Övervakning Pedogenic oorganisk kol ackumulering på grund av vittring av ändrade silikat mineraler i jordbruksjordar.

Summary

Den verifieringsmetod som beskrivs här är anpassningsbar för övervakning av pedogen oorganisk kolbindning i olika jordbruksjordar som är ändrade med alkaliska jordartsmetallsilikathaltiga stenar, såsom wollastonit, basalt och olivin. Denna typ av validering är nödvändig för kolkreditprogram, vilket kan gynna jordbrukare som beslagtar kol på sina områden.

Abstract

Denna studie syftar till att påvisa ett systematiskt förfarande för övervakning av oorganiskt kol som induceras genom ökad vittring av finförsedda bergarter i jordbruksmark. För detta ändamål samlas kärnjordproverna tagna på olika djup (inklusive 0-15 cm, 15-30 cm och 30-60 cm profiler) från ett jordbruksfält, vars matjord redan har berikats med en alkalisk jordmetallsilikat som innehåller mineral (såsom wollastonit). Efter transport till laboratoriet lufttorkas och sikts jordproverna. Därefter bestäms provernas oorganiska kolhalt med en volymetrisk metod som kallas kalcimetri. De representativa resultaten som presenteras häri visade fem vikta ökningar av oorganisk kolhalt i jordarna ändrade med Ca-silikat jämfört med kontrolljordar. Denna kompositionella förändring åtföljdes av mer än 1 enhet pH-ökning i de ändrade jordarna, vilket innebär hög upplösning av silikatet. Mineralogiska och morfologiska analyser, liksom elementär sammansättning, bekräftar ytterligare ökningen av den oorganiska kolhalten i silikatmoderade jordar. De provtagnings- och analysmetoder som presenteras i denna studie kan antas av forskare och yrkesverksamma som vill spåra pedogena oorganiska kolförändringar i jordar och undergrupper, inklusive sådana som ändras med andra lämpliga silikatstenar som basalt och olivin. Dessa metoder kan också användas som verktyg för att kontrollera att privata och statliga enheter har beslagat och beviljat koldioxidkrediter i marken.

Introduction

CO₂ är en stor växthusgas (GHG), och dess koncentration i atmosfären ökar kontinuerligt. Den förindustriella globala genomsnittliga CO₂ var cirka 315 delar per miljon (ppm), och i april 2020 ökade den atmosfäriska CO_{2-koncentrationen} till över 416 ppm, vilket orsakade global uppvärmning¹. Därför är det viktigt att minska koncentrationen av denna värmefångande GHG i atmosfären. Socolow² har föreslagit att för att stabilisera koncentrationen av atmosfärisk CO₂ till 500 ppm till 2070 kommer nio “stabiliseringskilar” att krävas, där varje stabiliseringskil är en individuell begränsningsmetod, dimensionerad för att uppnå 3,67 Gt CO₂ eq per år i utsläppsminskning.

Avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) är den viktigaste tekniken för att minska_{koldioxidutsläppen från} atmosfären, i enlighet med rekommendationerna från initiativet Mission Innovation, som lanserades vid FN:s klimatkonferens 2015^3. För att fånga atmosfärisk CO₂är de tre huvudsakliga lagringsalternativen tillgängliga havslagring, geologisk lagring och mineralkarbonering⁴. Med fokus på mineralkarbonat lagras CO₂ genom att alkaliska jordartsmetaller, främst kalcium- och magnesiumrika silikater, omvandlas till termodynamiskt stabila karbonater för geologiska tidsramar (över miljontals år)⁵. Till exempel har olivin,pyroxen och serpentingruppmineraler potential att genomgå mineralkarbonat⁶; Under normala förhållanden begränsas dock dessa reaktioner av långsam reaktionskinetik. För att påskynda processen under omgivningsförhållanden kan därför finkomminuterade (krossade/malda) former av dessa silikater tillämpas på jordbruksmark, en process som kallas marklevande förbättrad vittring⁷. Jord är en naturlig diskbänk för att lagra CO₂, för närvarande är en reservoar för 2500 Gt kol, vilket är tre gånger den atmosfäriska behållaren (800 Gt kol)⁸. Pedogena processer i jordar och underjordar reglerar atmosfärisk CO₂ med två stora naturliga vägar, nämligen den organiska materiacykeln och vittring av alkaliska jordartsmetallmineraler, som påverkar organiska respektive oorganiska kolpooler,⁹.

Det uppskattas att nästan 1,1 Gt atmosfärisk CO₂ mineraliseras genom kemisk bergväder årligen¹⁰. Silikatstenar rik på kalcium och magnesium (t.ex. basalt) betraktas som de primära råvarorna för förbättrad vittring^9,11,12. När krossade silikathaltiga mineraler appliceras på jordbruksfält börjar de reagera med CO₂ upplöst i jordporvatten och avslutas med mineralutfällning av stabila karbonater^11,13. Olivin^14,15, wollastonit (CaSiO₃)¹³, dolerit och basalt¹⁶ är bland mineraler som har visat kolbindning potential genom förbättrad vittring i tidigare studier. Trots den större tillgängligheten, och därmed möjligen större CO_{2-bindningskapacitet,} av magnesiumsilikater, finns det farhågor om deras tillämpning för förbättrad vittring i odlingsmarker på grund av deras potentiella miljöpåverkan till följd av Cr och Ni-utlakning och eventuell förekomst av asbestformpartikel^11,15,17,18. Som en kalciumbärande silikat lyfts wollastonit häri fram som en huvudkandidat för denna process på grund av dess höga reaktivitet, enkel kemisk struktur, som är miljövänlig samt underlättar produktionen av karbonater på grund av den svagare bindningen av Ca joner till dess kiseldioxidmatris^12,19,20,21. Wollastonite som bryts i Kingston, Ontario, Kanada, och för närvarande kommersialiseras av kanadensiska Wollastonite för jordbrukstillämpningar, innehåller inte förhöjda nivåer av farliga metaller. De globala wollastonitreserverna uppskattas till över 100 miljoner pund, med Kina, Indien, USA, Mexiko, Kanada och Finland som de främsta produktiva länderna²².

Förbättrad vittring av silikatmineral beräknas främja markhälsan, särskilt ökning av skördarna och förbättring av växttillväxt, vilket leder till en potentiell minskning av appliceringen av syntetiska gödselmedel, vilket ytterligare kan bidra till att minska växthusgasutsläppen^11,18,19. Tidigare studier har rapporterat att tillämpningen av Ca-rika silikatmineraler på jordar ger grund för att neutralisera surhet i jordmediet, vilket gynnar växtproduktionen^23,24,25. Detta hindrar också mobilisering av giftiga metaller, mottagliga för sura förhållanden, och förbättrad vittring kan vara användbart för att fördröja erosion genom jordorganiskt materialsteg¹¹.

Ekvationerna 1-3 visar hur pedogen kolbindning som oorganiska karbonater är möjlig genom att ändra jordar med wollastonit. Ambient CO₂ kommer in i jorden genom regnvatten eller produceras i jord genom mikrobiell aktivitet som försämrar organiska föreningar. När kolsyran väl är i kontakt med jordporvatten bildas den, som avskiljs för att bilda bikarbonat och proton (ekvation 1). I närvaro av växter frigörs rotutsöndrar, såsom citronsyra och maleinsyra, som också ger protoner i systemet. Dessa protoner underlättar upplösningen av wollastonit i jorden genom att släppa cajoner och lämna efter sig amorf kiseldioxid (ekvation 2). De frisläppta Ca jonerna reagerar slutligen med bikarbonatet för att fälla ut som karbonater (kristallint kalcit eller andra sorter, beroende på geokemiska förhållanden) (Ekvation 3). Detta bildade kalciumkarbonat blir en del av jordens oorganiska kolfraktion (SIC)²⁶.

Omgivande CO_2-lösering:

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

Wollastonite upplösning (H^{+ från} dissociationen av kolsyra och rotar utstrålar):

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

Pedogen oorganisk karbonatutfällning:

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

I vårt senaste arbete har förbättrad vittring genom tillämpning av wollastonit på jordbruksmark, som ett kalkstensalternativ, befunnits vara effektivt för CaCO_3-nederbörd i matjord, både på laboratorie- och fältvågar och under korta (några månader) och långa (3 år) termer. I fältstudierna har kemiska och mineralogiska bedömningar visat att SIC-halten ökar proportionellt mot wollastonitapplikationsdoseringen (ton ·hektar^-1)¹³. I laboratoriestudier visade den mineralogiska analysen förekomsten av pedogent karbonat på grund av kolbindning¹⁹. Pedogen karbonatbildning i jord beror på flera faktorer, särskilt: topografi, klimat, ytvegetation, jordbiotiska processer och markfysikkemiska egenskaper²⁷. Vår tidigare studie²³ bestämde växternas roll (en baljväxt (grönböna) och en icke-baljväxt (majs)) på wollastonit vittring och oorganisk karbonatbildning i jord. Vår pågående forskning om pedogen kolbildning och migration i jordar och underjordar inkluderar att undersöka ödet för markkarbonater i jordbruksmark, som först bildas i matjordar på grund av mineral vittring på olika djup och över tid. Enligt Zamanian et al.²⁷, den naturligt förekommande pedogenic karbonat horisonten finns längre från ytan som hastigheten av lokal nederbörd ökar, med toppen av denna horisont ofta visas mellan några centimeter till 300 cm under ytan. Andra omgivnings- och markparametrar, såsom jordvattenbalans, säsongsdynamik, det ursprungliga karbonatinnehållet i modermaterial, mark fysiska egenskaper, påverkar också djupet av denna^{förekomst 27}. Således är det av betydelse att prova jordar till ett tillräckligt djup vid alla tillfällen för att få en korrekt förståelse för de ursprungliga och inkrementella nivåerna av SIC som härrör från förbättrad vittring av silikater.

På fältskalan är en viktig begränsning användningen av låga tillämpningshastigheter för silikatjordändringar. Eftersom det finns begränsad kunskap om effekten av många silikater (såsom wollastonit och olivin) på mark- och växtskydd, undviker kommersiella producenter att testa högre appliceringshastigheter som kan leda till betydande kolbindning. Som ett resultat av så låga appliceringshastigheter, liksom det stora området av grödor, är en forskningsutmaning som ofta står inför att bestämma förändringar i SIC när värdena är relativt låga och att återvinna och isolera silikatkorn och vittringsprodukter från jorden för att studera morfologiska och mineralogiska förändringar. I vårt tidigare arbete rapporterade vi om hur fysisk fraktionering av den wollastonit-ändrade jorden (med siktning) möjliggjorde en bättre förståelse för vittringsprocessen, särskilt bildandet och ackumuleringen av pedogena karbonater²⁸. Följaktligen upptäcktes det högre innehållet i wollastonit och vittringsprodukter i den finare fraktionen av jord, vilket gav rimligt höga värden under analyserna, vilket säkerställde mer exakta och tillförlitliga resultat. Resultaten belyser vikten av att använda fysisk fraktionering, genom siktning eller andra segregeringsmedel, för tillförlitlig uppskattning av den beslagtagade kolackumuleringen i silikat-ändrade jordar. Graden av fraktionering kan dock variera från jord till jord och från silikat till silikat, så det bör undersökas ytterligare.

Noggrann mätning av SIC är avgörande för att etablera ett standard och vetenskapligt förfarande som kan antas av olika forskare som är intresserade av att analysera utvecklingen av SIC och (och organiskt kol) över tid och djup i jorden. En sådan metod gör det möjligt för jordbrukare att göra anspråk på kolkrediter till följd av bildandet av SIC i sina fältjordar. I följande protokoll beskrivs i detalj följande: 1) En jordprovtagningsmetod som skall användas efter ändringen av marksilikatet, som tar upp den statistiska signifikansen av de analyserade markdata. (2) En jordfraktioneringsmetod som förbättrar noggrannheten i kvantifieringen av förändringar i pedogen oorganisk karbonatpool till följd av förbättrad silikat vittring, och 3) de beräkningssteg som används för att fastställa SIC-bindningshastigheten till följd av ändringen av marksilikat. Vid denna demonstration antas wollastonit, som kommer från kanadensiska Wollastonite, vara det silikatmineral som appliceras på jordbruksmarker, och jordbruksjordarna anses likna dem som finns i södra Ontarios jordbruksmarker.

Förfarandet med ändring av jordbruksmark med wollastonit (t.ex. fastställande av mängden wollastonit som ska tillämpas per hektar och metoden för att sprida den över jorden) beskrevs i vår tidigare studie¹³. Studieområdet i vårt tidigare och nuvarande arbete är rektangulära tomter; Därför är den direkta slumpmässiga provtagningsmetoden lämplig för sådana studier. Detta är en vanlig metod på grund av dess låga kostnad, minskade tidskrav och förmåga att ge tillräcklig statistisk osäkerhet. På samma sätt kan man, beroende på de olika fältförhållandena och den önskade statistiska signifikansnivån, också använda zon- eller nätprovtagningsmetoder. Noggrannheten vid markprovtagning är avgörande för att minska den statistiska osäkerheten till följd av provtagningsbias. När statistik används anses det inte vara “statistiskt signifikant” att uppnå mindre än 95 % konfidens (dvs. p < 0,05). För vissa markstudier kan dock konfidensnivån mildras till 90 % (dvs. p < 0,10) på grund av antalet okontrollerade (dvs. naturligt varierande) parametrar i fältförhållandena som påverkar mätningarnas allmänna precision. I detta protokoll samlas två uppsättningar prover in för att undersöka SIC-halt och andra kemiska, mineraliska och morfologiska egenskaper hos jorden under hela dess vertikala profil.

Protocol

1. Jordprovtagningsmetod och kärnsamling Dela upp det kartlagda och ett avgränsat jordbruksområde av intresse i olika tomter baserat på markhöjning, historisk avkastning på grödor och/eller markförvaltningsstrategi. Bestäm jämnheten för varje tomt med hjälp av en GPS-mottagare, klassificera skördeutbyte baserat på historiska jordbruksregister (under genomsnittet, genomsnittet, över genomsnittet) och den markförvaltningsstrategi som används för varje tomt (eventuella typer av markändringar). P…

Representative Results

SIC-halten i jordar kan bestämmas med olika metoder, inklusive en automatiserad kolanalysator eller en calcimeter. Den automatiserade kolanalysatorn för total koldioxidbestämning i marken mäter CO2-trycket som byggts upp i ett slutetkärl 30. Vid kalcimetri mäts den utvecklade volymen CO2 som frigörs efter försurning, vanligtvis genom tillsats av koncentrerad HCl-syra, av det karbonathaltiga provet. Kalcimetrimetoden är relativt enkel,…

Discussion

Med tanke på att det vanligtvis är svårt att samla in prover från befruktade jordbruksfält föreslås att prover ska samlas in före näringstillförseln. Det är också lämpligt att undvika att samla in prover från frusna fält. Provtagningsdjupet kan variera i olika områden beroende på hur lätt provtagningen är över den vertikala profilen och vattenbordets djup. Den valda jordprovtagningsanordningen är beroende av markstrukturen och djupet av intresse³³. Även om det är bekvämare …

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.