玄武岩改良剂对土壤理化性质及有机碳稳定性的影响研究——基于长期田间试验的证据

《iScience》：Effects of rock amendment on soil physicochemical properties and organic carbon stabilization

本研究针对增强矿物风化(EMW)技术在农业土壤中的应用，探讨了长期施用粉碎玄武岩对土壤结构和有机碳(SOC)稳定性的影响。通过在玉米/大豆轮作系统开展为期六年的田间试验，研究人员系统评估了玄武岩、石灰和对照处理对土壤化学性质、团聚体结构和碳保护机制的作用。结果表明，玄武岩改良显著提升土壤pH值和交换性钙离子浓度，但SOC储存主要受土壤深度和耕作管理调控而非岩石添加。研究为EMW技术的土壤生态效应提供了重要实证依据。

　　

随着气候变化对农业生态系统的压力日益加剧，寻找可行的碳去除技术已成为全球关注的焦点。增强矿物风化(Enhanced Mineral Weathering, EMW)作为一种具有潜力的碳封存策略，通过将粉碎的硅酸盐岩石施加到土壤中，利用碳酸加速矿物风化过程，从而实现大气二氧化碳的去除。然而，长期施用玄武岩对土壤结构发育和有机碳稳定性的影响尚不明确，这限制了该技术的大规模应用。

为解答这一科学问题，研究团队在美国伊利诺伊大学能源农场建立了长期田间试验平台，系统比较了对照、玄武岩和石灰处理对土壤理化性质的综合影响。该研究创新性地采用Kullback-Leibler(KL)散度指标量化土壤结构发育程度，并通过多指标关联分析揭示了碳保护机制的主导因素。

研究人员采用了一套完整的土壤分析技术体系：通过化学分析测定土壤有机碳(SOC)、pH值、阳离子交换量(CEC)和养分含量；利用湿筛法进行团聚体分级并分析碳分布特征；结合HYPROP系统和WP4C露点水势仪测定土壤水分特征曲线；应用主成分分析(PCA)整合土壤理化指标的相关性；特别引入KL散度指数量化土壤结构发育状态。试验样本来自玉米/大豆轮作系统下不同处理的田间原位采样。

土壤化学性质特征

研究发现玄武岩处理使土壤pH值显著升高至7.2，显著高于石灰处理(6.7)和对照(6.1)。交换性钙离子浓度在玄武岩(2,171±151 mg kg^-1)和石灰处理(2,122±211 mg kg^-1)中显著高于对照(1,608±174 mg kg^-1)。然而，三种处理间的SOC浓度、有效磷钾含量和CEC均无统计学差异，表明岩石添加主要改变了土壤钙循环和酸碱平衡，而未显著影响有机碳储量。

土壤物理性质变化

土壤质地在所有处理和深度均归类为粉壤土(FAO分类)，孔隙度和植物有效水分等参数处理间无显著差异。土壤容重呈现明显的深度分层现象，表层土壤(1-6 cm)容重(1.28-1.33 g cm^-3)显著低于下层土壤(15-20 cm, 1.38-1.47 g cm^-3)，反映了耕作活动对土壤结构的差异化影响。

团聚体分布特征

大团聚体(>500μm)是各处理中最主要的团聚体级别，处理间无显著差异，但深层土壤的小团聚体比例显著高于表层。团聚体碳分布分析显示，各处理间SOC在团聚体中的分配模式相似，但深层土壤的粉+粘粒组分(<53μm)表现出更高的碳富集程度(E_OC=0.84-0.88)，而表层该组分则相对贫化(E_OC=1.11-1.15)。

土壤结构发育评估

PCA分析表明，pH值、交换性钙和氢离子是区分处理的主要因子。KL散度分析显示，石灰处理在两种深度均表现出最高的土壤结构发育程度(KLD=0.53和0.45)，玄武岩处理在表层土壤的结构发育(KLD=0.43)优于对照(KLD=0.35)。深层土壤由于耕作压实作用，团聚体更易破碎为细小单元，结构发育程度普遍较低。

研究结论表明，虽然玄武岩改良能有效改善土壤化学环境，但有机碳的稳定储存主要受土壤深度和耕作管理调控，而非直接受岩石添加影响。耕作活动对团聚体的破坏作用抵消了钙介导的碳保护潜力。值得注意的是，即使经过六年的高量施用，玄武岩积累也未对土壤物理特性产生负面影响，这为EMW技术的长期应用提供了安全性依据。

该研究的创新性在于首次通过长期田间试验系统评估了EMW技术对土壤结构和碳稳定性的综合影响，揭示了土壤管理措施在碳封存中的主导作用。研究结果对优化农业碳封存策略具有重要指导意义，表明未来EMW技术的实施需要与保护性耕作等土壤管理措施相结合，才能最大化其生态效益。