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向土壤中添加石粉如何有助于将碳排放到土壤中

在伊利诺斯州的Leverhulme气候变化减缓中心的研究玉米地上,玄武岩分布着。

在伊利诺斯州的Leverhulme气候变化减缓中心的研究玉米地上,玄武岩分布着。

这个故事是由食品与环境报告网络耶鲁环境360.经允许在此重印。

在纽约日内瓦附近一个炎热潮湿的八月天,加勒特·鲍迪诺站在一片大麻地里,绿色的茎高出他6英尺4英寸的身躯一英尺或更多。今天,这位留着胡子的康奈尔大学研究助理将收获6英亩的作物,在红色塑料垃圾箱中称重,并继续分析过去三个月埋在田地里的数百个水样,这些水样是用一种叫做蒸渗仪的测量装置采集的。

布迪诺是康奈尔大学一个研究小组的成员,他将在接下来的两天里辛勤工作,看看今年早些时候添加到土壤中的一种不同寻常的成分是否有助于提高产量和固碳。布迪诺说:“我们亲切地称这种土壤改良剂为‘岩石粉末’,这不是很贴切。”“但实际上是硅酸盐岩石被磨成细粉。”

大麻田间试验只是康奈尔大学农业与生命科学学院院长本·霍尔顿领导的项目之一。在过去的两年里,他和同事们工作土地创新中心位于加州大学戴维斯分校的研究联盟一直在测试各种土壤改良剂,这些改良剂能从空气中吸收碳并将其封存在地下。他们在纽约和加利福尼亚的农田里测试了生物炭、肥料和石粉,到目前为止,最有效的土壤处理方法是把玄武岩磨成粉末。

“据我所知,”霍尔顿说,“我们的项目是同类项目中规模最大的,采用了这种密集的科学方法。”

研究人员正在伊利诺斯州的玉米地、澳大利亚的甘蔗地和加拿大的大豆地上散布玄武岩。

大麻田间试验不仅仅是测试哪些改良剂可以提高产量和固碳,还研究了应使用多少石粉才能获得最佳效果。有些路段每英亩有20吨的岩石粉尘,而另一些路段则有40吨,这使得研究人员能够对粉尘、土壤和作物之间的关系进行更精细的描述。这项研究增加了越来越多的科学工作,表明这些土壤改良剂有可能成为帮助解决气候危机的众多措施之一。

农业占全球近四分之一的二氧化碳排放,使农业的一个重要组成部分的努力达到零到2050年,全球变暖限制在摄氏1.5度,增加科学家警告世界不应超过如果我们想要避免的一些更剧烈的气候变化的后果。为了帮助减少大气中的碳,科学家曾经提议在海洋中播撒铁。这一策略是被批评为破坏环境和无效并没有得到广泛的认可。但是在土壤中播种能吸收碳的石粉可以。

除了霍尔顿之外,从英国到加拿大的科学家们正在农业用地上测试各种土壤改良剂,评估它们通过一种叫做增强风化的过程吸收了多少碳。霍尔顿的研究人员在加利福尼亚使用玄武岩到纽约的大麻和在加利福尼亚的紫花苜蓿和橄榄树上,科学家们在谢菲尔德大学工作。勒沃胡姆减缓气候变化中心英国的玄武岩正在伊利诺斯州的玉米地和澳大利亚的甘蔗上蔓延。在加拿大的安大略省,研究人员正在研究硅灰石的应用从附近大豆和紫花苜蓿地里的矿井里挖的。

在康奈尔大学的AgriTech农业实验站,研究人员Zack Kozma(左)从一块被添加到土壤中的岩石粉尘中采集水样。(来源:Garrett Boudinot)

根据联合国的说法。政府间气候变化专门委员会(IPCC),岩石自然去除每年从大气中排放10亿吨二氧化碳(这个数字随着时间的推移而变化)。在农田中添加石粉会加速化学反应,从而将碳锁在土壤中数千年。如果在全球范围内应用于农田,理论上,石尘每年可以帮助从空气中吸收大约20亿到40亿吨二氧化碳,占全球农业温室气体排放量的34%到68%。尽管处理这么多土地可能是不现实的,但这一过程有可能迅速扩大规模,因为石粉并不短缺,农民也不需要购买新的设备来使用:他们的谷仓里已经有了施肥设备。

“这是一项令人难以置信的激动人心的技术,它为社会带来了很多好处,坦率地说,我们可以很快部署它,”霍尔顿说。

在康奈尔项目中使用的添加剂玄武岩,是采矿和制造作业的副产品,在世界各地都可以找到。一些估计显示出足够的玄武岩岩石粉尘储存,以治疗地球的农田数年。

“岩石提取是我们作为一个物种所做的最大的事情之一,”爱丁堡赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)研究碳捕获的工程师菲尔·伦福斯(Phil Renforth)说。“按质量计算,我们开采岩石的工作量是粮食生产的两倍多。”

含有岩石尘埃的土块(右)。(来源:苏菲纳斯鲁拉)

玄武岩含有镁、钙和硅等成分。当岩石被粉碎并施加到土壤中时,镁和钙从二氧化硅中释放出来,并在其穿过土壤时溶解在水中。土壤中的矿物质与水和碳发生反应,否则这些物质会返回大气,形成碳酸氢盐,这些碳酸氢盐可以在水中滞留数千年,最终进入海洋,在那里它们可以沉淀成石灰石,在海底停留数百万年。

不同的改良剂导致土壤中的化学反应略有不同,土壤提供了不同的条件,例如不同的pHs。一些改良剂,如硅灰石,可能在固碳方面效果更好,但数量并没有那么多。其他可能含有重金属,这可能会损害农作物和地下水。霍尔顿说:“这是岩石的化学性质;这是岩石的可用性;然后是这种材料的碳效益,以及我所说的‘负面后果’的可能性。”。

种植作物的不同土地需要大量的田间试验来评估土壤中的碳含量,但结果令人鼓舞。在加利福尼亚州的地块上,初步结果显示碳吸收量增加了一倍。霍尔顿说,考虑到这些作物是在该州历史上最干燥的条件下种植的,这是令人惊讶的。

如果有一天碳市场实现了,农民就可以为他们吸收的碳量得到补偿。

Leverhulme中心主任大卫·比林(David Beerling)在长达十年的研究农田风化增强的努力中已经投入了五年时间,他去年在华盛顿发表了一篇论文自然界这证明了该方法的潜力。他和同事们发现,如果中国、印度和美国在他们所有的农业用地上使用石粉,可以从大气中去除10亿吨二氧化碳。

到目前为止的研究成果是足够重要的,IPCC提到的增强风化它最近的报告他列举了在土壤上散布磨碎的岩石的方法,作为捕获更多碳和刺激农田生产力的一种方法。

但科学家们仍在权衡这些应用的成本和收益,包括运输材料的费用以及更好地计算碳储存和作物产量的收益。研究人员可能很快就会有更多的数据可供参考:霍尔顿和比林进行的规模更大的试验结果最快可能在明年公布。

岩石粉尘的应用不仅对气候有利,还可以帮助农民。对玉米和紫花苜蓿的田间试验表明,由于岩石粉尘释放出磷和钾等其他必需营养素,作物产量有所增加。在某些情况下,产量高出30%,这可能会吸引农民在增加收成的同时减少投入。最初的重量测量表明,纽约大麻田的产量也可能更高。

科学家们正在权衡这些土壤应用的成本和收益,包括运输材料的费用。

Beerling指出,岩尘还可能影响氮循环,最终使农民可以少施氮肥。这可能会减少营养污染问题,特别是在玉米带州,那里的径流流入密西西比河流域,然后流入墨西哥湾。比尔林和研究人员正在绘制一张玄武岩和农作物的地图,该地图可以应用于中西部13个州。

尽管拜登政府已经提出鼓励“碳农业”,但减少大气中的碳排放还没有为农民提供收入来源。霍尔顿和比尔林都在寻找一种作物能够捕获多少碳的确切数量,这样,如果市场真的出现结果,农民就可以为他们所捕获的碳量付费。

为了实现这一目标,Boudinot正在研究大麻田的土壤水化学,以了解在地表以下一英尺处有多少碳酸氢盐形成。这些数据,加上来自加利福尼亚试验田的信息和Leverhulme中心领导的前五年研究的结果,可以为农业社区提供关键的证据。

比尔林问道:“你认为一种二氧化碳去除技术怎么样?它可以重复利用废石粉,捕获碳,改善土壤,恢复土壤,提高产量。”。“至少在短期内,如果你有这些材料和证据,这是一个不需要动脑筋的问题。你为什么不去做呢?”

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