监测改良硅酸盐矿物在农业土壤中风化引起的成土无机碳积累

摘要

本文所述的验证方法可适用于监测添加了含碱土金属硅酸盐岩石（如硅灰石、玄武岩和橄榄石）的各种农业土壤中成土无机碳的封存情况。此类验证对于碳信用计划至关重要，有助于将碳封存在其农田中的农民获益。

摘要

本研究旨在展示一种系统性方法，用于监测农业土壤中粉碎岩石增强风化所引发的无机碳变化。为此，从一块农田中采集不同深度（包括0-15 cm、15-30 cm和30-60 cm剖面）的土壤核心样品，该农田的表层土壤已施加了含碱土金属硅酸盐的矿物（如硅灰石）。样品运抵实验室后，进行风干和过筛处理。随后采用一种称为测钙法的体积法测定样品中的无机碳含量。本文展示的代表性结果表明，与对照土壤相比，添加钙硅酸盐的土壤中无机碳含量增加了五倍。这一组成变化伴随着改良土壤pH值上升超过1个单位，表明硅酸盐发生了高度溶解。矿物学与形态学分析以及元素组成分析进一步证实了硅酸盐改良土壤中无机碳含量的增加。本研究中介绍的采样与分析方法可被研究人员和专业人士用于追踪土壤及下层土壤中成土过程产生的无机碳变化，包括施加了其他适宜硅酸盐岩石（如玄武岩和橄榄石）的土壤。这些方法也可被私人机构和政府机构用作验证土壤无机碳封存的工具，以认证并发放碳信用额度。

引言

CO₂ 是一种主要的温室气体（GHG），其在大气中的浓度持续上升。工业革命前全球平均 CO₂ 浓度约为 315 ppm（百万分之一），而截至 2020 年 4 月，大气中 CO₂ 浓度已上升至超过 416 ppm，从而导致全球变暖¹。因此，降低这种吸热型温室气体在大气中的浓度至关重要。Socolow² 提出，若要在 2070 年前将大气中 CO₂ 的浓度稳定在 500 ppm，需要九个“稳定化楔块”，每个稳定化楔块代表一种独立的减排措施，其规模需达到每年减少 3.67 Gt CO₂ eq 的排放量。

碳捕集与封存（CCS）是减少大气中 CO₂ 的主要技术，该技术由2015年联合国气候变化大会期间启动的“创新使命”倡议所推荐³。为捕集大气中的 CO₂，目前可用的三种主要封存方式分别为海洋封存、地质封存和矿物碳化⁴。其中，矿物碳化是指将碱土金属（主要是富含钙和镁的硅酸盐）转化为在热力学上稳定的碳酸盐，并在地质时间尺度上（数百万年以上）实现 CO₂ 的长期封存⁵。例如，橄榄....

方案

1. 土壤采样方法与样品采集

1. 根据土地高程、历史作物产量和/或土地管理策略，将已测绘并划定的农业用地目标区域划分为不同的地块。使用 GPS 接收器测定每个地块的平整度，依据历史农场记录对作物产量进行分类（低于平均水平、平均水平、高于平均水平），并记录各地块所采用的土地管理策略（如使用的土壤改良剂类型等）。在每个地块边界处放置标志旗，以便后续取样。
   注意：图1 展示了将矩形研究区域划分为四个地块（A、B、C、D）的情况。此类实验设计及相关信息有助于检验分析数据的统计学显著性。此外，该方法也适用于不规则农田，并可根据需要对取样进行对齐，例如依据作物行方向、地形走向、径流方向、主导风向、太阳轨迹等参数。这四个地块的划分也有利于开展田间拍摄工作。
2. 采用定向随机取样法在每个地块内采集土芯样本。将每个地块按照网格模式细分为25个子地块（图2）。采集25个土芯样本的数量高于传统推荐的最少样本数（15–20个）。

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结果

土壤中无机碳（SIC）含量可通过多种方法测定，包括使用自动碳分析仪或碳酸盐测定仪（calcimeter）。自动碳分析仪通过测定密闭容器中累积的CO₂压力来确定土壤总碳含量³⁰。在碳酸盐测定法中，通过向含碳酸盐的样品加入浓盐酸（HCl）进行酸化，随后测量释放出的CO₂气体体积。该方法操作相对简单，仅涉及基本的化学步骤，因此适用于快速分析大量野外样品，且具有较高的精确度（即结果可重复）和足够的准确度（即测定值接近真实的碳酸盐含量）。在本研究采用的定向随机取样方法中，每个样地的样品首先经手工充分混合，然后干燥，以获得均匀且具有代表性的土壤样品，再进行SIC含量分析。每个样品的碳酸盐测定分析均进行三次重复。

土壤样品的元素组成可通过波长色散X射线荧光光谱法（WDXRF）或电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行测定。若采用后者，土壤样品在分析前必须进行酸消解。矿物组成.......

讨论

由于从施肥的农田中采集样品通常较为困难，建议在施用养分之前进行采样。还应避免从冻结的田地中采集样品。采样深度可能因不同区域而异，具体取决于垂直剖面的采样难易程度以及地下水位的深度。所选用的土壤采样设备取决于土壤结构和目标采样深度³³。对于浅层样品，使用手动探针或螺旋钻较为方便；而对于深层土壤样品的采集，通常建议采用更先进的设备（例如可伸缩螺旋钻）³³。在致密黏土或胶结砂土占主导的区域，由于采样器在提取过程中可能受到摩擦和扭矩影响，获取完整土芯可能会遇到一定困难³³。无机碳验证工作面临的一个问题是选择合适的监测时间间隔以追踪土壤中碳的积累，因为该过程在较长的时间尺度上（例如5至10年）可能存在变异性³⁴。尽管目前尚无规定的再采样频率，但适中的较长间隔（例如每年或每两年一次）被认为有助于更可靠地监测土壤无机碳（SIC）的变化³⁵。

使用不同分析方法测.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
分析天平	Sartorius	Quintix 224-S1	四位小数。
碳酸盐测定仪	Eijkelkamp	Model 08.53	用于测定样品中碳酸钙（CaCO3）的质量百分比含量。
干燥箱/马弗炉	Thermo Scientific	F48055-60	50°C 或 103 ± 2°C。
盐酸（HCl）	Fisher Scientific	A144S-500	试剂级（36.5%–38.0%）。
硝酸（HNO3）	Fisher Scientific	T003090500	痕量金属分析级（69.0%–70.0%）
电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）	PerkinElmer	NexION	用于测定微波消解后土壤中钙（Ca）的浓度。
微波消解仪	PerkinElmer	Titan	用于浓硝酸（HNO3）消解土壤样品。
pH计	Oakton	700	每次测量前使用标准溶液校准；温度校正至25 °C。
扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）	Oxford	X-Max20 SSD	用于测定土壤颗粒的形貌。
土壤筛分仪	Retsch	AS-200	用于土壤粒径分级。
土壤螺旋钻取样器	Eijkelkamp	01-16	最大采样深度可达700 cm。
达科他式土壤探针取样器	JMC	PN139	最大采样深度可达100 cm。
土壤探针取样器	JMC	PN031	最大采样深度可达30 cm。
土壤水分测定仪	Extech	MO750	可测量最高达50%的含水量。
波长色散X射线荧光光谱仪（WDXRF）	Malvern Panalytical	Zetium	用于表征土壤的元素组成。
X射线衍射分析仪（XRD）	Panalytical	Empyrean	用于表征土壤的矿物学性质。