通过定量X射线粉末衍射验证了农田中矿物風化加速的直接证据

《Applied Geochemistry》：Direct Evidence for Enhanced Mineral Weathering in Cropland Verified by Quantitative X-ray Powder Diffraction

　　

黑川康平|中尾淳|东间和树|富田保孝|久保克昌|野村和树|柳井淳太

京都府立大学生命与环境科学研究生院，日本京都市左京区幡伎町下导致了1-5，邮编606-8522

摘要

增强型岩石风化（ERW）是一种有前景的二氧化碳（CO₂）去除（CDR）策略，该方法涉及将玄武岩等粉末状岩石施用于农田，以加速岩石矿物的自然风化过程。然而，尽管最近进行了许多现场研究，但由于大多数研究依赖于阳离子预算来估计ERW引起的CDR，因此缺乏土壤中岩石矿物风化的直接证据。在这项研究中，荞麦在施用了150吨/公顷玄武岩粉末的田块和未施用玄武岩粉末的田块中种植了2.5个月，并使用定量X射线粉末衍射（XRPD）技术测量了种植期间土壤中玄武岩矿物含量的变化。施用玄武岩粉末显著增加了土壤中斜长石（例如拉长石和拜城石）和辉石等玄武岩矿物的含量，且在种植后根区的玄武岩矿物含量显著减少。根区的减少量约为非根区的8.5倍。与输入相比，根区中拉长石的百分比减少量为25.6%，拜城石为58.8%，辉石为65.1%，这反映了拜城石和辉石相比拉长石更快的风化速率。据估计，这些矿物风化带来的最大CDR为2.5个月内7.2吨CO₂/公顷。这些结果首次提供了施用于农田的玄武岩矿物风化的定量证据，并证明了在田间条件下应用先进的XRPD分析技术进行ERW诱导CDR监测、报告和验证的可行性。

引言

为了限制全球温度的上升，需要大规模的二氧化碳（CO₂）去除（CDR）（联合国环境规划署，2024年）。已经提出了各种CDR技术，包括直接空气捕获（Bui等人，2018年）、土壤碳储存（Lal，2004年）和增强型岩石风化（ERW）（Beerling等人，2020年）。ERW通过将玄武岩矿物以粉末形式施用于农田来加速其自然风化过程，近年来受到了广泛关注（Beerling等人，2025年；Gaucher等人，2025年；Kanzaki等人，2025年；Xu等人，2025年）。

在土壤中，CO₂溶解在水中（H₂O）形成碳酸氢盐（HCO₃^?）和氢离子（H⁺）：$$' role="presentation">$$释放的H⁺被玄武岩矿物（这里表示为CaMgSi₂O₆）的溶解所消耗，从而释放出阳离子（例如Ca²⁺、Mg²⁺）：$$氢离子的消耗促进了方程（1）中的正向反应，从而通过HCO₃^?的传输在数千年内实现了CDR（Kanzaki等人，2023年；Renforth & Henderson，2017年）。ERW的全球CDR潜力估计每年可达数亿吨CO₂（Beerling等人，2020年；Gaucher等人，2025年；Strefler等人，2018年），并且2025年首次颁发了通过ERW实现的CDR信用（Isometric，2025年）。因此，对ERW诱导CDR的可靠监测、报告和验证的需求正在增长。

为了估计农田中的ERW诱导CDR，许多先前的研究量化了风化产物（如Ca²⁺和Mg²⁺）的预算（Beerling等人，2024年；Kantola等人，2023年；Larkin等人，2022年；Ryan等人，2024年）。然而，这种基于阳离子的方法可能会错误估计ERW诱导的CDR，因为Ca²⁺和Mg²⁺也来自外部来源，包括灌溉水、火山灰和风尘。在湿润、火山活动频繁以及低至中纬度地区，这些外部输入尤为重要，因为这些地区有利于ERW的发生（Baek等人，2023年；Beerling等人，2020年；Cong等人，2024年）。此外，农田土壤是一个开放系统，溶质的输出使得质量平衡计算变得复杂（Clarkson等人，2024年；Reershemius等人，2023年），而且矿物风化在植物根区具有空间异质性，并且在那里得到显著增强（Hinsinger等人，2006年；Kelly等人，1998年）。这些因素导致仅通过阳离子预算估计ERW诱导CDR时存在很大的不确定性（Knapp等人，2023年；Power等人，2025年）。

这些局限性突显了直接量化施用于农田土壤中的玄武岩矿物的必要性，以便独立于外部阳离子来源评估ERW，并确定其在田间条件下的空间变化。由于缺乏高通量的土壤定量矿物分析方法，这种方法尚未得到应用。然而，最近在定量X射线粉末衍射（XRPD）方面的进展正在解决这一瓶颈（Butler & Hillier，2021a，2021b）。XRPD用于土壤定量矿物分析的可靠性已经得到验证（Kurokawa等人，2024年），并且之前已将其应用于量化土壤矿物对养分储备及其植物可利用性的贡献（Butler等人，2020年；Kurokawa等人，2025年）。

本研究的目的是验证XRPD用于量化土壤中玄武岩矿物含量的可靠性，并利用XRPD来识别荞麦种植期间土壤中玄武岩矿物含量和风化产物的变化。

章节片段

田间实验

在日本福岛县的农田上进行了田间实验。该农田的土壤被归类为Haplic Fluvisols（IUSS工作组WRB，2022年），质地为粉质壤土（体积密度：1200千克/立方米）。根据日本1:200,000的地质图（日本地质调查局，2022年），实验土壤来源于第四纪形成的沉积岩。玄武岩（20千克；Horie Kenzai有限公司，秋田，日本）使用高速研磨机研磨成粉末

参考样品中的玄武岩矿物含量

通过XRPD测量了含有已知比例（5%、10%、15%）玄武岩粉末的农田土壤混合物中玄武岩矿物（即斜长石和辉石）的含量。图2显示了基于参考土壤和玄武岩粉末中XRPD测得的已知玄武岩矿物含量（重量%）与XRPD实际测得的含量（重量%）之间的关系。XRPD数据显示，各样品之间的差异显著

结论

使用先进的完整模式拟合方法进行XRPD分析，成功确定了荞麦种植前后土壤中的玄武岩矿物含量。施用玄武岩粉末显著增加了玄武岩矿物的含量，而XRPD检测到种植后根区中这些矿物含量的显著减少。与输入相比，不同玄武岩矿物的降低百分比各不相同，这反映了它们之间的差异

CRediT作者贡献声明

黑川康平：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理。柳井淳太：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调。野村和树：资源协调、调查。久保克昌：资源协调、项目管理、调查。富田保孝：撰写——审阅与编辑、调查。东间和树：撰写——原始草稿、方法论、调查。中尾淳：撰写——原始草稿、方法论、调查。中尾淳：撰写——原始草稿

日本地质调查局，2022年。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：中尾淳报告称获得了日本学术振兴会的财政支持。黑川康平报告称获得了日本学术振兴会的财政支持。中尾淳还报告获得了新能源和工业技术发展组织的财政支持。如果有其他作者，他们声明自己也获得了相应的支持

致谢

本文的部分内容基于来自新能源和工业技术发展组织（NEDO）委托的项目JPNP18016的结果。这项工作还得到了JSPS KAKENHI资助（项目编号JP25K01923）的支持。

我们想感谢北海道大学的Shinano教授在选择我们的田间实验地点方面提供的帮助。黑川康平还想感谢日本学术振兴会（JSPS）通过JSPS海外项目对他的支持