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Methodenartikel

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

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DOI:

10.3791/61996

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4. Juni 2021

 ,  ,  , 
1School of Engineering, University of Guelph

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 CO2-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 zurStabilisierung 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 CO2-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 Verwitterung9,11,12. 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 Karbonate11,13. Olivin14,15, 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 Kieselsäurematrix12,19,20,21ermöglicht . 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 Ländersind 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 kann11,18,19. 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 begünstigt23,24,25. 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.

CO2-Solvatation in der Umgebung:

2CO2(g) + 2H2O(l) ↔ 2H2CO3(aq) ↔ 2HCO3- + 2H+ (1)

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

CaSiO3(s) + 2 H+ → Ca2+ + H2O(l) + SiO2(s) (2)

Pedogene anorganische Karbonatfällung:

Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3(s)↓ + H2O(l) + CO2(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 CaCO3-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.

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Protokoll

1. Bodenprobenahmeverfahren und Kernentnahme

  1. 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 Parzelle verwendeten Landbewirtschaftungsstrategie (Arten von Bodenverbesserungen, falls vorhanden). Platzieren Sie die Flags an den Grenzen jedes Diagramms, um die nachfolgende Probenahme zu erleichtern.
    HINWEIS: Abbildung 1 zeigt die Gliederung des zu untersuchenden rechteckigen Bereichs in vier Diagramme (A, B, C, D). Ein solches experimentelles Design und solche Informationen werden hilfreich sein, um die statistische Signifikanz der analysierten Daten zu überprüfen. Darüber hinaus kann es für unregelmäßige Ackerflächen geeignet sein und für die Ausrichtung der Probenahme nach einem als notwendig erachteten Parameter geeignet sein, von der Ausrichtung der Erntereihen bis zur Richtung des Geländes, des Abflusses, des dominanten Windes, des Sonnenpfads usw. Diese vier Plots wurden in Betracht gezogen, um eine Feldfilmkampagne zu ermöglichen.
  2. Verwenden Sie die Methode der gerichteten Zufallsstichprobe, um Kerne in jedem Diagramm zu sammeln. Unterteilen Sie jedes Diagramm nach einem Rastermuster in 25 Teilplots (Abbildung 2). Das Sammeln von 25 Kernen liegt über der traditionell empfohlenen Mindestanzahl von Kernen (15-20).

​figure-protocol-1
Abbildung 1: Darstellung der für die Probenentnahme verwendeten Parzellen (jede Parzelle repräsentiert eine Fläche von 5 m × 10 m (insgesamt vier x 50m2). Schwarze Flags grenzen jede Plotgrenze ab, um die Probenahme zu erleichtern, und weiße Flags markieren Positionen für tiefe Stichproben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

figure-protocol-2
Abbildung 2: Unterschnitt jedes Diagramms zur Entnahme von Kernproben (jeder Unterabschnitt repräsentiert eine Fläche von 1 m x 2 m), basierend auf der methode der gerichteten Zufallsstichprobe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. 

  1. Sammeln Sie Kernproben von zufälligen Punkten innerhalb jedes Teilplots, eine pro Teilplot. Verwenden Sie eine Bodensonde oder einen Bodenkernsammnehmer, um den Bodenkern bis zu drei Tiefenzonen von 0-15 cm, 15-30 cm und 30-60 cm zu sammeln, um die SIC-Variation mit Tiefe aufgrund von Silikatbodenzunahme zu berücksichtigen.
    HINWEIS: Abhängig von der Art des Bodens und der verwendeten Sonde / Probenehmer kann ein anderer Probenehmer erforderlich sein, um die 30-60 cm Probe zu sammeln.
  2. Verwenden Sie eine ausziehbare Schnecke (oder einen ähnlich leistungsfähigen Probenehmer), um tiefe Bodenproben von den weißen Flaggenpositionen in Abbildung 1bis hin zu weiteren drei Tiefenzonen von 60-100 cm, 100-175 cm und 175-250 cm zu sammeln. Diese Proben berücksichtigen die Variation der Bodencharakterisierung innerhalb dieser Tiefen und bewerten den SIC-Hintergrundpegel in der untersuchten Landfläche bis in die obere Tiefe des natürlich vorkommenden pedogenen Karbonathorizonts.
    HINWEIS: Basierend auf den lokalen Eigenschaften am Standort (z. B. Tiefe des Grundwasserspiegels) kann die tiefste Zone an verschiedenen Orten geändert werden.
  3. Transportieren Sie die Bodenproben in Eimer, einen für jede beprobte Tiefe auf jeder Parzelle. Mischen Sie die Böden in jedem Eimer gründlich von Hand. Legen Sie den tragbaren Feuchtigkeitstester in die gemischte Bodenprobe. Warten Sie, bis sich der Feuchtigkeitsgehalt an einem stabilen Punkt auf dem Messgerät des Geräts festsecht. Drücken Sie die Haltertaste und notieren Sie den Wert als Echtzeit-Feuchtigkeitsgehalt von Mischböden.
  4. Lagern Sie die zusammengesetzten Proben in versiegelten Beuteln. Beschriften Sie die Beutel ordnungsgemäß mit Informationen über die Parzellen (A, B, C oder D), die Bodentiefe (0-15 cm, 15-30 cm, 30-60 cm, 60-100 cm, 100-175cm, 175-250 cm) und das Datum der Probenahme.

2. Bodenfraktionierung vor der chemischen Analyse

  1. Trocknen Sie die Bodenproben so schnell wie möglich nach der Probenahme an der Luft, um die Oxidation des Bodenkohlenstoffs zu minimieren. Dazu legen Sie die Bodenproben in Kartons (2,5" x 3" x 3") und legen die Kartons für 24-48 h in einen Trockenschrank bei 50 °C, bis der Boden trocken ist. Lagern Sie die luftgetrockneten Proben bis zur weiteren Analyse in Probenbeuteln.
  2. Führen Sie die Bodenproben vor der Bodenfraktionierung durch ein 2-mm-Sieb, um große Fragmente von Gesteinen und Pflanzenresten zu entfernen.
  3. Trocknen Sie die gesiebten Böden im Ofen, indem Sie die Proben mindestens 15 h lang in einen Dumpfofen bei 105 ± 2 °C legen.
  4. Zur Bodenfraktionierung wird 1 kg der ofengetrockneten Probe auf die obere Maschenöffnung des Siebschüttlers mit unterschiedlichen Maschenweiten (710 bis 50 μm) geben. Schütteln Sie die Siebe bei 60 U / min für 15 min. Für Analysen werden bevorzugt Pfannenfraktionen <50 μm verwendet, da es sich um die mit Pedogencarbonat angereicherte Bodenfraktion handelt.
    HINWEIS: Andere Bodenfraktionen können ebenfalls getestet werden, um zusätzliche Daten zur Überprüfung der SIC-Akkumulation aufgrund einer verbesserten Verwitterung von geänderten Silikaten zu erhalten.

3. Bestimmung der pedogenen anorganischen Kohlenstoffbindung

  1. Um den anorganischen Kohlenstoffgehalt von Bodenproben mittels Kalzimetrieanalyse zu bestimmen, legen Sie 5 g einer gesiebten Bodenprobe in einen geeigneten Erlenmeyerkolben. Suspendieren Sie die Probe in 20 ml Reinstwasser. 7 ml 4 M HCl in ein kleines Reagenzglas mit flachem Boden geben und dieses Röhrchen dann mit einer Pinzette aufrecht in den Kolben legen.
  2. Befestigen Sie den Kolben vorsichtig am Kalzimeter, indem Sie den Gummistopfen befestigen. Die Bürettwasserstände auf dem Kalzimeter sollten zuvor nach Bedarf angepasst worden sein, und Rohlinge und CaCO3-Standards sollten bei Bedarf einmal auf dem Kalzimeter ausgeführt werden.
  3. Schütteln Sie den Kolben und stoßen Sie dadurch das Säurerohr um, bis der Wasserstand in der Bürette einen konstanten Wert erreicht und kein Blubbern in der Lösung beobachtet wird (dies dauert ca. 5 min).
  4. Berechnung des CaCO3-Äquivalents(CaCO3(eqv)) Gehalts der Probe (g,CaCO3(eqv)·( kg, Boden)-1) basierend auf der in der Bürette beobachteten Volumenänderung und den Blank- und CaCO3-Kalibrierwerten unter Verwendung der entsprechenden Kalzimetrieformel. Der SIC-Gehalt wird durch Konvertierung des g,CaCO3(eqv)· (kg, Boden) -1 Wert in kg,CO2· (Tonne, Boden) -1 oder kg,C· (Tonne, Boden) -1.
    1. Berechnen Sie den CaCO3(eqv)-Gehalt der Probe mit der folgenden Formel:
      figure-protocol-3(4)
      wo:
      w (CaCO3(eqv)) = karbonatgehalt des ofengetrockneten Bodens
      m1 = Masse des Prüfteils
      m2 = die mittlere Masse der Calciumcarbonat-Standards
      V1 = das Volumen an Kohlendioxid, das durch die Reaktion des Prüfteils entsteht
      V2 = das mittlere Volumen an Kohlendioxid, das nach den Calciumcarbonat-Standards erzeugt wird
      V3 = Volumenänderung in den Rohlingsbestimmungen
      w(H2O) = Wassergehalt der getrockneten Probe
      HINWEIS: Die Schritte 3.1 bis 3.4 werden auf der Grundlage eines Standardprotokolls29durchgeführt.
  5. Zur Messung der Schüttdichte (BD) des Bodens ((Tonne,Boden)·m−3) wird ein ausreichend großes Aliquot der ofengetrockneten Bodenprobe in einen Behälter mit einem bekannten Volumen gegeben. Wiegen Sie die Probe mit einer Waage. Das Verhältnis des Trockengewichts zum Volumen der Probe gilt als BD.
    HINWEIS: Die alternativen Geräte zur Berechnung der "ungestörten Schüttdichte" werden in der Diskussion vorgestellt.
  6. Berechnen Sie den Areal SIC (kg,CO2·( Hektar)−1) mit folgender Formel:
    figure-protocol-4(5)
    wo:
    A = die Oberfläche
    DT = Tiefendicke
  7. Berechnen Sie den Gesamt-SIC (SIC 0-60 cm, kg,CO2·( Hektar)−1) für jede Parzelle unter Verwendung der für jede Tiefe erhaltenen flächenmäßigen SIC-Werte wie folgt:
    SICPlot A = SIC0-60 cm = SIC0-15 cm + SIC15-30 cm + SIC30-60 cm (6)
  8. Addieren Sie den Total Areal SIC (SIC 0-60 cm, kg,CO2·( Hektar)−1) Gehalt für jede untersuchte Parzelle (A, B, C, D) und erhalten den Mittelwert wie folgt:
    figure-protocol-5(7)
  9. Teilen Sie den mittleren SIC (kg,CO2·( Hektar)−1) erhalten aus Gleichung 7 durch die Ausbringungsmenge von Silikatmineral/Gestein, das für die Bodenverbesserung verwendet wird ((Tonne, Silikat)·( Hektar)−1).
    HINWEIS: Dies liefert die Menge an pedogenem anorganischem Kohlenstoff, die in kg CO2 pro Tonne ausgebrachtem Silikat (kg, CO2·( Tonne, Silikat)−1). Wenn eine mehrjährige Untersuchung durchgeführt wird oder ein Kontrolldiagramm ohne Silikatänderung vorliegt, muss dieser Schritt geändert werden, um die Gesamtsequestrierung und die Gesamtänderung über einen längerfristigen oder Jahreswert oder eine pädogene Nettokohlenstoffbindung zu berücksichtigen.

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Ergebnisse

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, der ...

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Diskussion

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

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Offenlegungen

Die Autoren haben keinen Interessenkonflikt.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde durch einen Food from Thought Commercialization Grant unterstützt, der aus dem Canada First Research Excellence Fund finanziert wird. Der kanadische Wollastonit leistete im Rahmen dieses Zuschusses finanzielle Unterstützung für die Industrie.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
AnalysenwaageSartoriusQuintix 224-S1Vier Dezimalstellen.
KalzimeterEijkelkampModell 08.53Zur Bestimmung des Gew.-% CaCO3-Äquivalents in der Probe.
Trockenschrank/MuffelofenThermo ScientificF48055-6050° C oder 103 ± 2&Grad;C.
HClFisher ScientificA144S-500Reagenzqualität (36,5%-38,0%).
HNO3Fisher ScientificT003090500Spurenmetallanalysequalität (69,0 %-70,0 %)
Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS)PerkinElmerNexIONZur Bestimmung der Ca-Konzentration im mikrowellenverdauten Boden.
Mikrowellen-FermenterPerkinElmerTitanZum Aufschluss von Böden in konzentriertem HNO3.
pH-MessgerätOakton700Kalibriert mit Standardlösungen vor jedem Messsatz; Temperatur korrigiert auf 25 °C.
Rasterelektronenmikroskop - Energiedispersives Spektroskop (SEM-EDS)OxfordX-Max20 SSDZur Bestimmung der Morphologie von Bodenpartikeln.
SiebmaschineRetschAS-200Für die Bodenfraktionierung.
ErdschneckenprobenehmerEijkelkamp01-16Tiefen bis zu 700 cm.
Boden-Dakota-SondenprobenehmerJMCPN139Tiefen bis zu 100 cm.
Bodensonden-ProbenehmerJMCPN031Tiefen bis zu 30 cm.
BodenfeuchtemessgerätExtechMO750Messung des Feuchtigkeitsgehalts bis zu 50 %
Wellenlängendispersives Röntgenfluoreszenzspektroskop (WDXRF)Malvern PanalyticalZetiumZur Charakterisierung der elementaren Zusammensetzung des Bodens.
Röntgenbeugungsanalysator (XRD)PanalytischesEmpyreanZur Charakterisierung mineralogischer Eigenschaften von Böden.

Referenzen

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