Überwachung der anorganischen Kohlenstoffakkumulation pedogener Kohlenstoff aufgrund der Verwitterung von geänderten Silikatmineralien in landwirtschaftlichen Böden.

Summary

Die hier beschriebene Nachweismethode ist anpassbar für die Überwachung der pedogenen anorganischen Kohlenstoffbindung in verschiedenen landwirtschaftlichen Böden, die mit Erdalkalimetallsilikat-haltigen Gesteinen wie Wollastonit, Basalt und Olivin ergänzt werden. Diese Art der Validierung ist für Emissionsgutschriftenprogramme unerlässlich, von denen Landwirte profitieren können, die Kohlenstoff auf ihren Feldern binden.

Abstract

Die vorliegende Studie zielt darauf ab, ein systematisches Verfahren zur Überwachung von anorganischem Kohlenstoff zu demonstrieren, der durch verstärkte Verwitterung von zerkleinerten Gesteinen in landwirtschaftlichen Böden induziert wird. Dazu werden die in unterschiedlicher Tiefe (u.a. 0-15 cm, 15-30 cm und 30-60 cm Profile) entnommenen Bodenkernproben aus einem landwirtschaftlichen Feld entnommen, dessen Oberboden bereits mit einem mineralhaltigen Erdalkalimetallsilikat (wie Wollastonit) angereichert wurde. Nach dem Transport ins Labor werden die Bodenproben luftgetrocknet und gesiebt. Dann wird der anorganische Kohlenstoffgehalt der Proben durch eine volumetrische Methode namens Kalzimetrie bestimmt. Die hier vorgestellten repräsentativen Ergebnisse zeigten fünffache Inkremente des anorganischen Kohlenstoffgehalts in den mit dem Ca-Silikat geänderten Böden im Vergleich zu Kontrollböden. Diese Änderung der Zusammensetzung ging mit einem pH-Anstieg von mehr als 1 Einheit in den veränderten Böden einher, was eine hohe Auflösung des Silikats implizierte. Mineralogische und morphologische Analysen sowie die Elementzusammensetzung bestätigen den Anstieg des anorganischen Kohlenstoffgehalts von silikatgeschwächten Böden zusätzlich. Die in dieser Studie vorgestellten Probenahme- und Analysemethoden können von Forschern und Fachleuten übernommen werden, die pedogene anorganische Kohlenstoffveränderungen in Böden und Unterböden verfolgen möchten, einschließlich solcher, die mit anderen geeigneten Silikatgesteinen wie Basalt und Olivin ergänzt wurden. Diese Methoden können auch als Werkzeuge zur Überprüfung der anorganischen Kohlenstoffbindung durch private und staatliche Stellen zur Zertifizierung und Vergabe von Emissionsgutschriften genutzt werden.

Introduction

CO₂ ist ein wichtiges Treibhausgas (THG), und seine Konzentration in der Atmosphäre nimmt kontinuierlich zu. Der vorindustrielle globale Durchschnitt CO₂ betrug etwa 315 Teile pro Million (ppm), und ab April 2020 stieg die atmosphärische CO_{2-Konzentration} auf über 416 ppm, was zu einer globalen Erwärmung führte¹. Daher ist es wichtig, die Konzentration dieses wärmefangenden THG in der Atmosphäre zu reduzieren. Socolow² hat vorgeschlagen, dass zur_{Stabilisierung} der Konzentration von atmosphärischem CO 2 auf 500 ppm bis 2070 neun “Stabilisierungskähke” erforderlich sein werden, wobei jeder Stabilisierungskeil ein individueller Minderungsansatz ist, der auf eine Emissionsreduktion von 3,67 Gt CO_2-Äq pro Jahr ausgelegt ist.

Carbon Capture and Storage (CCS) ist die Haupttechnologie zur Reduzierung des CO₂ aus der Atmosphäre, wie von der Mission Innovation Initiative empfohlen, die auf der Klimakonferenz der Vereinten Nationen 2015 ins Leben gerufen wurde³. Um atmosphärisches CO₂abzuscheiden, sind die drei hauptspeicheroptionen die Ozeanspeicherung, die geologische Speicherung und die Mineralkarbonisierung⁴. Co₂ konzentriert sich auf die mineralische Karbonisierung und wird durch umwandlung von Erdalkalimetallen, hauptsächlich kalzium- und magnesiumreichen Silikaten, in thermodynamisch stabile Carbonate für geologische Zeiträume (über Millionen von Jahren)^{gespeichert 5}. Zum Beispiel haben Olivin-, Pyroxen- und Serpentingruppenmineralien das Potenzial, einer mineralischen Karbonisierung unterzogen zu werden⁶; Unter normalen Bedingungen sind diese Reaktionen jedoch durch eine langsame Reaktionskinetik begrenzt. Um den Prozess unter Umgebungsbedingungen zu beschleunigen, können daher fein zerkleinerte (zerkleinerte/gemahlene) Formen dieser Silikate auf landwirtschaftliche Böden aufgetragen werden, ein Prozess, der als terrestrische verstärkte Verwitterung bezeichnet wird⁷. Der Boden ist eine natürliche Senke zur Speicherung von CO₂und derzeit ein Reservoir für 2500 Gt Kohlenstoff, was dreimal das atmosphärische Reservoir (800 Gt Kohlenstoff)^{ist 8}. Pedogene Prozesse in Böden und Unterböden regulieren atmosphärisches CO₂ durch zwei wichtige natürliche Wege, nämlich den organischen Substanzkreislauf und die Verwitterung von Erdalkalimetallmineralien, die organische und anorganische Kohlenstoffpools beeinflussen⁹.

Es wird geschätzt, dass fast 1,1 Gt des atmosphärischen CO₂ durch chemische Gesteinsverwitterung jährlich mineralisiert werden¹⁰. Calcium- und magnesiumreiche Silikatgesteine (z.B. Basalt) gelten als primäre Ausgangsstoffe für eine verbesserte Verwitterung^9,11,12. Sobald zerkleinerte silikathaltige Mineralien auf landwirtschaftlichen Feldern ausgebracht werden, beginnen sie mit im Porenwasser des Bodens gelöstem CO₂ zu reagieren und enden mit der mineralischen Ausfällung stabiler Karbonate^11,13. Olivin^14,15, Wollastonit (CaSiO₃)¹³, Dolerit und Basalt¹⁶ gehören zu den Mineralien, die in früheren Studien ein Kohlenstoffbindungspotenzial durch verbesserte Verwitterung gezeigt haben. Trotz der größeren Verfügbarkeit und damit möglicherweise größerenCO 2-Sequestrierungskapazität von Magnesiumsilikaten bestehen Bedenken hinsichtlich ihrer Anwendung für eine verbesserte Verwitterung in Ackerflächen aufgrund ihrer potenziellen Umweltauswirkungen infolge der Cr- und Ni-Auswaschung und des möglichen Vorhandenseins von asbestiformen Partikeln¹¹,^15,17,18. Als calciumhaltiges Silikat wird Wollastonit hierin als Hauptkandidat für diesen Prozess hervorgehoben, da es eine hohe Reaktivität, einfache chemische Struktur, Umweltbeständigkeit sowie die Erleichterung der Herstellung von Karbonaten aufgrund der schwächeren Bindung von Ca-Ionen an seine Kieselsäurematrix^12,19,20,21ermöglicht . Wollastonit, das in Kingston, Ontario, Kanada, abgebaut wird und derzeit von kanadischem Wollastonit für landwirtschaftliche Anwendungen vermarktet wird, enthält keine erhöhten Konzentrationen gefährlicher Metalle. Die weltweiten Wollastonitreserven werden auf über 100 Mt geschätzt, wobei China, Indien, die USA, Mexiko, Kanada und Finnland die produktivsten Länder^{sind 22}.

Es wird angenommen, dass eine verbesserte Verwitterung von Silikatmineral die Bodengesundheit fördert, insbesondere die Steigerung des Ernteertrags und die Verbesserung des Pflanzenwachstums, was zu einer potenziellen Verringerung der Anwendung synthetischer Düngemittel führt, was weiter zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen kann^11,18,19. Frühere Studien haben berichtet, dass die Anwendung von Ca-reichen Silikatmineralien auf Böden Die Basisalität für die Neutralisierung des Säuregehalts im Bodenmedium liefert und die Pflanzenproduktion begünstigt^23,24,25. Dies behindert auch die Mobilisierung toxischer Metalle, die anfällig für saure Bedingungen sind, und eine verbesserte Verwitterung könnte nützlich sein, um die Erosion durch den Anstieg der organischen Substanz im Boden zu verhindern¹¹.

Die Gleichungen 1-3 zeigen, wie eine pedogene Kohlenstoffbindung als anorganische Karbonate durch Die Änderung von Böden mit Wollastonit möglich ist. Umgebungs-CO₂ gelangt durch Regenwasser in den Boden oder wird im Boden durch mikrobielle Aktivität produziert, die organische Verbindungen abbaut. In Kontakt mit dem Porenwasser des Bodens bildet sich Kohlensäure, die sich zu Bicarbonat und Proton dissoziiert (Gleichung 1). In Gegenwart von Pflanzen werden Wurzel-Exsudate wie Zitronensäure und Maleinsäure freigesetzt, die auch Protonen im System liefern. Diese Protonen erleichtern die Auflösung von Wollastonit im Boden, indem sie Ca-Ionen freisetzen und amorphe Kieselsäure zurücklassen (Gleichung 2). Die freigesetzten Ca-Ionen reagieren schließlich mit dem Bicarbonat zu einem Niederschlag als Carbonate (kristalliner Calcit oder andere Sorten, abhängig von geochemischen Bedingungen) (Gleichung 3). Dieses gebildete Calciumcarbonat wird Teil der bodeninorganischen Kohlenstofffraktion (SIC)^26.

CO_{2-Solvatation} in der Umgebung:

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

Wollastonitauflösung (H⁺ aus der Dissoziation von Kohlensäure und Wurzel-Exsuaten):

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

Pedogene anorganische Karbonatfällung:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^– → CaCO_3(s)↓ + _H2O_(l) + CO_2(g) (3)

In unserer jüngsten Arbeit hat sich eine verbesserte Verwitterung durch die Anwendung von Wollastonit auf landwirtschaftlichen Böden als Kalkstein-Alternativänderung als wirksam für CaCO_{3-Niederschläge} im Mutterboden erwiesen, sowohl im Labor- als auch im Feldmaßstab und über kurze (wenige Monate) und lange (3 Jahre) Laufzeiten. In den Feldstudien haben chemische und mineralogische Bewertungen ergeben, dass der SIC-Gehalt proportional zur Wollastonit-Anwendungsdosis^{(Tonne·Hektar -1)zunimmt 13}. In Laborstudien zeigte die mineralogische Analyse das Vorhandensein von pedogenem Karbonat aufgrund der Kohlenstoffbindung¹⁹. Die bildung von pedogenem Karbonat im Boden hängt von mehreren Faktoren ab, vor allem: Topographie, Klima, Oberflächenvegetation, biotische Prozesse des Bodens und physikalisch-chemische Eigenschaften des Bodens²⁷. Unsere vorherige Studie²³ bestimmte die Rolle von Pflanzen (einer Hülsenfrüchtepflanze (grüne Bohne) und einer nicht-hülsenfrüchten Pflanze (Mais)) bei der Verwitterung von Wollastonit und der anorganischen Karbonatbildung im Boden. Unsere laufende Forschung zur pedogenen Kohlenstoffbildung und -migration in Böden und Unterböden umfasst die Untersuchung des Verbleibs von Bodenkarbonaten in landwirtschaftlichen Böden, die zuerst in Oberböden aufgrund von Mineralverwitterung in verschiedenen Tiefen und im Laufe der Zeit gebildet wurden. Laut Zamanian et al.²⁷befindet sich der natürlich vorkommende pedogene Karbonathorizont weiter von der Oberfläche entfernt, wenn die lokale Niederschlagsrate zunimmt, wobei die Oberseite dieses Horizonts häufig zwischen einigen Zentimetern und 300 cm unter der Oberfläche erscheint. Andere Umgebungs- und Bodenparameter wie Bodenwasserhaushalt, saisonale Dynamik, der anfängliche Karbonatgehalt im Ausgangsmaterial, bodenphysioe Eigenschaften beeinflussen ebenfalls die Tiefe dieses Vorkommens²⁷. Daher ist es von Bedeutung, Böden bei allen Möglichkeiten in ausreichender Tiefe zu beproben, um ein genaues Verständnis des ursprünglichen und der inkrementellen SIC-Werte zu erhalten, die sich aus einer verbesserten Verwitterung von Silikaten ergeben.

Auf der Feldskala ist eine wichtige Einschränkung die Verwendung niedriger Ausbringungsraten von Silikatbodenverbesserungen. Da es nur begrenzte Kenntnisse über die Wirkung vieler Silikate (wie Wollastonit und Olivin) auf die Boden- und Pflanzengesundheit gibt, vermeiden kommerzielle Produzenten es, höhere Ausbringungsraten zu testen, die zu einer signifikanten Kohlenstoffbindung führen könnten. Aufgrund solch niedriger Ausbringungsraten sowie der großen Fläche von Anbaufeldern besteht eine häufig auftretende Forschungsherausforderung darin, Veränderungen des SIC bei relativ niedrigen Werten zu bestimmen und die Silikatkörner und Verwitterungsprodukte aus dem Boden zu gewinnen und zu isolieren, um morphologische und mineralogische Veränderungen zu untersuchen. In unserer bisherigen Arbeit berichteten wir, wie die physikalische Fraktionierung des Wollastonit-ergänzten Bodens (mittels Sieben) ein besseres Verständnis des Verwitterungsprozesses, insbesondere der Bildung und Akkumulation von pedogenen Karbonaten, ermöglichte²⁸. Dementsprechend wurden die höheren Gehalte an Wollastonit und Verwitterungsprodukten im feineren Teil des Bodens nachgewiesen, was bei den Analysen relativ hohe Werte lieferte und präzisere und zuverlässigere Ergebnisse gewährleistete. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Verwendung physikalischer Fraktionierung durch Sieben oder andere Seigerungsmittel für die zuverlässige Abschätzung der sequestrierten Kohlenstoffakkumulation in silikatgeschwärmten Böden. Der Grad der Fraktionierung kann jedoch von Boden zu Boden und von Silikat zu Silikat variieren, daher sollte es weiter erforscht werden.

Eine genaue Messung von SIC ist entscheidend für die Festlegung eines Standard- und wissenschaftlichen Verfahrens, das von verschiedenen Forschern übernommen werden kann, die an der Analyse der Entwicklung von SIC und (und organischem Kohlenstoff) über Zeit und Tiefe des Bodens interessiert sind. Eine solche Methodik ermöglicht es Landwirten, Aufgrund der SIC-Bildung in ihren Feldböden Emissionsgutschriften zu beanspruchen. Das folgende Protokoll beschreibt im Einzelnen: (1) ein Bodenprobenahmeverfahren, das nach Bodensilikatänderung anzuwenden ist und die statistische Signifikanz der analysierten Bodendaten berücksichtigt; (2) eine Bodenfraktionierungsmethode, die die Genauigkeit der Quantifizierung von Veränderungen im pedogenen anorganischen Karbonatpool infolge einer verbesserten Silikatverwitterung verbessert, und (3) die Berechnungsschritte zur Bestimmung der SIC-Sequestrierungsrate infolge der Bodensilikatänderung. Für die Zwecke dieser Demonstration wird angenommen, dass Wollastonit, das aus kanadischem Wollastonit stammt, das Silikatmineral ist, das auf landwirtschaftlichen Böden angewendet wird, und die landwirtschaftlichen Böden gelten als ähnlich denen, die in den Ackerflächen von Süd-Ontario gefunden werden.

Das Verfahren zur Änderung des landwirtschaftlichen Bodens mit Wollastonit (z. B. Bestimmung der Pro Hektar aufzutragenden Wollastonitmenge und der Methode, um sie über den Boden zu verteilen) wurde in unserer vorherigen Studie¹³beschrieben. Das Untersuchungsgebiet in unserer früheren und gegenwärtigen Arbeit sind rechteckige Grundstücke; Daher ist die methode der direkten Zufallsstichprobe für solche Studien geeignet. Dies ist eine häufig verwendete Methode aufgrund ihrer niedrigen Kosten, des reduzierten Zeitaufwands und der Fähigkeit, eine angemessene statistische Unsicherheit zu liefern. Ebenso können je nach den verschiedenen Feldbedingungen und dem gewünschten statistischen Signifikanzgrad auch zonenale oder Rasterstichprobenverfahren verwendet werden. Genauigkeit bei der Bodenprobenahme ist unerlässlich, um die statistische Unsicherheit aufgrund von Stichprobenverzerrungen zu verringern. Wenn Statistiken verwendet werden, wird das Erreichen einer Konfidenz von weniger als 95% (d. h. p < 0,05) nicht als "statistisch signifikant" angesehen. Für bestimmte Bodenuntersuchungen kann das Konfidenzniveau jedoch auf 90% (d. h. p < 0,10) gelockert werden, da die Anzahl unkontrollierter (d. h. natürlich variierender) Parameter unter den Feldbedingungen, die die allgemeine Genauigkeit der Messungen beeinflussen, erhöht wird. In diesem Protokoll werden zwei Probensätze gesammelt, um den SIC-Gehalt und andere chemische, mineralische und morphologische Eigenschaften des Bodens in seinem vertikalen Profil zu untersuchen.

Protocol

1. Bodenprobenahmeverfahren und Kernentnahme Teilen Sie die kartierte und eine abgegrenzte landwirtschaftliche Landfläche von Interesse in verschiedene Parzellen auf, basierend auf der Landhöhe, dem historischen Ernteertrag und / oder der Landbewirtschaftungsstrategie. Bestimmen Sie die Nivellierung jeder Parzelle mit einem GPS-Empfänger, klassifizieren Sie den Ernteertrag basierend auf historischen Betriebsaufzeichnungen (unterdurchschnittlich, durchschnittlich, überdurchschnittlich) und der für jede Parz…

Representative Results

Der SIC-Gehalt von Böden kann mit verschiedenen Methoden bestimmt werden, darunter ein automatisierter Kohlenstoffanalysator oder ein Kalzimeter. Der automatisierte Kohlenstoffanalysator zur Bestimmung des Gesamtkohlenstoffs im Boden misst den in einem geschlossenen Behälter aufgebauten CO2-Druck 30. In der Kalzimetrie wird das entwickelte Volumen von CO2, das nach der Versauerung, typischerweise durch Zugabe von konzentrierter HCl-Säure, d…

Discussion

Da das Sammeln von Proben von gedüngten landwirtschaftlichen Feldern in der Regel schwierig ist, wird empfohlen, vor der Nährstoffanwendung Proben zu sammeln. Es ist auch ratsam, das Sammeln von Proben von gefrorenen Feldern zu vermeiden. Die Probenahmetiefe kann in verschiedenen Bereichen variieren, abhängig von der Leichtigkeit der Probenahme über das vertikale Profil und der Tiefe des Grundwasserspiegels. Das gewählte Bodenprobenahmegerät ist abhängig von der Bodenstruktur und der interessierenden Tiefe<sup cla…

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.