热带湿润气候区，选取了一片中国 Fir（Cunninghamia lanceolata）人工林作为实验对象。这片人工林的林分密度为每公顷2500株，树干直径约为7厘米，树高约6.5米。实验设计包括两种处理方式：一种是添加 wollastonite（WA）的处理，另一种是不进行添加的对照处理。此外，还考虑了林下植被清除（Understory Removal, UR）这一林分管理方式对实验结果的影响。UR通常用于减少林下植被与树木之间的资源竞争，从而促进树木的生长。然而，UR对土壤性质和呼吸过程的影响尚不明确，因此本研究试图揭示其对ERW效果的潜在调节作用。

实验持续两年，期间定期测量了土壤呼吸及其各组分的变化，并分析了土壤的理化性质。研究发现，WA显著提高了土壤呼吸（Rs）和自养呼吸（Ra），分别增加了16.1%和51.8%。然而，WA对异养呼吸（Rh）没有明显影响。这一结果表明，WA对土壤呼吸的刺激主要来自于植物根系活动的增强，而非土壤微生物的分解作用。同时，WA导致土壤pH值升高了12.5%，从4.40升至4.95。这说明硅酸盐岩石的添加能够改善土壤酸碱平衡，从而为植物生长提供更有利的条件。

在土壤营养成分方面，WA增加了土壤中可利用硅（Si）和交换性钙（Ca）及镁（Mg）的浓度，同时降低了交换性铝（Al）的浓度。铝作为土壤中的一种有毒元素，通常会对植物根系造成抑制作用。因此，WA可能通过降低铝的毒性，提升土壤中其他营养元素的可利用性，从而增强植物根系的代谢活动。这进一步解释了为何WA对Ra的影响更为显著，因为Ra直接反映了植物根系的碳代谢过程。研究还发现，Ra与土壤pH值、交换性钙和可利用硅浓度呈正相关，而与交换性铝浓度呈负相关。这些相关性为理解WA如何通过改变土壤性质来影响植物根系活动提供了重要的线索。

尽管WA对Rs和Ra产生了显著的促进作用，但其影响在不同林分管理方式下表现不一。UR对Rs和Ra没有显著影响，但显著降低了Rh。这表明，UR可能通过改变土壤微气候，间接影响了土壤微生物的活动。然而，UR对WA效果的调节作用并未得到证实。研究发现，WA和UR之间存在显著的交互作用，尤其是在生长季节，UR可能缓冲了WA对Rs的影响。这可能是因为UR改变了土壤的温度和湿度条件，从而影响了岩石风化的速率。然而，具体机制仍需进一步研究。

本研究的结果具有重要的生态和农业意义。首先，WA能够显著提升土壤呼吸，这表明该技术可能在促进碳循环的同时，增加土壤碳排放。因此，在评估ERW的碳去除潜力时，需要考虑到其对土壤呼吸的促进作用。其次，WA对Ra的影响比对Rh的影响更为显著，这提示我们应更加关注植物根系活动在ERW过程中的作用。此外，UR对WA效果的缓冲作用可能为未来的林分管理实践提供参考，即在应用ERW技术时，应考虑不同林分管理方式对土壤性质和呼吸过程的综合影响。

从全球角度来看，ERW在农业用地上的碳封存潜力估计为每年20亿吨二氧化碳（Gt CO? yr?1），这为应对气候变化提供了重要的技术手段。然而，该技术的实施必须考虑到其对土壤生态系统的影响。例如，WA可能通过改变土壤酸碱度和营养成分，促进植物生长，但同时也可能增加土壤碳排放。因此，在推广ERW技术时，需要综合评估其对碳循环的正负影响，以确保其在减少大气中二氧化碳浓度方面的有效性。

此外，本研究还揭示了ERW技术在不同林分管理方式下的应用潜力。在某些情况下，UR可能削弱WA对土壤呼吸的促进作用，这提示我们应谨慎选择林分管理方式，以最大化ERW的碳去除效果。例如，在生长季节，UR可能通过改变土壤的微气候，降低岩石风化的速率，从而影响WA对土壤性质的改善效果。因此，在实际应用中，可能需要结合不同的林分管理策略，以达到最佳的碳封存效果。

总体而言，ERW作为一种潜在的碳去除技术，其对土壤呼吸的影响不容忽视。本研究的结果表明，WA能够通过改善土壤酸碱度和营养成分，显著促进自养呼吸，从而增强土壤碳排放。这一发现对于理解ERW在生态系统中的作用具有重要意义。同时，UR对WA效果的调节作用提示我们，在实际应用中应考虑林分管理方式对ERW效果的潜在影响。未来的研究需要进一步探讨不同林分管理方式对ERW效果的具体机制，以及如何在不同生态系统中优化ERW的应用。此外，还需关注ERW对土壤微生物群落和植物根系活动的长期影响，以确保该技术的可持续性和生态友好性。