Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

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

Published: June 4, 2021 doi: 10.3791/61996
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1
1School of Engineering, University of Guelph
* These authors contributed equally

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 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 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:
      Equation 1(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:
    Equation 2(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:
    Equation 3(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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 gemeten. De calcimetry-methode is relatief eenvoudig, met eenvoudige chemische procedures, dus geschikt om veel veldmonsters snel te analyseren met hoge precisie (d.w.z. reproduceerbare waarden) en voldoende nauwkeurigheid (d.w.z. waarden dicht bij het nauwkeurige carbonaatgehalte). In de in deze studie gebruikte gerichte aselecte bemonsteringsmethode worden de monsters van elk perceel grondig met de hand gemengd en vervolgens gedroogd om een homogeen representatief bodemmonster te verkrijgen voordat het SIC-gehalte wordt geanalyseerd. De calcimeteranalyse wordt uitgevoerd in drievoud voor elk monster.

De elementaire samenstelling van bodemmonsters kan worden bepaald door golflengtedispersieve röntgenfluorescentiespectroscopie (WDXRF) of door inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (ICP-MS). In het geval van dit laatste moeten bodemmonsters vóór de analyse worden verteerd door zuur. De minerale samenstelling kan het best worden bepaald door poeder x-ray diffractie (XRD). Het resulterende diffractogram geeft kwalitatieve informatie over de aanwezigheid van kristallijne minerale fasen, die kunnen worden gekwantificeerd via de Rietveld-verfijningstechniek, het beste geholpen met het gebruik van een interne standaard. De elementaire en mineralogische samenstelling kan worden gebruikt om de diepte af te leiden die silicaten en verweringsproducten tijdens de bemonstering hebben bereikt. Daarom kunnen ze het transport van de bovengrond naar de ondergrond bevestigen, waar carbonaten voor de lange termijn kunnen worden opgeslagen. De morfologie van bodemdeeltjes kan worden bestudeerd door een scanning elektronenmicroscopie (SEM) en kan worden gecombineerd met energiedispersieve spectroscopie (EDS) voor semi-kwantitatieve elementaire microanalyse. Morfologische analyse kan worden gebruikt om restsilicaat, verweringsproducten te identificeren en een mechanistisch begrip te krijgen van de verweringsverschijnselen (zoals oplossende oppervlakken, nieuw neergeslagen kristallen en vorming van amorfe materialen). Mineralogische en elementaire microanalyseresultaten kunnen ook worden gebruikt om de calcimetryresultaten verder te verifiëren. De aanwezigheid van geaccumuleerde carbonaatfasen, zoals calciet (CaCO3),kan duidelijk zijn in diffractogrammen en kan worden gevonden door compositorische signatuur tussen bodemdeeltjes.

Tabel 1 toont een typische reeks gegevens voor een wollastoniet-gewijzigde bodem (verzameld van 0-15 cm en onbesproken) in vergelijking met een onbehandelde bodem, in termen van de pH van de bodem, de calcimetryresultaten en de calciumionenconcentratie verkregen met behulp van microgolfvertering gevolgd door ICP-MS. De pH van de wollastoniet-gewijzigde bodem is hoger met 1,15 eenheden in vergelijking met de controle, en het CaCO3(eqv) gehalte is bijna vijf keer groter dan de controle. De calciumconcentratie in de wollastoniet-gewijzigde grond is ook hoger, met bijna zeven keer. Alleen kan ICP-MS niet onderscheiden welk calciummineraal, zoals wollastoniet of calciet, voornamelijk bijdraagt aan deze calciumconcentraties. Toch wordt verwacht dat het calciumconcentratieverschil groter zal zijn dan het carbonaatverschil, aangezien de gewijzigde bodem zowel meer wollastoniet als meer carbonaten zal bevatten dan de controlegrond. De analyse van deze monsters door WDXRF en XRD kan helpen om de belangrijkste oxiden en minerale fasen in de monsters verder te verduidelijken.

Het CaCO3(eqv) gehalte (calcimeter resultaten) over een verticaal profiel (0-15, 15-30 en 30-60 cm) wordt aangetoond in tabel 2. Dienovereenkomstig was het hoogste gehalte (van niet-gezeefde monsters) 10,13 g, CaCO3 (eqv)· (kg,grond) -1, gedetecteerd in 0-15 cm dieptezone. De monsters van 15-30 cm toonden de laagste hoeveelheid CaCO3(eqv). Het CaCO3(eqv) gehalte steeg weer in 30-60 cm zone. De resultaten van twee diepe profielmonsters suggereren ook het veel hogere gehalte aan carbonaten in diepere lagen (60-100 cm profiel). Op basis van de resultaten van ondiepe en diepe monsters wordt geïmpliceerd dat er twee zones zijn verrijkt met carbonaten. De eerste is de dieptezone van 0-15 cm, representatief voor verweringsproducten als gevolg van wollastoniettoepassing, gezien de aanzienlijke toename ten opzichte van de controle. De andere zone omvat diepere monsters, beginnend bij ongeveer 30 cm en toenemend tot 1 m. Aangezien diepere monsters over het algemeen indicatief zijn voor de moedermaterialen van de bodem, kan worden geconcludeerd dat carbonaten in deze zone van geologische oorsprong zijn. Tabel 2 toont ook een vergelijking van het ongezeefde en gezeefde monster (panfractie) om de impact van fractionering op het carbonaatgehalte te onderzoeken. Op basis hiervan is het carbonaatgehalte iets hoger in de panfractie, wat de mogelijkheid van accumulatie van carbonaten in kleinere deeltjes impliceert, in overeenstemming met onze vorige studie28.

De verschillende oxiden in de bodem kunnen worden bepaald door WDXRF, zoals geïllustreerd in tabel 3 voor de controlegrond. Silica (SiO2) is het belangrijkste aanwezige oxide, dat de primaire component van zandige leemgrond is, en de textuur van dit monster omvat 11 g/kg grind, 551 g/kg zand, 295 g/kg slib en 155 g/kg klei. Het Ca-gehalte van de bodem (2,59 wt%) verkregen door WDXRF groter is dan die bepaald door ICP-MS (0,96 wt%). Dit komt omdat het WDXRF-resultaat wordt genormaliseerd tot 100 wt%, wat waarden enigszins opblaast omdat niet-detecteerbare componenten zoals organische stoffen niet worden verantwoord. Bovendien loste de vergistingsmethode die werd gebruikt om monsters voor ICP-MS te bereiden waarschijnlijk niet alle bodemmineralen volledig op, dus de ICP-MS-waarden worden enigszins onderschat. Daarom maakt het gebruik van WDXRF in combinatie met ICP-MS het mogelijk om een boven- en ondergrens te schatten op de werkelijke Ca (en Mg) concentratie. Ze kunnen dus worden gebruikt om het transport van silicaten en verweringsproducten, waaronder carbonaten, te controleren als functie van diepte.

Het XRD-patroon van een wollastoniet-gewijzigde bodem is weergegeven in figuur 3. De belangrijkste aanwezige pieken zijn kwarts (SiO2) bij 26,65°, en albite (NaAlSi3O8) bij 28,07°, die overheersende mineralen zijn in zandige leemgronden31. De extra pieken van wollastoniet en calciet zijn ook aanwezig als gevolg van wollastoniettoevoeging en calcietvorming. De calciet wordt geïdentificeerd door een hoofdpiek bij 29,40° 2θ en een kleine piek bij 39,40°. De hoge calcimeterwaarde voor gewijzigde grond is te wijten aan de vorming van calciet, althans gedeeltelijk als amorfe carbonaten die zich ook onder omgevingsomstandigheden kunnen vormen32. WDXRF en XRD kunnen ook helpen bij de karakterisering van de gebruikte wollastoniet. De nominale elementaire samenstelling van het wollastoniet dat in deze studie wordt gebruikt, afkomstig uit de Ontario-mijn van het Canadese Wollastonite, omvat 26% silicium (55% SiO2),18% calcium (26% CaO), 4,0% magnesium (9% MgO), 1,8% zwavel, 0,11% stikstof, 0,10% P2O5, 0,10% De belangrijkste minerale fasen in dit wollastoniet, zoals bepaald door XRD-analyse, omvatten wollastoniet, diopside (CaMgSi2O6) en kwarts (SiO2).

Figuur 4a toont SEM-afbeeldingen van de wollastoniet-gewijzigde grond na een periode van enkele weken verwering. Het fijne naaldvormige wollastoniet is merkbaar in het gewijzigde bodemmonster, aanwezig samen met andere grotere bodemdeeltjes. Een nadere blik op deze wollastonitdeeltjes (figuur 4b) helpt om een dieper inzicht te krijgen in de morfologische veranderingen die zich aan het oppervlak voordoen. De microanalyse van het wollastonietoppervlak is mogelijk door een elementaire mapping van het monster te verkrijgen (Figuren 4c-f). Het EDS-spectrum van het in kaart gebrachte gebied onthult zijn semi-kwantitatieve chemische profiel in figuur 4g. De elementaire kaarten tonen duidelijk Si en Ca als de belangrijkste componenten van wollastoniet. Mg is geen belangrijk bestanddeel van wollastoniet, zoals blijkt uit de afwezigheid van mg-signaal van de naaldvormige deeltjes, maar het is in kleine hoeveelheden aanwezig in andere bodemdeeltjes, waaronder diopsidedeeltjes. De C-kaart maakt geen onderscheid tussen het carbonaat dat op het wollastonietoppervlak wordt gevormd en het organische materiaal dat al in de bodem aanwezig is, en wordt ook gedomineerd door koolstofsignaal afkomstig van de koolstoftape onder het monster. Figuur 5 toont de EDS-analyse op de kleinere fragmenten, op 40000x, verspreid in het bodemmonster en weergegeven in figuur 4b (bij 2.000x) gemarkeerd in de gele cirkel. Spot EDS-analyse op twee verschillende punten geeft aan dat dit fragment rijk is aan C en O, wat suggereert dat het voornamelijk bestaat uit organisch materiaal, dat overeenkomt met de amorfe deeltjesmorfologie. Bovendien kan SEM-EDS-analyse, door te kijken naar de Ca:Si-verhouding, mogelijk worden gebruikt om tekenen van wollastoniet verwering in de bodem te identificeren, zoals uitspoeling van Ca uit het wollastoniet of het lot van de gevormde carbonaten in de bodem.

Met behulp van de calcimeteraflezing van de met wollastoniet gewijzigde grond kan de pedogene anorganische koolstofvastleggingssnelheid worden berekend met behulp van de stappen die in punt 3 van het protocol worden beschreven. Hiertoe moet het verschil in calcimeteraflezing voor geanalyseerd monster en de bijbehorende controle ervan worden berekend voor de diepte van de rente. Vervolgens wordt een factor 0,44 toegepast op het verschil om CaCO3(eqv) om te zetten in CO2. In het geval van de in tabel 2 gepresenteerde dieptemonsters van 0-15 cm, waarbij de calcimeterwaarde van het besturingselement wordt afgetrokken (2,51 g,CaCO3(eqv)·( kg,bodem)-1) vanaf 0-15 cm diepte (10,13 g,CaCO3(eqv)·( kg,bodem)-1), resulteert in een nettohoeveelheid van 3,35 kg,CO2· (ton,bodem) -1 afgezonderd op deze diepte. Gezien alleen de bodemdikte van 0,15 m en een verstoorde BD van 1,01 ton· (m-3) gemeten in het laboratorium, kan de Areal SIC dan worden berekend met behulp van vergelijking 5. Op basis van de verhouding tussen ongestoorde en verstoorde BD en de onzekerheid die bestaat bij het rapporteren van BD als gevolg van klimatologische en landgebruiksfactoren, hebben we de ongestoorde BD van onze laag van 0-15 cm geschat op 1.386 ± 0,23 ton. (m-3). Gezien de onzekerheid die aanwezig is in de calcimetermeting, hebben we de cumulatieve onzekerheid van de berekende SICArealbepaald , met behulp van een Gaussiaanse vergelijking voor normaal verdeelde foutenmethode, om te worden ± 39%. Dienovereenkomstig schatten we de in beslag genomen CO2 in de 0-15 cm laag van ons veld op 6,96 ± 2,71 ton, CO2· (hectare) −1. Met behulp van een vergelijkbare procedure kan ook de Areal SIC van 15-30 cm en 30-60 cm lagen worden berekend (voor dit veld waren geen controlewaarden beschikbaar om deze berekening aan te tonen). Samenvattend de waarden voor het volledige profiel van 0-60 cm, kon de geschatte in beslag genomen koolstof in het studiegebied worden bepaald.

Figure 3
Figuur 3: XRD diffractogram met de mineralogische fasen in een wollastoniet-gewijzigde bodem (W: wollastoniet, Q: kwarts, A: albite, C: calciet). Diffractogram bepaald door commerciële röntgendiffractie- en analysisoftware. De diffractometer werkte met Cu Kα-straling bij 45 kV en 40 mA, en de diffractiepatronen werden verzameld over een bereik van 2θ van 5-70°. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: SEM-EDS-analyse. (a) SEM-beeld van een wollastoniet-gewijzigde bodem op schaal 250x en 400 μm; b) dichter bij het zicht op de verweerde wollastonietkorrels die op schaal 2000x en 50 μm in de bodem aanwezig zijn; (c-f) EDS-elementair in kaart brengen van Si, C, Ca en Mg aanwezig in het gebied gevisualiseerd in figuur 4b op schaal 2.000x en 50 μm; (g) EDS-spectrum en semikwantitatieve elementaire samenstelling van het in paneel b gevisualiseerde gebied. SEM-EDS-gegevens werden verzameld met behulp van een scanningelektronenmicroscoop, die was uitgerust met energiedispersieve spectroscopie die werd gebruikt voor elementaire samenstellingsanalyse van geselecteerde gebieden en vlekken met een excitatievolume bij 20 kV. Voorafgaand aan sem-EDS analyse, werden de steekproeven opgezet op koolstofband en sputter-bedekt met goud. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: SEM-afbeelding van omcirkelde deeltjes weergegeven in figuur 4b op schaal 40.000x en 2,5 μm, en EDS-spectrum en semi-kwantitatieve elementaire samenstelling van twee vlekken gemarkeerd op de SEM-afbeelding. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

monster pHa Calcimetermeting (g,CaCO3(eqv)/kg,bodem) Ca-concentratie van ICP-MS (mg,Ca/kg,bodem)b
Controle (geen wijziging) 6.42 ± 0.05 4,5 ± 0,5 9566,6 ± 86,8
Wollastonite gewijzigde grond 7,57 ± 0,04 21,9 ± 0,1 66044,1 ± 534,6
een De pH van de monsters werd bepaald met behulp van een verhouding van 1:5 van de grond en 0,01 M CaCl2-oplossing, gevolgd door 30 minuten schudden en 1 uur bezinktijd voordat de pH-meting van het heldere supernatant werd uitgevoerd (Pansu en Gautheyrou, 2006).
b De monsters werden in de magnetron verteerd in geconcentreerd HNO3 voorafgaand aan de ICP-MS-analyse; het gebruik van HF wordt vaak aanbevolen voor het verteren van bodems en silicaten, maar wordt hier vermeden om het veiligheidsrisico van de analyse te verminderen (HF is een zeer giftige chemische stof die extreme zorg en passende behandeling vereist).

Tabel 1: Vergelijking tussen de onbehandelde controlegrond en wollastoniet-gewijzigde bodem op basis van chemische analyses (pH, calcimetry en ICP-MS).

monster SIC-gehalte (g,CaCO3(eqv)/(kg,bodem))
Dieptezone van 0-15 cm (panfractie) 12.33 ± 3.53
Dieptezone van 0-15 cm 10.13 ± 2.68
Regelwaarde dieptezone van 0-15 cm 2,51 ± 0,50
Dieptezone van 15-30 cm 4.23 ± 1.00 uur
Dieptezone van 30-60 cm 9.20 ± 0.09 uur
Diep profiel 1 (0-30 cm) 4.41 ± 0.06
Diep profiel 1 (30-60 cm) 1,56 ± 0,03
Diep profiel 1 (60-100 cm) 32.32 ± 1.36 uur
Diep profiel 2 (0-30 cm) 4,56 ± 0,62
Diep profiel 2 (30-60 cm) 18.43 ± 0.41 uur
Diep profiel 2 (60-100 cm) 131,54 ± 1,89
Monsters van dieptezone van 0-15 cm werden verzameld met behulp van een sondemonsternemer. Monsters van dieptezones van 15-30 cm en 30-60 cm werden verzameld met behulp van een Dakota-sondemonsternemer. Diepe profielmonsters werden verzameld met behulp van een uitgebreide vijzelmonsternemer.

Tabel 2: Het CaCO3(eqv) gehalte in verschillende diepten van de bodem op basis van de calcimetry resultaten.

Oxiden in de bodem Wt%
SiO2 65.19
Al2O3 14.76
Fe2O3 6.20
CaO 3.62
K2O 2.98
P2O5 2.11
MgO 1.69
Na2O 1.45
TiO2 1.25
ZO3 0.37
MnO 0.16
Bao 0.11
ZrO2 0.10

Tabel 3: WDXRF-gegevens over de samenstelling van de verschillende oxiden in de controlegrond. Dubbele monsters, in losse poedervorm, werden gedurende 20 minuten geanalyseerd met behulp van de standaardloze Omniam-methode, onder helium en bij een vermogen van 1 kW, en concentraties werden berekend als oxiden.  De gemiddelde som vóór normalisatie was 69,8 wt%, waarbij de balans porositeit en niet-detecteerbare lichtelementen (H, C, O, N) was. De gemiddelde concentraties van de gedetecteerde oxiden in hoeveelheden van meer dan 0,10 wt% werden geselecteerd en genormaliseerd tot 100%.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 belang33. Hoewel het handiger is om handsondes/vijzels te gebruiken in het geval van ondiepe monsters, wordt meestal een meer geavanceerde versie (bijv. uitschuifbare vijzel) aanbevolen voor het herstellen van ondergrondmonsters33. Bij het overwicht van dichte klei of gecementeerd zand kunnen tijdens de winningskernen problemen optreden als gevolg van wrijving en torquing van de monsternemer33. Een probleem voor anorganische koolstofverificatiecampagnes is de keuze van een geschikt interval voor het volgen van de opname van koolstof in de bodem, aangezien deze over lange intervallen (bv. 5 tot 10 jaar) variabel kan zijn34. Hoewel er geen voorgeschreven frequentie is voor herbemonstering, wordt aangenomen dat de matig lange intervallen (bijv. jaarlijks of tweejaarlijks) de kans vergroten om SIC-veranderingen betrouwbaar te volgen35.

Er zijn ook een paar uitdagingen die het meten van de anorganische koolstof bemoeilijken met behulp van verschillende analyses. Ten eerste met betrekking tot de mogelijke langzame oplossing van carbonaatsoorten tijdens calcimetry-analyse, vooral wanneer er insluiting van carbonaten in deeltjesaggregaten is, of zelfs in de oorspronkelijke silicaatdeeltjes; dit vermindert het contact van de zure oplossing, waardoor de oplossing van carbonaten wordt vertraagd of zelfs belemmerd en de resulterende ontgassing van CO2 tijdens calcimetry-analyse. De andere moeilijkheid die zich kan voordoen, is tijdens mineralogische analyse, in termen van de detectie van verwerings-/sequestratieproducten, en vanwege de heterogeniteit van de bodem, die XRD- en SEM-EDS-analyses belemmert, althans door het moeilijker te maken om overtuigende resultaten te bereiken36. De fractioneringsprocedure bleek nuttig te zijn in ons eerdere werk28 voor het concentreren van de pedogene carbonaten en restsilicaat in één bodemfractie (panfractie), waardoor nauwkeurigere chemische, minerale en morfologische analyses konden worden uitgevoerd. Andere studies hebben aangetoond dat geaccumuleerde organische koolstof vaker wordt opgeslagen in fijne deeltjesaggregatie van landbouwgronden37,38, vergelijkbaar met het in figuur 5geanalyseerde deeltje . Bovendien leidt het hogere oppervlak van fijne silicaatrotsdeeltjes tot een hogere verweringssnelheid in vergelijking met de grovere fractie15. Fractionering kan echter van bodem tot bodem verschillen en kan zelfs niet nodig zijn voor grond die grote hoeveelheden carbonaten en silicaten bevat. Ook moet de behoefte of het voordeel ervan verder worden geverifieerd voor verschillende bodemtypen en verschillende silicaatwijzigingen dan die welke in ons eerdere werk werden gebruikt.

In de huidige studie hebben we methoden gedemonstreerd voor het detecteren en analyseren van SIC als gevolg van de toepassing van wollastoniet op landbouwgronden. Hoewel deze technieken kunnen worden gebruikt voor het onderzoeken van SIC in de bodems die zijn gewijzigd met andere verbeterde verweringskandidaten, zoals basalt en olivijn, kan het mineraal van keuze verschillende effecten op de bodem hebben, die tijdens de analyse in overweging moeten worden genomen. Het verweringsproces kan bijvoorbeeld langer duren voor sommige mineralen in vergelijking met andere. Dit kan te wijten zijn aan een ongelijke ontbindingssnelheid van verschillende mineralen, die in korte en lange termijn in verschillende mineralisatiepercentages worden afgesloten. Het andere probleem betreft het optreden van neergeslagen carbonaten over het verticale profiel van de bodem, die kunnen variëren op basis van de minerale eigenschappen van silicaat en de daaruit voortvloeiende geochemische condties van de bodem, al dan niet inductief tot onmiddellijke carbonaatprecipitatie in de ondiepe bodem. Dienovereenkomstig kan het wijzigen van bodems met sommige soorten silicaten aanzienlijke pedogene carbonaatvorming in diepere lagen opleveren, in tegenstelling tot de ondiepe accumulatie van carbonaten als gevolg van verwering van wollastoniet gedetecteerd in onze bestudeerde velden. Kernmonsternemers zijn op grote schaal gebruikt voor het extraheren van ongestoorde monsters en het meten van ongestoorde BD in het veld39. Aangezien BD een functie is van verschillende klimatologische parameters en praktijkinstellingen, en het zowel ruimtelijk als tijdelijk kan variëren, is een redelijk aantal replicaties vereist om een aanvaardbaar bereik van BD-onzekerheid in het studiegebied op te leveren39. Dit is met name nodig om grote onzekerheden in SICareal berekende schattingen aan te pakken, zoals de waarde die in de huidige studie is bepaald (d.w.z. ± 39%).

Thermogravimetrische analyse (TGA) kan ook worden gebruikt om het calciumcarbonaatgehalte in de bodem te bepalen door het massaverlies te meten in het temperatuurbereik van 500−800 °C, het ontledingstemperatuurbereik voor CaCO340. Geautomatiseerde koolstofanalysator of TGA-methoden zijn geschikt voor het analyseren van bodemmonsters uit kleinere besloten gebieden, zoals een potexperiment, omdat deze methoden slechts 20 milligram bodemmonster nodig hebben voor analyses. Daarom worden voor landbouwstudies de calcimetryresultaten nauwkeuriger en nauwkeuriger geacht gezien de grotere massa geanalyseerd monster (10 g versus 20 milligram), de verkregen drievoudswaarden en het gebruik van zuiver calciumcarbonaat als methodestandaard. Meer details en voorbeelden zijn te vinden in Haque et al.36. Door het gelijktijdig voorkomen van geologische en atmosferische pedogene carbonaten in de bodem is het van belang onderscheid te maken tussen verschillende bronnen. Stabiele isotopen (δ13C) en radiogene (14C) koolstofsignaturen, evenals isotopenzuurstofsignaturen, worden beschouwd als de robuuste instrumenten voor het identificeren van de koolstofbron in de bodem16,41,42,43. Een dergelijke analyse kan de vastlegging van atmosferisch CO 2 verder verifiëren in studies die gericht zijn op het volgen van het lot van pedogenecarbonaat in de bodem.

Hoewel conventionele koolstofdetectiemethoden (bv. massameting) geschikt zijn voor lokale koolstofmarkten , zijn meer systematische methoden vereist als het gaat om verificatiedoelstellingen op gereglementeerde markten35. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen belangenverstrengeling.

Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Analytical scale Sartorius Quintix 224-S1 Four decimals.
Calcimeter Eijkelkamp Model 08.53 To determine the wt% CaCO3-equivalent in the sample.
Drying cabinet/muffle furnace Thermo Scientific F48055-60 50°C or 103 ± 2°C.
HCl Fisher Scientific A144S-500 Reagent grade (36.5%-38.0%).
HNO3 Fisher Scientific T003090500 Trace metal analysis grade (69.0%-70.0%)
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) PerkinElmer NexION To determine the concentration of Ca in the microwave-digested soil.
Microwave digester PerkinElmer Titan To digest soils in concentrated HNO3.
pH meter Oakton 700 Calibrated with standard solutions before each set of measurements; temperature corrected to 25 °C.
Scanning Electron Microscope -Energy Dispersive Spectroscope (SEM-EDS) Oxford X-Max20 SSD To determine the morphology of soil particulates.
Sieve shaker Retsch AS-200 For soil fractionation.
Soil auger sampler Eijkelkamp 01-16 Depths down to 700 cm.
Soil Dakota probe sampler JMC PN139 Depths down to 100 cm.
Soil probe sampler JMC PN031 Depths down to 30 cm.
Soil moisture meter Extech MO750 Measure moisture content up to 50%
Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence spectroscope (WDXRF) Malvern Panalytical Zetium To characterize elemental composition of soil.
X-ray Diffraction analyzer (XRD) Panalytical Empyrean To characterize mineralogicalbproperties of soil.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Milieuwetenschappen Nummer 172 pedogene carbonaten verbeterde verwering koolstofafvang en -opslag bodembemonstering calcimetry anorganische koolstof
Monitoring pedogene anorganische koolstofaccumulatie als gevolg van verwering van gewijzigde silicaatmineralen in landbouwgronden.
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Khalidy, R., Haque, F., Chiang, Y.… More

Khalidy, R., Haque, F., Chiang, Y. W., Santos, R. M. Monitoring Pedogenic Inorganic Carbon Accumulation Due to Weathering of Amended Silicate Minerals in Agricultural Soils.. J. Vis. Exp. (172), e61996, doi:10.3791/61996 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter