Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Monitoring pedogene anorganische koolstofaccumulatie als gevolg van verwering van gewijzigde silicaatmineralen in landbouwgronden.

4.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/61996

⸱

4 juni 2021

 ,  ,  , 
1School of Engineering, University of Guelph

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

De hier beschreven verificatiemethode is aanpasbaar voor het monitoren van pedogene anorganische koolstofvastlegging in verschillende landbouwgronden, gewijzigd met alkalische aardmetaalsilicaathoudende gesteenten, zoals wollastoniet, basalt en olivijn. Dit type validatie is essentieel voor koolstofkredietprogramma's, die ten goede kunnen komen aan boeren die koolstof in hun velden in beslag neemt.

Samenvatting

De huidige studie heeft tot doel een systematische procedure aan te tonen voor het monitoren van anorganische koolstof veroorzaakt door verbeterde verwering van gecommineerde gesteenten in landbouwgronden. Hiertoe worden de kerngrondmonsters die op verschillende diepten zijn genomen (waaronder profielen van 0-15 cm, 15-30 cm en 30-60 cm) verzameld uit een landbouwveld, waarvan de bovengrond al is verrijkt met een alkalisch aardmetaalsilicaat dat mineraal bevat (zoals wollastoniet). Na transport naar het laboratorium worden de bodemmonsters aan de lucht gedroogd en gezeefd. Vervolgens wordt het anorganische koolstofgehalte van de monsters bepaald door een volumetrische methode genaamd calcimetry. De hierin gepresenteerde representatieve resultaten toonden vijf gevouwen verhogingen van het anorganische koolstofgehalte in de bodems die met het Ca-silicaat werden gewijzigd in vergelijking met controlebodems. Deze samenstellingsverandering ging gepaard met meer dan 1 eenheid pH-verhoging in de gewijzigde bodems, wat een hoge ontbinding van het silicaat impliceerde. Mineralogische en morfologische analyses, evenals elementaire samenstelling, bevestigen verder de toename van het anorganische koolstofgehalte van met silicaat gewijzigde bodems. De bemonsterings- en analysemethoden die in deze studie worden gepresenteerd, kunnen worden gebruikt door onderzoekers en professionals die pedogene anorganische koolstofveranderingen in bodems en ondergronden willen opsporen, inclusief die welke zijn gewijzigd met andere geschikte silicaatrotsen zoals basalt en olivijn. Deze methoden kunnen ook worden gebruikt als instrumenten voor het verifiëren van bodemorganische koolstofvastlegging door particuliere en overheidsinstanties om koolstofkredieten te certificeren en toe te kennen.

Inleiding

CO2 is een belangrijk broeikasgas (BKG) en de concentratie ervan in de atmosfeer neemt voortdurend toe. Pre-industriële wereldwijde gemiddelde CO2 was ongeveer 315 delen per miljoen (ppm), en vanaf april 2020 steeg de atmosferische CO2-concentratie tot meer dan 416 ppm, waardoor de opwarming van de aarde1. Daarom is het van cruciaal belang om de concentratie van deze warmtevangende BKG in de atmosfeer te verminderen. Socolow2 heeft gesuggereerd dat om de concentratie atmosferische CO2 tot 500 ppm tegen 2070 te stabiliseren, negen 'stabilisatiewiggen' nodig zullen zijn, waarbij elke stabilisatiewig een individuele mitigatiebenadering is, die 3,67 Gt CO2 eq per jaar aan emissiereductie kan bereiken.

Koolstofafvang en -opslag (CCS) is de belangrijkste technologie om de CO2 uit de atmosfeer te verminderen, zoals aanbevolen door het Mission Innovation-initiatief, gelanceerd op de Klimaatconferentie van de Verenigde Naties 20153. Om atmosferische CO2af te vangen, zijn de drie belangrijkste beschikbare opslagopties oceaanopslag, geologische opslag en minerale carbonatatie4. Co2 richt zich op minerale carbonatatie en wordt opgeslagen door alkalische aardmetalen, voornamelijk calcium- en magnesiumrijke silicaten, om te zetten in thermodynamisch stabiele carbonaten voor geologische tijdframes (over miljoenen jaren)5. Olivijn, pyroxeen en serpentijngroepmineralen kunnen bijvoorbeeld minerale carbonatatie ondergaan6; onder normale omstandigheden worden deze reacties echter beperkt door langzame reactiekinetiek. Om het proces onder omgevingsomstandigheden te versnellen, kunnen daarom fijngemalen (gemalen/gemalen) vormen van deze silicaten worden toegepast op landbouwgronden, een proces dat terrestrische verbeterde verwering wordt genoemd7. Bodem is een natuurlijke gootsteen om CO2op te slaan , momenteel een reservoir voor 2500 Gt koolstof, wat driemaal het atmosferische reservoir (800 Gt koolstof)is 8. Pedogene processen in bodems en ondergronden reguleren atmosferische CO2 via twee belangrijke natuurlijke routes, namelijk de organische stofcyclus en de verwering van alkalische aardmetaalmineralen, die respectievelijk organische en anorganische koolstofpools aantasten9.

Geschat wordt dat bijna 1,1 Gt atmosferische CO2 jaarlijks wordt gemineraliseerd door chemische rots verwering10. Silicaatrotsen die rijk zijn aan calcium en magnesium (bv. basalt ) worden beschouwd als de primaire grondstoffen voor verbeterde verwering9,11,12. Zodra gemalen silicaathoudende mineralen op landbouwvelden worden aangebracht, beginnen ze te reageren met CO2 opgelost in bodemporiënwater, eindigend met de minerale neerslag van stabiele carbonaten11,13. Olivijn14,15, wollastoniet (CaSiO3)13, doleriet en basalt16 behoren tot de mineralen die in eerdere studies een koolstofvastleggingspotentieel hebben aangetoond door verbeterde verwering. Ondanks de grotere beschikbaarheid, en dus mogelijk grotereCO 2-sequestratiecapaciteit, van magnesiumsilicaat, zijn er zorgen over hun toepassing voor verbeterde verwering in akkers vanwege hun potentiële milieu-impact als gevolg van Cr- en Ni-uitspoeling en de mogelijke aanwezigheid van asbestvormige deeltjes11,15,17,18. Als calciumdragend silicaat wordt wollastoniet hierin benadrukt als een uitstekende kandidaat voor dit proces vanwege de hoge reactiviteit, eenvoudige chemische structuur, die milieuvriendelijk is en de productie van carbonaten vergemakkelijkt vanwege de zwakkere binding van Caionen aan zijn silicamatrix12,19,20,21. Wollastonite dat wordt gewonnen in Kingston, Ontario, Canada, en momenteel door het Canadese Wollastonite op de markt wordt gebracht voor landbouwtoepassingen, bevat geen verhoogde niveaus van gevaarlijke metalen. De wereldwijde wollastonitische reserves worden geschat op meer dan 100 Mt, met China, India, de VS, Mexico, Canada en Finland als de beste productieve landen22.

Een betere verwering van silicaatmineraal wordt geacht de bodemgezondheid te bevorderen , met name de toename van de gewasopbrengst en de verbetering van de plantengroei , wat leidt tot een mogelijke vermindering van de toepassing van synthetische meststoffen , die verder kan bijdragen tot de vermindering van de broeikasgasemissies11,18,19. Eerdere studies hebben gemeld dat de toepassing van ca-rijke silicaatmineralen op de bodem een basischtelijkheid levert voor het neutraliseren van de zuurgraad in het bodemmedium , wat de gewasproductie23,24,25bevordert . Dit belemmert ook de mobilisatie van giftige metalen, gevoelig voor zure omstandigheden, en verbeterde verwering kan nuttig zijn voor het vertragen van erosie door toename van organisch materiaal in de bodem11.

Vergelijkingen 1-3 laten zien hoe pedogene koolstofvastlegging als anorganische carbonaten mogelijk is door bodems te wijzigen met wollastoniet. Omgevings-CO2 komt via regenwater in de bodem terecht of wordt in de bodem geproduceerd door microbiële activiteit die organische verbindingen afbreekt. Eenmaal in contact met bodemporewater wordt koolzuur gevormd, dat zich dissocieert tot bicarbonaat en proton (vergelijking 1). In aanwezigheid van planten komen wortelschillen vrij, zoals citroenzuur en maleïnezuur, die ook protonen in het systeem leveren. Deze protonen vergemakkelijken de ontbinding van wollastoniet in de bodem door caionen vrij te geven en amorf silica achter te laten (vergelijking 2). De vrijgegeven Ca-ionen reageren uiteindelijk met het bicarbonaat om neer te vallen als carbonaten (kristallijn calciet of andere variëteiten, afhankelijk van geochemische omstandigheden) (vergelijking 3). Dit gevormde calciumcarbonaat wordt onderdeel van de bodemorganische koolstof (SIC) fractie26.

Omgevings-CO 2-solvatie:

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

Wollastonitoplossing (H+ van de dissociatie van koolzuur en wortelschilten):

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

Pedogene anorganische carbonaatprecipitatie:

Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3(s)↓ + H 2O(l) + CO2(g) (3)

In ons recente werk is verbeterde verwering door de toepassing van wollastoniet op landbouwgronden, als een kalksteenalternatief amendement, effectief bevonden voor CaCO3-neerslag in de bovengrond, zowel op laboratorium- als veldschalen, en over korte (enkele maanden) en lange (3 jaar) termen. Uit de veldstudies is gebleken dat het SIC-gehalte evenredig toeneemt met de dosering van de wollastoniettoepassing (ton·hectare-1)13. In laboratoriumstudies toonde de mineralogische analyse de aanwezigheid van pedogene carbonaat als gevolg van koolstofvastlegging19. Pedogene carbonaatvorming in de bodem hangt af van verschillende factoren, met name: topografie, klimaat, oppervlaktevegetatie, bodembiotische processen en bodemfysische eigenschappen27. Onze vorige studie23 bepaalde de rol van planten (een peulvrucht (sperzieboon) en een niet-peulvruchtenplant (maïs)) op wollastoniet verwering en anorganische carbonaatvorming in de bodem. Ons lopende onderzoek naar de pedogene koolstofvorming en migratie in bodems en ondergronden omvat het onderzoeken van het lot van bodemcarbonaten in landbouwgrond, voor het eerst gevormd in bovengrond als gevolg van minerale verwering op verschillende diepten en in de loop van de tijd. Volgens Zamanian et al.27wordt de natuurlijk voorkomende pedogene carbonaathorizon verder van het oppervlak gevonden naarmate de snelheid van lokale neerslag toeneemt, waarbij de bovenkant van deze horizon vaak tussen een paar centimeter en 300 cm onder het oppervlak verschijnt. Andere omgevings- en bodemparameters, zoals bodemwaterbalans, seizoensdynamiek, het initiële carbonaatgehalte in moedermateriaal, fysische eigenschappen van de bodem, hebben ook invloed op de diepte van dit voorval27. Het is dus van belang om bodems op alle mogelijke plaatsen voldoende diep te bemonsteren om een nauwkeurig inzicht te krijgen in de oorspronkelijke en incrementele SIC-niveaus als gevolg van verbeterde verwering van silicaten.

Op veldschaal is een belangrijke beperking het gebruik van lage toepassingspercentages van silicaatbodemwijzigingen. Aangezien er beperkte kennis is over het effect van veel silicaten (zoals wollastoniet en olivijn) op de bodem en de fytosanitaire gezondheid, vermijden commerciële producenten het testen van hogere toepassingspercentages die kunnen leiden tot aanzienlijke koolstofvastlegging. Als gevolg van dergelijke lage toepassingspercentages, evenals het grote gebied van gewasvelden, is een onderzoeksuitdaging die vaak wordt geconfronteerd, het bepalen van veranderingen in SIC wanneer de waarden relatief laag zijn, en het herstellen en isoleren van de silicaatkorrels en verweringsproducten uit de bodem om morfologische en mineralogische veranderingen te bestuderen. In ons vorige werk rapporteerden we over hoe fysieke fractionering van de wollastoniet-gewijzigde grond (met behulp van zeven) een beter begrip van het verweringsproces mogelijk maakte, met name de vorming en accumulatie van pedogene carbonaten28. Dienovereenkomstig werd het hogere gehalte aan wollastoniet en verweringsproducten gedetecteerd in de fijnere fractie van de bodem, die tijdens analyses redelijk hoge waarden opleverde, wat nauwkeurigere en betrouwbaardere resultaten garandeerde. De bevindingen benadrukken het belang van het gebruik van fysische fractionering, door middel van zeven of andere scheidingsmiddelen, voor een betrouwbare schatting van de in beslag genomen koolstofaccumulatie in met silicaat gewijzigde bodems. De mate van fractionering kan echter variëren van bodem tot bodem en van silicaat tot silicaat, dus het moet verder worden onderzocht.

Nauwkeurige meting van SIC is van cruciaal belang voor het vaststellen van een standaard en wetenschappelijke procedure die kan worden aangenomen door verschillende onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het analyseren van de evolutie van SIC en (en organische koolstof) in de loop van de tijd en diepte van de bodem. Een dergelijke methodologie stelt landbouwers in staat koolstofkrediet te claimen als gevolg van SIC-vorming in hun veldbodems. Het volgende protocol beschrijft in detail: (1) een bodembemonsteringsmethode die moet worden gebruikt na wijziging van het bodemsilicaat, die de statistische significantie van de geanalyseerde bodemgegevens verklaart; (2) een bodemfractiemethode die de nauwkeurigheid verbetert van het kwantificeren van veranderingen in pedogene anorganische carbonaatpool als gevolg van verbeterde silicaat verwering, en (3) de berekeningsstappen die worden gebruikt om de SIC-sequestratiesnelheid te bepalen als gevolg van bodemsilicaatwijziging. Voor deze demonstratie wordt aangenomen dat wollastoniet, afkomstig van het Canadese Wollastonite, het silicaatmineraal is dat op landbouwgronden wordt toegepast, en de landbouwgronden worden beschouwd als vergelijkbaar met die in de landbouwgronden van Zuid-Ontario.

De procedure voor het wijzigen van landbouwgrond met wollastoniet (bijvoorbeeld het bepalen van de hoeveelheid wollastoniet die per hectare moet worden toegepast en de methode om deze over de bodem te verspreiden) werd beschreven in onze vorige studie13. Het studiegebied in ons voor- en huidig werk is rechthoekige percelen; daarom is de methode voor directe aselecte bemonstering geschikt voor dergelijke studies. Dit is een veelgebruikte methode vanwege de lage kosten, de verminderde tijdsbehoefte en het vermogen om voldoende statistische onzekerheid te bieden. Afhankelijk van de verschillende veldomstandigheden en het gewenste niveau van statistische significantie kunnen ook zonale of rasterbemonsteringsmethoden worden gebruikt. Nauwkeurigheid in bodembemonstering is essentieel om statistische onzekerheid als gevolg van bemonsteringsbias te verminderen. Wanneer statistieken worden gebruikt, wordt het bereiken van minder dan 95% vertrouwen (d.w.z. p < 0,05) niet als "statistisch significant" beschouwd. Voor bepaalde bodemstudies kan het betrouwbaarheidsniveau echter worden verlaagd tot 90% (d.w.z. p < 0,10) als gevolg van het aantal ongecontroleerde (d.w.z. natuurlijk variërende) parameters in de veldomstandigheden die van invloed zijn op de algemene nauwkeurigheid van de metingen. In dit protocol worden twee sets monsters verzameld om het SIC-gehalte en andere chemische, minerale en morfologische eigenschappen van de bodem in het verticale profiel te onderzoeken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Bodembemonsteringsmethode en kernverzameling

  1. Verdeel het in kaart gebrachte en afgebakende landbouwgrondgebied in verschillende percelen op basis van de landhoogte, historische gewasopbrengst en/of landbeheerstrategie. Bepaal de nivellering van elk perceel met behulp van een GPS-ontvanger, classificeer de gewasopbrengst op basis van historische bedrijfsgegevens (ondergemiddeld, gemiddeld, bovengemiddeld) en de landbeheerstrategie die voor elk perceel wordt gebruikt (soorten gebruikte bodemwijzigingen, indien van toepassing). Plaats de vlaggen op de grenzen van elk perceel om de daaropvolgende bemonstering te vergemakkelijken.
    OPMERKING: Figuur 1 toont de doorsnede van het rechthoekige gebied dat wordt onderzocht in vier percelen (A, B, C, D). Een dergelijk experimenteel ontwerp en informatie zal nuttig zijn om de statistische significantie van de geanalyseerde gegevens te controleren. Bovendien kan het geschikt zijn voor onregelmatige landbouwgronden en handig zijn voor het uitlijnen van de bemonstering volgens een parameter die noodzakelijk wordt geacht, van de oriëntatie van gewasrijen tot de richting van het terrein, afvloeiing, dominante wind, zonnepad, enz. Deze vier percelen werden overwogen om een veldfilmcampagne te vergemakkelijken.
  2. Gebruik de gerichte willekeurige bemonsteringsmethode om kernen in elk perceel te verzamelen. Verdeel elk perceel volgens een rasterpatroon in 25 subplots (figuur 2). Het verzamelen van 25 kernen ligt boven het traditioneel minimale aanbevolen aantal kernen (15-20).

​figure-protocol-1
Figuur 1: Weergave van de voor de monsterverzameling gebruikte percelen (elk perceel vertegenwoordigt een oppervlakte van 5 m × 10 m (totaal vier x 50 m2). Zwarte vlaggen beperken elke plotgrens om de bemonstering te vergemakkelijken en witte vlaggen markeren locaties voor diepe bemonstering. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figure-protocol-2
Figuur 2: Subsectie van elk perceel voor het verzamelen van kernmonsters (elke subsectie vertegenwoordigt een oppervlakte van 1 m x 2 m), op basis van gerichte aselecte bemonsteringsmethode. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken. 

  1. Verzamel kernmonsters van willekeurige punten binnen elk subplot, één per subplot. Gebruik een bodemsonde of een bodemkernmonsternemer om de bodemkern te verzamelen tot drie dieptezones van 0-15 cm, 15-30 cm en 30-60 cm om rekening te houden met de SIC-variatie met diepte als gevolg van silicaatbodemwijziging.
    OPMERKING: Afhankelijk van het type grond en de gebruikte sonde/monsternemer kan een andere monsternemer nodig zijn om het monster van 30-60 cm te verzamelen.
  2. Gebruik een uitschuifbare vijzel (of een vergelijkbare monsternemer) om diepe bodemmonsters te verzamelen van de witte vlaglocaties in figuur 1, tot en met drie extra dieptezones van 60-100 cm, 100-175 cm en 175-250 cm. Deze monsters zijn verantwoordelijk voor de variatie in bodemkarakterisering binnen deze diepten en evalueren het SIC-niveau op de achtergrond in het onderzochte landgebied, tot aan de bovenste diepte van de natuurlijk voorkomende pedogene carbonaathorizon.
    OPMERKING: Op basis van de lokale eigenschappen ter plaatse (bijv. diepte van de grondwaterstand) kan de diepste zone op verschillende locaties worden gewijzigd.
  3. Transporteer de grondmonsters in emmers, één voor elke bemonsterde diepte op elk perceel. Meng de grond in elke emmer grondig met de hand. Plaats de draagbare vochttester in het gemengde grondmonster. Wacht tot het vochtgehalte op een stabiel punt op de meter van het apparaat is opgelost. Druk op de houderknop en noteer de waarde als het realtime vochtgehalte van gemengde bodems.
  4. Bewaar de samengestelde monsters in verzegelde zakken. Etiketzakken goed met informatie over de percelen (A, B, C of D), de bodemdiepte (0-15 cm, 15-30 cm, 30-60 cm, 60-100 cm, 100-175 cm, 175-250 cm) en datum van bemonstering.

2. Bodemfractie voorafgaand aan chemische analyse

  1. Droog de bodemmonsters zo snel mogelijk na de bemonstering aan om de oxidatie van koolstof in de bodem tot een minimum te beperken. Plaats hiervoor de grondmonsters in kartonnen dozen (2,5 x 3" x 3") en plaats de dozen in een droogkast op 50 °C gedurende 24-48 uur, totdat de grond droog is. Bewaar de luchtgedroogde monsters in monsterzakken tot verdere analyse.
  2. Voer de grondmonsters voorafgaand aan de bodemfractie door een zeef van 2 mm om grote fragmenten van rotsen en plantenresten te verwijderen.
  3. Droog de gezeefde grond in de oven door de monsters gedurende ten minste 15 uur in een demperoven te plaatsen die op 105 ± 2 °C wordt gehouden.
  4. Plaats voor bodemfractie 1 kg van het in de oven gedroogde monster op het bovenste gaas van de zeefvaaster bestaande uit verschillende maaswijdten (710 tot 50 μm). Schud de zeven bij 60 tpm gedurende 15 minuten. Panfracties <50 μm worden bij voorkeur gebruikt voor analyses, omdat dit de pedogene met carbonaat verrijkte bodemfractie is.
    OPMERKING: Andere bodemfracties kunnen ook worden getest om aanvullende gegevens op te leveren voor verificatie van SIC-accumulatie als gevolg van verbeterde verwering van gewijzigde silicaten.

3. Pedogene anorganische koolstofvastleggingsbepaling

  1. Om het anorganische koolstofgehalte van bodemmonsters te bepalen met behulp van calcimetry-analyse, plaatst u 5 g van een gezeefd bodemmonster in een geschikte Erlenmeyerkolf. Schors het monster in 20 ml ultrapure water. Voeg 7 ml 4 M HCl toe aan een kleine glazen reageerbuis met platte bodem en plaats deze buis vervolgens rechtop in de kolf met een pincet.
  2. Bevestig de kolf voorzichtig aan de calcimeter door de rubberen stop aan te brengen. De buretwaterspiegels op de calcimeter hadden eerder naar behoefte moeten worden aangepast en de blanks en CaCO3-normen hadden indien nodig eenmaal op de calcimeter moeten worden uitgevoerd.
  3. Schud de kolf en sla zo de zuurbuis omver, totdat het waterniveau in de buret een constante waarde bereikt en er geen borreling in de oplossing wordt waargenomen (dit duurt ongeveer 5 minuten).
  4. Bereken het CaCO3-equivalent(CaCO3(eqv)) gehalte van het monster (g,CaCO3(eqv)·( kg,bodem)-1) op basis van de in de buret waargenomen volumeverandering en de blanco- en CaCO 3-kalibratiewaarden, met behulp van de juiste calcimetryformule. SIC-gehalte wordt verkregen door de g,CaCO3(eqv)· (kg,grond) -1 waarde in kg,CO2· (ton,bodem) -1 of kg,C· (ton,bodem) -1.
    1. Bereken het CaCO3(eqv) gehalte van het monster met behulp van de onderstaande formule:
      figure-protocol-3(4)
      waar:
      w (CaCO3(eqv)) = het carbonaatgehalte van de in de oven gedroogde grond
      m1 = de massa van het testgedeelte
      m2 = de gemiddelde massa van de calciumcarbonaatnormen
      V1 = het volume kooldioxide dat wordt geproduceerd door de reactie van het testgedeelte
      V2 = het gemiddelde volume kooldioxide dat wordt geproduceerd door de calciumcarbonaatnormen
      V3 = de volumeverandering in de blancobepalingen
      w (H2O) = het watergehalte van het gedroogde monster
      OPMERKING: de stappen 3.1 tot en met 3.4 worden uitgevoerd op basis van een standaardprotocol29.
  5. Voor het meten van de bulkdichtheid (BD) van de bodem ((ton,bodem)·m−3)moet een voldoende groot deel van het in de oven gedroogde grondmonster in een container met een bekend volume worden verpakt. Weeg het monster af met een weegschaal. De verhouding tussen het gedroogde gewicht en het volume van het monster wordt als BD beschouwd.
    OPMERKING: De alternatieve apparaten voor het berekenen van "ongestoorde bulkdichtheid" worden in de discussie geïntroduceerd.
  6. Bereken de Areal SIC (kg,CO2·( hectare)−1) met behulp van de volgende formule:
    figure-protocol-4(5)
    waar:
    A = de oppervlakte
    DT = dieptedikte
  7. Bereken de totale SIC (SIC 0-60 cm, kg, CO2·( hectare)−1) voor elk perceel, met gebruikmaking van de areale SIC-waarden die voor elke diepte zijn verkregen, als hieronder:
    SICPerceel A = SIC0-60 cm = SIC0-15 cm + SIC15-30 cm + SIC30-60 cm (6)
  8. Voeg de Totale areale SIC (SIC 0-60 cm, kg, CO2·( hectare)−1) inhoud voor elk onderzocht perceel (A, B, C, D) en verkrijg het gemiddelde gemiddelde als volgt:
    figure-protocol-5(7)
  9. Deel de gemiddelde areale SIC (kg,CO2·( hectare)−1) verkregen uit Eq. 7 door de toepassingssnelheid van silicaatmineraal/gesteente dat wordt gebruikt voor de bodemwijziging ((ton, silicaat)·( hectare)−1).
    OPMERKING: Dit levert de hoeveelheid pedogene anorganische koolstof op in beslag genomen in termen van kg CO2 per ton toegepast silicaat (kg, CO2·( ton, silicaat)−1). Als een meerjarig onderzoek wordt uitgevoerd of er een controleperceel zonder silicaatwijziging aanwezig is, moet deze stap worden gewijzigd om rekening te houden met de totale vastlegging en totale wijziging over een langere termijn, of jaar-op-jaar waarden, of netto pedogene koolstofvastlegging.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Het SIC-gehalte van bodems kan op verschillende manieren worden bepaald, waaronder een geautomatiseerde koolstofanalysator of een calcimeter. De geautomatiseerde koolstofanalysator voor totale koolstofbepaling in de bodem meet de CO2-druk die is opgebouwd in een gesloten vat30. In de calcimetrie wordt het geëvolueerde volume CO2 dat vrijkomt na verzuring, meestal door toevoeging van geconcentreerd HCl-zuur, van het carbonaatbevattende monster ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Aangezien het verzamelen van monsters uit bemeste landbouwgronden meestal moeilijk is, wordt voorgesteld om monsters te nemen voordat nutriënten worden toegepast. Het is ook raadzaam om te voorkomen dat monsters van bevroren velden worden verzameld. De bemonsteringsdiepte kan in verschillende gebieden variëren, afhankelijk van het bemonsteringsgemak over het verticale profiel en de diepte van de watertafel. Het geselecteerde bodembemonsteringsapparaat is afhankelijk van de bodemstructuur en de diepte van belang

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenverstrengeling.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door een Food from Thought Commercialization Grant, die wordt gefinancierd uit het Canada First Research Excellence Fund. Canadese Wollastonite verleende industriële financiële steun als onderdeel van deze subsidie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Analytical scaleSartoriusQuintix 224-S1Vier decimalen.
CalcimeterEijkelkampModel 08.53Om het wt% CaCO3-equivalent in het monster te bepalen.
Droogkast/moffelovenThermo ScientificF48055-6050°C of 103 ± 2°C.
HClFisher ScientificA144S-500Reagenskwaliteit (36,5%-38,0%).
HNO3Fisher ScientificT003090500Trace metal analysis kwaliteit (69,0%-70,0%)
Inductief Gekoppelde Plasma Massa Spectrometer (ICP-MS)PerkinElmerNexIONOm de concentratie van Ca in de microgolf-gedigesteerde grond te bepalen.
Microgolf-digesterPerkinElmerTitanOm grond in geconcentreerd HNO3 te verteren.
pH-meterOakton700Gekalibreerd met standaardoplossingen voor elke reeks metingen; temperatuur gecorrigeerd naar 25 °C.
Scanning Electron Microscope -Energy Dispersive Spectroscope (SEM-EDS)OxfordX-Max20 SSDOm de morfologie van bodempartikels te bepalen.
Zef shakerRetschAS-200Voor bodemfractionering.
BodemspiraalEijkelkamp01-16Diepte tot 700 cm.
Bodem Dakota sondeJMCPN139Diepte tot 100 cm.
Bodem sondeJMCPN031Diepte tot 30 cm.
BodemvochtigheidsmeterExtechMO750Meet vochtgehalte tot 50%
Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence spectroscoop (WDXRF)Malvern PanalyticalZetiumOm de elementaire samenstelling van bodem te karakteriseren.
X-ray Diffractie analyzer (XRD)PanalyticalEmpyreanOm de mineralogische eigenschappen van bodem te karakteriseren.

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Versnelde verweringamendement met silicaatmineralencalciometrische analysebodemkernbemonsteringbodemfractioneringpH-metingXRD-analyseSEM-beeldvorming
Monitoring pedogene anorganische koolstofaccumulatie als gevolg van verwering van gewijzigde silicaatmineralen in landbouwgronden.
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.