Overvågning af pedogen uorganisk kulstofakkumulering på grund af forvitring af ændrede silikatmineraler i landbrugsjord.

Summary

Den her beskrevne verifikationsmetode kan tilpasses til overvågning af pedogen uorganisk kulstofbinding i forskellige landbrugsjorder, der er ændret med alkaliske jordmetalsikatholdige sten, såsom wollastonit, basalt og olivin. Denne type validering er afgørende for kulstof kredit-programmer, som kan gavne landmænd, der afsondrer kulstof i deres områder.

Abstract

Denne undersøgelse har til formål at påvise en systematisk procedure for overvågning af uorganisk kulstof forårsaget af øget forvitring af comminuted klipper i landbrugsjord. Til dette formål indsamles kernejordprøverne, der er udtaget i forskellig dybde (herunder 0-15 cm, 15-30 cm og 30-60 cm profiler) fra et landbrugsfelt, hvis muld er allerede blevet beriget med et alkalisk jordmetalsikat indeholdende mineral (såsom wollastonit). Efter transport til laboratoriet lufttørres og sigtes jordprøverne. Derefter bestemmes prøvernes uorganiske kulstofindhold ved hjælp af en volumetrisk metode kaldet kalcimetri. De repræsentative resultater, der præsenteres heri, viste fem foldede intervaller af uorganisk kulstofindhold i jorden ændret med Ca-silikat sammenlignet med kontroljord. Denne kompositoriske ændring blev ledsaget af mere end 1 enhed pH-stigning i den ændrede jord, hvilket indebærer høj opløsning af silikatet. Mineralogiske og morfologiske analyser samt elementær sammensætning bekræfter yderligere stigningen i det uorganiske kulstofindhold i silikat-modificeret jord. De prøveudtagnings- og analysemetoder, der præsenteres i denne undersøgelse, kan anvendes af forskere og fagfolk, der ønsker at spore pedogen uorganiske kulstofforandringer i jord og undergrunde, herunder ændringer med andre egnede silikatsten som basalt og olivin. Disse metoder kan også udnyttes som redskaber til at verificere jord uorganisk kulstofbinding af private og statslige enheder til at certificere og tildele kulstofkreditter.

Introduction

CO₂ er en stor drivhusgas , og koncentrationen i atmosfæren stiger konstant. Det præindustrielle globale gennemsnit af CO₂ var omkring 315 dele pr. million (ppm), og fra april 2020 steg koncentrationen af atmosfærisk CO₂ til over 416 ppm, hvilket forårsagede global opvarmning¹. Derfor er det afgørende at reducere koncentrationen af denne varme-fældefangst drivhusgas i atmosfæren. Socolow² har foreslået, at for at stabilisere koncentrationen af atmosfærisk CO₂ til 500 ppm i 2070, ni_{‘stabilisering} kiler’ vil være påkrævet, hvor hver stabilisering kile er en individuel afbødning tilgang, dimensioneret til at opnå 3,67 GT CO 2 eq om året i emissionsreduktion.

CO2-opsamling og -lagring (CCS) er den vigtigste teknologi til at reducere CO₂ fra atmosfæren, som anbefalet af Mission Innovation-initiativet, der blev lanceret på FN’s klimakonference 2015³. For at fange atmosfærisk CO₂er de tre vigtigste tilgængelige lagringsmuligheder havlagring, geologisk lagring og mineralcarbonering⁴. Med fokus på mineralcarbonering lagres CO₂ ved at omdanne alkaliske jordmetaller, hovedsagelig calcium- og magnesiumrige silikater, til termodynamisk stabile karbonater for geologiske tidsrammer (over millioner af år)⁵. F.eks. har olivin, pyroxen og serpentingruppemineraler potentiale til at undergå mineralkulering^6; under normale forhold er disse reaktioner imidlertid begrænset af langsom reaktion kinetik. For at fremskynde processen under omgivende forhold kan fint komminerede (knuste/sleben) former af disse silikater derfor anvendes på landbrugsjord, en proces, der kaldes jordbaseret forstærket forvitring⁷. Jord er en naturlig vask til opbevaring af CO₂, i øjeblikket er et reservoir for 2500 Gt kulstof, som er tre gange den atmosfæriske reservoir (800 Gt kulstof)⁸. Pedogenprocesser i jord og undergrund regulerer atmosfærisk CO₂ med to store naturlige veje, nemlig cyklussen for organisk materiale og forvitring af alkaliske jordmetalmineraler, der påvirker henholdsvis organiske og uorganiske kulstofpuljer⁹.

Det anslås , at næsten 1,1 GT atmosfærisk CO₂ mineraliseres gennem kemisk stenforvitring^{årligt 10}. Silikatsten , der er rige på calcium og magnesium (f.eks . basalt), betragtes som de primære råmaterialer til forbedret vejrlig^9,11,12. Når knuste silikatholdige mineraler påføres landbrugsarealer, begynder de at reagere med CO₂ opløst i jord porewater og afsluttes med mineraludfældning af stabile karbonater^11,13. Olivine^14,15, wollastonit (CaSiO₃)¹³, dolerit og basalt¹⁶ er blandt mineraler, der har vist kulstofbindingspotentiale gennem forbedret forvitring i tidligere undersøgelser. På trods af den større tilgængelighed og dermed muligvis større CO_{2-bindingskapacitet} af magnesiumsiliater er der bekymring for deres anvendelse til forbedret forvitring i afgrøder på grund af deres potentielle miljøpåvirkning som følge af Cr og Ni-udvaskning og den mulige tilstedeværelse af asbestiforme partikler^11,15,17,18. Som et calciumbærende silikat fremhæves wollastonit heri som en førsteklasses kandidat til denne proces på grund af dens høje reaktivitet, enkle kemiske struktur, der er miljømæssigt godartet samt letter produktionen af karbonater på grund af den svagere binding af Caioner til sin silicamatrix^12,19,20,21. Wollastonite, der udvindes i Kingston, Ontario, Canada, og er i øjeblikket kommercialiseret af canadiske Wollastonite til landbrugs-applikationer, indeholder ikke forhøjede niveauer af farlige metaller. Den verdensomspændende wollastonit reserver skønnes at være over 100 Mt, med Kina, Indien, USA, Mexico, Canada og Finland som den øverste produktive lande²².

Øget forvitring af silikatmineraler regnes for at fremme jordens sundhed, navnlig stigning i høstudbyttet og forbedring af plantevæksten , hvilket fører til en potentiel reduktion i anvendelsen af kunstgødning , hvilket yderligere kan bidrage til reduktion af drivhusgasemissionerne^11,18,19. Tidligere undersøgelser har rapporteret, at anvendelsen af Ca-rige silikatmineraler på jord leverer grundsætning til neutralisering af surhedsgraden i jordmediet, hvilket favoriserer afgrødeproduktionen^23,24,25. Dette hæmmer også mobilisering af giftige metaller, modtagelige for sure forhold, og øget forvitring kan være nyttig til retardering af erosion gennem jord organisk materialeforøgelse¹¹.

Ligninger 1-3 viser, hvordan pedogen kulstofbinding som uorganiske karbonater er mulig ved at ændre jord med wollastonit. Ambient CO₂ kommer ind i jorden gennem regnvand eller produceres i jorden ved mikrobiel aktivitet, der nedværdiger organiske forbindelser. Når kulsyre er i kontakt med jordens porevand, dannes den, som dissocierer for at danne bicarbonat og proton (Equation 1). I nærværelse af planter frigives rodeksudater, såsom citronsyre og malesyre, som også giver protoner i systemet. Disse protoner letter opløsningen af wollastonit i jorden ved at frigive Ca ioner og efterlade amorfe silica (Equation 2). De frigivne Ca ioner reagerer i sidste ende med bicarbonat på udfældet som karbonater (krystallinsk calcite eller andre sorter, afhængigt af geokemiske forhold) (Equation 3). Dette dannede calciumcarbonat bliver en del af jordens uorganiske kulstof (SIC) fraktion²⁶.

Omgivende CO 2-solvation:

2CO_2(g) + 2H₂O_(l) ↔ 2H₂CO_3(aq) ↔ 2HCO₃^– + 2H⁺ (1)

Opløsning af Wollastonit (H⁺ fra dissociation af kulsyre og rodeksudser):

CaSiO_3(er) + 2 H⁺ → Ca²⁺ + H₂O_(l) + SiO_2(er) (2)

Pedogen uorganisk karbonatudfældning:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^– → CaCO_3(er)↓ + H ₂O_(l) + CO_2(g) (3)

I vores seneste arbejde, øget vejrlig gennem anvendelse af wollastonite til landbrugsjord, som en kalksten-alternativ ændring, er blevet fundet effektiv til CaCO₃ nedbør i muld, både på laboratorie-og markskalaer, og over korte (par måneder) og lange (3 år) vilkår. I markundersøgelserne har kemiske og mineralogiske vurderinger vist, at SIC-indholdet stiger proportionalt med wollastonitanvendelsesdrømning (ton hektar^-1)¹³. I laboratorieundersøgelser viste den mineralogiske analyse tilstedeværelsen af pedogencarbonat på grund af kulstofbinding¹⁹. Pedogen karbonatdannelse i jorden afhænger af flere faktorer, især: topografi, klima, overfladevegetation, jordbiotiske processer og jordfysikomiske egenskaber²⁷. Vores tidligere undersøgelse²³ bestemte planternes rolle (en bælgfrugt (grøn bønne) og en ikke-bælgfrugt (majs)) på wollastonit vejrlig og uorganisk karbonatdannelse i jorden. Vores igangværende forskning i pedogen kulstofdannelse og migration i jord og undergrund omfatter undersøgelse af skæbne jordcarbonater i landbrugsjord, først dannet i muld på grund af mineralsk vejr på forskellige dybder og over tid. Ifølge Zamanian et al.²⁷findes den naturligt forekommende pedogencarbonathorisont længere fra overfladen, da hastigheden af lokal nedbør stiger, med toppen af denne horisont, der almindeligvis vises mellem et par centimeter til 300 cm under overfladen. Andre omgivende og jordbundsparametre, såsom jordvandbalance, sæsondynamik, det oprindelige karbonatindhold i modermateriale, jord fysiske egenskaber, påvirker også dybden af denne forekomst²⁷. Det er således af betydning at udtage prøver af jord til en tilstrækkelig dybde ved alle muligheder for at opnå en nøjagtig forståelse af sic’s oprindelige og trinvise niveauer som følge af øget forvitring af silikater.

På markskalaen er en vigtig begrænsning brugen af lave anvendelseshastigheder for silikatjordsændringer. Da der er begrænset viden om effekten af mange silikater (såsom wollastonit og olivin) på jord- og plantesundhed, undgår kommercielle producenter at teste højere anvendelsesrater, der kan resultere i betydelig kulstofbinding. Som følge af sådanne lave anvendelsesrater samt det store areal af afgrødefelter er en forskningsudfordring, der almindeligvis står over for, at bestemme ændringer i SIC, når værdierne er relativt lave, og at genvinde og isolere silikatkornene og vejrprodukterne fra jorden for at studere morfologiske og mineralogiske ændringer. I vores tidligere arbejde rapporterede vi om, hvordan fysisk fraktionering af den wollastonit-ændrede jord (ved hjælp af sigte) muliggjorde en bedre forståelse af forvitringsprocessen, især dannelsen og akkumuleringen af pedogencarbonater²⁸. Derfor blev det højere indhold af wollastonit- og forvitringsprodukter påvist i den finere del af jorden, som gav rimeligt høje værdier under analyserne, hvilket sikrede mere præcise og pålidelige resultater. Resultaterne fremhæver vigtigheden af at anvende fysisk fraktionering gennem sigte eller andre adskillelsesmidler til pålidelig vurdering af den afsondrede kulstofakkumulering i silikat-ændret jord. Graden af fraktionering kan dog variere fra jord til jord og fra silikat til silikat, så det bør undersøges yderligere.

Nøjagtig måling af SIC er afgørende for at etablere en standard og videnskabelig procedure, der kan vedtages af forskellige forskere interesseret i at analysere udviklingen af SIC og (og organisk kulstof) over tid og dybde af jorden. En sådan metode gør det muligt for landbrugerne at kræve CO2-kredit som følge af SIC-dannelse i deres markjord. I følgende protokol beskrives i detaljer: 1) en jordprøvetagningsmetode, der skal anvendes som følge af jordsilikatændring, og som tegner sig for den statistiske betydning af de analyserede jordbundsdata; (2) en jordfraktioneringsmetode, der forbedrer nøjagtigheden af kvantificering af ændringer i den uorganiske karbonatpulje for pedogen som følge af øget silikatforvitring, og 3) de beregningstrin, der anvendes til at bestemme SIC-bindingshastigheden som følge af ændring af jordsiloat. Med henblik på denne demonstration antages wollastonit, der stammer fra canadisk Wollastonit, at være silikatmineralet, der påføres landbrugsjord, og landbrugsjorden anses for at svare til den, der findes i det sydlige Ontarios landbrugsjord.

Proceduren for ændring af landbrugsjorden med wollastonit (f.eks. fastsættelse af mængden af wollastonit, der skal anvendes pr. hektar, og metoden til spredning over jorden) blev beskrevet i vores tidligere undersøgelse¹³. Studieområdet i vores tidligere og nuværende arbejde er rektangulære grunde; Den direkte stikprøvemetode er derfor egnet til sådanne undersøgelser. Dette er en almindeligt anvendt metode på grund af dens lave omkostninger, reducerede tidskrav og evne til at skabe tilstrækkelig statistisk usikkerhed. På samme måde kan der også anvendes zone- eller netprøvetagningsmetoder afhængigt af de forskellige feltbetingelser og den ønskede statistiske signifikans. Nøjagtigheden i jordprøvetagningen er afgørende for at mindske den statistiske usikkerhed som følge af stikprøvefordomme. Når statistikker anvendes, at opnå mindre end 95% tillid (dvs. p < 0,05) betragtes ikke som "statistisk signifikant." For visse jordbundsundersøgelser kan konfidensniveauet dog lempes til 90 % (dvs. p < 0,10) på grund af antallet af ukontrollerede (dvs. naturligt varierende) parametre i marken, som påvirker målingernes generelle præcision. I denne protokol indsamles to sæt prøver for at undersøge SIC-indholdet og andre kemiske, mineralske og morfologiske egenskaber af jorden i hele dens lodrette profil.

Protocol

1. Jordprøvetagningsmetode og kerneindsamling Del det kortlagte og et afgrænset landbrugsareal af interesse i forskellige grunde baseret på arealhøjden, det historiske høstudbytte og/eller arealforvaltningsstrategien. Bestem udjævningen af hvert observationsområde ved hjælp af en GPS-modtager, klassificere afgrødeudbyttet på grundlag af historiske bedriftsregistre (under gennemsnittet, gennemsnittet, over gennemsnittet) og den arealforvaltningsstrategi, der anvendes for hvert område (eventuelle typer…

Representative Results

SIC-indholdet i jord kan bestemmes ved hjælp af forskellige metoder, herunder en automatiseret kulstofanalysator eller et kalcimeter. Den automatiserede kulstofanalysator til total bestemmelse af jord kulstof måler CO2-trykket, der er opbygget i et lukket fartøj30. I forkalkning måles det udviklede volumen af CO2, der frigives efter forsuring, typisk ved tilsætning af koncentreret HCl-syre, af den karbonatholdige prøve. Calcimetrimetoden…

Discussion

Da det normalt er vanskeligt at indsamle prøver fra befrugtede landbrugsarealer, foreslås det, at der indsamles prøver før næringsstofanvendelse. Det er også tilrådeligt at undgå at indsamle prøver fra frosne marker. Prøveudtagningsdybden kan variere i forskellige områder afhængigt af, hvor let prøveudtagningen er over den lodrette profil, og vandspejlets dybde. Den valgte jordprøvetagningsanordning afhænger af jordstrukturen og dybden af^{interessen 33}. Selv om det er mere bekvemt at…

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.