岩石也能缓解气候变化？科学家说很可行

原文作者：Johannes Lehmann &Angela Possinger

加强岩石的风化作用可以大量去除大气中的CO₂。现在看来，就技术成本和去除CO₂的潜力而言，这种方法的前景不亚于其他策略。

减缓全球变暖需要大规模脱除大气中的二氧化碳。Beerling等人[1]在《自然》撰文指出，强化土壤中的岩石风化作用对于消除大气中CO₂的全球战略具有巨大的技术和经济潜力。将碾碎的玄武岩或其它硅酸盐材料加入到土壤中，它会慢慢分解并与CO₂反应形成碳酸盐，最终留在土壤里，或流入海洋。作者认为，这项技术每年能从大气中去除5亿到20亿吨的CO₂——脱除率与其他陆基方法类似，如土壤中累积有机碳，地质构造中的碳捕获和碳封存以及向土壤中添加生物炭（一种富碳材料）。

Beerling和同事发现，在美国、加拿大和欧洲，通过加强岩石风化作用去除大气中CO₂的平均成本为每吨CO₂ 160-190美元，而在中国、印度、墨西哥、印度尼西亚和巴西，这一成本为每吨CO₂ 55-120美元。此外，作者报告说，中国、美国和印度作为使用化石燃料的三大主要CO₂排放国，采用这种技术去除CO₂的潜力最大。但他们也指出，将硅酸盐材料施用于土壤（图1）需要仔细进行风险评估，以防金属和持久性有机化合物（环境中耐降解的化合物）的可能污染。

图1|向农田投加硅酸盐材料。Beerling等人[1]证明，向土壤中投加碾碎的玄武岩或者其他硅酸盐材料可以强化岩石的风化作用，是一种去除大气中二氧化碳的有效策略。来源：Ilsa B Kantola.

尽管这一成果可能会激发新一轮的研究热情，但要强调的是，即使在乐观的假设下，对于全球每年因使用化石燃料造成的碳排放来说，强化岩石风化只能封存其中一部分碳。因此，减少碳排放仍是避免气候变化严重后果的首要任务。但是，正如Beerling等人指出，清除CO₂仅靠一种方法是不够的，应将新方法作为一种选项，组合使用。

其他一些陆基碳封存技术更依赖于土壤。然而，通过岩石风化作用对无机碳的吸附与对有机碳的吸附有着根本的区别。后者依靠植物的光合作用从大气中去除CO₂，并在土壤中以微生物残留物为主要形式保留植物碳。因此，科学家今后应该更加关注他们所指的“碳封存”的意义——是无机的还是有机的?

通过加强岩石风化作用来封存大气中的CO₂，同有机碳封存一样，既有一些吸引力，也面临一些挑战。事实上，对作物生产有益肯定是两种方法的关键优势。在强化岩石风化作用的情况下，添加的岩石含有必要的植物营养物质，如钙和镁，以及能在多方面促进作物生产的钾和微量元素。在这点上，我们会比作者说得更直接一些，这些营养物质目前在农业中还处于供应不足的状态。

仅靠提高土壤pH值就能大幅提高世界上许多地区的作物产量，可能正是因为pH值较低，才限制了2亿多公顷耕地和果园土壤上的作物生产[3]。这个面积占到了这类土壤总面积（9.67亿公顷；见go.nature.com/31rcajd）的约20%。因此，在全球范围内，酸性是土壤无法开展农耕的最大限制因素[4]。然而，目前还没有关于低pH和最优pH值土壤之间作物产量差异的多区域详细分析，而这类调查有助于研究不同碳封存方法的协同作用。可以想见，作者提出的添加岩石的方法可以缓解一些地区农业用石灰石的短缺[5]。此外，钙还能促进酸性表层土壤中根系的生长[6]，这样生长的植物根系可以吸收更多的水分，产生非常重要的连锁效应。

将强化岩石风化作用与其他基于土壤的碳封存方法相结合，既可以互相补缺，又可以最大限度地发挥协同作用[7]。Beerling和同事的研究提示了这方面的机会，也暗示了程序上和土壤生物地球化学方面的限制。更快的作物生长会增加土壤中作物废弃物（收割后留在田里的作物残料）的输入，从而增加有机碳的积累。然而，钙和有机物之间的相互作用能阻止CO₂返回大气的可能性却很少被探索，关于镁产生的影响的相关资料也很少。原则上，钙可以通过促进有机物被粘土吸附、被包含进碳酸盐或积聚作用来减少有机物的分解[8]。但不仅仅是有机物与粘土矿物之间的相互作用需要研究，钙的间接作用——通过改变微生物的生态学特征或与有机化合物的相互作用——目前也研究甚少。

如果协同作用成为有机碳封存和作物生产之间的一种取舍，土壤中的有机碳含量可能会减少，从而威胁到农民的生计，甚至是粮食安全。任何涉及土壤的碳封存技术都是一项难以推广、预测和监测的严峻挑战[9]，因为封存技术必须能在数亿农民管理的广袤土地上应用。不可避免的是，如果对农民的激励无效，或供应链中断，在个别情况下，预测的增产可能无法实现，甚至要面临作物减产。但是科学家不应该放弃评估这些技术，而是要认清这一点：农民需要自主调整土壤管理模式，以满足他们各自的土地特征和作物产量目标。这需要全球共同努力，藉由以农民为中心的研究进行因地制宜的优化。

肥料的配销网遍布世界上许多地方。但是，即使在这些渠道覆盖的地方，成功采用强化岩石风化作用可能并不仅仅仰仗于它对作物生产带来的益处。我们假设碳市场是必需的，如果它能鼓励开展社会和环境上负责的实践，那将是有益的[10]。要使技术符合条件，就必须表明这些技术除了能增加土壤肥力之外，还能为该技术的使用者带来额外好处（额外性）。我们必须强调，无论是采用强化岩石风化作用还是其他基于土壤的碳封存技术，都要对克服额外性挑战的农民主动提供公正和财政上宽松的合理激励措施[10]。

因此，这里的主要结论或许是，去除大气中CO₂的几项主要潜在技术要为粮食生产带来巨大效益，并且这些技术是以土壤管理为中心的。这种全球协作离不开农民的支持，否则它将以失败告终。科学家需要认识到，缓解气候变化本身并不是一个足够的激励措施，他们应该优先考虑这些技术对作物生长有什么好处，财政激励也同样如此。通过财政支持土壤健康和作物生产可能是解决大气中CO₂排放问题的最佳手段。

参考文献：

1. Beerling, D. J. et al. Nature 583, 242–248 (2020).

2. Pacala, S. et al. Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda (National Academy of Sciences, 2018).

3. von Uexküll, H. R. & Mutert, E. Plant Soil 171, 1–15 (1995).

4. Wood, S., Sebastian, K. & Scherr, S. J. Pilot Analysis of Global Ecosystems: Agroecosystems (World Resources Inst., 2000).

5. Fabregas, R., Fabregas, M., Robinson, J. & Schilbach, F. Evaluating Agricultural Information Dissemination in Western Kenya (International Initiative for Impact Evaluation, 2017).

6. Lynch, J. P. & Wojciechowski, T. J. Exp. Bot. 66, 2199–2210 (2015).

7. Amann, T. & Hartmann, J. Biogeosciences 16, 2949–2960 (2019).

8. Rowley, M. C., Grand, S. & Verrecchia, É. P. Biogeochemistry 137, 27–49 (2018).

9. Bradford, M. A. et al. Nature Sustain. 2, 1070–1072 (2019).

10. Cavanagh, C. J., Vedeld, P. O., Petursson, J. G. & Chemarum, A. K. J. Peasant Stud. https://doi.org/10.1080/03066150.2019.1707812 (2020).

原文以Removal of atmospheric CO₂ by rock weathering holds promise for mitigating climate change为标题发表在2020年7月8日的《自然》新闻与观点版块

© nature

doi:10.1038/d41586-020-01965-7

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