利用实验获得农学响应和场地特定供应链参数的日本增强岩石风化(ERW)效益-成本分析

《Cleaner Environmental Systems》：Benefit-Cost Analysis of Enhanced Rock Weathering in Japan Using Experimentally Derived Agronomic Responses and Site-Specific Supply-Chain Parameters

　　

增强岩石风化(ERW)是一种二氧化碳移除(CDR)技术，有助于缓解气候变化，同时提供农学效益。然而，其可行性取决于场地特定供应链条件和作物响应，且项目级财务表现仍未被充分探索。本研究通过生命周期和技术经济分析开展了ERW的场地特定评估，并利用包含采石场矿物组成、实验获得粉碎能耗和基于地理信息系统(GIS)的运输距离在内的数据集，计算了常规投资指标（净现值(NPV)和盈亏平衡条件）。农学协同效益通过前人文献的木薯田间试验数据以及本研究开展的温室实验进行评估，结果显示相对于未处理对照组，橄榄岩使产量增加18–30%，玄武岩使产量增加0–6%，这些增量被转化为经济收益。对日本18个采石场场景的ERW方案进行了20年评估，假设每年施用2000吨岩石。破碎和粉碎是主要排放源，占53.8 kg CO₂-eq t^-1 rock yr^-1，而运输排放范围为0.88至38.27 kg CO₂-eq t^-1 rock yr^-1，取决于距离。高反应性橄榄岩场地实现了高达1,077 kg CO₂-eq t^-1 rock yr^-1的净CO₂移除。相反，三个玄武岩场地因矿物反应性低和过程相关排放高而显示无效的CO₂移除。在基准情景下，纳入农学协同效益和碳信用收益的NPV分析显示，橄榄岩场地实现了正向直接盈利能力，而玄武岩场地未达到盈亏平衡，表明需要更高的作物销售价格或碳信用价值才能实现盈利。

**研究背景、问题与动机**
实现《巴黎协定》的温控目标需深度减排，但农业、交通和重工业等领域的残余排放难以消除，因此二氧化碳移除(CDR)技术日益重要。增强岩石风化(ERW)通过加速硅酸盐矿物在土壤表面的自然溶解，将大气CO₂转化为碳酸氢盐或碳酸盐离子，同时改善土壤肥力、提供养分并缓冲酸度，具有农学协同效益。然而，现有ERW评估多聚焦于全球或区域尺度的单位CO₂移除成本，项目级财务绩效（如净现值(NPV)和盈亏平衡条件）极少被考察，部分原因是农学响应、风化速率和供应链物流的不确定性导致现金流估算困难。为填补这一空白，研究人员构建了详细的场地特定数据集，对日本18个橄榄岩和玄武岩采石场进行20年评估（每年施用2,000吨岩石），结合生命周期评价(LCA)和技术经济分析(TEA)，将实验获得的农学响应纳入财务指标，旨在更真实地评估ERW的环境与经济可行性，为早期部署策略和政策设计提供依据。该论文发表在《Cleaner Environmental Systems》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：①通过X射线衍射分析采石场矿物组成，作为反应性输运模型(QPAC)的输入，模拟CO₂吸收潜力；②利用实验室粉碎实验确定Rittinger常数，基于Bond功指数比例估算橄榄岩和玄武岩的粉碎能耗；③结合地理信息系统(GIS)计算各采石场到最近农田的实际道路距离，基于10吨卡车燃油经济性估算运输排放和成本；④通过冲绳宫古岛田间试验（施用10 wt%岩石粉，3次重复，12株木薯/小区）和RIKEN温室实验（28°C、12小时光周期，盆钵栽培，100 t/ha施用率）测量木薯块根产量响应，将产量增量转化为经济收益；⑤整合所有数据开展LCA和TEA，计算NPV、盈亏平衡作物价格和最低碳信用价值。样本来源包括日本18个现有采石场，以及木薯品种“Kasetsart 50”和宫古岛田间试验（Kodama等，2025）。

**研究结果**
**3.1 Life cycle CO₂**
通过整合矿物组成分析、实验粉碎能耗和GIS运输距离，研究人员评估了各采石场生命周期CO₂平衡。破碎和粉碎是主要排放源（52–54 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1），运输排放因距离差异从0.88（IK）到38.27 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1（KMJM）。橄榄岩场地（HKD、THO、NNHN）CO₂吸收潜力高（380–1,138 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1），实现净移除321–1,077 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1；而三个玄武岩场地（HRE、HG、SMN）因低反应性和高过程排放，生命周期CO₂为正值，即排放超移除。

**3.2 Agronomic co-benefit from crop yield experiments**
通过田间和温室实验，研究人员量化了农学协同效益。宫古岛试验中，玄武岩和橄榄岩使木薯块根产量分别增加6%和30%（施用167 t/ha）；RIKEN温室中，橄榄岩增加18%，玄武岩无显著增加。按40 t/ha施用率折算，橄榄岩的平均农学协同效益为94 USD/t-rock，玄武岩为9.4 USD/t-rock。橄榄岩的高反应性促进更快溶解和养分释放，是其更强农学效益的原因。

**3.3 Site-dependent variation in the levelized cost of CO₂ removal**
平准化CO₂移除成本(LCOR)在场地间差异显著。橄榄岩场地HKD、THO、NNHN的LCOR分别为66.5、115.4、212.1 USD/t-CO₂，处于文献报道的50–200 USD/t-CO₂范围内。而玄武岩场地中，TS、FTB、KMJM因CO₂吸收低且运输距离长，LCOR高达2,000–12,500 USD/t-CO₂；HRE、HG、SMN因无净移除而无法计算LCOR。这表明场地矿物组成和运输距离是LCOR的关键决定因素。

**3.4 Net present value analysis of enhanced rock weathering across sites**
基准情景下（贴现率4%、木薯价格5.06 USD/kg、碳信用价值136 USD/t-CO₂），橄榄岩场地HKD（440万美元）、THO和NNHN（均>182万美元）实现正向NPV，表明其直接盈利能力。所有玄武岩场地NPV为负，主要因CO₂移除量低导致碳信用收入少，且农学协同效益不足以覆盖成本。运输距离显著影响，如KMJM的运输成本占总成本48%。敏感性分析显示，贴现率、木薯价格和CO₂封存潜力的变化会改变NPV结果。

**3.5 Minimum cassava selling price and minimum carbon credit value**
在固定碳信用价值136 USD/t-CO₂下，橄榄岩场地HKD和THO的最小木薯价格为零，即碳信用收入已足够覆盖成本；NNHN为1.35 USD/kg（低于市场价）。玄武岩场地所需最小木薯价格远高于市场价（17.96–64.67 USD/kg）。在固定木薯价格5.06 USD/kg下，橄榄岩场地所需最小碳信用价值为零；玄武岩场地中，KNN、KNHN、YNGW、SISN、SD在200–536 USD/t-CO₂的碳信用价格范围内可能实现盈亏平衡，而TS、FTB、KMJM需极高碳信用值（2,325–10,955 USD/t-CO₂），表明这些场地在现实市场中难以盈利。

**3.6 Comparison with previous ERW studies**
本研究结果与先前ERW评估大体一致，但强调了场地特定条件的重要性。粉碎能耗高于Li等(2024)和Kroeger等(2026)的报道，但低于Moosdorf等(2014)的理论范围；橄榄岩的农学反应（18–30%产量增加）强于Beerling等(2024)的玄武岩结果（12–16%），而本研究中玄武岩反应较弱（0–6%）。经济上，部分采石场LCOR在文献范围内，另一些因低封存潜力和长运输距离而成本极高。本研究通过整合18个日本采石场的场地特定数据，揭示了环境和经济绩效的显著场地间变异。

**总结讨论与结论翻译**
**总结讨论**：研究人员指出，ERW的可行性和经济性高度依赖于场地矿物组成、运输距离和农学响应。橄榄岩因其高反应性和强农学效益，在NPV和盈亏平衡指标上表现优于玄武岩。但橄榄岩可能含有镍、铬等痕量金属，在农业应用中需考虑风险和社会接受度，这些未纳入当前经济评估。运输距离是影响成本的关键因素，长距离运输显著抬高LCOR和盈亏平衡阈值。碳信用价格的不确定性也是重要变量，目前200–536 USD/t-CO₂的范围使部分玄武岩场地可能实现盈利，但需特定条件。研究结果强调了场地特定数据集对ERW评估的必要性，并为政策制定和场地选择提供了指导。

**翻译研究结论部分**：
增强岩石风化(ERW)是一种二氧化碳移除技术，能够缓解气候变化并提供农学效益。然而，其项目级财务绩效仍缺乏充分评估，且强烈依赖于当地供应链条件和作物响应。本研究通过生命周期和技术经济分析，对ERW开展了场地特定评估，计算了标准投资指标，包括净现值(NPV)和盈亏平衡点（最低作物销售价格和所需最低碳信用）。研究使用了包含采石场矿物组成、实验测量粉碎能耗和基于地理信息系统(GIS)的运输距离在内的数据集。此外，农学协同效益（定义为相对于未施用岩石对照组的产量增加）通过前人文献的木薯田间试验数据以及本研究开展的温室实验进行评估，并将产量增量转化为经济收益。该方法为ERW部署提供了更准确的财务视角。
本研究分析了日本18个采石场（包括橄榄岩和玄武岩），设定20年情景，每年施用2,000吨岩石。CO₂平衡考虑了采矿、破碎、粉碎、运输和撒施的排放。生命周期CO₂结果显示，破碎和粉碎是主要排放源，达53.8 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1，而运输排放范围从IK的0.88到KMJM的38.27 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1。HKD的CO₂吸收量高达1,138 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1，实现净移除1,077 kg CO₂ t^-1 rock yr^-1。相反，三个玄武岩场地（HRE、HG和SMN）因矿物反应性低和过程相关排放高而显示无效的CO₂移除。矿物组成分析、实验粉碎能耗和基于GIS的运输评估的整合，使研究人员能够清晰评估场地特定绩效。
CO₂平准化成本在场地间差异很大（从HKD的66.5 USD t^-1-CO₂到FTB的超过12,500 USD t^-1-CO₂），反映了CO₂移除潜力和物流的差异。收益来源于碳信用和农学协同效益。碳信用代表每吨CO₂移除的潜在财务回报。农学协同效益使玄武岩的块根产量增加0–6%，橄榄岩增加18–30%，分别产生平均收益9.4和94 USD/吨岩石。纳入这些收益的NPV分析显示，橄榄岩场地实现了正向直接盈利能力，而玄武岩场地在当前市场条件下未达到盈亏平衡，需要更高的木薯销售价格或碳信用价值才能实现正向NPV。这些发现强调了详细场地特定数据对于确定ERW可行性的重要性，并为场地选择和支持大规模ERW部署的政策框架提供了指导。
本研究存在若干局限性，包括对未来能源价格和排放强度的固定假设。未来工作应纳入动态能源情景、基于市场的岩石价格、下游农业成本以及基于MRV的永久性评估，以提供更全面的TEA评估。日本还需要开展长期、场地特定的田间试验，特别是针对水稻和大豆等主要主粮作物，以在真实耕作条件下改进农学和经济估算。