[论文解读] Enhanced weathering in the U.S. Corn Belt delivers carbon removal with agronomic benefits
本研究证明，在美国玉米带地区通过施用破碎玄武岩进行增强风化，可在四年内实现每公顷15.4 ± 4.1吨二氧化碳的封存，同时通过改善土壤肥力和减少酸化，使玉米和大豆产量提高12%–16%。该方法还可减轻氧化亚氮排放，为气候减缓和农业生产力提供协同效益。
Enhanced weathering (EW) with crushed basalt on farmlands is a promising scalable atmospheric carbon dioxide removal strategy that urgently requires performance assessment with commercial farming practices. Our large-scale replicated EW field trial in the heart of the U.S. Corn Belt shows cumulative time-integrated carbon sequestration of 15.4 +/- 4.1 t CO2 ha-1 over four years, with additional emissions mitigation of ~0.1 - 0.4 t CO2,e ha-1 yr-1 for soil nitrous oxide, a potent long-lived greenhouse gas. Maize and soybean yields increased 12-16% with EW following improved soil fertility, decreased soil acidification, and upregulation of root nutrient transport genes. Our findings suggest that widespread adoption of EW across farming sectors has the potential to contribute significantly to net-zero greenhouse gas emissions goals and global food and soil security.
研究动机与目标
- 评估在真实世界条件下，于美国玉米带商业玉米和大豆种植中，施用破碎玄武岩进行增强风化的性能。
- 量化大规模重复田间试验中长期的碳封存和温室气体通量。
- 评估农艺结果，包括作物产量、土壤肥力以及营养转运相关基因的表达。
- 确定增强风化在实现净零排放和粮食安全目标方面的潜力。
提出的方法
- 在美国玉米带多个农场开展大规模、重复的田间试验，每年施用10吨/公顷的破碎玄武岩。
- 通过土壤碳和矿物分析，测量四年间累积的二氧化碳封存量。
- 监测温室气体通量，包括氧化亚氮（N₂O），以评估间接排放的缓解效果。
- 分析土壤pH值、营养元素可利用性（如钙、镁、钾）以及与营养转运相关的根部基因表达。
- 使用统计建模方法，关联风化施用量与作物产量及土壤健康指标之间的关系。
- 将田间数据与生物地球化学模型相结合，预测其可扩展性及气候效益。
实验结果
研究问题
- RQ1在美国玉米和大豆系统中，通过施用玄武岩进行增强风化，其长期碳封存的规模有多大？
- RQ2玄武岩风化如何影响美国玉米带的作物产量和土壤肥力？
- RQ3增强风化在多大程度上可减少农业土壤的氧化亚氮排放？
- RQ4玄武岩风化如何影响玉米和大豆根部营养转运相关基因的表达？
- RQ5增强风化在多大程度上可实现广泛推广，以支持净零排放和粮食安全目标？
主要发现
- 在美国玉米带地区，通过施用玄武岩进行增强风化，四年间累计实现每公顷15.4 ± 4.1吨二氧化碳的碳封存。
- 由于玄武岩施用改善了土壤肥力并减少了酸化，玉米和大豆产量提高了12%–16%。
- 土壤氧化亚氮排放减少了0.1–0.4吨二氧化碳当量/公顷/年，表明其在气候减缓方面具有协同效益。
- 玉米和大豆根部的营养转运相关基因均被上调，表明营养吸收效率提高。
- 该方法在支持净零排放目标的同时，展现出良好的可扩展性，并有助于土壤和粮食安全。
- 玄武岩风化降低了土壤酸度，提高了钙、镁、钾等必需营养元素的可利用性。
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