Monitoring Pedogenic Inorganic Carbon Accumulation Due to Weathering of Amended Silicate Minerals in Agricultural Soils.

Summary

La méthode de vérification décrite ici est adaptable pour surveiller la séquestration du carbone inorganique pédogène dans divers sols agricoles amendés avec des roches contenant du silicate métallique alcalino-terreux, telles que la wollastonite, le basalte et l’olivine. Ce type de validation est essentiel pour les programmes de crédits de carbone, qui peuvent bénéficier aux agriculteurs qui séquestrent le carbone dans leurs champs.

Abstract

La présente étude vise à démontrer une procédure systématique de surveillance du carbone inorganique induit par l’altération accrue des roches comminutées dans les sols agricoles. À cette fin, les échantillons de sol de carotte prélevés à différentes profondeurs (y compris des profils de 0 à 15 cm, 15 à 30 cm et de 30 à 60 cm) sont prélevés dans un champ agricole dont la couche arable a déjà été enrichie d’un silicate métallique alcalino-terreux contenant un minéral (comme la wollastonite). Après le transport au laboratoire, les échantillons de sol sont séchés à l’air et tamisés. Ensuite, la teneur en carbone inorganique des échantillons est déterminée par une méthode volumétrique appelée calcimétrie. Les résultats représentatifs présentés ici ont montré cinq incréments de carbone inorganique dans les sols amendés avec le ca-silicate par rapport aux sols témoins. Ce changement de composition s’est accompagné de plus de 1 unité d’augmentation du pH dans les sols amendés, ce qui implique une dissolution élevée du silicate. Les analyses minéralogiques et morphologiques, ainsi que la composition élémentaire, corroborent davantage l’augmentation de la teneur en carbone inorganique des sols amendés par silicate. Les méthodes d’échantillonnage et d’analyse présentées dans cette étude peuvent être adoptées par les chercheurs et les professionnels qui cherchent à retracer les changements de carbone inorganique pédogène dans les sols et les sous-sols, y compris ceux modifiés avec d’autres roches silicatées appropriées telles que le basalte et l’olivine. Ces méthodes peuvent également être exploitées comme outils de vérification de la séquestration du carbone inorganique dans le sol par des entités privées et gouvernementales afin de certifier et d’attribuer des crédits de carbone.

Introduction

Le CO₂ est un gaz à effet de serre (GES) majeur et sa concentration dans l’atmosphère ne cesse d’augmenter. La moyenne mondiale préindustrielle du CO₂ était d’environ 315 parties par million (ppm), et en avril 2020, la concentration atmosphérique de CO₂ a augmenté à plus de 416 ppm, provoquant ainsi un réchauffement climatique¹. Par conséquent, il est essentiel de réduire la concentration de ce GES qui emprisonne la chaleur dans l’atmosphère. Socolow² a suggéré que pour stabiliser la concentration de CO₂ atmosphérique à 500 ppm d’ici 2070, neuf « coins de stabilisation » seront nécessaires, où chaque coin de stabilisation est une approche d’atténuation individuelle, dimensionnée pour atteindre 3,67 Gt d’équivalent CO₂ par an en réduction des émissions.

Le captage et le stockage du carbone (CSC) est la principale technologie permettant de réduire le CO₂ de l’atmosphère, comme le recommande l’initiative Mission Innovation, lancée lors de la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques 2015^3. Pour capter le CO₂atmosphérique, les trois principales options de stockage disponibles sont le stockage en mer, le stockage géologique et la carbonatation minérale^4. En se concentrant sur la carbonatation minérale, le CO₂ est stocké en convertissant les métaux alcalino-terreux, principalement les silicates riches en calcium et en magnésium, en carbonates thermodynamiquement stables pour des périodes géologiques (sur des millions d’années)⁵. Par exemple, les minéraux de l’olivine, du pyroxène et du groupe serpentin ont le potentiel de subir une carbonatation minérale⁶; cependant, dans des conditions normales, ces réactions sont limitées par la cinétique de réaction lente. Par conséquent, pour accélérer le procédé dans des conditions ambiantes, des formes finement broyées (broyées/broyées) de ces silicates peuvent être appliquées sur les sols agricoles, procédé appelé altération terrestre améliorée^7. Le sol est un puits naturel pour stocker le CO_2,étant actuellement un réservoir pour 2500 Gt de carbone, ce qui est trois fois le réservoir atmosphérique (800 Gt de carbone)^8. Les processus pédogènes dans les sols et les sous-sols régulent le CO₂ atmosphérique par deux voies naturelles majeures, à savoir le cycle de la matière organique et l’altération des minéraux métalliques alcalino-terreux, affectant respectivement les réservoirs de carbone organique et inorganique⁹.

On estime que près de 1,1 Gt de CO₂ atmosphérique est minéralisé par altération chimique des roches chaque année¹⁰. Les roches silicatées riches en calcium et en magnésium (p. ex. basalte) sont considérées comme les principales matières premières pour l’altération améliorée^9,11,12. Une fois que les minéraux broyés contenant du silicate sont appliqués sur les champs agricoles, ils commencent à réagir avec le_CO2 dissous dans l’eau intersyaire du sol, se terminant par la précipitation minérale de carbonates stables^11,13. L’olivine^14,15,la wollastonite (CaSiO3)^13,la dolérite et le basalte¹⁶ font partie des minéraux qui ont démontré un potentiel de séquestration du carbone grâce à une altération accrue dans des études antérieures. Malgré la plus grande disponibilité, et donc peut-être une plus grande capacité de séquestration du CO_2, des silicates de magnésium, on s’inquiète de leur application pour une altération accrue dans les terres cultivées en raison de leur impact environnemental potentiel résultant de la lixiviation du Cr et du Ni et de la présence possible de particules asbestiformes^11,15,17,18. En tant que silicate calcique, la wollastonite est ici mise en évidence comme un candidat de choix pour ce processus en raison de sa grande réactivité, de sa structure chimique simple, étant respectueuse de l’environnement ainsi que facilitant la production de carbonates en raison de la liaison plus faible des ions Ca à sa matrice de silice^12,19,20,21. La wollastonite qui est extraite à Kingston, en Ontario, au Canada, et qui est actuellement commercialisée par la wollastonite canadienne pour des applications agricoles, ne contient pas de concentrations élevées de métaux dangereux. Les réserves mondiales de wollastonite sont estimées à plus de 100 Mt, la Chine, l’Inde, les États-Unis, le Mexique, le Canada et la Finlande étant les pays les plus productifs²².

L’altération accrue des minéraux silicatés est censée favoriser la santé des sols, notamment l’augmentation du rendement des cultures et l’amélioration de la croissance des plantes, conduisant à la réduction potentielle de l’application d’engrais synthétiques, ce qui peut contribuer davantage à la réduction des émissions de GES^11,18,19. Des études antérieures ont rapporté que l’application de minéraux silicatés riches en Ca sur les sols fournit une basicité pour neutraliser l’acidité dans le milieu du sol, favorisant la production végétale^23,24,25. Cela entrave également la mobilisation des métaux toxiques, sensibles aux conditions acides, et une altération accrue pourrait être utile pour retarder l’érosion par l’incrément de matière organique du sol^11.

Les équations 1 à 3 montrent comment la séquestration du carbone pédogène sous forme de carbonates inorganiques est possible en amendant les sols avec de la wollastonite. Le CO₂ ambiant pénètre dans le sol par l’eau de pluie ou est produit dans le sol par l’activité microbienne dégradant les composés organiques. Une fois en contact avec l’eau intersyrique du sol, de l’acide carbonique se forme, qui se dissocie pour former du bicarbonate et du proton (équation 1). En présence de plantes, des exsudats racinaires, tels que l’acide citrique et l’acide maléique, sont libérés, qui fournissent également des protons dans le système. Ces protons facilitent la dissolution de la wollastonite dans le sol en libérant des ions Ca et en laissant derrière eux de la silice amorphe (équation 2). Les ions Ca libérés réagissent finalement avec le bicarbonate pour précipiter sous forme de carbonates (calcite cristalline ou autres variétés, selon les conditions géochimiques) (équation 3). Ce carbonate de calcium formé fait partie de la fraction de carbone inorganique (SIC) du sol^26.

Solvaation ambiante de CO_2:

_2CO2(g) + 2H2_O(l) ↔ 2H2_CO3(aq) ↔2HCO3^– + 2H⁺ (1)

Dissolution de la wollastonite (H⁺ de la dissociation de l’acide carbonique et des exsudats racinaires):

_CaSiO3(s) + 2 H⁺ → Ca²⁺ +_H2O(l) + SiO_2(s) (2)

Précipitation de carbonates inorganiques pédogènes :

Ca²⁺ + 2_HCO3^– → CaCO_3(s)↓ +_H2O_(l) + CO_2(g) (3)

Dans nos travaux récents, l’amélioration des intempéries par l’application de la wollastonite sur les sols agricoles, en tant qu’amendement de remplacement du calcaire, s’est avérée efficace pour les précipitations de CaCO₃ dans la couche arable, à l’échelle des laboratoires et des champs, et sur des termes courts (quelques mois) et longs (3 ans). Dans les études sur le terrain, des évaluations chimiques et minéralogiques ont révélé que la teneur en CSIC augmente proportionnellement à la dose d’application de wollastonite (tonne·hectare^-1)13. Dans les études de laboratoire, l’analyse minéralogique a montré la présence de carbonate pédogène dû à la séquestration du carbone¹⁹. La formation de carbonates pédogènes dans le sol dépend de plusieurs facteurs, notamment: la topographie, le climat, la végétation de surface, les processus biotiques du sol et les propriétés physicochimiques du sol²⁷. Notre étude précédente²³ a déterminé le rôle des plantes (une plante légumineuse (haricot vert) et une plante non légumineuse (maïs)) sur l’altération de la wollastonite et la formation de carbonates inorganiques dans le sol. Nos recherches en cours sur la formation et la migration pédogènes du carbone dans les sols et les sous-sols comprennent l’étude du devenir des carbonates de sol dans les sols agricoles, d’abord formés dans les couches arables en raison de l’altération minérale à diverses profondeurs et au fil du temps. Selon Zamanian et al.²⁷, l’horizon des carbonates pédogènes naturels se trouve plus loin de la surface à mesure que le taux de précipitations locales augmente, le sommet de cet horizon apparaissant généralement entre quelques centimètres et 300 cm sous la surface. D’autres paramètres ambiants et pédologiques, tels que l’équilibre de l’eau du sol, la dynamique saisonnière, la teneur initiale en carbonates dans le matériau parent, les propriétés physiques du sol, ont également une incidence sur la profondeur de cette occurrence²⁷. Il est donc important d’échantillonner les sols à une profondeur suffisante à toutes les occasions d’obtenir une compréhension précise des niveaux originaux et différentiels de CTI résultant de l’altération accrue des silicates.

À l’échelle du champ, une limite importante est l’utilisation de faibles taux d’application d’amendements au sol de silicate. Comme les connaissances sur l’effet de nombreux silicates (comme la wollastonite et l’olivine) sur la santé du sol et des végétaux sont limitées, les producteurs commerciaux évitent d’appliquer des doses d’application plus élevées qui pourraient entraîner une séquestration importante du carbone. En raison de ces faibles taux d’application, ainsi que de la grande superficie des champs de culture, un défi de recherche auquel il est généralement confronté consiste à déterminer les changements dans la CSIC lorsque les valeurs sont relativement faibles, et à récupérer et isoler les grains de silicate et les produits d’altération du sol pour étudier les changements morphologiques et minéralogiques. Dans nos travaux antérieurs, nous avons fait état de la façon dont le fractionnement physique du sol amendé par la wollastonite (à l’aide du tamisage) a permis de mieux comprendre le processus d’altération, en particulier la formation et l’accumulation de carbonates pédogènes²⁸. En conséquence, les teneurs plus élevées en wollastonite et en produits d’altération ont été détectées dans la fraction la plus fine du sol, ce qui a fourni des valeurs raisonnablement élevées lors des analyses, garantissant des résultats plus précis et plus fiables. Les résultats soulignent l’importance d’utiliser le fractionnement physique, par tamisage ou d’autres moyens de ségrégation, pour une estimation fiable de l’accumulation de carbone séquestré dans les sols amendés au silicate. Cependant, le degré de fractionnement peut varier d’un sol à l’autre et d’un silicate à l’autre, il convient donc de le rechercher davantage.

La mesure précise de la CSIC est essentielle à l’établissement d’une norme et d’une procédure scientifique qui peuvent être adoptées par divers chercheurs intéressés à analyser l’évolution de la CSIC et (et du carbone organique) au fil du temps et de la profondeur du sol. Une telle méthodologie permet aux agriculteurs de demander un crédit de carbone à la suite de la formation de SIC dans leurs sols de champ. Le protocole suivant décrit en détail : (1) une méthode d’échantillonnage du sol à utiliser à la suite de l’amendement du silicate du sol, qui tient compte de la signification statistique des données sur le sol analysées; (2) une méthode de fractionnement du sol qui améliore l’exactitude de la quantification des changements dans le pool de carbonates inorganiques pédogènes résultant de l’altération accrue du silicate, et (3) les étapes de calcul utilisées pour déterminer le taux de séquestration SIC à la suite de l’amendement du silicate du sol. Aux fins de cette démonstration, on présume que la wollastonite, provenant de la wollastonite canadienne, est le minéral silicaté épandu sur les sols agricoles, et les sols agricoles sont considérés comme semblables à ceux que l’on trouve dans les terres agricoles du Sud de l’Ontario.

La procédure consistant à modifier le sol agricole avec de la wollastonite (par exemple, déterminer la quantité de wollastonite à appliquer par hectare et la méthode pour l’épandre sur le sol) a été décrite dans notre étude précédente¹³. La zone d’étude dans nos travaux antérieurs et actuels est des parcelles rectangulaires; par conséquent, la méthode d’échantillonnage aléatoire direct est appropriée pour de telles études. Il s’agit d’une méthode couramment utilisée en raison de son faible coût, de son temps réduit et de sa capacité à fournir une incertitude statistique adéquate. De même, selon les diverses conditions sur le terrain et le niveau de signification statistique souhaité, des méthodes d’échantillonnage zonal ou par grille peuvent également être utilisées. L’exactitude de l’échantillonnage du sol est essentielle pour réduire l’incertitude statistique résultant du biais d’échantillonnage. Lorsque des statistiques sont utilisées, l’atteinte d’un niveau de confiance inférieur à 95 % (c.-à-d. p < 0,05) n’est pas considérée comme « statistiquement significative ». Toutefois, pour certaines études de sol, le niveau de confiance peut être assoupli à 90 % (c.-à-d. p < 0,10) en raison du nombre de paramètres non contrôlés (c.-à-d. variant naturellement) dans les conditions de terrain qui influent sur la précision générale des mesures. Dans ce protocole, deux ensembles d’échantillons sont prélevés afin d’étudier la teneur en CTI et d’autres propriétés chimiques, minérales et morphologiques du sol dans l’ensemble de son profil vertical.

Protocol

1. Méthode d’échantillonnage du sol et collecte des carottes Divisez la zone d’intérêt des terres agricoles cartographiées et délimitées en différentes parcelles en fonction de l’altitude des terres, du rendement historique des cultures et/ou de la stratégie de gestion des terres. Déterminer le nivellement de chaque placette à l’aide d’un récepteur GPS, classer le rendement des cultures en fonction des enregistrements agricoles historiques (inférieur à la moyenne, moyen, supérieur à la…

Representative Results

La teneur en CSIC des sols peut être déterminée à l’aide de diverses méthodes, y compris un analyseur de carbone automatisé ou un calcimètre. L’analyseur automatisé de carbone pour la détermination du carbone total du sol mesure la pression de CO2 accumulée dans un récipient fermé30. En calcimétrie, le volume évolué de CO2 libéré après acidification, généralement par l’ajout d’acide HCl concentré, de l’échantill…

Discussion

Étant donné qu’il est habituellement difficile de prélever des échantillons dans des champs agricoles fertilisés, il est suggéré de prélever des échantillons avant l’épatée d’éléments nutritifs. Il est également conseillé d’éviter de prélever des échantillons dans des champs gelés. La profondeur d’échantillonnage peut varier selon les zones en fonction de la facilité d’échantillonnage sur le profil vertical et de la profondeur de la nappe phréatique. Le dispositif d’échantillonnage d…

Materials

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.