Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

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

Published: June 4, 2021 doi: 10.3791/61996
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1
1School of Engineering, University of Guelph
* These authors contributed equally

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، زادتركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى أكثر من 416 جزء في المليون، مما تسبب في الاحترار العالمي1. ولذلك، من الأهمية بمكان الحد من تركيز غازات الدفيئة المسببة للحرارة في الغلاف الجوي. وقد اقترح Socolow2 أنه لتحقيق الاستقرار في تركيزثاني 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 للحدمن ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، على النحو الموصى به من قبل مبادرة الابتكار البعثة، التي أطلقت في مؤتمر الأمم المتحدة لتغير المناخ 20153. لالتقاطثانيأكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، فإن خيارات التخزين الرئيسية الثلاثة المتاحة هي تخزين المحيطات والتخزين الجيولوجي والكربونات المعدنية4. 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 المعدنية6؛ 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 الجوفيةثاني 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 التوالي9.

وتشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 1.1 غ منثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يتم تمعدنها من خلال التجوية الصخرية الكيميائية سنويا10. تعتبر صخور السيليكات الغنية بالكالسيوم والمغنيسيوم (مثل البازلت) المواد الأولية الأولية لتعزيز التجوية9و11و12. 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 مستقرة11،13. Olivine14،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 أسبيستيفورم11،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 السيليكا12،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 المنتجة22.

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 الدفيئة11و18و19. وقد ذكرت الدراسات السابقة أن تطبيق المعادن السيليكات الغنية بال ca على التربة يوفر أساسيات لتحييد الحموضة في التربة المتوسطة، ويفضل إنتاج المحاصيل23،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:

2CO2 (ز) + 2H2O(ل) ↔ 2H2CO3 (aq) ↔ 2HCO3- + 2H+ (1)

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

CaSiO3 (ق) + 2 H+ → Ca2 + + H2O(ل) + SiO2 (ق) (2)

هطول الكربونات غير العضوية المسببة للجينات:

Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3 (ق)↓ + H 2O(l) + CO2 (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 الكربون19. يعتمد تكوين الكربونات المسببة للحساسية في التربة على عدة عوامل، أبرزها: التضاريس والمناخ والغطاء النباتي السطحي والعمليات الحيوية للتربة والخصائص الفيزيائية الكيميائية للتربة27. 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 الحدوث27. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. طريقة أخذ عينات التربة وجمع الأساسية

  1. 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 التاريخية (أقل من المتوسط، المتوسط، فوق المتوسط)، واستراتيجية إدارة الأراضي المستخدمة لكل قطعة أرض (أنواع تعديلات التربة المستخدمة، إن وجدت). ضع الأعلام عند حدود كل قطعة لتسهيل أخذ العينات اللاحقة.
    ملاحظة: يوضح الشكل 1 تقسيم المنطقة المستطيلة قيد الدراسة إلى أربع قطع (A، B، C، D). وسيكون من المفيد وضع مثل هذا التصميم التجريبي والمعلومات للتحقق من الأهمية الإحصائية للبيانات التي تم تحليلها. وعلاوة على ذلك، يمكن أن يكون مناسبا للأراضي الزراعية غير النظامية وتكون مريحة لمواءمة أخذ العينات وفقا لمعلمة تعتبر ضرورية، من اتجاه صفوف المحاصيل إلى اتجاه التضاريس، الجريان السطحي، الرياح المهيمنة، مسار الشمس، الخ. وقد تم النظر في هذه المؤامرات الأربع من أجل تسهيل حملة تصوير ميداني.
  2. استخدم طريقة أخذ العينات العشوائية الموجهة لجمع النوى عبر كل قطعة أرض. تقسيم كل قطعة من قطع الأرض باتباع نمط الشبكة إلى 25 قطعة فرعية (الشكل 2). جمع 25 النوى هو فوق الحد الأدنى تقليديا يوصي عدد من النوى (15-20).

​Figure 1
الشكل 1:تمثيل قطع الأراضي المستخدمة لجمع العينات (تمثل كل قطعة أرض مساحة 5 م × 10 م (أربعة × 50 م2). تحدد الأعلام السوداء حدود كل قطعة لتسهيل أخذ العينات، وتسجل الأعلام البيضاء مواقع لأخذ عينات عميقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2:تقسيم فرعي لكل قطعة من قطع الأرض لجمع العينات الأساسية (يمثل كل قسم فرعي مساحة 1 متر × 2 متر)، استنادا إلى طريقة أخذ العينات العشوائية الموجهة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

  1. جمع العينات الأساسية من نقاط عشوائية داخل كل مؤامرة فرعية، واحدة لكل قطعة أرض فرعية. استخدام مسبار التربة أو عينة التربة الأساسية لجمع التربة الأساسية وصولا الى ثلاث مناطق عمق 0-15 سم، 15-30 سم، و 30-60 سم لحساب الاختلاف SIC مع العمق بسبب تعديل التربة السيليكات.
    ملاحظة: اعتمادا على نوع التربة و المسبار/العينات المستخدمة، قد يلزم أخذ عينات مختلفة لجمع عينة 30-60 سم.
  2. استخدم أوجير قابل للتمد (أو عينات قادرة بالمثل) لجمع عينات التربة العميقة من مواقع العلم الأبيض في الشكل 1، وصولا إلى ثلاث مناطق عمق إضافية من 60-100 سم ، 100-175 سم ، و 175-250 سم. وتراعي هذه العينات تباين توصيف التربة داخل هذه الأعماق، فضلا عن تقييم مستوى SIC الخلفي في مساحة الأرض التي تم التحقيق فيها، وصولا إلى العمق العلوي لأفق الكربونات المسببة للفلخ الطبيعي.
    ملاحظة: استنادا إلى الخصائص المحلية في الموقع (مثل عمق جدول المياه الجوفية)، يمكن تعديل المنطقة العميقة في مواقع مختلفة.
  3. نقل عينات التربة إلى دلاء، واحدة لكل عمق عينات في كل قطعة أرض. اليد مزيج التربة في كل دلو جيدا. ضع اختبار الرطوبة المحمول في عينة التربة المختلطة. انتظر حتى يتم إصلاح محتوى الرطوبة عند نقطة مستقرة على مقياس الجهاز. اضغط على زر الحامل وسجل القيمة كمحتوى رطوبة في الوقت الحقيقي للتربة المخلوطة.
  4. تخزين العينات المركبة في أكياس مختومة. أكياس التسمية بشكل صحيح مع معلومات حول قطع الأرض (A، B، C، أو D)، وعمق التربة (0-15 سم، 15-30 سم، 30-60 سم، 60-100 سم، 100-175cm، 175-250 سم)، وتاريخ أخذ العينات.

2. تفتيت التربة قبل التحليل الكيميائي

  1. الهواء الجاف عينات التربة في أقرب وقت ممكن بعد أخذ العينات للحد من أكسدة كربون التربة. لهذا، ضع عينات التربة في صناديق من الورق المقوى (2.5 "× 3 " × 3 ") ووضع صناديق في خزانة التجفيف في 50 درجة مئوية لمدة 24-48 ساعة، حتى التربة الجافة. تخزين العينات المجففة الهواء في أكياس العينة حتى مزيد من التحليل.
  2. قبل تقسيم التربة، قم بتشغيل عينات التربة من خلال منخل 2 مم لإزالة شظايا كبيرة من الصخور وبقايا النباتات.
  3. فرن الجافة التربة منخل عن طريق وضع العينات في فرن كاتم الاحتفاظ بها في 105 ± 2 درجة مئوية لمدة 15 ساعة على الأقل.
  4. لتجزئ التربة، ضع 1 كجم من العينة المجففة بالفرن على الشبكة العلوية لشاكر الغربال المكون من أحجام شبكية مختلفة (710 إلى 50 ميكرومتر). يهز الغربال في 60 دورة في الدقيقة لمدة 15 دقيقة. ويفضل استخدام كسور المقلاة <50 ميكرومتر للتحليل، لأن هذا هو كسر التربة الغني بالكربونات المغنط.
    ملاحظة: يمكن أيضا اختبار كسور التربة الأخرى للحصول على بيانات إضافية للتحقق من تراكم SIC بسبب تحسين تجوية السيليكات المعدلة.

3. تحديد عزل الكربون غير العضوي في الديوجينيك

  1. لتحديد محتوى الكربون غير العضوي لعينات التربة باستخدام تحليل قياس الكالسيوم، ضع 5 غرام من عينة تربة منخلة في قارورة إرلينماير المناسبة. تعليق العينة في 20 مل من المياه فائقة النبور. إضافة 7 مل من 4 M HCl إلى أنبوب اختبار زجاجي صغير مسطح القاع، ثم ضع هذا الأنبوب منتصبا داخل القارورة باستخدام زوج من الملاقط.
  2. إرفاق قارورة بعناية إلى مقياس الكالسيوم عن طريق لصق سدادة المطاط. كان ينبغي تعديل مستويات مياه البوريت على مقياس الكالسيوم مسبقا حسب الحاجة، وكان ينبغي تشغيل الفراغات ومعايير CaCO3 مرة واحدة على مقياس الكالسيوم حسب الحاجة.
  3. هز القارورة ، وبالتالي يطرق على أنبوب حمض ، حتى مستوى المياه في بوريت تصل إلى قيمة ثابتة ، ويلاحظ أي محتدما في الحل (وهذا يستغرق ما يقرب من 5 دقائق).
  4. حساب3-equivalent CaCO (CaCO3(eqv)) محتوى العينة (g,CaCO3(eqv)·( kg,soil)-1) استنادا إلى تغير الحجم الملاحظ في البوريت وقيم المعايرة الفارغة و CaCO3 باستخدام تركيبة قياس الكالسيوم المناسبة. يتم الحصول على محتوى SIC عن طريق تحويل g,CaCO3(eqv)· (كغ، تربة) -1 قيمة في كجم، CO2· (طن، تربة) -1 أو كجم، C· (طن، تربة) -1.
    1. حساب محتوى CaCO3(eqv) من العينة باستخدام الصيغة أدناه:
      Equation 1(4)
      أين:
      w (CaCO3(eqv)= محتوى كربونات التربة المجففة بالفرن
      m1 = كتلة جزء الاختبار
      m2 = متوسط كتلة معايير كربونات الكالسيوم
      V1 = حجم ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تفاعل جزء الاختبار
      V2 = متوسط حجم ثاني أكسيد الكربون الناتج عن معايير كربونات الكالسيوم
      V3 = تغيير مستوى الصوت في التحديدات الفارغة
      ث (H2O) = محتوى المياه من العينة المجففة
      ملاحظة: يتم إجراء الخطوات 3.1 إلى 3.4 استنادا إلى بروتوكول قياسي29.
  5. لقياس كثافة السوائب (BD) من التربة ((طن، التربة)·م−3)،ضع عليكوت كبيرة بما فيه الكفاية من عينة التربة المجففة في الفرن في حاوية مع حجم معروف. وزن العينة باستخدام مقياس. تعتبر نسبة الوزن المجفف إلى حجم العينة BD.
    ملاحظة: يتم تقديم الأجهزة البديلة لحساب "كثافة الجزء الأكبر غير المضطرب" في المناقشة.
  6. حساب 11111111 (كغ، CO2·) هكتار)−1) باستخدام الصيغة التالية:
    Equation 2(5)
    أين:
    A = مساحة السطح
    DT = سمك العمق
  7. حساب مجموع SIC (SIC 0-60 سم، كجم، CO2·( هكتار)−1)لكل قطعة أرض، وذلك باستخدام القيم SIC القاعدة التي تم الحصول عليها لكل عمق، على النحو التالي:
    SICPlot A = SIC0-60 سم = SIC0-15 سم + SIC15-30 سم + SIC30-60 سم (6)
  8. إضافة مجموع القاعدة 11 (SIC 0-60 سم، كجم، CO2·( هكتار)−1)محتوى لكل قطعة أرض (A، B، C، D) التحقيق، والحصول على متوسط المتوسط على النحو التالي:
    Equation 3(7)
  9. تقسيم الوسطى يؤس (كجم، CO2·( هكتار)−1) تم الحصول عليها من Eq. 7 حسب معدل تطبيق معدن/صخور السيليكات المستخدمة لتعديل التربة ((طن، سيليكات)·( هكتار)−1).
    ملاحظة: سيوفر ذلك كمية الكربون غير العضوي المصن ع من حيث كيلوغرامثاني أكسيد الكربون لكل طن من السيليكات المطبقة (كجم، CO2·( طن، سيليكات)−1). إذا تم إجراء تحقيق متعدد السنوات، أو وجود قطعة تحكم بدون تعديل سيليكات، يجب تعديل هذه الخطوة لمراعاة العزل الكلي والتعديل الكلي على قيم طويلة الأجل، أو على مدار العام، أو عزل الكربون المسبب للاحتباس الكربوني.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 يتم إطلاقه بعد التحمض، عادة عن طريق إضافة حمض HCl المركز، للعينة المحتوية على الكربونات. طريقة قياس الكالسيوم بسيطة نسبيا، وتنطوي على إجراءات كيميائية بسيطة، وبالتالي فهي مناسبة لتحليل العديد من العينات الميدانية بسرعة عالية الدقة (أي قيم قابلة للاستنساخ) ودقة كافية (أي قيم قريبة من محتوى الكربونات الدقيق). في طريقة أخذ العينات العشوائية الموجهة المستخدمة في هذه الدراسة ، يتم مزج العينات من كل قطعة أرض جيدا يدويا ، ثم تجفيفها للحصول على عينة تربة تمثيلية متجانسة قبل تحليل محتواها SIC. يتم إجراء تحليل مقياس الكالسيوم في ثلاث نسخ لكل عينة.

يمكن تحديد التركيب الأساسي لعينات التربة إما عن طريق التحليل الطيفي الفلوري للأشعة السينية المشتتة (WDXRF) أو عن طريق قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترن بشكل استحثادي (ICP-MS). وفي حالة هذه الأخيرة، يجب أن تكون عينات التربة حمضية مهضومة قبل التحليل. يتم تحديد التكوين المعدني بشكل أفضل من خلال مسحوق الأشعة السينية الحيود (XRD). يوفر التصوير الحياري الناتج معلومات نوعية حول وجود مراحل معدنية بلورية ، والتي يمكن قياسها كميا من خلال تقنية صقل Rietveld ، بمساعدة أفضل باستخدام معيار داخلي. ويمكن استخدام التركيب الأولي والمعدني للاستدلال على العمق الذي وصلت إليه السيليكات ومنتجات التجوية في وقت أخذ العينات. ولذلك، فإنها يمكن أن تؤكد النقل من التربة السطحية نحو باطن الأرض، حيث يمكن تخزين الكربونات على المدى الطويل. يمكن دراسة مورفولوجيا جسيمات التربة عن طريق المجهر الإلكتروني المسح الضوئي (SEM) ويمكن دمجها مع التحليل الطيفي تشتيت الطاقة (EDS) للتحليل الدقيق شبه الكمي للعنصر. يمكن استخدام التحليل المورفولوجي لتحديد السيليكات المتبقية ومنتجات التجوية واكتساب فهم ميكانيكي لظواهر التجوية (مثل ذوبان الأسطح والبلورات المعجلة حديثا وتشكيل مواد غير متبلورة). ويمكن أيضا استخدام نتائج التحليل الدقيق المعدنية والعنصرية لمزيد من التحقق من نتائج قياس الكالسيوم. قد يكون وجود مراحل الكربونات المتراكمة ، مثل الكالسيت (CaCO3)، واضحا في التصوير الحياري ويمكن العثور عليه عن طريق التوقيع التركيبي بين جسيمات التربة.

ويبين الجدول 1 مجموعة نموذجية من البيانات للتربة المعدلة من الولاستونيت (التي جمعت من 0-15 سم وغير مخلوطة) مقارنة بتربة غير معالجة تحكم، من حيث درجة الحموضة في التربة، ونتائج قياس الكالسيوم، وتركيز أيونات الكالسيوم التي تم الحصول عليها باستخدام هضم الميكروويف تليها ICP-MS. درجة الحموضة للتربة المعدلة الولاستونيت أعلى بمقدار 1.15 وحدة مقارنة بالتحكم، ومحتوى CaCO3 (eqv) أكبر بخمس مرات تقريبا من عنصر التحكم. كما أن تركيز الكالسيوم في التربة المعدلة بالولاستونيت أعلى أيضا، بما يقرب من سبع مرات. وحدها، لا يمكن لبرنامج المقارنات الدولية-MS التمييز بين معدن الكالسيوم، مثل الولاستونيت أو الكالسيت، الذي يساهم بشكل رئيسي في تركيزات الكالسيوم هذه. ومع ذلك، من المتوقع أن يكون الفرق في تركيز الكالسيوم أكثر أهمية من فرق الكربونات لأن التربة المعدلة سيكون لديها المزيد من الولاستونيت والكربونات أكثر من تربة التحكم. ويمكن أن يساعد تحليل WDXRF وXRD لهذه العينات على زيادة توضيح الأكاسيد الرئيسية والمراحل المعدنية الموجودة في العينات، على التوالي.

يظهر محتوى CaCO3 (eqv) (نتائج مقياس الكالسيوم) على ملف عمودي (0-15 و15-30 و30-60 سم) في الجدول 2. وبناء على ذلك، كان أعلى محتوى (من عينات غير منخل) 10.13 غرام، كاكو3 (eqv)· (كغ، تربة) -1، تم اكتشافه في منطقة عمق 0-15 سم. وأظهرت عينات 15-30 سم أقل كمية من CaCO3 (eqv). زاد محتوى CaCO3 (eqv) مرة أخرى في منطقة 30-60 سم. كما تشير نتائج عينتين عميقتين إلى المحتوى الأعلى بكثير من الكربونات في الطبقات العميقة (ملف تعريف 60-100 سم). واستنادا إلى نتائج العينات الضحلة والعميقة، يشير ضمنا إلى وجود منطقتين غنيتين بالكربونات. الأول هو منطقة عمق 0-15 سم، ممثل منتجات التجوية بسبب تطبيق wollastonite، نظرا لزيادة كبيرة مقابل السيطرة. وتشمل المنطقة الأخرى عينات أعمق، تبدأ من حوالي 30 سم وتزداد إلى حد كبير إلى متر واحد. وبما أن العينات الأعمق تدل عموما على المواد الأم للتربة، يمكن استنتاج أن الكربونات في هذه المنطقة ذات منشأ جيولوجي. كما يصور الجدول 2 مقارنة للعينة غير المخللة والمخللة (كسر المقلاة) للتحقيق في تأثير الكسر على محتوى الكربونات. وبناء على ذلك، فإن محتوى الكربونات أعلى قليلا في كسر المقلاة، مما يعني إمكانية تراكم الكربونات في جزيئات أصغر، بالاتفاق مع دراستنا السابقة28.

ويمكن تحديد أكاسيد مختلفة موجودة في التربة من قبل WDXRF، كما يتضح في الجدول 3 للتربة التحكم. السيليكا (SiO2)هو أكسيد الرئيسي الحالي، الذي هو المكون الرئيسي للتربة اللطم الرملي، والملمس من هذه العينة تشمل 11 غرام / كجم الحصى، 551 غرام / كجم الرمل، 295 غرام / كغ الطمي، و 155 غرام / كغ الطين. محتوى Ca للتربة (2.59 wt٪) الحصول عليها من قبل WDXRF أكبر من تلك التي يحددها برنامج المقارنات الدولية - MS (0.96 wt ٪). ويرجع ذلك إلى أن نتيجة WDXRF يتم تسويتها إلى 100 wt٪، مما يؤدي إلى تضخيم القيم بشكل طفيف حيث لا يتم حساب المكونات غير القابلة للكشف مثل المواد العضوية. وعلاوة على ذلك، فإن طريقة الهضم المستخدمة لإعداد عينات من مرض التصلب العصبي المتعدد لبرنامج المقارنات الدولية لم تذوب على الأرجح جميع معادن التربة، ولذلك فإن قيم نظام المقارنات الدولية - التصلب المتعدد يستهان بها قليلا. وبالتالي، فإن استخدام WDXRF جنبا إلى جنب مع برنامج المقارنات الدولية-MS يسمح لتقدير الحد العلوي والسفلي على تركيز Ca الحقيقي (ومغ). وبالتالي، يمكن استخدامها لرصد نقل السيليكاتيات ومنتجات التجوية، بما في ذلك الكربونات، كدالة للعمق.

12- أما نمط XRD للتربة المعدلة من الولاستونيت فيرد في الشكل 3. القمم الرئيسية الحالية هي الكوارتز (SiO2) عند 26.65 درجة ، وalbite (NaAlSi3O8)عند 28.07 درجة ، وهي معادن سائدة في التربة الرملية31. قمم إضافية من الولاستونيت والكالسيت موجودة أيضا نتيجة لإضافة wollastonite وتشكيل الكالسيت. يتم تحديد الكالسيت من خلال ذروة رئيسية عند 29.40 درجة 2а ، وذروة طفيفة عند 39.40 درجة. القراءة عالية الكالسيوم للتربة المعدلة ويرجع ذلك إلى تشكيل الكالسيت، على الأقل جزئيا كما كربونات غير متبلور التي يمكن أن تشكل أيضا في ظل الظروف المحيطة32. WDXRF وXRD يمكن أن تساعد أيضا في توصيف wollastonite المستخدمة. التركيب الأساسي الاسمي للوولاستونيت المستخدم في هذه الدراسة، والمستمد من منجم ولاستونيت الكندي في أونتاريو، ويشمل السيليكون 26٪ (55٪ SiO2)،18٪ الكالسيوم (26٪ CaO)، 4.0٪ المغنيسيوم (9٪ MgO)، 1.8٪ الكبريت، 0.11٪ النيتروجين، 0.10٪ P2O5،0.10٪ K2O، 11 ppm النحاس، و 1.1 ppm الزنك. وتشمل المراحل المعدنية الرئيسية الموجودة في هذا الولاستونيت، كما يحددها تحليل XRD، وولاستونيت، ديوبسايد (CaMgSi2O6)،والكوارتز (SiO2).

ويبين الشكل 4 أ صور SEM للتربة المعدلة من مادة الولاستونيت بعد فترة من التجوية استمرت عدة أسابيع. الولاستونيت على شكل إبرة دقيقة ملحوظ في عينة التربة المعدلة، موجودة جنبا إلى جنب مع جزيئات التربة الكبيرة الأخرى. نظرة فاحصة على هذه الجسيمات wollastonite(الشكل 4b)يساعد على الحصول على نظرة أعمق في التغيرات المورفولوجية التي تحدث على السطح. التحليل الدقيق لسطح الولاستونيت ممكن عن طريق الحصول على رسم خرائط عنصري للعينة(الأشكال 4c-f). يكشف طيف EDS للمنطقة المرسومة عن ملفه الكيميائي شبه الكمي في الشكل 4g. تظهر الخرائط الأولية بوضوح سي وكا كمكونين رئيسيين للوولاستونيت. ملغ ليست عنصرا رئيسيا من wollastonite، كما يتضح من عدم وجود إشارة ملغ من الجسيمات على شكل إبرة، لكنه موجود بكميات طفيفة في جزيئات التربة الأخرى، والتي يمكن أن تشمل جزيئات ديوبسايد. لا تميز الخريطة C بين الكربونات التي تشكلت على سطح الولاستونيت والمادة العضوية الموجودة بالفعل في التربة، وتهيمن عليها أيضا إشارة الكربون القادمة من شريط الكربون أسفل العينة. ويبين الشكل 5 تحليل ال EDS الموضعي للشظايا الأصغر، عند 40000x، المتناثرة في عينة التربة والمبينة في الشكل 4ب (عند 2000x) المعلمة داخل الدائرة الصفراء. يشير تحليل EDS الموضعي في نقطتين مختلفتين إلى أن هذه القطعة غنية ب C و O ، مما يشير إلى أنها تتكون في المقام الأول من المادة العضوية ، والتي تتطابق مع مورفولوجيا الجسيمات غير المتبلورة. بالإضافة إلى ذلك، من خلال النظر في نسبة Ca:Si، يمكن استخدام تحليل SEM-EDS لتحديد علامات التجوية الولاستونيت في التربة، مثل رشح Ca من الولاستونيت أو مصير الكربونات المشكل في التربة.

وباستخدام قراءة مقياس الكالسيوم للتربة المعدلة بالوولاستونيت، يمكن حساب معدل عزل الكربون غير العضوي المبيت باستخدام الخطوات المبينة في الفرع 3 من البروتوكول. وتحقيقا لهذه الغاية، ينبغي حساب الفرق في قراءة مقياس الكالسيوم للعينة المحللة والتحكم المقابل لها لعمق الاهتمام. ثم يتم تطبيق عامل 0.44 على الفرق لتحويل CaCO3 (eqv) إلى CO2. في حالة عينات العمق 0-15 سم المعروضة في الجدول 2، خصم قراءة مقياس الكالسيوم للتحكم (2.51 غرام، كاكو3 (eqv)·( kg,soil)-1) من 0-15 سم عمق القراءة (10.13 غرام، كاكو3(eqv)·( كجم، التربة)-1)،والنتائج في كمية صافية من 3.35 كجم، CO2· (طن، تربة) -1 معزول في هذا العمق النظر فقط في سمك التربة من 0.15 متر، وBD المضطربة من 1.01 طن · (م-3)تقاس في المختبر، ثم يتم حساب SIC Areal باستخدام المعادلة 5. واستنادا إلى النسبة بين دينار قبلي مضطرب ومضطرب وعدم اليقين القائم في الإبلاغ عن دينار قبلي بسبب العوامل المناخية وعوامل استخدام الأراضي، قدرنا أن BD غير المضطرب لطبقة 0-15 سم لدينا 1.386 ± 0.23 طن· (م-3). وبالنظر إلى عدم اليقين الموجود في قراءة مقياس الكالسيوم ، حددنا عدم اليقين التراكمي ل SICArealالمحسوبة ، باستخدام معادلة غاوسية لطريقة الأخطاء الموزعة عادة ، لتكون ± 39٪. وبناء على ذلك، فإننا نقدرCO2 المعزول في طبقة 0-15 سم من حقلنا لتكون 6.96 ± 2.71 طن، CO2· (هكتار) −1. باستخدام إجراء مماثل، يمكن أيضا حساب طبقة Areal SIC التي تتراوح بين 15-30 سم وطبقات 30-60 سم (لهذا الحقل، لم تكن قيم التحكم متوفرة لإثبات هذا الحساب). ولتلخيص القيم الخاصة بالتشكيل الجانبي الكامل للسم 0-60 سم، يمكن تحديد الكربون المعزول المقدر في منطقة الدراسة.

Figure 3
الشكل 3:XRD diffractogram يظهر المراحل المعدنية الموجودة في التربة المعدلة الولاستونيت (W: ولستونيت، س: كوارتز، A: albite، C: الكالسيت). Diffractogram التي تحددها التجارية الأشعة السينية الحيود والبرمجيات analysi. يعمل مقياس الحيود مع إشعاع Cu Kα عند 45 كيلو فولت و40 mA ، وتم جمع أنماط الحيود على مدى نطاق 2 بوصة من 5 إلى 70 درجة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4:تحليل SEM-EDS. (أ) صورة SEM للتربة المعدلة من الولاستونيت عند مقياس 250x و 400 ميكرومتر؛ (ب)رؤية أقرب للحبوب الولاستونيت التي تم تجاوزها الموجودة في التربة عند مقياس 2000x و 50 ميكرومتر؛ (ج-و) رسم الخرائط الأولية ل EDS ل Si وC وCa وMg الموجودة في المنطقة التي تم تصورها في الشكل 4b عند مقياس 2000x و50 ميكرومتر؛ (ز) تم جمع الطيف EDS وتركيبة عنصري شبه كمية للمنطقة تصور في لوحة ب. SEM-EDS البيانات باستخدام المجهر الإلكتروني المسح الضوئي، والتي كانت مجهزة التحليل الطيفي تشتيت الطاقة المستخدمة لتحليل تكوين عنصري من مناطق مختارة والبقع مع حجم الإثارة في 20 كيلو فولت. قبل تحليل SEM-EDS ، تم تركيب العينات على شريط الكربون ومغلفة بالذهب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5:صورة SEM للجسيمات المطوقة الموضحة في الشكل 4b عند مقياس 40,000x و 2.5 ميكرومتر، وطيف EDS والتركيبة شبه الكمية للبقعتين المميزتين على صورة SEM. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

عينة pHأ قياس مقياس الكالسيوم (g,CaCO3(eqv)/kg,التربة) تركيز Ca من ICP-MS (ملغم، كا/كغ، تربة)ب
السيطرة (لا تعديل) 6.42 ± 0.05 4.5 ± 0.5 9566.6 ± 86.8
وولاستونيت التربة المعدلة 7.57 ± 0.04 21.9 ± 0.1 66044.1 ± 534.6
أ تم تحديد درجة الحموضة للعينات باستخدام نسبة 1:5 من التربة و 0.01M CaCl2 الحل، تليها 30 دقيقة اهتزاز و 1 ساعة تسوية الوقت قبل اتخاذ قياس درجة الحموضة من supernatant واضحة (بانسو وغوثيرو، 2006).
ب وكانت العينات هضمها بالموجات الدقيقة في HNO3 المركزة قبل تحليل ICP-MS؛ غالبا ما يوصى باستخدام HF لهضم التربة والسيليكات ، ولكن يتم تجنبه هنا لتقليل خطر سلامة التحليل (HF مادة كيميائية سامة للغاية تتطلب عناية فائقة والتعامل المناسب).

الجدول 1: المقارنة بين تربة المكافحة غير المعالجة والتربة المعدلة من الولاستونيت استنادا إلى التحليلات الكيميائية (درجة الحموضة، قياس الكالسيوم، و ICP-MS).

عينة محتوى SIC (g,CaCO3(eqv)/(كجم, تربة))
عمق المنطقة من 0-15 سم (كسر عموم) 12.33 ± 3.53
عمق المنطقة من 0-15 سم 10.13 ± 2.68
التحكم في قيمة منطقة العمق من 0-15 سم 2.51 ± 0.50
عمق المنطقة من 15-30 سم 4.23 ± 1.00
عمق المنطقة من 30-60 سم 9.20 ± 0.09
لمحة عميقة 1 (0-30 سم) 4.41 ± 0.06
لمحة عميقة 1 (30-60 سم) 1.56 ± 0.03
لمحة عميقة 1 (60-100 سم) 32.32 ± 1.36
لمحة عميقة 2 (0-30 سم) 4.56 ± 0.62
لمحة عميقة 2 (30-60 سم) 18.43 ± 0.41
لمحة عميقة 2 (60-100 سم) 131.54 ± 1.89
تم جمع عينات من منطقة عمق 0-15 سم باستخدام أخذ عينات التحقيق. وتم جمع عينات من مناطق العمق التي تتراوح بين 15 و30 سم و30-60 سم باستخدام عينات مسبار داكوتا. تم جمع عينات ملف تعريف عميق باستخدام عينة auger الموسعة.

الجدول 2: محتوى CaCO3 (eqv) في أعماق مختلفة من التربة استنادا إلى نتائج قياس الكالسيوم.

أكاسيد في التربة Wt٪
سي أو2 65.19
آل2O3 14.76
في2O3 6.20
كاو 3.62
K2O 2.98
P2O5 2.11
مجو 1.69
نا 2O 1.45
تيو2 1.25
SO3 0.37
MnO 0.16
باو 0.11
زرو2 0.10

الجدول 3: بيانات الصندوق عن تكوين الأكاسيد المختلفة الموجودة في التربة المتحكمة. تم تحليل عينات مكررة ، في شكل مسحوق فضفاض ، لمدة 20 دقيقة باستخدام طريقة Omniam بدون معايير ، تحت الهيليوم وطاقة 1 كيلووات ، وتم حساب التركيزات ككاسيدات.  وكان متوسط المبلغ قبل التطبيع 69.8 في المائة، وكان الرصيد هو المسامية وعناصر الضوء التي لا يمكن اكتشافها (H وC وO وN). تم اختيار متوسط تركيزات الأكاسيد المكتشفة الموجودة بكميات أكبر من 0.10 wt٪ وتطبيعها إلى 100٪.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 جهاز أخذ عينات التربة المحدد على بنية التربة وعمق الاهتمام33. في حين أنه من الأنسب استخدام المسابير اليدوية / augers في حالة العينات الضحلة ، عادة ما يوصى بنسخة أكثر تقدما (على سبيل المثال ، أوجر قابل للتمداد) لاستعادة عينات باطن الأرض33. في هيمنة الطين الضيق أو الرمال الموطونة ، قد تظهر بعض الصعوبات أثناء استخراج النوى بسبب الاحتكاك وتوركوينجالعينات 33. ومن المسائل المطروحة على حملات التحقق من الكربون غير العضوي اختيار الفترة الزمنية المناسبة لتتبع امتصاص الكربون في التربة، لأنه قد يكون متغيرا على فترات طويلة (على سبيل المثال، من 5 إلى 10 سنوات)34. على الرغم من عدم وجود تردد محدد لإعادة أخذ العينات ، يعتقد أن الفواصل الزمنية الطويلة بشكل معتدل (على سبيل المثال ، سنوية أو نصف سنوية) تعزز فرصة تتبع التغييرات SIC بشكل موثوق35.

وهناك أيضا بعض التحديات التي تعقد قياس الكربون غير العضوي باستخدام تحليلات مختلفة. أولا، يتعلق الأمر بالانحلال البطيء المحتمل لأنواع الكربونات أثناء تحليل قياس الكالسيوم، لا سيما عندما يكون هناك فخ بالكربونات داخل مجاميع الجسيمات، أو حتى داخل جزيئات السيليكات الأصلية؛ وهذا يقلل من الاتصال من الحل الحمضية، وتباطؤ أو حتى عرقلة انحلال الكربونات وما نتج عن ذلك من إزالة الغاز من ثاني أكسيد الكربون2 أثناء تحليل قياس الكالسيوم. أما الصعوبة الأخرى التي قد تنشأ فهي أثناء التحليل المعدني، من حيث الكشف عن منتجات التجوية/العزل، وبسبب عدم تجانس التربة، مما يعوق تحليلات XRD و SEM-EDS، على الأقل عن طريق جعل الوصول إلى نتائج حاسمة أكثر صعوبة36. تم العثور على إجراء الكسر لتكون مفيدة في عملنا السابق28 لتركيز الكربونات pedogenic والسيليكات المتبقية في جزء واحد من التربة (كسر عموم)، مما يسمح بإجراء تحليلات أكثر دقة الكيميائية والمعدنية والمورفولوجية. وقد أشارت دراسات أخرى إلى أن الكربون العضوي المتراكم من المرجح أن يتم تخزينه في تجميع الجسيمات الدقيقة للتربة الزراعية37،38، على غرار الجسيمات التي تم تحليلها في الشكل 5. وعلاوة على ذلك، فإن مساحة السطح الأعلى من جزيئات الصخور السيليكات الدقيقة يؤدي إلى ارتفاع معدل التجوية مقارنة مع كسرخشنة 15. ومع ذلك، يمكن أن يختلف الكسر من تربة إلى أخرى، بل وقد لا يكون مطلوبا للتربة التي تحتوي على كميات كبيرة من الكربونات والسيليكات. أيضا، يجب التحقق من حاجته أو فائدته لأنواع التربة المختلفة وتعديلات السيليكات المختلفة من تلك المستخدمة في عملنا السابق.

لقد أظهرنا طرق للكشف عن وتحليل SIC بسبب تطبيق الولاستونيت على التربة الزراعية في الدراسة الحالية. على الرغم من أنه يمكن استخدام هذه التقنيات للتحقيق SIC في التربة المعدلة مع المرشحين تعزيز التجوية الأخرى، مثل البازلت والأليفين، والمعدن المفضل قد يكون لها آثار مختلفة على التربة، والتي ينبغي النظر فيها أثناء التحليل. على سبيل المثال، قد تستغرق عملية التجوية وقتا أطول لبعض المعادن مقارنة بمعادن أخرى. ويمكن أن يعزى ذلك إلى معدل انحلال مختلف لعدة معادن، وانتهاء بمعدل تمعدن مختلف على المدى القصير والطويل. وتتعلق المسألة الأخرى بحدوث كربونات مترسبة على الملامح الرأسية للتربة، يمكن أن تختلف استنادا إلى الخصائص المعدنية للسيليكات والالتواءات الجيوكيميائية الناتجة عن التربة، الاستقرائية أو غير المسببة للترسيب الكربوني الفوري في التربة الضحلة. وبناء على ذلك، فإن تعديل التربة مع بعض أنواع السيليكات يمكن أن يسفر عن تكوين كربونات كبيرة من الدهون في طبقات أعمق، على النقيض من التراكم الضحل للكربونات بسبب تجوية الولاستونيت المكتشف في حقولنا المدروسة. وقد استخدمت على نطاق واسع العينات الأساسية لاستخراج عينات دون عائق وقياس دينار غير منزعج في مجال39. وبما أن BD هو دالة لعدة معلمات مناخية وإعدادات ممارسة ، وقد يختلف مكانيا وزمانيا ، فإن عددا معقولا من التكرارات مطلوب للتحقق من نطاق مقبول من عدم اليقين BD في مجالالدراسة 39. وهذا ضروري بشكل خاص لمعالجة أوجه عدم اليقين الكبيرة في التقديراتالمحسوبة حسب SIC، مثل القيمة المحددة في الدراسة الحالية (أي ± 39٪).

يمكن أيضا استخدام التحليل الحراري (TGA) لتحديد محتوى كربونات الكالسيوم في التربة عن طريق قياس فقدان الكتلة في نطاق درجة الحرارة من 500−800 درجة مئوية ، وهو نطاق درجة حرارة التحلل ل CaCO340. إن أساليب محلل الكربون الآلي أو أساليب TGA مناسبة لتحليل عينات التربة من المناطق الضيقة الأصغر، مثل تجربة وعاء، لأن هذه الأساليب تتطلب 20 ملليغرام فقط من عينة التربة للتحليل. لذلك بالنسبة للدراسات الزراعية، تعتبر نتائج قياس الكالسيوم أكثر دقة ودقة بالنظر إلى الكتلة الأكبر للعينة التي تم تحليلها (10 غرام مقابل 20 ملليغرام)، وقراءات ثلاثية الليكات التي تم الحصول عليها، واستخدام كربونات الكالسيوم النقي كمعيار للطريقة. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل والأمثلة في حق وآخرون36. ونظرا لتعايش الكربونات ذات الدوافع الجيولوجية والجوية في التربة، فإن التمييز بين المصادر المختلفة له أهمية. تعتبر التواقيع المستقرة للنظائر (δ13درجة مئوية) والانبعاثات الكربونية المشعة(14درجة مئوية)، وكذلك توقيعات الأكسجين النظيري، أدوات قوية لتحديد مصدر الكربون في التربة16و41و42و43. ويمكن لهذا التحليل أن يزيد من التحقق من عزلثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في الدراسات الرامية إلى رصد مصير الكربونات المسببة للاحتباس الاصطناعي في التربة.

وفي حين أن أساليب الكشف التقليدية عن الكربون (مثل قياس الكتلة) مناسبة لأسواق الكربون المحلية، فإن هناك حاجة إلى أساليب أكثر منهجية عندما يتعلق الأمر بأهداف التحقق في الأسواق المنظمة35. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ولا يوجد تضارب في المصالح بين صاحبي البلاغ.

Acknowledgments

وقد دعم هذا العمل منحة تسويق الأغذية من الفكر، التي تمول من الصندوق الكندي للتميز البحثي الأول. وقدمت شركة ولستونيت الكندية الدعم المالي الصناعي كجزء من هذه المنحة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. NOAA. Trends in atmospheric carbon dioxide. NOAA. , Available from: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ (2020).
  2. Socolow, R. Wedges reaffirmed. Bulletin of the Atomic Scientists. 2011 (9), (2011).
  3. Mission Innovation. Joint launch statement. Mission Innovation. , Mission Innovation Countries. Paris. (2015).
  4. Lackner, K. S., Brennan, S. Envisioning carbon capture and storage: Expanded possibilities due to air capture, leakage insurance, and C-14 monitoring. Climatic Change. 96 (3), 357-378 (2009).
  5. Lackner, K. S. A guide to CO2 sequestration. Science. 300 (5626), 1677-1678 (2003).
  6. Kwon, S., Fan, M., DaCosta, H. F. M., Russell, A. G. Factors affecting the direct mineralization of CO2 with olivine. Journal of Environmental Sciences. 23 (8), 1233-1239 (2011).
  7. Hartmann, J., et al. Enhanced chemical weathering as a geoengineering strategy to reduce atmospheric carbon dioxide, supply nutrients, and mitigate ocean acidification. Reviews of Geophysics. 51 (2), 113-149 (2013).
  8. Batjes, N. H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world. European Journal of Soil Science. 47 (2), 151-163 (1996).
  9. Haque, F., Chiang, Y. W., Santos, R. M. Alkaline mineral soil amendment: A climate change stabilization wedge. Energies. 12 (12), 2299 (2019).
  10. Strefler, J., Amann, T., Bauer, N., Kriegler, E., Hartmann, J. Potential and costs of carbon dioxide removal by enhanced weathering of rocks. Environmental Research Letters. 13 (3), 34010 (2018).
  11. Beerling, D. J., et al. Farming with crops and rocks to address global climate, food and soil security. Nature Plants. 4 (3), 138-147 (2018).
  12. Lefebvre, D., et al. Assessing the potential of soil carbonation and enhanced weathering through Life Cycle Assessment: A case study for Sao Paulo State, Brazil. Journal of Cleaner Production. 233, 468-481 (2019).
  13. Haque, F., Santos, R. M., Chiang, Y. W. CO2 sequestration by wollastonite-amended agricultural soils-An Ontario field study. International Journal of Greenhouse Gas Control. 97, 103017 (2020).
  14. Ten Berge, H. F. M., et al. Olivine weathering in soil, and its effects on growth and nutrient uptake in ryegrass (Lolium perenne L.): a pot experiment. PloS One. 7 (8), 42098 (2012).
  15. Amann, T., et al. Enhanced weathering and related element fluxes-A cropland mesocosm approach. Biogeosciences. 17 (1), 103-119 (2020).
  16. Manning, D. A. C., Renforth, P., Lopez-Capel, E., Robertson, S., Ghazireh, N. Carbonate precipitation in artificial soils produced from basaltic quarry fines and composts: An opportunity for passive carbon sequestration. International Journal of Greenhouse Gas Control. 17, 309-317 (2013).
  17. Frazell, J., Elkins, R., O'Geen, A. T., Reynolds, R., Meyers, J. Facts about serpentine rock and soil containing asbestos in California. ANR Publication: University of California. , 8399 (2009).
  18. Kelland, M. E., et al. Increased yield and CO2 sequestration potential with the C4 cereal Sorghum bicolor cultivated in basaltic rock dust-amended agricultural soil. Global Change Biology. 26 (6), 3658-3676 (2020).
  19. Haque, F., Santos, R. M., Chiang, Y. W. Optimizing inorganic carbon sequestration and crop yield with wollastonite soil amendment in a microplot study. Frontiers in Plant Science. 11, 1012 (2020).
  20. Palandri, J. L., Kharaka, Y. K. A compilation of rate parameters of water-mineral interaction kinetics for application to geochemical modeling. National Energy Technology Laboratory-United States Department of Energy. , Menlo Park, California. USGS Open File report 2004-1068 (2004).
  21. Schott, J., et al. Formation, growth and transformation of leached layers during silicate minerals dissolution: The example of wollastonite. Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 259-281 (2012).
  22. Brioche, A. S. Mineral commodity summaries-Wollastonite. US Geological Survey. , (2018).
  23. Haque, F., Santos, R. M., Dutta, A., Thimmanagari, M., Chiang, Y. W. Co-benefits of wollastonite weathering in agriculture: CO2 sequestration and promoted plant growth. ACS Omega. 4 (1), 1425-1433 (2019).
  24. Li, Y., Both, A. -J., Wyenandt, C. A., Durner, E. F., Heckman, J. R. Applying Wollastonite to Soil to Adjust pH and Suppress Powdery Mildew on Pumpkin. HortTechnology. 29 (6), 811-820 (2019).
  25. Mao, P., et al. Phosphate addition diminishes the efficacy of wollastonite in decreasing Cd uptake by rice (Oryza sativa L.) in paddy soil. Science of the Total Environment. 687, 441-450 (2019).
  26. Hangx, S. J. T., Spiers, C. J. Coastal spreading of olivine to control atmospheric CO2 concentrations: A critical analysis of viability. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3 (6), 757-767 (2009).
  27. Zamanian, K., Pustovoytov, K., Kuzyakov, Y. Pedogenic carbonates: Forms and formation processes. Earth-Science Reviews. 157, 1-17 (2016).
  28. Dudhaiya, A., Haque, F., Fantucci, H., Santos, R. M. Characterization of physically fractionated wollastonite-amended agricultural soils. Minerals. 9 (10), 635 (2019).
  29. Calcimeter manual. Eijlelkamp Soil & Water. , Available from: https://www.eijkelkamp.com/download.php?file=M0853e_Calcimeter_b21b.pdf (2020).
  30. ASTM. ASTM D4373 - Standard test method for rapid determination of carbonate content of soils. American Society of Testing of Materials. , (2014).
  31. Schönenberger, J., Momose, T., Wagner, B., Leong, W. H., Tarnawski, V. R. Canadian field soils I. Mineral composition by XRD/XRF measurements. International Journal of Thermophysics. 33 (2), 342-362 (2012).
  32. Versteegh, E. A. A., Black, S., Hodson, M. E. Carbon isotope fractionation between amorphous calcium carbonate and calcite in earthworm-produced calcium carbonate. Applied Geochemistry. 78, 351-356 (2017).
  33. Soil Sampling. LSADPROC-300-R4. EPA. , Available from: https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-06/documents/Soil-Sampling.pdf (2020).
  34. Smith, P., et al. How to measure, report and verify soil carbon change to realize the potential of soil carbon sequestration for atmospheric greenhouse gas removal. Global Change Biology. 26 (1), 219-241 (2020).
  35. Donovan, P. Measuring soil carbon change: A flexible, practical, local method. , Retrieved on January 19, https://soilcarboncoalition.org/measuring-soil-carbon-change-flexible-practical-local-method/ (2021).
  36. Haque, F., Santos, R. M., Chiang, Y. W. Using nondestructive techniques in mineral carbonation for understanding reaction fundamentals. Powder Technology. 357, 134-148 (2019).
  37. Han, X., et al. Understanding soil carbon sequestration following the afforestation of former arable land by physical fractionation. Catena. 150, 317-327 (2017).
  38. Jagadamma, S., Lal, R. Distribution of organic carbon in physical fractions of soils as affected by agricultural management. Biology and Fertility of Soils. 46 (6), 543-554 (2010).
  39. Walter, K., Don, A., Tiemeyer, B., Freibauer, A. Determining soil bulk density for carbon stock calculations: a systematic method comparison. Soil Science Society of America Journal. 80 (3), 579-591 (2016).
  40. Huijgen, W. J. J., Witkamp, G. -J., Comans, R. N. J. Mechanisms of aqueous wollastonite carbonation as a possible CO2 sequestration process. Chemical Engineering Science. 61 (13), 4242-4251 (2006).
  41. Bughio, M. A., et al. Neoformation of pedogenic carbonates by irrigation and fertilization and their contribution to carbon sequestration in soil. Geoderma. 262, 12-19 (2016).
  42. Carmi, I., Kronfeld, J., Moinester, M. Sequestration of atmospheric carbon dioxide as inorganic carbon in the unsaturated zone under semi-arid forests. Catena. 173, 93-98 (2019).
  43. Washbourne, C. L., Lopez-Capel, E., Renforth, P., Ascough, P. L., Manning, D. A. C. Rapid removal of atmospheric CO2 by urban soils. Environmental Science and Technology. 49 (9), 5434-5440 (2015).

Tags

العلوم البيئية، العدد 172، الكربونات المهجنة، التجوية المحسنة، احتجاز الكربون وتخزينه، أخذ عينات التربة، قياس الكالسيوم، الكربون غير العضوي
رصد تراكم الكربون غير العضوي المبرد بسبب تجوية معادن السيليكات المعدلة في التربة الزراعية.
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Khalidy, R., Haque, F., Chiang, Y.… More

Khalidy, R., Haque, F., Chiang, Y. W., Santos, R. M. Monitoring Pedogenic Inorganic Carbon Accumulation Due to Weathering of Amended Silicate Minerals in Agricultural Soils.. J. Vis. Exp. (172), e61996, doi:10.3791/61996 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter