Monitoraggio dell'accumulo di carbonio inorganico pedogenico a causa dell'erosione dei minerali silicati modificati nei suoli agricoli.

Summary

Il metodo di verifica qui descritto è adattabile per il monitoraggio del sequestro del carbonio inorganico pedogenico in vari suoli agricoli modificati con rocce contenenti silicati di terra alcalina, come wollastonite, basalto e olivina. Questo tipo di convalida è essenziale per i programmi di credito al carbonio, che possono avvantaggiare gli agricoltori che sequestreranno carbonio nei loro campi.

Abstract

Il presente studio mira a dimostrare una procedura sistematica per il monitoraggio del carbonio inorganico indotto da un migliore erosione delle rocce ridotte nei suoli agricoli. A tal fine, i campioni di terreno centrale prelevati a diversa profondità (inclusi 0-15 cm, 15-30 cm e profili di 30-60 cm) vengono raccolti da un campo agricolo, il cui terreno è già stato arricchito con un silicato di metallo terrestre alcalino contenente minerale (come la wollastonite). Dopo il trasporto in laboratorio, i campioni di terreno vengono essiccati all’aria e setacciati. Quindi, il contenuto di carbonio inorganico dei campioni è determinato da un metodo volumetrico chiamato calcimetria. I risultati rappresentativi qui presentati hanno mostrato cinque incrementi piegati del contenuto di carbonio inorganico nei suoli modificati con il Ca-silicato rispetto ai suoli di controllo. Questo cambiamento compositivo è stato accompagnato da più di 1 unità di aumento del pH nei suoli modificati, il che implica un’elevata dissoluzione del silicato. Le analisi mineralogiche e morfologiche, così come la composizione elementare, confermano ulteriormente l’aumento del contenuto di carbonio inorganico dei suoli modificati con silicati. I metodi di campionamento e analisi presentati in questo studio possono essere adottati da ricercatori e professionisti che cercano di rintracciare i cambiamenti di carbonio inorganico pedogenico nei suoli e nei sottosuolo, compresi quelli modificati con altre rocce silicatiche adatte come basalto e olivina. Questi metodi possono anche essere sfruttati come strumenti per verificare il sequestro del carbonio inorganico del suolo da parte di enti privati e governativi per certificare e assegnare crediti di carbonio.

Introduction

La CO₂ è un importante gas a effetto serra (GHG) e la sua concentrazione nell’atmosfera è in continuo aumento. La media globale preindustriale di CO₂ era di circa 315 parti per milione (ppm) e ad aprile 2020, la concentrazione_{atmosferica di} CO 2 è aumentata a oltre 416 ppm, causando così il riscaldamento globale¹. Pertanto, è fondamentale ridurre la concentrazione di questo gas serra che intrappola il calore nell’atmosfera. Socolow^{2 ha} suggerito che per stabilizzare la concentrazione di CO₂ atmosferica a 500 ppm entro il 2070, saranno necessari nove ‘cunei di stabilizzazione’, dove ogni cuneo di stabilizzazione è un approccio di mitigazione individuale, dimensionato per raggiungere 3,67 Gt CO₂ eq all’anno nella riduzione delle emissioni.

La cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) è la tecnologia principale per ridurre la CO₂ dall’atmosfera, come raccomandato dall’iniziativa Mission Innovation, lanciata alla Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici 2015^3. Per catturare la CO_{2 atmosferica,}le tre principali opzioni di stoccaggio disponibili sono lo stoccaggio oceanico, lo stoccaggio geologico e la carbonatazione^{minerale 4.} Concentrandosi sulla carbonatazione minerale, la CO_{2 viene} immagazzinata convertendo metalli alcalini della terra, principalmente silicati ricchi di calcio e magnesio, in carbonati termodinamicamente stabili per tempi geologici (nel corso di milioni di anni)⁵. Ad esempio, olivina, pirosseno e minerali del gruppo serpentino hanno il potenziale per subire la carbonatazione minerale^6; tuttavia, in condizioni normali, queste reazioni sono limitate da cinetica a reazione lenta. Pertanto, per accelerare il processo in condizioni ambientali, forme finemente ridotte (frantumate /fresate) di questi silicati possono essere applicate ai suoli agricoli, un processo indicato come erosione avanzata terrestre⁷. Il suolo è un lavandino naturale per immagazzinare CO_2,attualmente essendo un serbatoio per 2500 Gt di carbonio, che è tre volte il serbatoio atmosferico (carbonio 800 Gt)^8. I processi pedogenici nei suoli e nei sottosuoli regolano la CO₂ atmosferica da due principali vie naturali, vale a dire il ciclo della materia organica e l’erosione dei minerali metallici alcalini della terra, che interessano rispettivamente le piscine di carbonio organico e^{inorganico 9.}

Si stima che quasi 1,1 Gt di CO_{2 atmosferica sia mineralizzata attraverso} agenti atmosferici chimici^10. Le rocce silicate ricche di calcio e magnesio (ad esempio, basalto) sono considerate le materie prime primarie per un miglioramento degli agenti^{atmosferici 9,11,12}. Una volta applicati ai campi agricoli minerali contenenti silicati schiacciati, iniziano a reagire con CO_{2 disciolta} nell’acqua dei pori del suolo, concludendo con la precipitazione minerale di carbonati^{stabili 11,13}. Olivina^14,15, wollastonite (CaSiO₃)¹³, dolerite e basalto^{16 sono} tra i minerali che hanno dimostrato il potenziale di sequestro del carbonio attraverso un miglioramento degli agenti atmosferici in studi precedenti. Nonostante la maggiore disponibilità, e quindi forse una maggiore capacità di sequestro di CO_2, dei silicati di magnesio, ci sono preoccupazioni circa la loro applicazione di un migliore intemperie nelle colture a causa del loro potenziale impatto ambientale a causa della lisciviazione cr e ni e della possibile presenza di particelle asbestiformi^11,15,17,18. Come silicato portatore di calcio, la wollastonite è qui evidenziata come un candidato principale per questo processo a causa della sua alta reattività, della semplice struttura chimica, essendo rispettosa dell’ambiente e facilitando la produzione di carbonati a causa del più debole legame degli ioni Ca alla sua matrice di silice^12,19,20,21. La wollastonite estratta a Kingston, Ontario, Canada, ed è attualmente commercializzata dalla wollastonite canadese per applicazioni agricole, non contiene elevati livelli di metalli pericolosi. Le riserve mondiali di wollastonite sono stimate in oltre 100 Mt, con Cina, India, Stati Uniti, Messico, Canada e Finlandia come i migliori paesi produttivi²².

Si calcola che un migliore erosione del minerale di silicato promuova la salute del suolo, in particolare l’aumento della resa delle colture e il miglioramento della crescita delle piante, portando alla potenziale riduzione dell’applicazione di fertilizzanti sintetici, che può contribuire ulteriormente alla riduzione delle emissioni di gas^{serra 11,18,19}. Studi precedenti hanno riportato che l’applicazione di minerali silicati ricchi di Ca ai suoli fornisce basicità per neutralizzare l’acidità nel terreno medio, favorendo la produzione^{vegetale 23,24,25}. Ciò impedisce anche la mobilizzazione dei metalli tossici, suscettibile alle condizioni acide, e un maggiore intemperie potrebbe essere utile per ritardare l’erosione attraverso l’incremento della materia organica del^{suolo 11}.

Le equazioni 1-3 mostrano come il sequestro pedogenico del carbonio come carbonati inorganici sia possibile modificando i suoli con wollastonite. La CO_{2 ambientale entra} nel terreno attraverso l’acqua piovana o viene prodotta nel suolo da attività microbiche degradando i composti organici. Una volta a contatto con l’acqua poro del suolo, si forma acido carbonico, che si dissocia per formare bicarbonato e protone (Equazione 1). In presenza di piante, vengono rilasciati essudati di radice, come acido citrico e acido maleico, che forniscono anche protoni nel sistema. Questi protoni facilitano la dissoluzione della wollastonite nel terreno rilasciando ioni Ca e lasciandosi alle spalle silice amorfa (Equazione 2). Gli ioni Ca rilasciati alla fine reagiscono con il bicarbonato per precipitare come carbonati (calcite cristallina o altre varietà, a seconda delle condizioni geochimiche) (Equazione 3). Questo carbonato di calcio formato diventa parte della frazione di carbonio inorganico del suolo (SIC)²⁶.

Soluzione di CO₂ ambientale:

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

Dissoluzione della wollastonite (H⁺ dalla dissociazione dell’acido carbonico e degli essudati delle radici):

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

Precipitazione di carbonato inorganico pedogenico:

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

Nel nostro recente lavoro, il miglioramento degli agenti atmosferici_{attraverso l’applicazione} della wollastonite ai terreni agricoli, come emendamento alternativo al calcare, è stato trovato efficace per le precipitazioni CaCO 3 nel terreno superiore, sia a livello di laboratorio che sul campo, e in termini brevi (pochi mesi) e lunghi (3 anni). Negli studi sul campo, le valutazioni chimiche e mineralogiche hanno rivelato che il contenuto di SIC aumenta proporzionalmente al dosaggio di applicazione della wollastonite^{(tonnellata-ettaro -1)13}. Negli studi di laboratorio, l’analisi mineralogica ha mostrato la presenza di carbonato pedogenico a causa del sequestro del^{carbonio 19}. La formazione di carbonato pedogenico nel suolo dipende da diversi fattori, in particolare: topografia, clima, vegetazione superficiale, processi biotici del suolo e proprietà fisico-chimiche del^{suolo 27}. Il nostro precedente^{studio 23} ha determinato il ruolo delle piante (una pianta leguminosa (fagiolo verde) e una pianta non leguminosa (mais)) sugli agenti atmosferici wollastonite e sulla formazione di carbonato inorganico nel terreno. La nostra ricerca in corso sulla formazione e la migrazione del carbonio pedogenico nei suoli e nei sottosuolo include lo studio del destino dei carbonati di suolo nel suolo agricolo, formato per la prima volta in teglie a causa di agenti atmosferici minerali a varie profondità e nel tempo. ^SecondoZamanian et al. Anche altri parametri ambientali e del suolo, come il bilancio idrico del suolo, la dinamica stagionale, il contenuto iniziale di carbonato nel materiale madre, le proprietà fisiche del suolo, hanno un impatto sulla profondità^{di questo evento 27}. È quindi importante campionare i suoli a una profondità sufficiente a tutte le opportunità per ottenere una comprensione accurata dei livelli originali e incrementali del SIC derivanti da un maggiore erosione dei silicati.

A livello di campo, un’importante limitazione è l’uso di bassi tassi di applicazione delle modifiche del suolo silicato. Poiché vi è una conoscenza limitata sull’effetto di molti silicati (come wollastonite e olivina) sul suolo e sulla salute delle piante, i produttori commerciali evitano di testare tassi di applicazione più elevati che potrebbero comportare un significativo sequestro del carbonio. Come risultato di tassi di applicazione così bassi, così come l’ampia area dei campi coltivati, una sfida di ricerca comunemente affrontata è determinare i cambiamenti nel SIC quando i valori sono relativamente bassi e recuperare e isolare i grani di silicati e i prodotti intemperie dal suolo per studiare i cambiamenti morfologici e mineralogici. Nel nostro lavoro passato, abbiamo riferito su come il frazionamento fisico del terreno modificato dalla wollastonite (usando la setacciatura) ha permesso una migliore comprensione del processo di erosione, in particolare la formazione e l’accumulo di carbonati pedogenici²⁸. Di conseguenza, il contenuto più elevato di wollastonite e prodotti per l’erosione è stato rilevato nella frazione più fine del suolo, che ha fornito valori ragionevolmente elevati durante le analisi, garantendo risultati più precisi e affidabili. I risultati evidenziano l’importanza di utilizzare il frazionamento fisico, attraverso setacci o altri mezzi di segregazione, per una stima affidabile dell’accumulo di carbonio sequestrato nei suoli modificati con silicati. Tuttavia, il grado di frazionamento potrebbe variare da suolo a suolo e da silicato a silicato, quindi dovrebbe essere ulteriormente ricercato.

Una misurazione accurata del SIC è fondamentale per stabilire una procedura standard e scientifica che può essere adottata da vari ricercatori interessati ad analizzare l’evoluzione del SIC e (e del carbonio organico) nel tempo e nella profondità del suolo. Tale metodologia consente agli agricoltori di richiedere il credito di carbonio a seguito della formazione di SIC nei loro terreni di campo. Il seguente protocollo descrive in dettaglio: (1) un metodo di campionamento del suolo da utilizzare a seguito della modifica del silicato del suolo, che spiega la significatività statistica dei dati del suolo analizzati; (2) un metodo di frazionamento del suolo che migliora l’accuratezza della quantificazione delle variazioni nel pool di carbonato inorganico pedogenico a seguito di un maggiore erosione del silicato e (3) le fasi di calcolo utilizzate per determinare il tasso di sequestro SIC a seguito della modifica del silicato del suolo. Ai fini di questa dimostrazione, si presume che la wollastonite, proveniente dalla wollastonite canadese, sia il minerale silicato applicato ai suoli agricoli, e i suoli agricoli sono considerati simili a quelli che si trovano nei terreni agricoli dell’Ontario meridionale.

La procedura che prevede la modifica del suolo agricolo con la wollastonite (ad esempio, determinare la quantità di wollastonite da applicare per ettaro e il metodo per diffonderlo sul terreno) è stata descritta nel nostro precedente studio¹³. L’area di studio nel nostro lavoro precedente e presente sono appezzamenti rettangolari; pertanto, il metodo di campionamento casuale diretto è appropriato per tali studi. Questo è un metodo comunemente usato a causa del suo basso costo, del ridotto fabbisogno di tempo e della capacità di fornire un’adeguata incertezza statistica. Analogamente, a seconda delle varie condizioni di campo e del livello di significatività statistica desiderato, possono essere utilizzati anche metodi di campionamento zonale o a griglia. L’accuratezza nel campionamento del suolo è essenziale per ridurre l’incertezza statistica a causa della distorsione del campionamento. Quando si utilizza la statistica, il raggiungimento di una fiducia inferiore al 95% (cioè p < 0,05) non è considerato "statisticamente significativo". Tuttavia, per alcuni studi sul suolo, il livello di confidenza può essere ridotto al 90% (cioè p < 0,10) a causa del numero di parametri incontrollati (cioè naturalmente variabili) nelle condizioni di campo che influenzano la precisione generale delle misurazioni. In questo protocollo, vengono raccolti due serie di campioni al fine di indagare il contenuto di SIC e altre proprietà chimiche, minerali e morfologiche del suolo attraverso il suo profilo verticale.

Protocol

1. Metodo di campionamento del suolo e raccolta del nucleo Dividi la superficie agricola mappata e delimitata di interesse in diversi appezzamenti in base all’elevazione del terreno, alla resa storica delle colture e / o alla strategia di gestione del terreno. Determinare il livellamento di ogni appezzamento utilizzando un ricevitore GPS, classificare la resa delle colture in base ai record storici dell’azienda agricola (al di sotto della media, nella media, al di sopra della media) e la strategia di gestione d…

Representative Results

Il contenuto sic dei suoli può essere determinato utilizzando vari metodi, tra cui un analizzatore automatizzato di carbonio o un calcimetro. L’analizzatore automatizzato del carbonio per la determinazione totale del carbonio del suolo misura la pressione di CO2 costruita in un recipientechiuso 30. In calcimetria, viene misurato il volume evoluto di CO2 rilasciato dopo l’acidificazione, tipicamente mediante l’aggiunta di acido HCl concentrato…

Discussion

Dato che la raccolta di campioni da campi agricoli fecondati è di solito difficile, si suggerisce di raccogliere campioni prima dell’applicazione dei nutrienti. Si consiglia inoltre di evitare di raccogliere campioni da campi congelati. La profondità di campionamento può variare in aree diverse a seconda della facilità di campionamento sul profilo verticale e della profondità della tabella d’acqua. Il dispositivo di campionamento del suolo selezionato dipende dalla struttura del suolo e dalla profondità di<sup clas…

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.