Overvåking av peogen uorganisk karbonakkumulering på grunn av forvitring av endrede silikatmineraler i landbruksjord.

Summary

Verifikasjonsmetoden beskrevet her er tilpasningsdyktig for overvåking av pedogene uorganiske karbonfangst i ulike landbruksjord endret med alkaliske jordmetallsilikatholdige bergarter, som wollastonitt, basalt og olivin. Denne typen validering er avgjørende for karbonkredittprogrammer, noe som kan være til nytte for bønder som beslaglegger karbon på sine felt.

Abstract

Den nåværende studien tar sikte på å demonstrere en systematisk prosedyre for overvåking av uorganisk karbon indusert ved økt forvitring av komminuterte bergarter i landbruksjord. Til dette formål samles kjernejordprøvene som er tatt på forskjellig dybde (inkludert 0-15 cm, 15-30 cm og 30-60 cm profiler) fra et landbruksfelt, hvor jordjordet allerede er beriket med et alkalisk jordmetallsilikat som inneholder mineral (som wollastonite). Etter transport til laboratoriet blir jordprøvene lufttørket og siktet. Deretter bestemmes det uorganiske karboninnholdet i prøvene av en volumetrisk metode kalt kalsmetri. De representative resultatene som ble presentert her, viste fem brettede økninger av uorganisk karboninnhold i jorda endret med Ca-silikatet sammenlignet med kontrolljord. Denne komposisjonsendringen ble ledsaget av mer enn 1 enhet pH-økning i de endrede jordene, noe som innebærer høy oppløsning av silikat. Mineralogiske og morfologiske analyser, samt elementær sammensetning, bekrefter ytterligere økningen i det uorganiske karboninnholdet i silikat-endrede jordarter. Prøvetakings- og analysemetodene som presenteres i denne studien kan vedtas av forskere og fagfolk som ønsker å spore pedogene uorganiske karbonendringer i jord og undergrunner, inkludert de som er endret med andre egnede silikatbergarter som basalt og olivin. Disse metodene kan også utnyttes som verktøy for å verifisere jord uorganisk karbonfangst av private og statlige enheter for å sertifisere og tildele karbonkreditter.

Introduction

CO₂ er en stor drivhusgass (GHG), og konsentrasjonen i atmosfæren øker kontinuerlig. Preindustriell global gjennomsnittlig CO₂ var om lag 315 deler per million (ppm), og fra april 2020 økte den atmosfæriske CO_{2-konsentrasjonen} til over 416 ppm, og forårsaket dermed global oppvarming¹. Derfor er det viktig å redusere konsentrasjonen av denne varmefangende GHG i atmosfæren. Socolow² har antydet at for å stabilisere konsentrasjonen av atmosfærisk CO₂ til 500 ppm innen 2070, vil det være nødvendig med ni “stabiliseringskiler”, der hver stabiliseringskikke er en individuell reduksjonstilnærming, tilpasset for å oppnå 3,67 Gt CO₂ eq per år i utslippsreduksjon.

Karbonfangst og -lagring (CCS) er hovedteknologien for å redusere CO₂ fra atmosfæren, som anbefalt av Mission Innovation-initiativet, lansert på FNs klimakonferanse 2015³. For å fange atmosfærisk CO_2,er de tre viktigste lagringsalternativene som er tilgjengelige havlagring, geologisk lagring og mineralkarbonering⁴. Med fokus på mineralkarbonering lagres CO₂ ved å omdanne alkaliske jordmetaller, hovedsakelig kalsium- og magnesiumrike silikater, til termodynamisk stabile karbonater for geologiske tidsrammer (over millioner av år)⁵. For eksempel har olivin, pyroksen og serpentingruppemineraler potensial til å gjennomgå mineralkarbonering⁶; Under normale forhold er imidlertid disse reaksjonene begrenset av langsom reaksjonskinetikk. Derfor, for å øke hastigheten på prosessen under omgivelsesforhold, kan fint komminuterte (knuste / fresede) former for disse silikatene brukes på landbruksjord, en prosess referert til som terrestrisk forbedret forvitring⁷. Jord er en naturlig vask for å lagre CO₂, for tiden å være et reservoar for 2500 Gt karbon, som er tre ganger det atmosfæriske reservoaret (800 Gt karbon)⁸. Pedogene prosesser i jord og undergrunn regulerer atmosfærisk CO₂ av to store naturlige veier, nemlig organisk materiale syklus og forvitring av alkaliske jordmetallmineraler, som påvirker organiske og uorganiske karbonbassenger, henholdsvis⁹.

Det er anslått at nesten 1,1 Gt atmosfærisk CO₂ mineraliseres gjennom kjemisk steinforvitring årlig¹⁰. Silikatbergarter rik på kalsium og magnesium (f.eks. basalt) regnes som de primære råstoffene for forbedret forvitring^9,11,12. Når knuste silikatholdige mineraler påføres landbruksfelt, begynner de å reagere med CO₂ oppløst i jordporer, og konkluderer med mineralutfellingen av stabile karbonater^11,13. Olivine^14,15, wollastonite (CaSiO₃)¹³, doleritt og basalt¹⁶ er blant mineraler som har vist karbonfangstpotensial gjennom forbedret forvitring i tidligere studier. Til tross for større tilgjengelighet, og dermed muligens større CO_{2-fangstkapasitet,} av magnesiumsilikater, er det bekymringer for deres søknad om forbedret forvitring i avlinger på grunn av deres potensielle miljøpåvirkning som følge av Cr og Ni utvasking og mulig tilstedeværelse av asbestiformpartikler^11,15,17,18. Som en kalsiumbærende silikat fremheves wollastonitt som en ypperlig kandidat for denne prosessen på grunn av sin høye reaktivitet, enkle kjemiske struktur, som er miljømessig godartet, samt letter produksjonen av karbonater på grunn av svakere binding av Ca-ioner til silikamatrisen^12,19,20,21. Wollastonite som utvinnes i Kingston, Ontario, Canada, og er for tiden kommersialisert av kanadisk Wollastonite for landbruksapplikasjoner, inneholder ikke forhøyede nivåer av farlige metaller. De verdensomspennende wollastonittreservene er anslått til å være over 100 Mt, med Kina, India, USA, Mexico, Canada og Finland som de beste produktive landene²².

Forbedret forvitring av silikatmineral regnes for å fremme jordhelse, spesielt økning av avlinger og forbedring av plantevekst, noe som fører til potensiell reduksjon i anvendelsen av syntetisk gjødsel, noe som ytterligere kan bidra til^{klimagassutslippsreduksjon 11,18,19}. Tidligere studier har rapportert at anvendelsen av Ca-rike silikatmineraler til jord gir grunnleggende for å nøytralisere surhet i jordmediet, favoriserer avlingsproduksjon^23,24,25. Dette hindrer også giftig metallmobilisering, utsatt for sure forhold, og forbedret forvitring kan være nyttig for tilbakestående erosjon gjennom jord organisk materiale økning¹¹.

Ligninger 1-3 viser hvordan peogen karbonfangst som uorganiske karbonater er mulig ved å endre jord med wollastonitt. Ambient CO₂ kommer inn i jorda gjennom regnvann eller produseres i jord ved mikrobiell aktivitet som forringer organiske forbindelser. Når den er i kontakt med jordporer, dannes karbonsyre, som dissosierer for å danne bikarbonat og proton (ligning 1). I nærvær av planter frigjøres roteksudater, som sitronsyre og malesyre, som også gir protoner i systemet. Disse protonene letter oppløsningen av wollastonitt i jorda gjennom å frigjøre Ca-ioner og etterlate amorf silika (ligning 2). De utgitte Ca-ionene reagerer til slutt med bikarbonat for å utfelle som karbonater (krystallinsk kalsitt eller andre varianter, avhengig av geokjemiske forhold) (Formel 3). Dette dannet kalsiumkarbonat blir en del av jorda uorganisk karbon (SIC)^{brøkdel 26}.

Omgivende CO_{2-oppløsning:}

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

Wollastonittoppløsning (H⁺ fra dissosiasjon av karbonsyre og roteksudater):

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

Peogen uorganisk karbonatutfelling:

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

I vårt nylige arbeid har forbedret forvitring gjennom anvendelsen av wollastonite til landbruksjord, som en kalkstein-alternativ endring, blitt funnet effektiv for CaCO₃ nedbør i jordjord, både på laboratorie- og feltskalaer, og over korte (få måneder) og lange (3 år) vilkår. I feltstudiene har kjemiske og mineralogiske vurderinger avdekket at SIC-innholdet øker proporsjonalt med wollastonittapplikasjonsdosering (tonn·hektar^-1)¹³. I laboratoriestudier viste den mineralogiske analysen tilstedeværelsen av peogent karbonat på grunn av karbonfangst¹⁹. Pedogene karbonatdannelse i jord avhenger av flere faktorer, spesielt: topografi, klima, overflatevegetasjon, jordbiotiske prosesser og jordfysikokjemiske egenskaper²⁷. Vår forrige studie²³ bestemte plantens rolle (en bælgplante (grønn bønne) og en ikke-bælgplante (mais)) på wollastonitt forvitring og uorganisk karbonatdannelse i jord. Vår pågående forskning på peogen karbondannelse og migrasjon i jord og undergrunner inkluderer å undersøke skjebnen til jordkarbonater i landbruksjord, først dannet i jordsmonn på grunn av mineralforvitring på ulike dybder og over tid. Ifølge Zamanian et al.²⁷finnes den naturlig forekommende peogene karbonathorisonten lenger fra overflaten når hastigheten på lokal nedbør øker, med toppen av denne horisonten som vanligvis vises mellom noen få centimeter til 300 cm under overflaten. Andre omgivelses- og jordparametere, for eksempel jordvannbalanse, sesongdynamikk, det opprinnelige karbonatinnholdet i foreldremateriale, jord fysiske egenskaper, påvirker også dybden av denne forekomsten²⁷. Dermed er det av betydning å prøve jord til en tilstrekkelig dybde i det hele tatt muligheter til å oppnå en nøyaktig forståelse av originalen og de inkrementelle nivåene av SIC som følge av forbedret forvitring av silikater.

På feltskalaen er en viktig begrensning bruk av lave søknadshastigheter for silikatjordendringer. Siden det er begrenset kunnskap om effekten av mange silikater (som wollastonitt og olivin) på jord- og plantehelse, unngår kommersielle produsenter å teste høyere applikasjonshastigheter som kan føre til betydelig karbonfangst. Som et resultat av så lave applikasjonsrater, så vel som det store området av avlingsfelt, er en forskningsutfordring som vanligvis står overfor å bestemme endringer i SIC når verdiene er relativt lave, og å gjenopprette og isolere silikatkorn og forvitringsprodukter fra jorda for å studere morfologiske og mineralogiske endringer. I vårt tidligere arbeid rapporterte vi om hvordan fysisk fraksjonering av den wollastonit-endrede jorda (ved hjelp av sikting) gjorde det mulig å få en bedre forståelse av forvitringsprosessen, spesielt dannelsen og akkumuleringen av pedogene karbonater²⁸. Følgelig ble det høyere innholdet av wollastonitt og forvitringsprodukter påvist i den finere brøkdelen av jord, noe som ga rimelig høye verdier under analyser, noe som sikrer mer presise og pålitelige resultater. Funnene fremhever viktigheten av å bruke fysisk fraksjonering, gjennom sikting eller andre segregeringsmidler, for pålitelig estimering av den beslaglagte karbonakkumuleringen i silikat-endrede jordarter. Graden av fraksjonering kan imidlertid variere fra jord til jord og fra silikat til silikat, så det bør undersøkes videre.

Nøyaktig måling av SIC er avgjørende for å etablere en standard og vitenskapelig prosedyre som kan vedtas av ulike forskere som er interessert i å analysere utviklingen av SIC og (og organisk karbon) over tid og dybde av jorda. En slik metodikk gjør det mulig for bønder å kreve karbonkreditt som følge av SIC-dannelse i sine feltjord. Følgende protokoll beskriver i detalj: (1) en jordprøvetakingsmetode som skal brukes etter jordsilikatendring, som står for den statistiske betydningen av de analyserte jorddataene; (2) en jordfraksjoneringsmetode som forbedrer nøyaktigheten av kvantifiseringsendringer i peogen uorganisk karbonatbasseng som følge av forbedret silikatforvitring, og (3) beregningstrinnene som brukes til å bestemme SIC-fangstraten som følge av jordsilikatendring. I forbindelse med denne demonstrasjonen antas wollastonitt, hentet fra kanadisk Wollastonite, å være silikatmineralet som brukes på landbruksjord, og landbruksjordene anses å være lik de som finnes i Sør-Ontarios jordbruksområder.

Prosedyren som innebærer å endre jordbruksjord med wollastonitt (f.eks. bestemme mengden wollastonitt som skal brukes per hektar, og metoden for å spre den over jorda) ble beskrevet i vår forrige studie¹³. Studieområdet i vårt tidligere og nåværende arbeid er rektangulære tomter; Derfor er den direkte tilfeldige prøvetakingsmetoden egnet for slike studier. Dette er en vanlig metode på grunn av lave kostnader, redusert tidskrav og evne til å gi tilstrekkelig statistisk usikkerhet. På samme måte, avhengig av de ulike feltforholdene og nivået av statistisk signifikans, kan også sonerings- eller nettprøvetakingsmetoder brukes. Nøyaktighet i jordprøvetaking er avgjørende for å redusere statistisk usikkerhet som følge av prøvetakingsbias. Når statistikk brukes, anses det ikke som “statistisk signifikant å oppnå mindre enn 95% tillit (dvs. p < 0,05). For enkelte jordstudier kan imidlertid konfidensnivået slappe av til 90% (dvs. p < 0,10) på grunn av antall ukontrollerte (dvs. naturlig varierende) parametere i feltforholdene som påvirker den generelle presisjonen av målinger. I denne protokollen samles to sett med prøver for å undersøke SIC-innhold og andre kjemiske, mineralske og morfologiske egenskaper av jorda gjennom sin vertikale profil.

Protocol

1. Jordprøvetakingsmetode og kjernesamling Del det kartlagte og avgrensede jordbruksarealet i ulike tomter basert på landhøyde, historisk avlingsutbytte og/eller arealforvaltningsstrategi. Bestem utjevning av hver tomt ved hjelp av en GPS-mottaker, kltimer avlingsutbyttet basert på historiske gårdsposter (under gjennomsnittet, gjennomsnittet, over gjennomsnittet) og arealstyringsstrategien som brukes for hver tomt (typer jordendringer som eventuelt brukes). Plasser flaggene ved grensene for hvert plott for…

Representative Results

SIC-innholdet av jord kan bestemmes ved hjelp av ulike metoder, inkludert en automatisert karbonanalysator eller et kalorimåler. Den automatiserte karbonanalysatoren for total karbonbestemmelse av jord måler CO2-trykket som er bygget opp i et lukket fartøy30. I forkalkning måles det utviklede volumet av CO2 utgitt etter forsuring, vanligvis ved tilsetning av konsentrert HCl-syre, av den karbonatholdige prøven. Kalsmetrimetoden er relativt…

Discussion

Gitt at innsamling av prøver fra befruktede landbruksfelt vanligvis er vanskelig, foreslås det at prøver skal samles før næringsapplikasjon. Det anbefales også å unngå å samle prøver fra frosne felt. Prøvetakingsdybden kan variere i forskjellige områder avhengig av hvor enkelt prøvetakingen er over den vertikale profilen, og dybden på vannbordet. Den valgte jordprøveenheten er avhengig av jordstrukturen og dybden av interesse³³. Selv om det er mer praktisk å bruke håndsonder/snøs…

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.