土壤呼吸丨中国东北温带落叶松种植园的固碳潜力

　　研究背景：岩石风化如何成为气候救星？

　　为应对日趋严峻的全球气候危机，除减少碳排放外，能够主动清除大气CO₂的“负排放技术”已成为迫切需求。其中，“增强岩石风化”作为一种通过施用特定岩石粉末以加速天然固碳过程的地球工程技术，近年来受到广泛关注。

　　过往的研究多聚焦于农田系统，证实了该技术在固碳与改善土壤肥力方面的双重效益。然而，作为地球碳汇体系的重要组成部分，森林生态系统中有机碳储存和树木生长的响应研究相对较少。实际上，森林碳汇不仅来自土壤碳库，还与植被生长及系统级碳循环过程密切相关。

　　在此背景下，中国科学院沈阳应用生态研究所团队在《Forest Ecology and Management》发表了研究成果。基于为期两年的落叶松人工林实地试验，研究者通过施用硅灰石，追踪了土壤呼吸、无机碳与有机碳变化以及树木生长等关键过程，系统揭示了增强岩石风化在森林生态系统中的固碳机制。

　　研究方法：实地添加硅灰石，两年追踪碳足迹

　　实验设计：研究团队在长白山西坡一处20年树龄的落叶林种植园，随机分布12个样地（每个30 m×30 m）。相邻样地之间保持至少20 m的缓冲区，2022年7月31日施用硅灰石，设3个处理水平，每个组4个重复：

　　对照组：不添加硅灰石；

　　低剂量组：5吨/公顷；

　　高剂量组：10吨/公顷；

　　监测指标：土壤CO₂通量、土壤有机碳/ 无机碳变化、树木生物量、凋落物和细根的生长情况等指标；

　　土壤碳通量采用PS-9000便携式土壤碳通量自动测量系统（北京理加联合科技有限公司）进行监测。两年内累计完成49次原位观测，所有采样在固定时段（上午8:30-12:30）进行，施用硅灰石后，在土壤解冻到土壤冻结期间每周测量一次。同时结合同步记录的土壤温度数据，为准确量化增强岩石风化对土壤呼吸的动态影响及其温度敏感性提供了可靠依据。

图1.图(a)和(b)分别展示了施用硅灰石岩粉（0–5 cm土层深度）后一年(2022年)、第二年 (2023年) 未施用 (W0)、施用5 tha⁻¹(W1) 和10 t ha⁻¹(W2)处理下土壤温度和含水量的变化，图(c)则展示了土壤CO₂通量的变化。图(c)中的插图展示了施用硅灰石前所有样地的土壤CO₂通量。

图2.2022年和2023年，在未施用（W0）、施用5 t ha⁻¹（W1）和施用10 t ha⁻¹（W2）硅灰石岩粉的处理下，整个测量期间（a，d）、生长季（b，e）和非生长季（c，f）的土壤CO₂累积通量。

图3.添加硅灰石对土壤无机碳（SIC，a，e）、溶解性无机碳（DIC，b，f）、有机碳（SOC，c，g）和溶解性有机碳（DOC，d，h）的影响。

图4.添加硅灰石对土壤pH（a，e）、交换性钙（Ca，B，f）、镁（Mg，c，g）和钾（K，d，h）的影响。

图5.生物量增加 (a)、凋落物产生 (b) 和细根生物量 (c) 对硅灰石添加的响应。

表1.直接测量法与阳离子电荷平衡法估算IC封存量的比较。

表2.土壤CO₂通量与土壤温度在0-5 cm土层深度关系的关键参数。

　　研究发现：给森林“撒硅灰石”，两年后怎么样了？

　　土壤呼吸：

　　施用不同浓度的硅灰石后年通量分别降低16.5%和15.4%，与矿物层土壤有机碳（SOC）稳定性增强相关；第二年通量分别升4.1%和5.1%，主要由于根系呼吸增强，同时Oa+e 层 pH 升高和 DOC 增加可能促进了有机碳分解。

　　土壤碳库：

　　增强岩石风化在显著增加土壤无机碳的同时，通过钙离子介导的“矿物—有机质结合”作用，增强了矿质层（0–10 cm）土壤有机碳的稳定性，在不同土层中表现出对无机碳和有机碳的协同影响。

　　植被响应：

　　树木年生物量增量、凋落物产量与细根生物量均随硅灰石添加量增加而上升，虽未达统计显著水平，但揭示了植被生长对碳汇的潜在贡献。

　　无机碳固存：

　　两种方法测算的无机碳固存量相差3.8～4.9 倍，提示固碳量的评估受方法差异影响显著，实际固碳效率仍需通过长期观测进一步验证。

　　结语：森林碳中和的新路径

　　这项来自东北落叶松人工林的实地试验为增强岩石风化在森林生态系统中的固碳作用提供了关键证据。研究显示，增强风化会同时影响无机碳形成、土壤有机碳稳定性以及根系与微生物过程，使森林碳汇呈现出明显的时间动态特征。

　　虽然试验周期仅两年，但结果表明：增强风化可能通过“矿物—土壤—植被”多过程共同作用，参与森林碳循环并潜在提升碳汇。未来仍需开展更长期、更系统的监测，以全面评估其在森林生态系统中的固碳潜力与应用前景。

　　发表期刊：Forest Ecology and Management【影响因子：3.7】

　　研究单位：中国科学院沈阳应用生态研究所、法国原子能委员会-科学研究中心等

　　研究地点：中国东北长白山西坡20年树龄的落叶松种植园

　　使用设备：PS-9000便携式土壤碳通量自动测量系统