农业科学岩石成壤化对土壤环境影响效应的研究进展

李王成 ,  徐昊文 ,  黄亚浩 ,  贾振江 ,  吴洋洋 ,  安文举 ,  张景翔

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7545-7557

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7545-7557 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504253
农业科学

农业科学岩石成壤化对土壤环境影响效应的研究进展

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Research Progress on Effects of Lithological Pedogenesis on Soil Environment

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摘要

土壤形成与演化极其复杂,岩石作为土壤形成的物质基础,深刻影响土壤理化性质与微生物环境。系统梳理了岩石风化对土壤环境的影响效益及其调控途径,对土壤环境演变及农业生产应用具有重要意义。基于长期视角下岩石成壤过程及成因机制的研究成果,全面阐述了岩石风化对土壤环境的直接作用效果与间接调控途径,剖析了岩石风化的内外影响因素,结合前沿探讨其在农业生产与生态系统稳定中的重要性。研究表明:土壤组成结构及养分状况等理化属性呈现显著母岩继承特征,岩性约束下岩石风化驱动微生物群落构建,塑造了土壤环境异质性;岩石自身特性是控制风化作用的关键因素,生物风化作为主导过程已成为当前研究的重难点,由区域小尺度微环境所引起的风化过程差异亦不容忽视;岩石风化作用在石质土壤环境改良、农业长效固体肥料及全球气候变暖等多领域中占据重要位置。提出未来需在岩石风化速率精准量化、风化模型构建、岩石固体肥料等研究方向深入探索,可为石质土壤环境调控和岩基新型肥源利用提供理论参考。

Abstract

Soil formation and evolution are highly complex processes, in which rocks are regarded as the foundational material that profoundly influences the physicochemical properties and microbial environments of soil. A systematic analysis of the effects of rock weathering on soil environments and their regulatory pathways was of great significance for understanding soil evolution and practical agricultural production. Based on long-term investigation into rock weathering processes and underlying mechanisms, this direct effects and indirect regulatory pathways of rock weathering on soil environments were comprehensively examined. The internal and external influencing factors were dissected, and its critical role in agricultural production and ecosystem stability was explored through cutting-edge applications. The physicochemical attributes of soil, including composition, structure, and nutrient status, are found to exhibit pronounced inheritance from parental rocks. Under lithological constraints, rock weathering is shown to drive microbial community assembly, thereby shaping soil environmental heterogeneity. The intrinsic properties of rocks are identified as key determinants of weathering processes, with biological weathering being recognized as dominant yet challenging focus in current research. Additionally, variations in weathering processes resulting from small-scale microenvironments at regional levels are noted as non-negligible factors.Rock weathering is considered pivotal in multiple fields, such as stony soil remediation, long-acting solid agricultural fertilizers, and mitigation of global climate warming. Future research should be directed toward the precise quantification of weathering rates, the development of predictive models, and the utilization of rock-based solid fertilizers. These advancements are expected to provide a theoretical foundations for regulating stony soil environments and innovating rock-derived fertilizer resources.

关键词

岩石成壤化 / 元素 / 土壤环境 / 驱动因素 / 岩基肥料

Key words

lithological pedogenesis / element / soil environment / driving factors / rock-based fertilizer

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李王成, 徐昊文, 黄亚浩, 贾振江, 吴洋洋, 安文举, 张景翔. 农业科学岩石成壤化对土壤环境影响效应的研究进展[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(18): 7545-7557 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504253
LI Wang-cheng, XU Hao-wen, HUANG Ya-hao, JIA Zhen-jiang, WU Yang-yang, AN Wen-ju, ZHANG Jing-xiang. Research Progress on Effects of Lithological Pedogenesis on Soil Environment[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(18): 7545-7557 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504253

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土壤是自然环境中人类生存和农业生产的重要资源[1],岩石作为土壤形成及地球化学循环的关键构成部分,其风化过程在陆地生态系统中扮演着极为重要的角色,深刻影响地球表层系统的物质循环与能量交换[2]。因此,对土壤中岩石风化过程及其效应的研究就显得尤为重要。
自然生态系统中岩石基质与成土物质通常协同演化形成具有特定结构的石质土壤,土壤-岩石系统广泛分布于农田和森林等生态系统,对土壤理化性质和微生物环境产生深远影响。岩石风化土壤剖面内元素化学行为有助于量化大陆风化强度,揭示土壤演变机制[3],有效追溯沉积物源区信息[4-5],对预测陆地生态系统响应气候变化的趋势具有不可或缺的借鉴价值[6]。岩石碎片的存在显著调节着土壤的水热状况,通过改变砾石含量测定土壤保水曲线的室内研究来看,砾石存在通过改变土壤孔隙率、孔隙结构及其分布,对砂质和粉质不同质地土壤的保水性和热容量均有显著影响通常表现为热惰性较高且水分含量较低[7]。四川境内的大田研究也证实,土壤剖面内整体水分含量是随着岩石碎片含量的增加而减少的,砾石存在深刻影响着土壤的水热耦合[8]。石质土壤中微生物分布模式同样独具特色,岩石表面及其内部裂隙中均有大量微生物栖息,且岩石物质组成及其风化程度决定了微生物数量以及群落间的差异[9]。砂田种植过程中元素迁移的监测结果表明[10],岩石-土壤-元素间存在明显的联系,砾石微量元素的淋溶对土壤养分,乃至植物生长影响显著。有关岩石风化作用的相关研究主要聚焦于岩石-土壤系统因岩石存在所引起一系列特异的土壤环境,以及地球化学循环过程中陆地生态系统演变和古气候反演。
随着异位岩石矿物增强风化固碳技术的逐步推广,农田配施硅酸盐岩作为一种新型农田固体长效肥料的设想应运而生,岩石风化产物对土壤和作物的调控效应逐渐受到广泛关注[11]。在配施软岩的砂壤土中,软岩的快速风化增加了土壤团聚体数量,从而改善并提升了土壤质量[12]。除缓解全球变暖主效应外,增强岩石风化在改良酸性土壤方面同样展现出显著效果[13]。室内研究表明,橄榄石和玄武岩通过释放碱金属离子来改良酸性土壤[14]。在农作物产量效益方面,以玉米为对象的室内研究初步证实了玄武岩在提高玉米生物量及产量方面的积极作用,同时也提出了长期田间试验的必要性[15]。从时空维度来看,岩石风化在塑造土壤环境、影响植被定植以及维持生态平衡等方面的重要性愈发凸显。然而,现阶段对土壤岩石风化的研究缺乏系统性和统筹性的梳理与总结,补充并完善土壤环境演变对岩石风化作用的响应效应的相关研究极具现实意义。
因此,现结合已有研究成果深入剖析与总结岩石风化对土壤环境的调控作用及其驱动因素,并对岩石风化领域的前沿应用及未来发展方向进行初步探讨,以期为石质土壤发育机制及其生态改良提供科学依据,为配施岩石改良农田的实际应用效果评估及前景展望提供理论支撑。

1 岩石风化对土壤环境的影响途径及其机理

尽管土壤形成和演化过程极为复杂,受到自然气候条件与人为活动的双重影响,但母岩风化特性在土壤科学领域始终占据着举足轻重的地位。岩石作为土壤形成的关键物质基础,使得土壤理化性状呈现出显著的继承性。岩石矿物组成对土壤质地起到关键性作用,进而关联到土壤的稳定性以及保水保肥能力,岩石中元素的析出及淋溶直接作用于土壤养分及微生物环境,最终通过多种途径深刻影响着土壤整体环境。目前,关于母岩特性影响土壤的研究虽有所拓展,但在时空维度上存在局限性,对于风化过程缺乏长时间序列连续监测,导致对未来岩石风化成壤过程的预测尚且存在不足。

1.1 土壤物理性质

土壤颜色与母岩间存在极为显著的承袭关系,风化成壤进程中岩石所含氧化物具备的颜色会留存于土壤内,但也要充分考虑土壤发育程度。据相关研究表明[16],土壤中氧化铁类型及浓度决定土壤红绿色度,矿物风化及其组分淋失使得大量氧化物附着在土壤表面,进而对土壤颜色产生深远影响。由红层母岩发育而来的土壤,红紫色度取决于游离氧化铁的浓度,而氧化铁的浓度即为土壤发育程度的主要指标[17]。在中国黄土高原黄土的红度主要受氧化铁的影响,氧化铁浓度高的情况下,会导致黄土亮度变暗[18]。此外,土壤质地深受风化岩石类型的影响,石英等抗风化矿物含量高的花岗岩易风化形成质地粗糙的砂壤土,而玄武岩则形成质地细腻的壤土或黏质壤土,土壤质地决定土壤保水、下渗、透气性能,进而深刻影响土壤生态功能与农业生产[19]。有研究表明[20-21],区域深层土壤含水量所展现的空间变异性,极大程度上受控于土壤颗粒粒径分布格局,土壤质地同持水性能成显著负相关,深刻影响区域土壤水文过程。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单位,对土壤结构的塑造发挥着根本性作用,又因土地利用方式及使用年限的影响呈现出明显差异[22-23]。土壤结构稳定性差异直观体现在土壤团聚体的形成与分布,土壤团聚体数量少且平均直径小使得相互间难以聚集,则土壤稳定性较差[24]。研究表明[25],由板岩、砂岩这类母岩发育而来的土壤,砂粒含量在土壤颗粒组成中占比较高,使得土壤颗粒间的黏聚力不足、胶结能力偏弱,致使土壤分形维数偏大,相较于喀斯特地貌土壤的结构稳定性明显较弱。毛霞丽等[26]研究同样证实了这一结论,石灰岩和玄武岩土壤形成水稳性大团并且保持其稳定的能力高于花岗岩和红砂岩土壤。岩石风化强度的差异对黏土矿物的组成及含量有着显著影响,旱区水资源短缺、化学风化作用较弱,土壤中高岭石的含量极少或不存在[27]。

1.2 土壤化学性质

1.2.1 土壤酸碱性

土壤盐碱化是土壤可溶性盐含量增加的过程,亦是中国北方土壤退化的主要原因[28]。地下水环境是影响土壤盐渍化核心因素之一,通过对中国西北灌区地下水组分分析发现,经春灌后地下水溶解性固体量很大程度上取决于岩石风化特性,随着地下水动态变化对土壤盐碱度存在潜在威胁[29]。王昊等[30]经多维度分析调研也证实了这一点,区域母岩及其风化机制是影响干旱-半干旱地区土壤盐碱化的根源,景泰灌区土壤盐化主要与三叠纪红砂岩和奥陶纪海相硅质岩可溶性盐淋溶相关,河套灌区土壤碱化主要受狼山、阴山区域岩石化学风化作用的影响。碳酸盐岩系作为岩溶地区主要岩石类型,强烈的岩石化学风化进程及淋溶作用的持续影响,导致碱性盐基离子易流失,经成土过程所形成的石灰土通常呈偏碱性[31]。但也有研究表明[32],岩溶地区优势种群根区土壤大多呈酸性,但这主要归功于植物凋零物及根系分泌物对土壤酸碱度的调控。土壤酸化是一个全球范围内普遍存在的土壤问题,中国酸性土壤面积约占全国总面积的23%,酸性土壤的改良主要由土壤中钙、镁、钠碳酸盐和重碳酸盐及交换性碱金属离子水解所产生的OH-所推动[33]。在增强岩石风化固碳的相关研究中指出,向土壤中添加硅酸盐粉末,其风化过程能够持续为土壤提供碱性阳离子,提高土壤pH,是一种改良酸性土壤的长期且稳定的有效措施,其缓解土壤酸化的效率远高于常规配施石灰粉[34]。

1.2.2 土壤养分

岩石风化是自然生态系统中植物所需矿质养分的重要来源,同时也是生物地球化学过程中的重要组成部分[35]。研究表明[36],土壤有机碳和总氮含量通常是岩石风化程度的函数,在土壤剖面上岩石成壤化进程由上而下逐渐降低,土壤化学蚀变指数呈下降趋势,土壤有机质及碱解氮含量同土壤剖面内风化程度变化趋势基本一致,两者呈显著正相关。岩石矿物风化产物通过影响土壤有机-无机组合的形成,进而作用于微生物对土壤有机质的分解效率,对土壤有机质的调控作用显著[37]。强风化作用下形成的高成熟度土体,土质细腻且矿物总含量高,土壤组成与黏土矿物的吸附作用促使矿物结合态有机质生成,抑制了有机质分解,增强了土壤保肥能力[38],黄土中高岭石通过阳离子建桥吸附有机质减少分解,对总有机碳的含量和稳定性影响显著[39]。诸多学者研究发现[24,40-41],石灰石发育的土壤因其质地黏重,土壤稳定性较高,相较于砂岩、板岩、页岩、黄岗岩等成土母质发育而来的土壤,石灰岩发育土壤有机碳储存含量尤为显著。

1.2.3 营养元素释放

岩石风化是控制表生元素地球化学循环的重要环节[42]。虽然气候变迁、水文循环、地质运动等自然因素,以及工业污染排放、农业化肥农药不合理施用、矿业开采等人为活动,会引发土壤元素迁移转化,打破土壤元素平衡,但母岩的矿物组成和化学性质很大程度上奠定了土壤元素的初始本底[43]。据研究表明[44],黑云斜长片麻岩分布区经风化作用后,能向土壤中释放并富集大量营养元素,导致该区域土壤肥力显著高于周边地区。土壤C、N、P作为重要的生命元素,是构成土壤肥力的重要物质基础[45]。早期陆地土壤发育阶段,真菌定殖能够有效促进岩石风化,岩石中P和N的析出有效推动了土壤发育及植被演替[46]。自然界中土壤C、N养分来源驳杂,可由植物光合作用以及固氮、固碳微生物向土壤中补给,相对而言,土壤P来源比较固定,主要来源于成土母岩的风化作用,较少受到其他因素干扰[47]。磷灰石是制作P肥的主要原材料,是玄武岩中P元素主要存在形式,经全球维度研究发现,少量玄武岩既可以满足全球磷肥的使用,目前玄武岩作为磷肥向土壤中补给P元素已经得到大面积推广[34]。硅酸盐和碳酸盐岩等岩石在风化过程向土壤中释放K、Ca、Mg等植物生长不可或缺的养分,能够大幅度提升土壤肥力[48-49]。从元素构成角度来看,花岗岩的元素含量整体低于玄武岩,以至于由玄武岩发育而成的土壤富含Fe、Mg、Co、Cu、Zn等多种植物和微生物生长所需营养元素,而花岗岩土壤中多数养分元素相对匮乏,在风化特性上花岗岩的风化难度显著高于玄武岩,自然环境中玄武岩更易于发生风化作用,进而更易释放出其中的营养元素[19]。有效控制土壤侵蚀的前提下,喀斯特地区易风化岩石对于植株定植和生态环境的修复具有不可忽视的意义[16]。

1.2.4 重金属元素富集

重金属及稀土元素的富集与成土母岩存在显著关联,经水体、大气等介质传播成为生态系统潜在的生态环境风险因素[50,4]。随着全球社会及经济快速发展,重金属污染已然成为全球土壤污染中需要迫切关注的环境问题,通过食物链对人类生存生命健康存在潜在危险[51]。在全球尺度上,所有金属元素均来源于自然,人类及自然活动则发挥着将金属元素重新分配的作用[52-53]。因此,监测区域重金属含量并进行土壤重金属污染来源辨析具有重要意义,为制定污染源头阻断治理策略奠定科学基础[54]。然而,高地质背景下往往代表着丰富的矿产资源,从而衍生出一系列金属冶炼工业活动[55],这就导致了现阶段研究过于集中在探索工业、农业活动对土壤重金属污染的贡献程度,而往往忽略岩石风化作用向环境中提供金属元素的重要自然过程。

事实上,成土母质是控制重金属富集的核心因素[56],富含金属的岩石基底遭受风化作用时,金属含量将会大幅度提升[57]。表1汇总了不同类型岩石风化引起的重金属富集效应。研究表明[4],高地质背景下西南碳酸盐岩岩溶地区重金属显著富集的主要原因与碳酸盐岩风化过程紧密相连。喀斯特地区地质特征对镉(Cd)元素积累贡献率高达44%,而工业活动仅贡献28%[58]。裸露在外富含有机质及硫化物的黑色页岩,经过化学风化作用形成酸性岩基排水,使得重金属释放[50]。农田施用玄武岩增强固碳过程中同样存在重金属富集的风险,但其风化产物能够借助静电吸附、离子交换以及表面络合等作用改变土壤中重金属的赋存形态,与此同时,玄武岩风化对土壤pH的调控作用进一步增强了重金属的钝化效果,降低其生物可利用性,仅有少量重金属会溶解于水体中,并不会引发土壤重金属污染问题[59]。此外,野外采样发现,由玄武岩自然发育而来且人为扰动极小的土壤中Cr、Ni等多种重金属元素的含量较高,所有重金属元素与区域玄武岩的地质背景密切相关[60]。在南印度花岗岩地区的健康风险评估中表明[61],受花岗岩风化的影响,污染地区的土壤中Pb、Zn的含量明显较高。针对硫化物砂岩的风化研究较少,但在流域气候反演的相关研究中也存在相关描述,在密西西比河谷白云岩矿床深层以Pb为主,但对其深部出现的富含Zn、Cu、Cd等重金属异常矿体的成因追溯表明,其富集主要是白云岩裂隙中硫化物砂岩的原因[62]。

值得注意的是,区域重金属是否造成土壤污染的判定体系不一。中国对重金属污染是基于重金属总体浓度概括性地制定了风险评估标准,并不区分污染源。而部分国家基于地球化学成因对土壤重金属污染界定提出差异性认知。具体而言,当重金属富集现象源于原生地质环境(如高地球化学背景值区域)而非人为输入时,即使其含量超过现行环境标准阈值,该区域通常被排除在污染范畴之外[52]。

1.3 土壤微生境

岩石表面微生物受岩性及矿物颗粒物理化学性质和气候条件等因素影响[64]。通过比较不同风化程度的凝灰岩和成熟土壤中表生细菌群落发现[27],细菌群落ɑ多样性指数同岩石风化程度呈正相关关系,主要原因归结于岩石风化过程中元素析出、黏土矿物和腐殖质产生为微生物存活提供了可利用的营养物质,也是岩性差异驱动表生微生物群落结构特异的主要原因。在银杉与欧洲山毛榉纯林下的砂岩衍生土壤中,风化程度较高的小粒径岩石碎片(2~10 mm)其裂隙内普遍存在明显的菌丝附着;而在大粒径岩块(40~60 mm)中则未观察到显著的菌丝定殖,风化程度同微生物群落丰度和活性密切相关[9]。

2 岩石风化的主要驱动因素

岩石自身特性主导风化进程,其所含矿物易风化程度和粒径差异是岩石风化存在差异的主控因子。生物风化在各类风化作用中占据重要地位,且参与风化途径呈现多样性,从生物机械应力与生物化学风化两方面作用于岩石。生物岩石风化通量是现阶段研究热点,通过监测不同生态系统的生物岩石风化通量,以明确生物在风化中的定量贡献及生物种类和环境差异的影响程度。此外,小区域尺度下,气候因子差异是形成岩石风化差异的主控因素,微地形、土壤水热微环境均影响着风化过程。鉴于岩石风化复杂多样,室内风化研究应朝着多因素耦合模拟的方向发展,通过构建更加接近自然条件的复杂实验体系,深入剖析单因素及多因素组合作用下岩石风化的微观机制。加强室内与野外研究的联动,将室内结果与大尺度实际风化相结合,不断提升岩石风化模型对自然环境中岩石风化速率与产物预测的准确性,从而为土壤形成机制、生态环境评估以及资源勘探等关键领域提供更具前瞻性和实用性的理论指导。

2.1 岩石本身特性

岩石矿物组分以及结构方面所呈现的差异性,是引发岩石风化强度产生显著差异的主要因素[65]。在岩石风化的初始阶段,其表面大量裂缝的形成过程很大程度上取决于矿物组分,裂缝的产生意味着与外源物质的更多接触,可将岩石化学风化所需时间缩短约10倍[66]。章明奎等[17]的研究亦为该结论提供了实证支撑,富含碳酸盐矿物的岩石在高温高湿的极端气候条件下,极易发生化学风化,碳酸钙、石膏等矿物发生分解,并在水体淋溶的作用下流失,进而导致岩石颗粒间的胶结强度大幅降低,岩石的力学性质劣化,使得风化作用更易发生。姜禾禾等[67]通过对主要造岩矿物和常见火山玻璃的化学成分及其溶蚀速率的数理统计明确表明,在温度、pH等条件相同的前提下,造岩矿物的表面溶解效率同钙元素含量呈现出明显的正相关性,且与Ca、Mg、Fe、Na、K元素的总含量之间存在较弱的正相关关系,岩石化学风化速率主要受长石及其他富含Ca、Mg、Fe的硅酸盐矿物溶解的制约。在不考虑岩性差异的情况下,岩石粒径是主宰其整体风化裂解速率的核心要素,随着岩石粒径的减少,其比表面积会呈几何倍数增长,同氧气、水分、土壤中的微生物、化学物质等外援物质的接触面积亦会随之大幅攀升,从而为各类风化反应的发生创造了有利的条件,极大地加速了岩石的风化过程,促使其更易于发生风化裂解[68]。

2.2 区域气候条件及小尺度微环境差异

季节性气候变化和昼夜温差所产生的温度效应会导致岩石内部应力产生和释放,高温条件下的岩石风化速率显著强于恒温环境中[69]。湿润多雨地区,碳酸盐岩风化速率与土壤含水量密切相关,区域水分差异直接影响碳酸盐淋溶[70]。在干旱、半干旱地区,碳酸盐风化速率取决于土壤水热、CO2浓度等多因素耦合作用,并非取决于单一因素,合适的二氧化碳浓度以及适配的土壤水热环境是干旱、半干旱地区碳酸盐风化的主要驱动因素[71]。区域尺度下,地形与地貌对土壤水文过程产生再分配作用,致使环境因子呈现垂直梯度变化,水-岩石接触时长产生差异,进而引发岩石溶解效率的差异,喜马拉雅山不同海拔高度岩石风化的研究中表明[72],高海拔地区存在着冻融循环现象,进一步促进岩石风化。此外,岩溶地区不同坡向接收的太阳辐射强度存在显著差异,阳坡因接收大量的太阳辐射,地表温度升高,从而导致岩石风化速率加快[73]。值得注意的是,坡向、地形等环境因子对岩石溶解作用的影响并非单一的线性关系,地形、坡向等对溶蚀的影响强度可能较弱,易受植被覆盖等其他因素的影响而改变[74]。

2.3 微生物活动

微生物风化作用被认为在岩石风化初期占主导作用,细菌引起的岩石风化速率约为非生物的14倍,微生物风化作用是现阶段岩石风化相关研究的热点[75-77]。研究表明[34],石质生境下风化细菌数量同岩石风化速率显著正相关,微生物在生长代谢过程中会分泌有机酸可以通过羟基和羧基产生不平衡的阳离子和阴离子加速岩石矿物的溶解速率。此外,细菌的生物膜具有吸附作用,可控制岩石局部微环境pH、氧化还原物质浓度,产生促进长石等矿物溶解的有利条件[78]。菌丝是真菌的结构单位,特殊的菌丝延长方式使得真菌能够选择性吸附及定殖在岩石表面,真菌-矿物界面产生局部溶蚀现象是真菌参与岩石风化最显著的特征,其对岩石风化效率主要取决于自身生长环境和同岩石接触方式[79]。孙启彪等[80]研究外生菌根与岩石风化的共生关系发现,真菌对岩石风化的影响呈现出多元性,菌丝深入岩石缝隙并遍布表面,菌丝膨胀压力对岩石风化有促进作用[81],同时,定殖于岩石表面的菌丝能够分泌一系列小分子有机酸,推动岩石风化进程。然而,真菌的生物机械力和有机酸化学风化,对岩石风化的促进效果有限[82],外生菌根主要通过卓越的风化细菌富集能力,通过促进植物-细菌-真菌间的互惠协作,调节土壤微生物群落结构,大量富集的风化细菌才是外生菌根促进岩石风化的核心驱动力。值得注意的是,在岩石界面体系中,生物有机酸易构建致密保护层,不过生物机械力会破坏其结构完整性,从而实现生物有机酸对岩石的持续侵蚀作用,生物机械力破坏与化学侵蚀构成两大核心作用机制[83]。

2.4 植被覆盖

岩石风化作用在有植被覆盖下往往更加强烈,植物根系生物机械力、分泌物化学侵蚀及其营造的特殊土壤环境共同作用下调控着岩石风化进程[84]。紫色土风化蚀变指数与根系表型性分析中表明,根系体积与岩石风化程度呈现出显著的正相关关系,根系体积越大,土壤风化程度越高[36]。植物根系生长应力促使岩石开裂,产生能够被风化作用所利用的新鲜岩石表面,为原本化学惰性较强的岩石基面提供新的反应位点[85]。根系在新陈代谢过程中会分泌有机酸和无机酸,酸性物质能够溶解岩石中的矿物成分,加速岩石的分解,此外,植物在生长过程中会对土壤中的养分进行选择性吸收,通过调节土壤酸碱度,间接影响岩石的风化效率[86]。同时,植被类型会营造局部的特异环境,半干旱区油松树能够很好地调控土壤水热及CO2浓度,间接促进碳酸盐岩石风化速率[48]。植物-微生物-土壤系统中根系所营造的适生环境为微生物提供物质基础,有效促进微生物对岩石风化的加速效果[87]。

3 岩石风化的应用前景

3.1 岩石风化在农业生产中的重要地位

联合国粮食及农业组织数据显示,中国耕地土壤肥力基础薄弱,改良农田土壤质量以及提高土壤肥力成为现阶段亟待解决的关键科学问题[69]。据研究表明[88],增强岩石风化能够增加土壤宏观和微观,从而提高整个生态系统的生产力。通过为期6年的长时间序列监测发现,土壤中的岩石风化产生的砂砾可有效调控土壤孔隙,增加土壤团聚体数量,显著提升土壤的持水效率及其对养分的吸附能力[12],此外,退化农田改良过程中,施用由真菌、细菌等微生物与其他基质混合制成的微生物菌剂是一种较为常见的手段[89],生物菌剂能够显著增强云母和长石的风化强度,促使土壤释放出更为丰富的矿物质养分,大幅提升养分的供给效率,从而有效缓解石质生境给农作物生长带来的胁迫作用,进而实现作物产量的增加[90]。表2汇总了主要矿物肥料种类及其作用效果。强化硅酸盐岩风化进程对CO2固存具有显著效果,与此同时,能够提供N以外植物生长所需矿质元素,可作为生物质炭基肥的替代品作为一种长期有效的肥料[11],对粮食作物水稻而言,强化硅酸盐岩风化可有效提高土壤中有效硅的含量,可切实缓解水稻因硅素匮乏而致使的产量受限难题[91]。石灰性土壤中种植苜蓿时,直接施用磷矿粉可作为土壤P元素的稳定来源,其效果与水溶性磷肥相当[92]。对于贫瘠的黄壤土,钾长石能够作为改良剂,有效补充K素养分[93]。烟草种植对Ca、Mg元素有较高需求,白云石因富含Ca,常被配施以满足其营养需要[94-95]。在小葱种植中,蛇纹石粉可缓慢稳定地提供Mg元素[96]。此外,在环境改良方面,石膏通过风化过程中的离子置换作用,成为盐碱地改良的常用材料[97];而沸石粉在重金属污染修复中表现突出,其效果优于生物炭与镉康材料[98]。

理化及微生物驱动下煤矸石生态基质化利用研究是一种极具潜力的农田改良及矿废处理模式,对贫瘠土壤有明显改良效果,且有效解决了煤矸石堆积带来的环境污染问题[99-100]。中国西北干旱地区,蒸发强烈且水资源匮乏,当地居民创造性地采用砾石覆盖技术,成为当地独特的耕作模式[101]。然而,随着对经济作物种植的过度侧重,缺乏科学合理的种植规划与管理体系,砂田退化且砾石在地表大量搁置,逐渐成为当地农业生产及生态健康的潜在隐患[102]。砾石主要成分为硅酸盐,且富含黏土矿物,加速其风化能够使得砾石中微量元素迁移析出,有易于土壤养分补给及植物生长对微量元素的需求[10]。表层砾石风化因可调控因子单一,其风化速率十分有限。基于此,贾振江等[103]在隔层创建技术的相关研究提出,采用深埋的方式将砾石回填至土壤中,借助土壤微环境以及生物作用加速砾石的风化进程,风化后的砾石可以作为土壤养分的重要补给来源,为土壤肥力的提升提供物质基础。

3.2 岩石风化在生态修复改良中的重要应用

土壤中过量的岩石体积分数会导致土壤水养不足,限制植物生长,但适量的岩石碎屑对土壤物理结构的改良效果及风化作用下对土壤养分的补给作用能够促进植株生长[104]。喀斯特岩溶地区约占陆地全球总面积的12%,是全球典型的生态脆弱带之一,其浅薄土层与岩石交错镶嵌的环境问题是目前国际地学研究的热点[31]。以碳酸盐岩为主的喀斯特地区,虽岩石经成土过程初期土壤肥力较强,但后期因地形崎岖致使水力侵蚀强、土层薄且植被破坏后水土流失加剧,大量养分随土壤颗粒流失造成养分亏缺,影响区域生态与农业[105]。因此现阶段研究主要聚焦于植物立地,以生物作为主要媒介的岩溶地区生态修复正在稳步推进。相关研究表明[106],岩溶地区开展生态修复工作时,依据岩性背景与气候变化特点,筛选适配的优势植被进行恢复,植物根系会加速分泌有机酸,能够有效促进岩石养分释放,植物借此获取营养元素,推动土壤发育进程。鉴于微生物在岩石风化成土过程中展现出的卓越表现及其自身显著的适应力,常在山区生态系统修复、废弃矿山生态系统重建等领域当中被选取作为构建初始生态系统框架的开拓者[107-108]。基于对微生物在石质生境中适应特性的研究成果,已逐步被创新性地应用于石质生境土壤环境的治理实践,人为引入藻类、地衣和苔藓等定殖先锋生物,可加速岩石风化,显著改善岩溶地区土壤环境,为土壤发育与植被定植创造有利条件[109]。藻类主要通过钻孔及干枯蜷缩、复水膨胀产生的机械应力可破坏岩石胶结颗粒,生长代谢产生的酸性物质能化学侵蚀矿物晶体结构,二者协同塑造溶蚀微形态[110]。

3.3 岩石风化对全球减碳的作用

岩石矿物增强风化固碳技术持续吸收大气中过量的CO2为遏制温室效应的关键作用已被证实[111]。玄武岩、橄榄石、辉长岩等隶属超基性-基性岩富含钙、镁及铁矿物,展现出相对较高的溶解速率,在风化固碳过程中成为具备显著优势的首选岩石类型[35]。玄武岩是地球上常见的岩石,在全球范围内遍布广泛,富含碳酸盐和硅酸盐等,利用玄武岩提高碳固定被称作“岩石碳贮存”或“岩石气候工程”。异地岩石矿物增强风化固碳技术是将硅酸盐岩粉末播撒至陆地或海洋环境中,增强其风化并促进CO2吸收量[67]。玄武岩粉末在根际与CO2发生反应,释放碱基阳离子(如Ca2+、Mg2+),与土壤中的碳酸发生化学反应,生成碳酸氢根(HC${\mathrm{O}}_{3}^{-}$),从而将大气或土壤中CO2以溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)的形式溶于水体中,并最终经由地表径流输送到海洋而长期贮存[112]。岩石风化对土壤中有机碳的固定要显著高于无机碳,次生矿物依靠离子交换、吸附、包埋等作用有效阻碍了微生物分解作用,进而实现土壤有机碳固定[113]。值得注意的是,气候干旱地区缺乏水分这一关键驱动力,导致岩石风化固碳效应呈断崖式下降,雨水充足地区降水丰富,能够持续有效地促进岩石的风化过程,使岩石风化固碳效应得以充分发挥,具有更为广阔的应用前景[114]。

4 结论与展望

4.1 结论

在总结梳理岩石成壤过程中,成土母岩对土壤理化及微生物环境的影响,同时总结了控制岩石风化的主要驱动因素。在此基础上,分析了岩石-土壤系统中岩石风化作用在农业及生态领域的重要地位,得到以下结论。

(1)岩石风化深刻影响土壤的物理、化学性质及微生物环境。土壤颜色、质地、团聚体稳定性等物理性状以及酸碱度、养分含量、元素释放等化学特征均呈现显著的母岩继承性。岩石风化通过元素析出和微生境塑造,驱动了土壤微生物群落的差异化构建。

(2)岩石自身特性是控制风化进程的主导因素,其中矿物易风化程度和岩石粒径起决定性作用。生物风化是当前研究的热点与难点,微生物可通过有机酸分泌、生物膜吸附及生物机械力等多种机制加速矿物溶解,植物根系则通过生长应力、分泌物及微环境调控促进风化。此外,区域气候、小尺度微环境的差异对岩石的风化强度与速率同样具有不可忽视的重要作用。

(3)岩石风化在石质土壤环境改良、农业长效固体肥料供给、全球气候变暖减缓等方面具有重要应用价值。施用硅酸盐岩粉末、磷矿粉、钾长石粉等矿物肥料可有效提升土壤肥力和作物产量;增强岩石风化固碳技术为碳中和提供了新路径。

4.2 展望

由于岩石风化过程的复杂及长期性,现阶段研究对岩石风化的监测、量化存在缺陷,且对于岩石风化在农业及生态领域的应用涉及较少,未来发展可围绕以下方面展开。

(1)岩石成壤化对土壤理化性质及其微生物环境具有重要影响,即使土壤发育后期常受到自然气候及人为因素干扰,但其作为土壤形成的基础对土壤环境的塑造作用仍极具现实意义。由于风化周期漫长且干扰因素众多,致使对于岩石风化的原位持续监测面临极大挑战,多情境下原位长期监测对石质生境岩石风化同土壤环境间作用关系的研究尚且存在不足,在土壤结构演变、养分循环机制及植被定殖恢复的相关研究亟待加强。现阶段相关研究缺乏系统性规划,应着重推进系统化体系的建设工作。

(2)微生物是地球上数量最为庞大且分布最为广泛的生物体之一,作为陆地生态系统形成与演化的先驱参与者,在岩石风化进程中扮演着不可或缺的角色。现阶段研究对微生物参与岩石风化的相关研究仍然处于初始阶段,岩石风化机制以及地球化学元素循环过程中微生物作用的相关研究尚且存在缺陷。如何精准量化微生物风化通量?如何将微生物的风化潜力有效纳入岩石风化模型,是当前该领域研究面临的关键难题。后续研究应基于室内研究成果向室外逐步推进,将矿物-微生物相互作用推广到更大规模,以实现大尺度数据模型系统运算,以此深化对微生物驱动岩石风化过程及其生态地球化学效应的理解。

(3)面对全球气候变暖这一重大全球性变化,温室效应愈发严峻。土壤所具备的卓越固碳能力逐渐受到广泛关注。借助硅酸盐岩石风化提升土壤固碳能力的可行性已逐步取得国际认可,其高效的固碳能力为应对全球变暖提供了新路径。然而,鉴于中国独特的国情以及土地利用与流转形式,基于硅酸盐风化的固碳措施推广进程依旧迟缓。后续应当结合中国国情,加大在该领域的科研投入及技术攻关,构建适合中国的基于硅酸盐风化的固碳策略。

(4)自异地岩石矿物增强风化固碳技术开展并于农田试用以来,农田固碳量稳步提升,土壤养分、肥力状况有所增加。与此同时,关于岩石风化对耕地土壤环境及作物产量产值的研究取得了进一步进展。硅酸盐岩风化在土壤固氮基础上,能够显著改善土壤环境、提高作物产量这一现实效益已被证实,且尚未发现其他负面影响,以硅酸盐作为固体长效肥料的设想已初步获得国际认可。然而,目前硅酸盐的施用仍处于小区域试验阶段,其作用机制和效应价值仍有待深入研究。后续工作应从农田改良和作物高产的角度出发,深入探究岩石风化的土壤环境效应,紧密结合实际生产需要,探索具有高经济效益和环境效益的可行途径。

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基金资助

国家自然科学基金(52169010)

国家重点研发计划(2021YFD1900600)

宁夏自然科学基金重点项目(2021AAC02008)

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