رصد تراكم الكربون غير العضوي المبرد بسبب تجوية معادن السيليكات المعدلة في التربة الزراعية.

Summary

طريقة التحقق الموصوفة هنا قابلة للتكيف لرصد عزل الكربون غير العضوي المبيت في مختلف التربة الزراعية المعدلة بالصخور المحتوية على سيليكات معدنية أرضية قلوية، مثل الولاستونيت والباسالت والأليفين. وهذا النوع من التحقق ضروري لبرامج ائتمان الكربون، التي يمكن أن تفيد المزارعين الذين يعزلون الكربون في حقولهم.

Abstract

وتهدف هذه الدراسة إلى إظهار إجراء منهجي لرصد الكربون غير العضوي الناجم عن تحسين التجوية للصخور غير الدقيقة في التربة الزراعية. وتحقيقا لهذه الغاية، يتم جمع عينات التربة الأساسية المأخوذة على عمق مختلف (بما في ذلك 0-15 سم، 15-30 سم، و30-60 سم) من حقل زراعي، وقد تم بالفعل إثراء التربة السطحية مع سيليكات معدنية أرضية قلوية تحتوي على معدن (مثل الولاستونيت). بعد نقلها إلى المختبر، يتم تجفيف عينات التربة وتجفيفها. ثم يتم تحديد محتوى الكربون غير العضوي للعينات من خلال طريقة حجمية تسمى قياس الكالسيوم. وأظهرت النتائج التمثيلية المعروضة هنا خمس زيادات مطوية من محتوى الكربون غير العضوي في التربة المعدلة مع Ca-silicate مقارنة بتربة التحكم. ورافق هذا التغير التركيبي أكثر من وحدة واحدة من زيادة الرقم الحموضة في التربة المعدلة، مما يعني انحلال عال للسيليكات. وتؤكد التحليلات المعدنية والمورفولوجية، وكذلك التكوين الأولي، زيادة المحتوى الكربوني غير العضوي للتربة المعدلة بالسيليكات. يمكن اعتماد طرق أخذ العينات والتحليل المعروضة في هذه الدراسة من قبل الباحثين والمهنيين الذين يتطلعون إلى تتبع تغيرات الكربون غير العضوية غير العضوية في التربة والتربة الفرعية ، بما في ذلك تلك المعدلة مع صخور السيليكات المناسبة الأخرى مثل البازلت والأليفين. ويمكن أيضا استغلال هذه الأساليب كأدوات للتحقق من عزل الكربون غير العضوي للتربة من قبل الكيانات الخاصة والحكومية للتصديق على أرصدة الكربون ومنحها.

Introduction

ثاني أكسيد الكربون هو غاز الدفيئة الرئيسي (GHG)، وتركيزه في الغلاف الجوي يتزايد باستمرار. _بلغ المتوسط العالمي لمتوسط ثاني أكسيد الكربون قبل الصناعة حوالي 315 جزءا في المليون، وحتى أبريل 2020، زاد_تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى أكثر من 416 جزء في المليون، مما تسبب في الاحترار العالمي^1. ولذلك، من الأهمية بمكان الحد من تركيز غازات الدفيئة المسببة للحرارة في الغلاف الجوي. وقد اقترح Socolow² أنه لتحقيق الاستقرار في تركيز_ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى 500 جزء في المليون بحلول عام 2070، ستكون هناك حاجة إلى تسعة “أسافين تثبيت”، حيث يكون كل إسفين استقرار هو نهج تخفيف فردي، بحجم لتحقيق 3.67 جيجابايت من ثاني أكسيد الكربون₂ مكافئ سنويا في خفض الانبعاثات.

احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) هي التكنولوجيا الرئيسية للحد_من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، على النحو الموصى به من قبل مبادرة الابتكار البعثة، التي أطلقت في مؤتمر الأمم المتحدة لتغير المناخ 2015³. لالتقاط_ثانيأكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، فإن خيارات التخزين الرئيسية الثلاثة المتاحة هي تخزين المحيطات والتخزين الجيولوجي والكربونات المعدنية^4. مع التركيز على الكربنة المعدنية،_يتم تخزين ثاني أكسيد الكربون عن طريق تحويل المعادن الأرضية القلوية، والسيليكات الغنية بالكالسيوم والمغنيسيوم بشكل رئيسي، إلى كربونات مستقرة حراريا للأطر الزمنية الجيولوجية (على مدى ملايين السنين)⁵. على سبيل المثال، أوليفين، البيروكسيني، والمعادن مجموعة ثعبان لديها القدرة على الخضوع الكربنة المعدنية^6؛ ومع ذلك ، في ظل الظروف العادية ، تقتصر هذه التفاعلات على الحركية بطيئة التفاعل. لذلك ، لتسريع العملية في ظل الظروف المحيطة ، يمكن تطبيق أشكال comminuted ناعما (سحق / طحن) من هذه السيليكاتي على التربة الزراعية ، وهي عملية يشار إليها باسم الأرضية تعزيز التجوية⁷. التربة هي بالوعة طبيعية لتخزين ثاني أكسيد الكربون₂، كونها في الوقت الحاضر خزانا ل2500 جيجابايت من الكربون ، وهو ثلاثة أمثال خزان الغلاف الجوي (800 جيجابايت كربون)^8. وتنظم العمليات ذات المنشأ البديوجيني في التربة والتربة الجوفية_ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عن طريق مسارين طبيعيين رئيسيين، هما دورة المادة العضوية وتجوية المعادن المعدنية الأرضية القلوية، مما يؤثر على برك الكربون العضوية وغير العضوية، على التوالي^9.

وتشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 1.1 غ من_ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يتم تمعدنها من خلال التجوية الصخرية الكيميائية سنويا^10. تعتبر صخور السيليكات الغنية بالكالسيوم والمغنيسيوم (مثل البازلت) المواد الأولية الأولية لتعزيز التجوية^9و11و12. مرة واحدة يتم تطبيق المعادن التي تحتوي على السيليكات المسحوقة على الحقول الزراعية، فإنها تبدأ في التفاعل مع CO₂ المذاب في مياه التربة، ونهاية مع هطول الأمطار المعدنية من الكربونات مستقرة^11،13. Olivine^14،15، wollastonite (CaSiO₃)¹³، دولريت ، والباسالت¹⁶ هي من بين المعادن التي أظهرت إمكانية عزل الكربون من خلال تحسين التجوية في الدراسات السابقة. على الرغم من توافر أكبر، وبالتالي ربما أكبر قدرة CO₂ عزل، من سيليكات المغنيسيوم، وهناك مخاوف بشأن تطبيقها لتعزيز التجوية في الأراضي الزراعية بسبب تأثيرها البيئي المحتمل نتيجة للرشح Cr و Ni واحتمال وجود الجسيمات أسبيستيفورم^{11،15،17،18}. كما سيليكات تحمل الكالسيوم، ويسلط الضوء على wollastonite هنا كمرشح رئيسي لهذه العملية نظرا لتفاعلها عالية، بنية كيميائية بسيطة، ويجري حميدة بيئيا، فضلا عن تسهيل إنتاج الكربونات بسبب ضعف الترابط من أيونات كا لمصفوفة السيليكا^{12،19،20،21}. ولا يحتوي الولاستونيت المستخرج في كينغستون، أونتاريو، كندا، الذي يقوم شركة ولستونيت الكندية بتسويقه حاليا للاستخدامات الزراعية، على مستويات مرتفعة من المعادن الخطرة. ويقدر احتياطي الولاستونيت في جميع أنحاء العالم بأكثر من 100 طن متري، مع الصين والهند والولايات المتحدة والمكسيك وكندا وفنلندا كأفضل البلدان المنتجة^22.

ويحسب أن التجوية المعززة لمعادن السيليكات تعزز صحة التربة، ولا سيما زيادة غلة المحاصيل وتحسين نمو النباتات، مما يؤدي إلى انخفاض محتمل في استخدام الأسمدة الاصطناعية، مما يمكن أن يسهم بشكل أكبر في خفض انبعاثات غازات الدفيئة^11و18و19. وقد ذكرت الدراسات السابقة أن تطبيق المعادن السيليكات الغنية بال ca على التربة يوفر أساسيات لتحييد الحموضة في التربة المتوسطة، ويفضل إنتاج المحاصيل^23،24،25. وهذا يعوق أيضا تعبئة المعادن السامة، وعرضة للظروف الحمضية، وتعزيز التجوية يمكن أن تكون مفيدة لتثبيط تآكل من خلال التربة زيادة المواد العضوية¹¹.

وتبين المعادلات 1-3 كيف يمكن عزل الكربون المبيت ككربونات غير عضوية عن طريق تعديل التربة باستخدام الولاستونيت. _يدخل ثاني أكسيد الكربون المحيط إلى التربة من خلال مياه الأمطار أو ينتج في التربة عن طريق النشاط الميكروبي الذي يحط من المركبات العضوية. بمجرد ملامسة مياه مسام التربة ، يتشكل حمض الكربونيك ، الذي ينفر لتشكيل بيكربونات وبروتون (المعادلة 1). في وجود النباتات ، يتم إطلاق exudates الجذر ، مثل حمض الستريك وحمض ماليك ، والتي توفر أيضا البروتونات في النظام. تسهل هذه البروتونات انحلال الولاستونيت في التربة من خلال إطلاق أيونات Ca وترك السيليكا غير المتبلورة (المعادلة 2). تتفاعل أيونات Ca الصادرة في نهاية المطاف مع بيكربونات للتعجيل بالكربونات (الكالسيت البلوري أو أصناف أخرى ، اعتمادا على الظروف الجيوكيميائية) (المعادلة 3). هذا كربونات الكالسيوم شكلت يصبح جزءا من الكربون غير العضوي التربة (SIC) كسر²⁶.

_حل ثاني أكسيد الكربون المحيط:

2CO_{2 (ز)} + 2H₂O_(ل) ↔ 2H₂CO_{3 (aq)} ↔ 2HCO₃^– + 2H⁺ (1)

انحلال ولستونيت (H⁺ من انفصام حمض الكربونيك وإفرازات الجذر):

CaSiO_{3 (ق)} + 2 H⁺ → Ca^{2 +} + H₂O_(ل) + SiO_{2 (ق)} (2)

هطول الكربونات غير العضوية المسببة للجينات:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^– → CaCO_{3 (ق)}↓ + H ₂O_(l) + CO_{2 (g)} (3)

في عملنا الأخير ، تم العثور على تحسين التجوية من خلال تطبيق الولاستونيت على التربة الزراعية ، كتعديل بديل من الحجر الجيري ، فعالا لهطول الأمطار CaCO₃ في التربة السطحية ، سواء على نطاقات المختبر والميدان ، وعلى مدى فترات قصيرة (بضعة أشهر) وطويلة (3 سنوات). في الدراسات الميدانية، كشفت التقييمات الكيميائية والمعدنية أن محتوى SIC يزيد بشكل متناسب مع جرعة تطبيق الولاستونيت (طن·هكتار^-1)13. في الدراسات المختبرية، أظهر التحليل المعدني وجود كربونات باديوجينيك بسبب عزل الكربون^19. يعتمد تكوين الكربونات المسببة للحساسية في التربة على عدة عوامل، أبرزها: التضاريس والمناخ والغطاء النباتي السطحي والعمليات الحيوية للتربة والخصائص الفيزيائية الكيميائية للتربة^27. حددت دراستنا السابقة²³ دور النباتات (نبات البقوليات (الفاصوليا الخضراء) والنبات غير البقولي (الذرة)) على تجوية الولاستونيت وتكوين الكربونات غير العضوية في التربة. وتشمل أبحاثنا الجارية بشأن تكوين الكربون المبرد وهجرة التربة والتربة الفرعية التحقيق في مصير كربونات التربة في التربة الزراعية، التي تشكلت لأول مرة في التربة السطحية بسبب التجوية المعدنية في أعماق مختلفة ومع مرور الوقت. وفقا لزمانيان وآخرون²⁷، تم العثور على أفق الكربونات pedogenic التي تحدث بشكل طبيعي أبعد من السطح مع زيادة معدل هطول الأمطار المحلية ، مع ظهور الجزء العلوي من هذا الأفق عادة بين بضعة سنتيمترات إلى 300 سم تحت السطح. أما المعلمات المحيطة والتربة الأخرى، مثل توازن مياه التربة، والديناميات الموسمية، والمحتوى الكربوني الأولي في المواد الأم، والخصائص الفيزيائية للتربة، فإنها تؤثر أيضا على عمق هذا الحدوث^27. وبالتالي فمن المهم لعينة التربة إلى عمق كاف في جميع الفرص للحصول على فهم دقيق للمستويات الأصلية والتزايدية من SIC الناجمة عن تحسين التجوية من السيليكا.

وعلى نطاق الميدان، هناك قيد هام هو استخدام معدلات تطبيق منخفضة لتعديلات تربة السيليكات. وبما أن هناك معرفة محدودة بتأثير العديد من السيليكات (مثل الولاستونيت والأليفين) على صحة التربة والنبات، يتجنب المنتجون التجاريون اختبار معدلات تطبيق أعلى يمكن أن تؤدي إلى عزل كبير للكربون. ونتيجة لانخفاض معدلات التطبيق هذه، فضلا عن المساحة الكبيرة لحقول المحاصيل، يتمثل التحدي البحثي الذي يواجه عادة في تحديد التغيرات في SIC عندما تكون القيم منخفضة نسبيا، واستعادة وعزل حبوب السيليكات ومنتجات التجوية من التربة لدراسة التغيرات المورفولوجية والمعدنية. في عملنا السابق ، أبلغنا عن كيفية الكسر المادي للتربة المعدلة الولاستونيت (باستخدام الغربال) مكن من فهم أفضل لعملية التجوية ، وخاصة تكوين وتراكم الكربونات pedogenic²⁸. وبناء على ذلك، تم الكشف عن المحتويات الأعلى لمنتجات الولاستونيت والتجوية في الجزء الدقيق من التربة، مما وفر قيما عالية إلى حد معقول أثناء التحليلات، مما يضمن نتائج أكثر دقة وموثوقية. وتسلط النتائج الضوء على أهمية استخدام الكسر المادي، من خلال النخل أو وسائل العزل الأخرى، لتقدير موثوق به لتراكم الكربون المعزول في التربة المعدلة بالسيليكات. ومع ذلك ، يمكن أن تختلف درجة الكسر من التربة إلى التربة ومن السيليكات إلى السيليكات ، لذلك يجب إجراء مزيد من البحث.

يعد القياس الدقيق ل SIC أمرا حاسما لوضع إجراء قياسي وعلمي يمكن اعتماده من قبل العديد من الباحثين المهتمين بتحليل تطور SIC و (والكربون العضوي) بمرور الوقت وعمق التربة. وتمكن هذه المنهجية المزارعين من المطالبة بقروض الكربون نتيجة لتكوين SIC في تربة حقولهم. 10- يصف البروتوكول التالي بالتفصيل: (1) طريقة لأخذ عينات التربة تستخدم بعد تعديل سيليكات التربة، وهو ما يفسر الأهمية الإحصائية لبيانات التربة التي تم تحليلها؛ (2) طريقة لأخذ عينات التربة من التربة؛ (2) طريقة لأخذ عينات التربة من التربة؛ (2) طريقة لأخذ عينات التربة التي تستخدم في العينات. (2) طريقة لتفتيت التربة تحسن دقة قياس التغيرات في تجمع الكربونات غير العضوية المسببة للاحتباس الفوجيني نتيجة لتجوية السيليكات المحسنة، و(3) خطوات الحساب المستخدمة لتحديد معدل عزل SIC نتيجة لتعديل سيليكات التربة. ولأغراض هذه المظاهرة، يفترض أن الولاستونيت، الذي يستمد من الولاستونيت الكندي، هو معدن السيليكات المطبق على التربة الزراعية، وتعتبر التربة الزراعية مماثلة لتلك الموجودة في الأراضي الزراعية في جنوب أونتاريو.

وقد وصف الإجراء الذي ينطوي على تعديل التربة الزراعية مع الولاستونيت (على سبيل المثال، تحديد كمية الولاستونيت لتطبيقها على الهكتار الواحد، وطريقة نشرها على التربة) في دراستنا السابقة¹³. مجال الدراسة في عملنا السابق والحالي هو قطع مستطيلة؛ لذلك، فإن طريقة أخذ العينات العشوائية المباشرة مناسبة لمثل هذه الدراسات. وهذه طريقة شائعة الاستخدام نظرا لانخفاض تكلفتها، وانخفاض متطلبات الوقت، وقدرتها على توفير قدر كاف من عدم اليقين الإحصائي. وبالمثل، يمكن أيضا استخدام أساليب أخذ العينات على الصعيدين المناطقي أو الشبكي، حسب الظروف الميدانية المختلفة ومستوى الأهمية الإحصائية المطلوبة. 10 – والدقة في أخذ عينات التربة ضرورية للحد من عدم اليقين الإحصائي نتيجة التحيز في أخذ العينات. عند استخدام الإحصاءات، فإن تحقيق ثقة أقل من 95٪ (أي p < 0.05) لا يعتبر "مهما إحصائيا". ومع ذلك، بالنسبة لبعض دراسات التربة، يمكن تخفيف مستوى الثقة إلى 90٪ (أي p < 0.10) بسبب عدد المعلمات غير المنضبطة (أي المتغيرة بشكل طبيعي) في ظروف الحقل التي تؤثر على الدقة العامة للقياسات. في هذا البروتوكول، يتم جمع مجموعتين من العينات من أجل التحقيق في محتوى SIC وغيرها من الخصائص الكيميائية والمعدنية والمورفولوجية للتربة في جميع أنحاء ملفها العمودي.

Protocol

1. طريقة أخذ عينات التربة وجمع الأساسية تقسيم مساحة الأراضي الزراعية المرسومة والمرسمة إلى قطع أرض مختلفة على أساس ارتفاع الأراضي، وغلة المحاصيل التاريخية، و/أو استراتيجية إدارة الأراضي. تحديد تسوية كل قطعة أرض باستخدام جهاز استقبال GPS، وتصنيف غلة المحاصيل استنادا إلى سجلات المزارع…

Representative Results

يمكن تحديد محتوى SIC للتربة باستخدام طرق مختلفة، بما في ذلك محلل الكربون الآلي أو مقياس الكالسيوم. محلل الكربون الآلي لتحديد الكربون التربة مجموع يقيس ضغط CO2 تراكم في سفينة مغلقة30. في قياس الكالسيوم، يتم قياس الحجم المتطورلثاني أكسيد الكربون الذي …

Discussion

وبالنظر إلى أن جمع العينات من الحقول الزراعية المخصبة عادة ما يكون صعبا، يقترح جمع العينات قبل تطبيق المغذيات. كما ينصح بتجنب جمع العينات من الحقول المجمدة. قد يختلف عمق أخذ العينات في مناطق مختلفة اعتمادا على سهولة أخذ العينات على التشكيل الجانبي الرأسي وعمق منسوب المياه الجوفية. يعتمد ج…

Materials

Analytical scale	Sartorius	Quintix 224-S1	Four decimals.
Calcimeter	Eijkelkamp	Model 08.53	To determine the wt% CaCO3-equivalent in the sample.
Drying cabinet/muffle furnace	Thermo Scientific	F48055-60	50°C or 103 ± 2°C.
HCl	Fisher Scientific	A144S-500	Reagent grade (36.5%-38.0%).
HNO3	Fisher Scientific	T003090500	Trace metal analysis grade (69.0%-70.0%)
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS)	PerkinElmer	NexION	To determine the concentration of Ca in the microwave-digested soil.
Microwave digester	PerkinElmer	Titan	To digest soils in concentrated HNO3.
pH meter	Oakton	700	Calibrated with standard solutions before each set of measurements; temperature corrected to 25 °C.
Scanning Electron Microscope -Energy Dispersive Spectroscope (SEM-EDS)	Oxford	X-Max20 SSD	To determine the morphology of soil particulates.
Sieve shaker	Retsch	AS-200	For soil fractionation.
Soil auger sampler	Eijkelkamp	01-16	Depths down to 700 cm.
Soil Dakota probe sampler	JMC	PN139	Depths down to 100 cm.
Soil probe sampler	JMC	PN031	Depths down to 30 cm.
Soil moisture meter	Extech	MO750	Measure moisture content up to 50%
Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence spectroscope (WDXRF)	Malvern Panalytical	Zetium	To characterize elemental composition of soil.
X-ray Diffraction analyzer (XRD)	Panalytical	Empyrean	To characterize mineralogicalbproperties of soil.