wollastonite（硅灰石）施用剂量对水稻产量和土壤碳封存的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Effects of wollastonite application doses on rice yield and soil carbon sequestration

　　

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  硅灰石通过提高土壤肥力和植物养分吸收，显著提高了水稻产量。
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  在接近中性的水稻土中，硅酸钙（SIC）的积累量随着施用剂量的增加而持续增加。
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  尽管表层土壤中可检测到的硅酸钙积累量有限，硅灰石仍提高了酸性水稻土的水稻产量。
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  初始土壤性质调节了矿物风化与硅酸钙积累之间的关系。
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  针对特定土壤的风化增强（ERW）管理策略最大限度地提高了农艺效益和碳封存效果。

引言

大气中二氧化碳（CO₂）浓度的持续上升是全球气候变化的主要驱动力（Dosio et al., 2018）。除了减少排放外，CO₂的移除（CDR）越来越被认为是实现长期气候缓解目标的必要策略。农业系统受到了越来越多的关注，因为可以通过管理措施显著调节耕地中的土壤碳储量（Frank et al., 2024）。因此，在保持作物生产力的同时增强土壤碳储存是可持续农业的核心挑战（Lal, 2004, Zaidi et al., 2017）。在新兴的CDR策略中，风化增强（ERW）被提出作为一种有前景的方法，可以同时促进碳封存和改善土壤肥力（Beerling et al., 2018, Baek et al., 2023）。据估计，ERW在耕地中的全球CO₂移除潜力可达每年2 Gt CO₂（Beerling et al., 2020, Chen et al., 2025）。

硅酸盐矿物的风化会释放植物可利用的钙（Ca）、镁（Mg）和硅（Si），从而提高土壤肥力，增强作物对养分的吸收，并提高作物生产力（Guntzer et al., 2012, Song et al., 2014, Liang et al., 2015b, Xia et al., 2023, Wang et al., 2024）。先前的研究表明，在不同的作物种类和环境条件下，施用硅酸盐矿物后，水稻产量可增加5%至177%（Ten Berge et al., 2012, Crusciol et al., 2019, Haque et al., 2019a, Rudmin et al., 2019, Kelland et al., 2020）。除了这些农艺效益外，风化产生的钙离子（Ca²⁺）和镁离子（Mg²⁺）可以与溶解的无机碳反应生成碳酸盐，有助于长期碳封存（Haque et al., 2019a, Haque et al., 2020, Kelland et al., 2020, Guo et al., 2023b, Beerling et al., 2024）。在美国进行的一项田间实验表明，连续四年施用玄武岩后，累计无机碳封存量可达每公顷10.5吨二氧化碳（Beerling et al., 2024）。在全国范围内，中国耕地通过ERW实现的年碳汇潜力估计为每年0.28至0.40 Gt CO₂（Guo et al., 2023a）。

在主要粮食作物中，水稻特别值得关注，因为水稻田在全球范围内面积广泛，并对全球粮食安全起着关键作用（K?gel-Knabner et al., 2010）。水稻田特有的淹水条件显著影响矿物风化、养分循环和碳转化过程（K?gel-Knabner et al., 2010, Wei et al., 2019）。在各种硅酸盐矿物中，硅灰石（CaSiO₃）因其较高的风化反应性和能够为作物提供可利用的硅和钙而受到越来越多关注（Haque et al., 2019a），这两种元素对水稻生长至关重要，并可能有助于无机碳封存。一项先前的田间研究表明，在接近中性的水稻土中，每公顷施用5吨硅灰石可使水稻产量增加12%，并以硅酸钙的形式封存最多1.2吨二氧化碳（Wang et al., 2024）。在酸性、缺硅的水稻土中，硅灰石也能通过缓解土壤酸度并增加硅和钙的供应来提高水稻产量（高达30%）（Mao et al., 2019）。然而，关于酸性水稻土中无机碳封存的田间证据仍然不足。酸性水稻土通常具有低碱饱和度（< 50%）（Zhang et al., 2023）、快速的有机物周转率和高养分淋溶潜力（Dai et al., 2018, Guo et al., 2018, Dong et al., 2022）等特点。结合南方水稻种植区的高降雨量，这些条件可能会促进硅灰石的快速溶解（Deng et al., 2023），同时限制风化产物的保留和土壤中碳酸盐的稳定性（Khalidy et al., 2023），从而限制长期无机碳封存。此外，以往在水稻田中的研究几乎都集中在单一的硅灰石施用剂量上，尚未明确在不同土壤条件下水稻产量和碳封存是否对硅灰石的剂量具有依赖性。这一知识空白限制了针对特定地点优化硅灰石施用策略，以最大化农艺效益和碳封存效果。

为了解决这些知识空白，我们在中国东北部的沈阳和中国南部的吉安两个具有代表性的水稻种植区进行了多次不同剂量的硅灰石施用实验。这两个地点代表了中国的两大主要水稻种植环境，分别涵盖了风化程度较低的中性土壤和风化程度较高的酸性土壤，以及主要的粳稻和籼稻生产系统。本研究的目标是：（1）评估基于硅灰石的风化增强（ERW）在典型的酸性水稻土中是否也能实现农艺效益和碳封存效果；（2）确定这些效益在不同水稻土中的剂量依赖性；（3）研究不同土壤条件下潜在的农艺效益和碳封存差异背后的土壤-植物过程。与以往的研究相比，本研究将基于硅灰石的风化增强评估范围从接近中性的土壤扩展到了典型的酸性土壤，并从单一施用剂量扩展到了剂量依赖性效应，为了解土壤条件如何影响农艺表现和通过风化增强实现的土壤无机碳封存提供了新的见解。

章节片段

实验地点和材料

在中国南部和北部选择了两个具有不同气候条件的代表性水稻种植区。北部的中性水稻田位于辽宁省沈阳市（41°31′ N, 123°22′ E）。该地区具有温带半湿润大陆性气候，年平均气温为8.4 °C，年降水量在600至800毫米之间，主要集中在6月至8月。土壤类型为棕壤，pH值为6.5–7.5。

南部的酸性

水稻产量及其组成

沈阳和吉安两地硅灰石施用对水稻产量的影响存在差异（图1A）。在吉安，观察到显著的线性增长（p = 0.001），T_2.5和T₅分别使产量增加了9%和9%（9.43, 9.48, 10.32, 10.37吨/公顷）。在沈阳，虽然没有观察到显著的线性关系，但在T_2.5、T₅和T₁₀条件下，籽粒产量分别增加了3%、5%和9%。沈阳的秸秆干生物量也有增加趋势

硅灰石对水稻产量的影响

在两个地点，硅灰石施用均导致了水稻产量的增长，增幅取决于施用剂量，介于3%至9%之间。这些结果表明，基于硅灰石的风化增强可能在不同类型的水稻土中实现农艺效益。这一发现与之前的田间研究结果一致，即硅酸盐矿物的施用通过提高土壤肥力和增加植物必需养分的可用性来提高作物生产力（

结论

在不同剂量的硅灰石施用下，两种类型的水稻土都表现出了水稻产量的正向响应，证明了基于硅灰石的风化增强在水稻系统中的农艺潜力。在常见的5吨/公顷施用剂量下，两个地点的水稻产量都有所增加；即使将剂量降至2.5吨/公顷，仍能产生正向的产量响应。产量的提高伴随着土壤养分的增加和植物养分的变化

CRediT作者贡献声明

王芳娜：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿编写，可视化，研究，数据分析，概念化。朱菲菲：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。曹玉松：撰写 – 审稿与编辑，研究。王彦枝：撰写 – 审稿与编辑，概念化。曲玉英：撰写 – 审稿与编辑，研究。谢 Jin：撰写 – 审稿与编辑，研究。张欣文：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢以下机构的财政支持：中国国家重点研发计划（2023YFD150080203）、中国科学院战略性先导科技专项（XDA28020300和XDA28090309）以及江西省水资源科学研究院开放研究基金项目（2022SKLS01）。此外，我们还要感谢许多工作人员在野外采样和分析方面提供的帮助。这项工作得到了沈阳农田站的联合支持

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