科研进展 | 本刊青年编委原作强课题组揭示增强岩石风化对于森林土壤碳固持过程的作用及关键调控途径

学术   2024-08-28 17:01   北京  

作为陆地生态系统主体,森林具有强大的固碳增汇功能,尤其是近10年间我国累计造林面积达5944万hm2,人工林约占我国森林面积的1/3,直接为全球贡献了约1/4的新增绿化面积,在应对气候变化中发挥着重要作用。探索新型生物/生态碳捕集、利用与封存途径,科学评估其增汇效应的经济可行性和时间可持续性是落实国家碳中和战略的迫切需要。增强岩石风化(enhanced rock weathering)是一种基于自然的二氧化碳去除(carbon dioxide removal,CDR)技术,这种地质过程已经自然发生了数百万年,并可长期稳定地固定大气中的二氧化碳。通过合理干预,人类可以加速这一自然进程,从而更好的应对气候变暖。作为一项较为崭新的概念和技术(2020年首次提出),当前学界对增强岩石风化对森林生态系统影响的认识还不是十分清晰。

本刊青年编委——西北工业大学生态环境学院原作强课题组以西双版纳人工橡胶林为研究对象,通过人工措施将来自矿场的硅灰石边角余料破碎成粉末,添加到森林土壤表面来模拟增强岩石风化过程(对照:0、低水平:0.25 kg m-2和高水平:0.5 kg m-2),旨在揭示该措施对于森林土壤碳固持过程的作用及关键调控途径(图1)。


增强岩石风化措施调控的土壤有机碳形成与稳定的潜在机制



基于2年的研究发现,增强岩石风化措施可以同时提高土壤有机碳和HCO3的含量,其中,低水平和高水平添加分别提高了4%和22%的有机碳,提高了16%和42%的无机碳(图2a, h)。但是从储量上看,有机碳储量的增加可达无机碳的4-8倍,占土壤总碳增量的80%以上(图3e, f)。这说明增强岩石风化过程不仅有助于促进无机的二氧化碳吸收过程,更可以提高土壤有机碳的积累速率,且对于有机碳的促进作用远大于无机碳。

不同水平硅灰石添加对土壤碳组分及碳通量的影响

风化速率与土壤碳组分的关系及不同水平硅灰石添加对有机碳和无机碳储量的作用


进一步分析发现,硅灰石添加对土壤有机碳积累的影响受土壤理化性质、根系性状和微生物特征的共同调控,且土壤理化性质单独的贡献度远高于根系和微生物的作用(图4a)。通径分析结果表明:硅灰石在风化过程中向土壤中释放的Ca、Si和Fe元素,激活了土壤矿物碳泵对于有机碳的稳定作用,这些矿质元素还刺激了细根的生长和微生物残体碳的积累,进一步促进了矿物结合态有机碳(MAOM)的形成和土壤有机碳稳定性的提高(图4b, c)。

本研究在以往模型研究的基础上,通过野外控制实验证实了增强岩石风化过程对土壤有机碳的促进作用,拓展了有关增强岩石风化措施对于森林生态系统固碳功能的认知和理解,为巩固和提升人工林生态系统碳汇能力提供了理论依据和数据支撑。

增强岩石风化调控土壤有机碳及其稳定性的机制


该研究成果于近日在线发表于国际学术期刊Global Change Biology西北工业大学博士后许彤彤为论文第一作者,原作强教授为通信作者。中科院沈阳应用生态研究所、中科院西双版纳植物园、法国气候与环境科学实验室、英国谢菲尔德大学和比利时安特卫普大学等多家单位联合参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金项目、中国科学院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金、陕西省重点研发计划和云南省重点研发计划的资助。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.17464

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