Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Monitorowanie pedogennej akumulacji węgla nieorganicznego spowodowanej wietrzeniem zmodyfikowanych minerałów krzemianowych w glebach rolnych.

4.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61996

⸱

4 czerwca 2021

 ,  ,  , 
1School of Engineering, University of Guelph

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Opisana tutaj metoda weryfikacji jest przystosowana do monitorowania pedogenicznej sekwestracji węgla nieorganicznego w różnych glebach rolnych wzbogaconych skałami zawierającymi krzemian metali ziem alkalicznych, takich jak wollastonit, bazalt i oliwin. Ten rodzaj walidacji jest niezbędny dla programów kredytów węglowych, które mogą przynieść korzyści rolnikom, którzy sekwestrują dwutlenek węgla na swoich polach.

Streszczenie

Niniejsze badanie ma na celu zademonstrowanie systematycznej procedury monitorowania węgla nieorganicznego wywołanego przez intensywniejsze wietrzenie rozdrobnionych skał w glebach rolnych. W tym celu próbki gleby rdzeniowej pobrane na różnych głębokościach (w tym o profilach 0-15 cm, 15-30 cm i 30-60 cm) są pobierane z pola uprawnego, którego wierzchnia warstwa gleby została już wzbogacona w krzemian metali alkalicznych zawierający minerał (taki jak wollastonit). Po przetransportowaniu do laboratorium próbki gleby są suszone na powietrzu i przesiewane. Następnie zawartość węgla nieorganicznego w próbkach określa się metodą wolumetryczną zwaną kalcymetrią. Przedstawione w niniejszym artykule reprezentatywne wyniki wykazały pięciokrotne przyrosty zawartości węgla nieorganicznego w glebach wzbogaconych krzemianem Ca, w porównaniu z glebami kontrolnymi. Tej zmianie składu towarzyszył wzrost pH w zmienionych glebach o więcej niż 1 jednostkę, co oznaczało wysokie rozpuszczanie krzemianu. Analizy mineralogiczne i morfologiczne, a także skład pierwiastkowy, dodatkowo potwierdzają wzrost zawartości węgla nieorganicznego w glebach wzbogaconych krzemianami. Metody pobierania próbek i analizy przedstawione w tym badaniu mogą być przyjęte przez naukowców i profesjonalistów, którzy chcą prześledzić pedogeniczne zmiany węgla nieorganicznego w glebach i podglebiach, w tym tych wzbogaconych innymi odpowiednimi skałami krzemianowymi, takimi jak bazalt i oliwin. Metody te mogą być również wykorzystywane jako narzędzia do weryfikacji sekwestracji węgla nieorganicznego w glebie przez podmioty prywatne i rządowe w celu certyfikacji i przyznawania kredytów węglowych.

Wprowadzenie

CO2 jest głównym gazem cieplarnianym (GHG), a jego stężenie w atmosferze stale rośnie. Średnia globalna CO2 przed przemysłem wynosiła około 315 części na milion (ppm), a od kwietnia 2020 r. stężenie CO2 w atmosferze wzrosło do ponad 416 ppm, powodując tym samym globalne ocieplenie1. Dlatego tak ważne jest zmniejszenie stężenia tego zatrzymującego ciepło gazu cieplarnianego w atmosferze. Socolow2 zasugerował, że aby ustabilizować stężenie atmosferycznego CO2 do 500 ppm do 2070 roku, potrzebnych będzie dziewięć 'klinów stabilizacyjnych', gdzie każdy klin stabilizacyjny jest indywidualnym podejściem do mitygacji, skalowanym tak, aby osiągnąć 3,67 Gt CO2 eq rocznie w redukcji emisji.

Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS) to główna technologia redukcji CO2 z atmosfery, zgodnie z zaleceniami inicjatywy Mission Innovation, zapoczątkowanej na Konferencji Narodów Zjednoczonych w sprawie Zmian Klimatu 20153. Aby wychwycić atmosferyczny CO2 , trzy główne dostępne opcje magazynowania to magazynowanie oceaniczne, składowanie geologiczne i nasycanie dwutlenkiem węgla minerałów4. Koncentrując się na karbonatyzacji minerałów, CO2 jest magazynowany przez przekształcanie metali ziem alkalicznych, głównie krzemianów bogatych w wapń i magnez, w termodynamicznie stabilne węglany dla geologicznych ram czasowych (przez miliony lat)5. Na przykład minerały oliwinowe, piroksenowe i serpentynowe mogą potencjalnie ulegać mineralnemu karbonatyzacji6; Jednak w normalnych warunkach reakcje te są ograniczone przez powolną kinetykę reakcji. Dlatego, aby przyspieszyć proces w warunkach otoczenia, drobno rozdrobnione (rozdrobnione/zmielone) formy tych krzemianów mogą być stosowane na glebach rolniczych, proces określany jako terrastrial enhanced weathering7. Gleba jest naturalnym pochłaniaczem do magazynowania CO2, obecnie jest rezerwuarem dla 2500 Gt węgla, który jest trzykrotnie większy niż rezerwuar atmosferyczny (800 Gt węgla)8. Procesy pedogenne w glebach i podglebiach regulują atmosferyczny CO2 za pomocą dwóch głównych naturalnych szlaków, a mianowicie cyklu materii organicznej i wietrzenia minerałów metali ziem alkalicznych, wpływając odpowiednio na organiczne i nieorganiczne rezerwuary węgla9.

Szacuje się, że prawie 1,1 Gt atmosferycznego CO2 jest rocznie mineralizowane przez chemiczne wietrzenie skał10. Skały krzemianowe bogate w wapń i magnez (np. bazalt) są uważane za podstawowe surowce do zwiększonej odporności na warunki atmosferyczne9,11,12. Po nałożeniu rozdrobnionych minerałów zawierających krzemian na pola uprawne zaczynają one reagować z CO2 rozpuszczonym w wodzie porowej gleby, kończąc na wytrącaniu mineralnym stabilnych węglanów11,13. Olivine14,15, wollastonit (CaSiO3)13, doleryt i bazalt16 należą do minerałów, które wykazały potencjał sekwestracji węgla poprzez zwiększoną wietrzenie w poprzednich badaniach. Pomimo większej dostępności, a co za tym idzie prawdopodobnie większej zdolności sekwestracji CO2 krzemianów magnezu, istnieją obawy co do ich zastosowania do zwiększonego wietrzenia na polach uprawnych ze względu na ich potencjalny wpływ na środowisko w wyniku wymywania Cr i Ni oraz możliwą obecność cząstek azbestowych11,15,17,18. Jako krzemian wapnionośny, wollastonit jest tutaj wyróżniony jako główny kandydat do tego procesu ze względu na jego wysoką reaktywność, prostą strukturę chemiczną, jest przyjazny dla środowiska, a także ułatwia produkcję węglanów ze względu na słabsze wiązanie jonów Ca z matrycą krzemionkową12,19,20,21. Wollastonit, który jest wydobywany w Kingston w Ontario w Kanadzie i jest obecnie komercjalizowany przez Canadian Wollastonite do zastosowań rolniczych, nie zawiera podwyższonych poziomów niebezpiecznych metali. Światowe rezerwy wollastonitu szacuje się na ponad 100 Mt, a Chiny, Indie, USA, Meksyk, Kanada i Finlandia są krajami o największej produktywności22.

Uważa się, że zwiększona odporność minerałów krzemianowych na warunki atmosferyczne sprzyja zdrowiu gleby, w szczególności wzrostowi plonów i poprawie wzrostu roślin, prowadząc do potencjalnego zmniejszenia stosowania nawozów syntetycznych, co może dodatkowo przyczynić się do redukcji emisji gazów cieplarnianych11,18,19. Wcześniejsze badania wykazały, że stosowanie minerałów krzemianowych bogatych w Ca do gleb zapewnia zasadowość neutralizacji kwasowości w podłożu glebowym, sprzyjając produkcji roślinnej23,24,25. Utrudnia to również mobilizację metali toksycznych, podatnych na warunki kwaśne, a zwiększone warunki atmosferyczne mogą być przydatne do opóźniania erozji poprzez przyrost materii organicznej w glebie11.

Równania 1-3 pokazują, jak możliwa jest pedogeniczna sekwestracja węgla w postaci węglanów nieorganicznych poprzez modyfikację gleby wollastonitem. Otaczający CO2 dostaje się do gleby przez wodę deszczową lub jest wytwarzany w glebie w wyniku działalności mikrobiologicznej rozkładających związki organiczne. W kontakcie z wodą porową gleby powstaje kwas węglowy, który dysocjuje, tworząc wodorowęglan i proton (równanie 1). W obecności roślin uwalniane są wysięki korzeniowe, takie jak kwas cytrynowy i kwas maleinowy, które również dostarczają protony do układu. Protony te ułatwiają rozpuszczanie wollastonitu w glebie poprzez uwalnianie jonów Ca i pozostawianie amorficznej krzemionki (równanie 2). Uwolnione jony Ca ostatecznie reagują z wodorowęglanem, wytrącając się w postaci węglanów (krystalicznego kalcytu lub innych odmian, w zależności od warunków geochemicznych) (równanie 3). Tak utworzony węglan wapnia staje się częścią frakcji węgla nieorganicznego (SIC) w glebie26.

Rozpuszczalnik CO2 w otoczeniu:

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

Rozpuszczenie wollastonitu (H+ z dysocjacji kwasu węglowego i wysięków korzeniowych):

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

Pedogeniczne opady węglanów nieorganicznych:

Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3(s)↓ + H2O(l) + CO2(g) (3)

W naszej ostatniej pracy, ulepszone wietrzenie poprzez zastosowanie wollastonitu na glebach rolnych, jako alternatywną poprawkę dla wapienia, okazało się skuteczne w przypadku wytrącania CaCO3 w wierzchniej warstwie gleby, zarówno w skali laboratoryjnej, jak i polowej, oraz w krótkich (kilka miesięcy) i długich (3 lata) terminach. W badaniach terenowych oceny chemiczne i mineralogiczne wykazały, że zawartość SIC wzrasta proporcjonalnie do dawki stosowanej wollastonitu (tona·hektar-1)13. W badaniach laboratoryjnych analiza mineralogiczna wykazała obecność pedogennego węglanu spowodowanego sekwestracją węgla19. Powstawanie węglanów pedogennych w glebie zależy od kilku czynników, w szczególności: topografii, klimatu, roślinności powierzchniowej, procesów biotycznych gleby i właściwości fizykochemicznych gleby27. Nasze poprzednie badanie23 określiło rolę roślin (rośliny strączkowej (fasolka szparagowa) i rośliny niestrączkowej (kukurydza)) w wietrzeniu wollastonitu i tworzeniu się węglanów nieorganicznych w glebie. Nasze trwające badania nad powstawaniem i migracją węgla pedogenicznego w glebach i podglebiach obejmują badanie losów węglanów glebowych w glebach rolnych, które po raz pierwszy powstały w wierzchniej warstwie gleby w wyniku wietrzenia mineralnego na różnych głębokościach i w czasie. Według Zamanian et al.27, naturalnie występujący pedogeniczny horyzont węglanowy znajduje się dalej od powierzchni wraz ze wzrostem tempa lokalnych opadów, przy czym górna część tego horyzontu zwykle pojawia się od kilku centymetrów do 300 cm pod powierzchnią. Inne parametry otoczenia i gleby, takie jak bilans wodny gleby, dynamika sezonowa, początkowa zawartość węglanów w materiale macierzystym, właściwości fizyczne gleby, również wpływają na głębokość tego występowania27. W związku z tym ważne jest, aby przy każdej okazji pobrać próbki gleby na wystarczającą głębokość, aby uzyskać dokładne zrozumienie pierwotnych i przyrostowych poziomów SIC wynikających ze zwiększonego wietrzenia krzemianów.

Na skali pola ważnym ograniczeniem jest stosowanie niskich dawek dodatków do gleby silikatowej. Ponieważ wiedza na temat wpływu wielu krzemianów (takich jak wollastonit i oliwin) na zdrowie gleby i roślin, producenci komercyjni unikają testowania wyższych dawek nawozów, które mogłyby skutkować znaczną sekwestracją dwutlenku węgla. Ze względu na tak niskie dawki aplikacji, a także dużą powierzchnię pól uprawnych, często spotykanym wyzwaniem badawczym jest określenie zmian SIC, gdy wartości są stosunkowo niskie, a także odzyskanie i wyizolowanie ziaren krzemianów i produktów wietrzenia z gleby w celu zbadania zmian morfologicznych i mineralogicznych. W naszych poprzednich pracach informowaliśmy, w jaki sposób fizyczne frakcjonowanie gleby wzbogaconej wollastonitem (przy użyciu przesiewania) umożliwiło lepsze zrozumienie procesu wietrzenia, zwłaszcza powstawania i akumulacji węglanów pedogenicznych28. W związku z tym wykryto wyższą zawartość wollastonitu i produktów wietrzenia w drobniejszej frakcji gleby, która zapewniała odpowiednio wysokie wartości podczas analiz, zapewniając bardziej precyzyjne i wiarygodne wyniki. Odkrycia podkreślają znaczenie stosowania frakcjonowania fizycznego, poprzez przesiewanie lub inne środki segregacji, w celu wiarygodnego oszacowania akumulacji sekwestrowanego węgla w glebach wzbogaconych krzemianami. Jednak stopień frakcjonowania może się różnić w zależności od gleby i od krzemianu do krzemianu, dlatego należy go dalej badać.

Dokładny pomiar SIC jest kluczowy dla ustalenia standardu i procedury naukowej, która może być przyjęta przez różnych badaczy zainteresowanych analizą ewolucji SIC i (oraz węgla organicznego) w czasie i głębokości gleby. Taka metodologia umożliwia rolnikom ubieganie się o kredyt węglowy w wyniku tworzenia się SIC w glebach polowych. Poniższy protokół opisuje szczegółowo: (1) metodę pobierania próbek gleby, która ma być stosowana po zmianie krzemianów w glebie, która uwzględnia znaczenie statystyczne analizowanych danych dotyczących gleby; (2) metoda frakcjonowania gleby, która poprawia dokładność ilościowego określania zmian w pedogenicznej puli węglanów nieorganicznych w wyniku zwiększonego wietrzenia krzemianów, oraz (3) etapy obliczeń stosowane do określenia stopnia sekwestracji SIC w wyniku zmiany krzemianów w glebie. Na potrzeby tej demonstracji przyjmuje się, że wollastonit, pozyskiwany z kanadyjskiego wollastonitu, jest minerałem krzemianowym stosowanym na glebach rolniczych, a gleby rolnicze uważa się za podobne do tych występujących na polach uprawnych południowego Ontario.

Procedura polegająca na wzbogacaniu gleby rolnej wollastonitem (np. określenie ilości wollastonitu do zastosowania na hektar i metody rozprowadzania go po glebie) została opisana w naszym poprzednim badaniu13. Obszar badań w naszej wcześniejszej i obecnej pracy to działki prostokątne; W związku z tym metoda bezpośredniego losowego doboru próby jest odpowiednia dla takich badań. Jest to powszechnie stosowana metoda ze względu na jej niski koszt, skrócony czas i możliwość zapewnienia odpowiedniej niepewności statystycznej. Podobnie, w zależności od różnych warunków terenowych i pożądanego poziomu istotności statystycznej, można również stosować metody próbkowania strefowego lub siatkowego. Dokładność pobierania próbek gleby ma zasadnicze znaczenie dla zmniejszenia niepewności statystycznej wynikającej z błędu systematycznego pobierania próbek. Gdy stosowane są statystyki, osiągnięcie mniej niż 95% ufności (tj. p < 0,05) nie jest uważane za "statystycznie istotne". Jednak w przypadku niektórych badań gleby poziom ufności może zostać złagodzony do 90% (tj. p < 0,10) ze względu na liczbę niekontrolowanych (tj. naturalnie zmieniających się) parametrów w warunkach polowych, które wpływają na ogólną precyzję pomiarów. W tym protokole pobiera się dwa zestawy próbek w celu zbadania zawartości SIC oraz innych właściwości chemicznych, mineralnych i morfologicznych gleby w całym jej profilu pionowym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Metoda pobierania próbek gleby i kolekcjonowanie rdzeni

  1. Podziel zmapowany i wyznaczony obszar gruntów rolnych będący przedmiotem zainteresowania na poszczególne działki, opierając się na wysokości terenu, historycznym plonie roślin lub strategii zarządzania gruntami. Określ niwelację każdej działki za pomocą odbiornika GPS, zaklasyfikuj plon na podstawie historycznych zapisów gospodarstwa (poniżej średniej, średni, powyżej średniej) oraz określ strategię zarządzania gruntami stosowaną dla każdej działki (rodzaje zastosowanych polepszaczy glebowych, jeśli takie wystąpiły). Umieść flagi na granicach każdej działki, aby ułatwić późniejsze pobieranie próbek.
    UWAGA: Rysunek 1 przedstawia podział prostokątnego obszaru badań na cztery działki (A, B, C, D). Taki plan doświadczenia i zestaw informacji będą pomocne przy sprawdzaniu istotności statystycznej analizowanych danych. Ponadto rozwiązanie to może być odpowiednie dla nieregularnych obszarów pól i wygodne przy dostosowywaniu pobierania próbek do parametru uznanego za konieczny, np. orientacji rzędów upraw, nachylenia terenu, spływu powierzchniowego, kierunku dominujących wiatrów, drogi słońca itp. Uwzględniono te cztery działki w celu ułatwienia realizacji kampanii filmowej w terenie.
  2. Zastosuj metodę ukierunkowanego losowania do pobrania rdzeni z każdej działki. Podziel każdą działkę zgodnie z układem siatki na 25 poddziałek (Rysunek 2). Pobranie 25 rdzeni przekracza tradycyjnie rekomendowaną minimalną liczbę rdzeni (15-20).

​Równowaga statyczna; schemat przedstawiający podzielone działki A-D, obrazujący badania równowagi i rozkładu sił.
Rysunek 1: Przedstawienie działek wykorzystanych do pobierania próbek (każda działka reprezentuje obszar 5 m × 10 m (łącznie cztery x 50 m2).  Czarne flagi wyznaczają granice każdej działki w celu ułatwienia pobierania próbek, a białe flagi oznaczają miejsca głębokiego pobierania próbek. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Schemat równowagi statycznej z siatką i rozproszonymi czarnymi kropkami ilustrujący punkty równowagi.
Rysunek 2: Podział każdej działki na sekcje w celu pobrania próbek rdzeniowych (każda sekcja reprezentuje obszar o wymiarach 1 m x 2 m), oparty na metodzie ukierunkowanego losowania. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

  1. Pobierz próbki rdzeniowe z przypadkowych punktów w obrębie każdej poddziałki, po jednej próbce na poddziałkę. Użyj sondy glebowej lub próbownika do pobierania rdzeni gleby z trzech stref głębokości: 0-15 cm, 15-30 cm i 30-60 cm, aby uwzględnić zmienność SIC w zależności od głębokości wynikającą z nawożenia gleby krzemianami.
    UWAGA: W zależności od rodzaju gleby oraz użytej sondy/próbownika, do pobrania próbki z głębokości 30-60 cm może być wymagany inny próbownik.
  2. Użyj wysuwanego świdra (lub innego odpowiedniego próbownika), aby pobrać głębokie próbki gleby z lokalizacji oznaczonych białymi flagami na Rysunku 1, z trzech dodatkowych stref głębokości: 60-100 cm, 100-175 cm i 175-250 cm. Próbki te pozwalają uwzględnić zmienność charakterystyki gleby na tych głębokościach oraz ocenić tło SIC na badanym obszarze, aż do górnej granicy naturalnie występującego pedogenicznego horyzontu węglanowego.
    UWAGA: W zależności od lokalnych właściwości terenu (np. głębokości poziomu wód gruntowych), najgłębsza strefa może zostać zmodyfikowana w różnych lokalizacjach.
  3. Przenieś próbki gleby do wiader, po jednym dla każdej pobranej głębokości w każdej działce. Dokładnie wymieszaj ręcznie glebę w każdym wiadrze. Umieść przenośny wilgotnościomierz w wymieszanej próbce gleby. Odczekaj, aż wartość zawartości wilgoci ustabilizuje się na wskaźniku urządzenia. Naciśnij przycisk zatrzymania i zapisz wartość jako aktualną zawartość wilgoci wymieszanych gleb.
  4. Przechowuj próbki zbiorcze w szczelnych workach. Odpowiednio oznakuj worki informacjami o działkach (A, B, C lub D), głębokości gleby (0-15 cm, 15-30 cm, 30-60 cm, 60-100 cm, 100-175 cm, 175-250 cm) oraz dacie pobierania próbek.

2. Frakcjonowanie gleby przed analizą chemiczną

  1. Przesuszyć próbki gleby na powietrzu jak najszybciej po pobraniu, aby zminimalizować utlenianie węgla glebowego. W tym celu umieścić próbki gleby w kartonowych pudełkach (2,5" x 3" x 3") i włożyć je do szafy suszącej w temperaturze 50 °C na 24-48 h, aż gleba wyschnie. Przesuszone próbki przechowywać w workach do próbek do czasu dalszych analiz.
  2. Przed frakcjonowaniem gleby przesiać próbki przez sito o oczkach 2 mm, aby usunąć duże fragmenty skał i szczątki roślinne.
  3. Wysuszyć przesianą glebę w suszarce, umieszczając próbki w piecu muflowym utrzymywanym w temperaturze 105 ± 2 °C przez co najmniej 15 h.
  4. W celu frakcjonowania gleby umieścić 1 kg wysuszonej w suszarce próbki na górnej warstwie sita w potrząsaczu zawierającym sita o różnych rozmiarach oczek (od 710 do 50 µm). Wstrząsać sitami z prędkością 60 rpm przez 15 min. Do analiz najlepiej wykorzystać frakcje z naczynia odbiorczego <50 µm, ponieważ jest to frakcja gleby wzbogacona w węglany pedogeniczne.
    UWAGA: Można również badać inne frakcje gleby, aby uzyskać dodatkowe dane do weryfikacji akumulacji SIC wynikającej ze wzmożonego wietrzenia dodanych krzemianów.

3. Oznaczanie sekwestracji pedogenicznego węgla nieorganicznego

  1. Aby określić zawartość węgla nieorganicznego w próbkach gleby za pomocą analizy kalcymetrycznej, należy umieścić 5 g przesianej próbki gleby w odpowiedniej kolbie Erlenmeyera. Próbkę zawiesić w 20 mL wody ultraczystej. Do małej szklanej probówki o płaskim dnie dodać 7 mL 4 M HCl, a następnie za pomocą pęsety umieścić tę probówkę pionowo wewnątrz kolby.
  2. Kolbę należy ostrożnie przytwierdzić do kalcymetru, zakładając korek gumowy. Poziomy wody w biurecie kalcymetru powinny zostać wcześniej dostosowane zgodnie z wymogami, a w razie potrzeby w kalcymetrze powinny zostać przeprowadzone pomiary próbek ślepych oraz wzorców CaCO3.
  3. Wstrząsnąć kolbą, aby przewrócić probówkę z kwasem, aż poziom wody w biurecie osiągnie stałą wartość i nie będzie obserwowano pęcherzyków w roztworze (trwa to około 5 min).
  4. Obliczyć zawartość równoważnika CaCO3 (CaCO3(eqv)) w próbce (g,CaCO3(eqv)·(kg,soil)-1) na podstawie zaobserwowanej zmiany objętości w biurecie oraz wartości kalibracyjnych dla próbek ślepych i CaCO3, stosując odpowiedni wzór kalcymetryczny. Zawartość SIC otrzymuje się poprzez przeliczenie wartości g,CaCO3(eqv)·(kg,soil)-1 na kg,CO2·(tonne,soil)-1 lub kg,C·(tonne,soil)-1.
    1. Obliczyć zawartość CaCO3(eqv) w próbce, korzystając z poniższego wzoru:
      Równanie równowagi statycznej dla równoważnika CaCO3, wzór analizy chemicznej.  (4)
      Gdzie:
      w (CaCO3(eqv)) = zawartość węglanów w glebie wysuszonej w suszarce
      m1 = masa porcji próbnej
      m2 ​= średnia masa wzorców węglanu wapnia
      V1 = objętość dwutlenku węgla powstałego w wyniku reakcji porcji próbnej
      V2 = średnia objętość dwutlenku węgla powstałego z wzorców węglanu wapnia
      V3 = zmiana objętości w oznaczeniach ślepych
      w (H2O) = zawartość wody w wysuszonej próbce
      UWAGA: kroki od 3.1 do 3.4 są przeprowadzane zgodnie ze standardowym protokołem29.
  5. W celu pomiaru gęstości objętościowej (BD) gleby ((tonne,soil)·m−3), należy umieścić odpowiednio dużą alikwot próbki gleby wysuszonej w suszarce w naczyniu o znanej objętości. Próbkę zważyć za pomocą wagi. Stosunek suchej masy do objętości próbki uznaje się za BD.
    UWAGA: Alternatywne urządzenia do obliczania „niezakłóconej gęstości objętościowej” zostały przedstawione w dyskusji.
  6. Obliczyć powierzchniowe SIC (kg,CO2·(hectare)−1) za pomocą następującego wzoru:
    Wzór obliczania węgla w glebie; równanie dla powierzchniowego SIC w schemacie badania środowiska.  (5)
    Gdzie:
    A = powierzchnia
    DT = grubość warstwy (głębokość)
  7. Obliczyć całkowite SIC (SIC 0-60 cm, kg,CO2·(hectare)−1) dla każdej działki, wykorzystując wartości powierzchniowe SIC uzyskane dla każdej głębokości, w następujący sposób:
    SICPlot A = SIC0-60 cm = SIC0-15 cm + SIC15-30 cm + SIC30-60 cm  (6)
  8. Zsumować całkowitą zawartość powierzchniowego SIC (SIC 0-60 cm, kg,CO2·(hectare)−1) dla każdej badanej działki (A, B, C, D) i obliczyć średnią w następujący sposób:
    Równanie średniego SIC (kgCO2/ha); wzór do obliczania średnich zapasów węgla specyficznych dla powierzchni.    (7)
  9. Podzielić średnie powierzchniowe SIC (kg,CO2·(hectare)−1) uzyskane z równania 7 przez dawkę minerału/skały krzemianowej użytej do poprawy gleby ((tonne, silicate)·(hectare)−1).
    UWAGA: Pozwoli to określić ilość sekwestrowanego pedogenicznego węgla nieorganicznego w przeliczeniu na kg CO2 na tonę zastosowanego krzemianu (kg, CO2·(tonne, silicate)−1). W przypadku prowadzenia badania wieloletniego lub obecności działki kontrolnej bez poprawki krzemianowej, krok ten musi zostać zmodyfikowany, aby uwzględnić całkowitą sekwestrację i całkowitą poprawkę w dłuższym terminie, wartości rok do roku lub netto pedogeniczną sekwestrację węgla.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Zawartość SIC w glebach można oznaczyć za pomocą różnych metod, w tym przy użyciu automatycznego analizatora węgla lub kalcymetru. Automatyczny analizator węgla do oznaczania całkowitej zawartości węgla w glebie mierzy ciśnienie CO2 gromadzące się w zamkniętym naczyniu30. W kalcymetrii mierzy się objętość wydzielonego CO2 uwalnianego po zakwaszeniu próbki zawierającej węglany, zazwyczaj poprzez dodanie stężonego kwasu HCl. Metoda kalcymetryczn...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Biorąc pod uwagę, że pobieranie próbek z nawożonych pól uprawnych jest zwykle trudne, sugeruje się, aby próbki były pobierane przed zastosowaniem składników odżywczych. Wskazane jest również unikanie pobierania próbek z zamarzniętych pól. Głębokość pobierania próbek może się różnić w różnych obszarach w zależności od łatwości pobierania próbek na profilu pionowym i głębokości zwierciadła wody. Wybrane urządzenie do pobierania próbek gleby zależy od struktury i głębokości gleby33. O ile w przypadku...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie pozostają w konflikcie interesów.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez grant na komercjalizację żywności z myśli, który jest finansowany z Canada First Research Excellence Fund. W ramach tego grantu kanadyjska firma Wollastonite zapewniła przemysłowe wsparcie finansowe.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Skala analitycznaSartoriusQuintix 224-S1Cztery miejsca po przecinku.
KalcymetrEijkelkampModel 08.53Do oznaczania wagowego równoważnika CaCO3 w próbce.
Suszarnia / piec muflowyThermo ScientificF48055-6050° C lub 103 ± 2&stopnie C.
HClFisher ScientificA144S-500Klasa odczynnika (36,5%-38,0%).
HNO3Fisher ScientificT003090500Klasa analizy metali śladowych (69,0%-70,0%)
Spektrometr masowy z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS)PerkinElmerNexIONDo określania stężenia Ca w glebie trawionej mikrofalowo.
Mikrofalowy komora fermentacyjnaPerkinElmerTitanDo trawienia gleb w skoncentrowanym HNO3.
pH-metrOakton700Kalibrowany roztworami wzorcowymi przed każdym zestawem pomiarów; temperatura skorygowana do 25 stopni Celsjusza.
Skaningowy mikroskop elektronowy -Spektroskop dyspersji energii (SEM-EDS)OxfordX-Max20 SSDDo określania morfologii cząstek glebowych.
Wytrząsarka sitowaRetschAS-200Do frakcjonowania gleby.
Próbnik ślimakowy do glebyEijkelkamp01-16Głębokości do 700 cm.
Próbnik sondy glebowej DakotaJMCPN139Głębokości do 100 cm.
Próbnik z sondą gruntowąJMCPN031Głębokość do 30 cm.
Miernik wilgotności glebyExtechMO750Pomiar zawartości wilgoci do 50%
Spektroskop fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją długości fali (WDXRF)Malvern PanalyticalZetiumDo charakteryzowania składu pierwiastkowego gleby.
Analizator dyfrakcji rentgenowskiej (XRD)PanalyticalEmpireumDo charakteryzowania mineralogięwłaściwości gleby.

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Wzmocnione wietrzeniedodatek minerałów krzemianowychanaliza kalcymetrycznapobieranie rdzeni glebowychfrakcjonowanie glebypomiar pHanaliza XRDobrazowanie SEM
Monitorowanie pedogennej akumulacji węgla nieorganicznego spowodowanej wietrzeniem zmodyfikowanych minerałów krzemianowych w glebach rolnych.
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.