通过增强风化作用从美国绿色粘土网球场上去除二氧化碳

《Applied Geochemistry》：Carbon dioxide removal by enhanced weathering on American green clay tennis courts

硅酸盐风化通过绿色粘土网球场的建设与维护实现CO?封存，生命周期分析显示其年封存量超2.5万吨，中位数球场3.5年达净负排放，碳排放较硬地场减少1.6-3倍。

　　

弗兰克·J·帕维亚|乔纳森·E·兰伯特

华盛顿大学海洋学学院，美国华盛顿州西雅图

摘要

在美国，有40,000个网球场是通过铺设类似于用于增强岩石风化以去除二氧化碳的玄武岩原料建造和维护的。因此，这些球场上很容易发生硅酸盐风化，但这种风化所带来的碳封存效应从未被量化过。我们建立了一个模型，用于量化绿色粘土网球场在其使用寿命期间的净二氧化碳（CO₂）封存量。我们计算了与硅酸盐风化相关的总二氧化碳封存率，并对球场建设过程中的排放进行了生命周期分析。这使我们能够确定每个球场的净封存率，并评估在不同地点实现最大二氧化碳封存的因素。我们发现，从单一的蓝岭变质玄武岩加工地点到球场的运输距离是大多数球场排放的主要来源。综合考虑所有因素，绿色粘土网球场每年可封存超过25,000吨二氧化碳，其中一半的球场在3.5年内实现净二氧化碳负排放。我们的排放分析还表明，绿色粘土网球场在整个生命周期内排放的二氧化碳量是硬质球场的1.6至3倍。最后，我们讨论了改变原料特性和优化绿色粘土网球场维护做法的潜力，以进一步减少其碳足迹，并实现可验证的二氧化碳去除。

引言

随着全球平均气温接近工业化前平均水平的1.5°C——这是政府间气候变化专门委员会（IPCC，2018年）设定的理想上限——人们越来越关注量化并调整碳在大气中的流动，以支持减少温室气体（GHG）排放的全球努力。为了通过减少温室气体排放来限制未来的升温，政府、非营利组织、私营公司和其他利益相关者正在开展诸如提高效率、脱碳、使用可再生能源技术等气候变化缓解活动。然而，越来越明显的是，为了完全限制升温，还需要额外的二氧化碳去除（CDR）措施，因为所有将温度升高控制在1.5°C以下（甚至2°C）的模型路径都包含了一定程度的二氧化碳去除（IPCC，2023年）。

二氧化碳去除（CDR）是一系列方法/技术的总称，其目标是通过增强自然过程、增加自然汇和/或采用工程技术直接从大气中去除二氧化碳（IPCC，2013年；Minx等人，2018年）。CDR通常被分为不同的“途径”，如增强岩石风化（ERW）、海洋碱度增强（OAE）和直接空气捕获（DAC）。这些途径专注于现有碳循环中的特定人类和自然系统（Chiquier等人，2022年；RMI，2023年），并且它们的应用框架通常已经存在。因此，CDR往往只需要改进现有系统，并且在农业施肥、高尔夫球场表层覆盖以及绿色粘土网球场的建设和维护等工业和土地利用实践中具有很高的效率。

ERW是一种新兴的CDR途径，它依赖于加速自然硅酸盐风化过程，这一过程在行星尺度上调节大气中的二氧化碳含量（Beerling等人，2020年，2018年；Berner和Berner，1997年；Hartmann等人，2013年；Maher和Chamberlain，2014年；Penman等人，2020年；Renforth，2012年）。在地质时间尺度上，硅酸盐矿物与二氧化碳反应并发生化学风化（方程式（1），（2）生成碱金属阳离子（例如Mg²⁺和Ca²⁺）以及以稳定碳酸氢根离子（HCO₃^-）形式的碱度。

碳酸氢根以水溶液的形式被输送到海洋中，最终以镁和钙碳酸盐矿物（例如MgCO₃和CaCO₃）的形式储存在海底，从而形成从大气到海洋和沉积物的稳定长期碳通量（Berner，2004年；Berner和Berner，1997年；Martin，2017年；Penman等人，2020年）。在非常长的时间尺度上（数百万年），海洋沉积物和碳酸盐的俯冲以及随后的火山活动会重新释放储存的二氧化碳（例如Burton等人，2013年；Walker，1985年）。

ERW通过以下方式加速自然化学风化来去除大气中的二氧化碳：1）通过将硅酸盐原料粉碎到毫米（mm）和微米（μm）级别，增加可风化的表面积（Gislason和Oelkers，2003年；Lewis等人，2021年）；2）通过将原料铺设在农田等地点，增加可风化的土地面积（Andrews和Taylor，2019年；Beerling等人，2025年；Kantola等人，2017年；Taylor等人，2017年）。随着这些原料的风化，碱金属阳离子被释放到土壤中，并通过碳酸氢根的碱度达到电荷平衡，随后这些离子在通过土壤层、溪流和河流最终进入海洋的过程中参与一系列的离子交换和碳酸盐系统反应（Clarkson等人，2024年；Larkin等人，2022年；Zhang等人，2022年）。

ERW特别适合用于农业用地，因为许多农民已经将粉碎的碳酸盐（“石灰”）施用于田地以调节土壤pH值，因此将硅酸盐用于ERW可以无缝融入现有的工程和部署流程中（Schuiling和Krijgsman，2006年；Sumner和Noble，2003年；West和McBride，2005年；Yamada，2005年）。与碳酸盐的风化相比，硅酸盐的风化在化学计量上更有优势，因为这种反应会释放2摩尔的碱度，而碳酸盐的风化仅释放1摩尔碱度（方程式（3），（4）（例如Hartmann，2009年）。

重要的是，当碳酸是风化剂时，CDR的效率最高——而不是当其他酸（如硝酸或硫酸）导致化学风化时（方程式（5），（6）（例如Taylor等人，2021年）。此外，CDR只有在“额外”的情况下才能发生，即如果没有特定的干预，硅酸盐风化本身不会导致碳封存（例如Millock，2013年；Nolan等人，2024年）。这导致本文在术语上有所区分，“CDR”指的是符合额外性标准的过程，而“碳封存”指的是任何导致二氧化碳从大气中移除的过程。

农业并非唯一适合ERW的行业，研究还表明它在沿海/大陆架环境（Meysman和Montserrat，2017年；Montserrat等人，2017年）、草原（Bell等人，2024年）甚至高尔夫球场（Zhou，2024年）中也具有可行性。在所有这些情况下，都必须改变现有做法才能实施和优化ERW。然而，绿色粘土网球场（也称为Har-Tru或Rubico网球场）已经通过在大面积上铺设粉碎的硅酸盐来替代硬质/混凝土球场（Har-Tru，2025年；Luck Stone，2025年）。

绿色粘土网球场是北美常见的替代红土网球场的选择，后者在欧洲和中美洲/南美洲更为常见。绿色粘土（构成整个球场——包括地表和地下）是由粉碎的蓝岭变质玄武岩（BRMB）制成的。这种材料不同于通常由粉碎砖块制成的红土（例如James，2015年）。尽管存在这些差异，这两种球场都是通过将多层材料堆叠在一起建造的，而没有使用任何固体混凝土层。由于北美的球场材料不同，这些网球场自1931年首次建造以来可能一直通过硅酸盐风化去除二氧化碳（Gentry，2023年）。这种二氧化碳封存途径此前从未被量化过。

在这里，我们计算了主要位于美国大陆的绿色粘土网球场通过硅酸盐风化从大气中封存的总二氧化碳和净二氧化碳（单位为公吨）。对于总二氧化碳封存量，我们根据颗粒大小、球场温度和BRMB的化学成分来计算风化速率和封存潜力。对于净二氧化碳封存量，我们对BRMB的开采、粉碎、研磨和运输到各个球场的整个生命周期过程中的二氧化碳排放进行了分析。这一分析得出了：1）每个球场的净负排放时间及其幅度；2）我们数据库中所有已知球场的总封存量。最后，我们将绿色粘土网球场的气候影响与硬质/混凝土网球场进行了比较，并提出了提高碳封存量、改进绿色粘土网球场的监测/碳核算方法，以及实现额外且可验证的二氧化碳去除的潜力。

部分摘录

北美的绿色粘土网球场

在美国，已知有约16,000个粘土网球场，估计实际存在的粘土网球场数量可能达到约40,000个（Racquet Industry Research Group，2025年）。图1显示了美国境内的球场分布情况，以及墨西哥和加拿大的2个已知绿色粘土球场的位置。粘土网球场通常集中在美国东南部——这个地区相对温暖湿润。

碳封存模型的计算

在本节中，我们将介绍计算绿色粘土网球场总二氧化碳吸收量的方法，包括建设和维护过程的背景及时间线（例如，在球场上铺设新的变质玄武岩）。我们首先确定每吨玄武岩每年最大潜在的二氧化碳封存率（单位：吨二氧化碳）。我们根据Renforth（2012年）的方法计算了BRMB的二氧化碳封存潜力：

在RCO₂方程式中，前缀M表示

计算球场建设过程中的总二氧化碳排放

将BRMB从地质形成状态转化为适合网球场使用的三个过程是：1）开采和初步粉碎；2）研磨至更小的颗粒大小；3）运输到球场。我们计算了每个过程相关的排放量，并在表2中展示了不同情景下的数值。

计算绿色粘土网球场的净二氧化碳吸收量

在计算出绿色粘土网球场的总二氧化碳封存率以及球场建设过程中的碳排放量后，我们可以进一步计算净二氧化碳封存量。我们的封存率单位为每球场每时间的二氧化碳量，而初始排放量单位为每球场每时间的二氧化碳量。从概念上讲，我们可以将排放量视为球场的初始二氧化碳“赤字”，而二氧化碳封存则与球场的风化过程相关。

实现净零排放的时间

我们使用模型来确定数据库中2834个球场设施达到净零排放所需的时间，或者说是球场抵消其建设相关二氧化碳排放并开始净吸收大气中二氧化碳的交叉时间点（图4）。大多数（80%）达到净零排放的设施在10年内实现净零排放，92%的设施在20年内实现净零排放。

ERW在网球场上的额外性

我们发现，现有绿色粘土网球场上的ERW已经超过了其建设过程中的排放量，从而对过去一个世纪进入大气的二氧化碳量产生了可量化的影响。至少，建造一个硬质球场比建造一个绿色粘土球场多排放约3吨二氧化碳。因此，如果数据库中的所有绿色粘土球场都改建成硬质球场，那么大气中的二氧化碳量将增加约50,000吨——

CRediT作者贡献声明

弗兰克·帕维亚：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，软件开发，调查，正式分析，概念化。乔纳森·兰伯特：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论，调查，正式分析，概念化

未引用的参考文献

Lefebvre等人，2019年；Metso，2021年；Multer Hopkins和Lal，2026年；te Pas等人，2023年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢西雅图网球俱乐部及其设施经理Bruce M. Szczepanski允许我们使用他们的绿色粘土球场，并允许我们取样进行颗粒大小分析。感谢Jason Clark（Specialty Granules, LLC）提供有关BRMB供应链和材料颗粒大小分布的背景信息。同时感谢Nicolás Young博士在项目概念化阶段的初步支持，以及Thomas Weiss博士在整个项目期间的支持。最后，感谢...