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

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

Die hier beschriebene Nachweismethode ist anpassbar für die Überwachung der pedogenen anorganischen Kohlenstoffbindung in verschiedenen landwirtschaftlichen Böden, die mit Erdalkalimetallsilikat-haltigen Gesteinen wie Wollastonit, Basalt und Olivin ergänzt werden. Diese Art der Validierung ist für Emissionsgutschriftenprogramme unerlässlich, von denen Landwirte profitieren können, die Kohlenstoff auf ihren Feldern binden.

Abstract

Die vorliegende Studie zielt darauf ab, ein systematisches Verfahren zur Überwachung von anorganischem Kohlenstoff zu demonstrieren, der durch verstärkte Verwitterung von zerkleinerten Gesteinen in landwirtschaftlichen Böden induziert wird. Dazu werden die in unterschiedlicher Tiefe (u.a. 0-15 cm, 15-30 cm und 30-60 cm Profile) entnommenen Bodenkernproben aus einem landwirtschaftlichen Feld entnommen, dessen Oberboden bereits mit einem mineralhaltigen Erdalkalimetallsilikat (wie Wollastonit) angereichert wurde. Nach dem Transport ins Labor werden die Bodenproben luftgetrocknet und gesiebt. Dann wird der anorganische Kohlenstoffgehalt der Proben durch eine volumetrische Methode namens Kalzimetrie bestimmt. Die hier vorgestellten repräsentativen Ergebnisse zeigten fünffache Inkremente des anorganischen Kohlenstoffgehalts in den mit dem Ca-Silikat geänderten Böden im Vergleich zu Kontrollböden. Diese Änderung der Zusammensetzung ging mit einem pH-Anstieg von mehr als 1 Einheit in den veränderten Böden einher, was eine hohe Auflösung des Silikats implizierte. Mineralogische und morphologische Analysen sowie die Elementzusammensetzung bestätigen den Anstieg des anorganischen Kohlenstoffgehalts von silikatgeschwächten Böden zusätzlich. Die in dieser Studie vorgestellten Probenahme- und Analysemethoden können von Forschern und Fachleuten übernommen werden, die pedogene anorganische Kohlenstoffveränderungen in Böden und Unterböden verfolgen möchten, einschließlich solcher, die mit anderen geeigneten Silikatgesteinen wie Basalt und Olivin ergänzt wurden. Diese Methoden können auch als Werkzeuge zur Überprüfung der anorganischen Kohlenstoffbindung durch private und staatliche Stellen zur Zertifizierung und Vergabe von Emissionsgutschriften genutzt werden.

Introduction

CO2 ist ein wichtiges Treibhausgas (THG), und seine Konzentration in der Atmosphäre nimmt kontinuierlich zu. Der vorindustrielle globale Durchschnitt CO2 betrug etwa 315 Teile pro Million (ppm), und ab April 2020 stieg die atmosphärische CO2-Konzentration auf über 416 ppm, was zu einer globalen Erwärmung führte1. Daher ist es wichtig, die Konzentration dieses wärmefangenden THG in der Atmosphäre zu reduzieren. Socolow2 hat vorgeschlagen, dass zurStabilisierung der Konzentration von atmosphärischem CO 2 auf 500 ppm bis 2070 neun "Stabilisierungskähke" erforderlich sein werden, wobei jeder Stabilisierungskeil ein individueller Minderungsansatz ist, der auf eine Emissionsreduktion von 3,67 Gt CO2-Äq pro Jahr ausgelegt ist.

Carbon Capture and Storage (CCS) ist die Haupttechnologie zur Reduzierung des CO2 aus der Atmosphäre, wie von der Mission Innovation Initiative empfohlen, die auf der Klimakonferenz der Vereinten Nationen 2015 ins Leben gerufen wurde3. Um atmosphärisches CO2abzuscheiden, sind die drei hauptspeicheroptionen die Ozeanspeicherung, die geologische Speicherung und die Mineralkarbonisierung4. Co2 konzentriert sich auf die mineralische Karbonisierung und wird durch umwandlung von Erdalkalimetallen, hauptsächlich kalzium- und magnesiumreichen Silikaten, in thermodynamisch stabile Carbonate für geologische Zeiträume (über Millionen von Jahren)gespeichert 5. Zum Beispiel haben Olivin-, Pyroxen- und Serpentingruppenmineralien das Potenzial, einer mineralischen Karbonisierung unterzogen zu werden6; Unter normalen Bedingungen sind diese Reaktionen jedoch durch eine langsame Reaktionskinetik begrenzt. Um den Prozess unter Umgebungsbedingungen zu beschleunigen, können daher fein zerkleinerte (zerkleinerte/gemahlene) Formen dieser Silikate auf landwirtschaftliche Böden aufgetragen werden, ein Prozess, der als terrestrische verstärkte Verwitterung bezeichnet wird7. Der Boden ist eine natürliche Senke zur Speicherung von CO2und derzeit ein Reservoir für 2500 Gt Kohlenstoff, was dreimal das atmosphärische Reservoir (800 Gt Kohlenstoff)ist 8. Pedogene Prozesse in Böden und Unterböden regulieren atmosphärisches CO2 durch zwei wichtige natürliche Wege, nämlich den organischen Substanzkreislauf und die Verwitterung von Erdalkalimetallmineralien, die organische und anorganische Kohlenstoffpools beeinflussen9.

Es wird geschätzt, dass fast 1,1 Gt des atmosphärischen CO2 durch chemische Gesteinsverwitterung jährlich mineralisiert werden10. Calcium- und magnesiumreiche Silikatgesteine (z.B. Basalt) gelten als primäre Ausgangsstoffe für eine verbesserte Verwitterung9,11,12. Sobald zerkleinerte silikathaltige Mineralien auf landwirtschaftlichen Feldern ausgebracht werden, beginnen sie mit im Porenwasser des Bodens gelöstem CO2 zu reagieren und enden mit der mineralischen Ausfällung stabiler Karbonate11,13. Olivin14,15, Wollastonit (CaSiO3)13, Dolerit und Basalt16 gehören zu den Mineralien, die in früheren Studien ein Kohlenstoffbindungspotenzial durch verbesserte Verwitterung gezeigt haben. Trotz der größeren Verfügbarkeit und damit möglicherweise größerenCO 2-Sequestrierungskapazität von Magnesiumsilikaten bestehen Bedenken hinsichtlich ihrer Anwendung für eine verbesserte Verwitterung in Ackerflächen aufgrund ihrer potenziellen Umweltauswirkungen infolge der Cr- und Ni-Auswaschung und des möglichen Vorhandenseins von asbestiformen Partikeln11,15,17,18. Als calciumhaltiges Silikat wird Wollastonit hierin als Hauptkandidat für diesen Prozess hervorgehoben, da es eine hohe Reaktivität, einfache chemische Struktur, Umweltbeständigkeit sowie die Erleichterung der Herstellung von Karbonaten aufgrund der schwächeren Bindung von Ca-Ionen an seine Kieselsäurematrix12,19,20,21ermöglicht . Wollastonit, das in Kingston, Ontario, Kanada, abgebaut wird und derzeit von kanadischem Wollastonit für landwirtschaftliche Anwendungen vermarktet wird, enthält keine erhöhten Konzentrationen gefährlicher Metalle. Die weltweiten Wollastonitreserven werden auf über 100 Mt geschätzt, wobei China, Indien, die USA, Mexiko, Kanada und Finnland die produktivsten Ländersind 22.

Es wird angenommen, dass eine verbesserte Verwitterung von Silikatmineral die Bodengesundheit fördert, insbesondere die Steigerung des Ernteertrags und die Verbesserung des Pflanzenwachstums, was zu einer potenziellen Verringerung der Anwendung synthetischer Düngemittel führt, was weiter zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen kann11,18,19. Frühere Studien haben berichtet, dass die Anwendung von Ca-reichen Silikatmineralien auf Böden Die Basisalität für die Neutralisierung des Säuregehalts im Bodenmedium liefert und die Pflanzenproduktion begünstigt23,24,25. Dies behindert auch die Mobilisierung toxischer Metalle, die anfällig für saure Bedingungen sind, und eine verbesserte Verwitterung könnte nützlich sein, um die Erosion durch den Anstieg der organischen Substanz im Boden zu verhindern11.

Die Gleichungen 1-3 zeigen, wie eine pedogene Kohlenstoffbindung als anorganische Karbonate durch Die Änderung von Böden mit Wollastonit möglich ist. Umgebungs-CO2 gelangt durch Regenwasser in den Boden oder wird im Boden durch mikrobielle Aktivität produziert, die organische Verbindungen abbaut. In Kontakt mit dem Porenwasser des Bodens bildet sich Kohlensäure, die sich zu Bicarbonat und Proton dissoziiert (Gleichung 1). In Gegenwart von Pflanzen werden Wurzel-Exsudate wie Zitronensäure und Maleinsäure freigesetzt, die auch Protonen im System liefern. Diese Protonen erleichtern die Auflösung von Wollastonit im Boden, indem sie Ca-Ionen freisetzen und amorphe Kieselsäure zurücklassen (Gleichung 2). Die freigesetzten Ca-Ionen reagieren schließlich mit dem Bicarbonat zu einem Niederschlag als Carbonate (kristalliner Calcit oder andere Sorten, abhängig von geochemischen Bedingungen) (Gleichung 3). Dieses gebildete Calciumcarbonat wird Teil der bodeninorganischen Kohlenstofffraktion (SIC)26.

CO2-Solvatation in der Umgebung:

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

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

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

Pedogene anorganische Karbonatfällung:

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

In unserer jüngsten Arbeit hat sich eine verbesserte Verwitterung durch die Anwendung von Wollastonit auf landwirtschaftlichen Böden als Kalkstein-Alternativänderung als wirksam für CaCO3-Niederschläge im Mutterboden erwiesen, sowohl im Labor- als auch im Feldmaßstab und über kurze (wenige Monate) und lange (3 Jahre) Laufzeiten. In den Feldstudien haben chemische und mineralogische Bewertungen ergeben, dass der SIC-Gehalt proportional zur Wollastonit-Anwendungsdosis(Tonne·Hektar -1)zunimmt 13. In Laborstudien zeigte die mineralogische Analyse das Vorhandensein von pedogenem Karbonat aufgrund der Kohlenstoffbindung19. Die bildung von pedogenem Karbonat im Boden hängt von mehreren Faktoren ab, vor allem: Topographie, Klima, Oberflächenvegetation, biotische Prozesse des Bodens und physikalisch-chemische Eigenschaften des Bodens27. Unsere vorherige Studie23 bestimmte die Rolle von Pflanzen (einer Hülsenfrüchtepflanze (grüne Bohne) und einer nicht-hülsenfrüchten Pflanze (Mais)) bei der Verwitterung von Wollastonit und der anorganischen Karbonatbildung im Boden. Unsere laufende Forschung zur pedogenen Kohlenstoffbildung und -migration in Böden und Unterböden umfasst die Untersuchung des Verbleibs von Bodenkarbonaten in landwirtschaftlichen Böden, die zuerst in Oberböden aufgrund von Mineralverwitterung in verschiedenen Tiefen und im Laufe der Zeit gebildet wurden. Laut Zamanian et al.27befindet sich der natürlich vorkommende pedogene Karbonathorizont weiter von der Oberfläche entfernt, wenn die lokale Niederschlagsrate zunimmt, wobei die Oberseite dieses Horizonts häufig zwischen einigen Zentimetern und 300 cm unter der Oberfläche erscheint. Andere Umgebungs- und Bodenparameter wie Bodenwasserhaushalt, saisonale Dynamik, der anfängliche Karbonatgehalt im Ausgangsmaterial, bodenphysioe Eigenschaften beeinflussen ebenfalls die Tiefe dieses Vorkommens27. Daher ist es von Bedeutung, Böden bei allen Möglichkeiten in ausreichender Tiefe zu beproben, um ein genaues Verständnis des ursprünglichen und der inkrementellen SIC-Werte zu erhalten, die sich aus einer verbesserten Verwitterung von Silikaten ergeben.

Auf der Feldskala ist eine wichtige Einschränkung die Verwendung niedriger Ausbringungsraten von Silikatbodenverbesserungen. Da es nur begrenzte Kenntnisse über die Wirkung vieler Silikate (wie Wollastonit und Olivin) auf die Boden- und Pflanzengesundheit gibt, vermeiden kommerzielle Produzenten es, höhere Ausbringungsraten zu testen, die zu einer signifikanten Kohlenstoffbindung führen könnten. Aufgrund solch niedriger Ausbringungsraten sowie der großen Fläche von Anbaufeldern besteht eine häufig auftretende Forschungsherausforderung darin, Veränderungen des SIC bei relativ niedrigen Werten zu bestimmen und die Silikatkörner und Verwitterungsprodukte aus dem Boden zu gewinnen und zu isolieren, um morphologische und mineralogische Veränderungen zu untersuchen. In unserer bisherigen Arbeit berichteten wir, wie die physikalische Fraktionierung des Wollastonit-ergänzten Bodens (mittels Sieben) ein besseres Verständnis des Verwitterungsprozesses, insbesondere der Bildung und Akkumulation von pedogenen Karbonaten, ermöglichte28. Dementsprechend wurden die höheren Gehalte an Wollastonit und Verwitterungsprodukten im feineren Teil des Bodens nachgewiesen, was bei den Analysen relativ hohe Werte lieferte und präzisere und zuverlässigere Ergebnisse gewährleistete. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Verwendung physikalischer Fraktionierung durch Sieben oder andere Seigerungsmittel für die zuverlässige Abschätzung der sequestrierten Kohlenstoffakkumulation in silikatgeschwärmten Böden. Der Grad der Fraktionierung kann jedoch von Boden zu Boden und von Silikat zu Silikat variieren, daher sollte es weiter erforscht werden.

Eine genaue Messung von SIC ist entscheidend für die Festlegung eines Standard- und wissenschaftlichen Verfahrens, das von verschiedenen Forschern übernommen werden kann, die an der Analyse der Entwicklung von SIC und (und organischem Kohlenstoff) über Zeit und Tiefe des Bodens interessiert sind. Eine solche Methodik ermöglicht es Landwirten, Aufgrund der SIC-Bildung in ihren Feldböden Emissionsgutschriften zu beanspruchen. Das folgende Protokoll beschreibt im Einzelnen: (1) ein Bodenprobenahmeverfahren, das nach Bodensilikatänderung anzuwenden ist und die statistische Signifikanz der analysierten Bodendaten berücksichtigt; (2) eine Bodenfraktionierungsmethode, die die Genauigkeit der Quantifizierung von Veränderungen im pedogenen anorganischen Karbonatpool infolge einer verbesserten Silikatverwitterung verbessert, und (3) die Berechnungsschritte zur Bestimmung der SIC-Sequestrierungsrate infolge der Bodensilikatänderung. Für die Zwecke dieser Demonstration wird angenommen, dass Wollastonit, das aus kanadischem Wollastonit stammt, das Silikatmineral ist, das auf landwirtschaftlichen Böden angewendet wird, und die landwirtschaftlichen Böden gelten als ähnlich denen, die in den Ackerflächen von Süd-Ontario gefunden werden.

Das Verfahren zur Änderung des landwirtschaftlichen Bodens mit Wollastonit (z. B. Bestimmung der Pro Hektar aufzutragenden Wollastonitmenge und der Methode, um sie über den Boden zu verteilen) wurde in unserer vorherigen Studie13beschrieben. Das Untersuchungsgebiet in unserer früheren und gegenwärtigen Arbeit sind rechteckige Grundstücke; Daher ist die methode der direkten Zufallsstichprobe für solche Studien geeignet. Dies ist eine häufig verwendete Methode aufgrund ihrer niedrigen Kosten, des reduzierten Zeitaufwands und der Fähigkeit, eine angemessene statistische Unsicherheit zu liefern. Ebenso können je nach den verschiedenen Feldbedingungen und dem gewünschten statistischen Signifikanzgrad auch zonenale oder Rasterstichprobenverfahren verwendet werden. Genauigkeit bei der Bodenprobenahme ist unerlässlich, um die statistische Unsicherheit aufgrund von Stichprobenverzerrungen zu verringern. Wenn Statistiken verwendet werden, wird das Erreichen einer Konfidenz von weniger als 95% (d. h. p < 0,05) nicht als "statistisch signifikant" angesehen. Für bestimmte Bodenuntersuchungen kann das Konfidenzniveau jedoch auf 90% (d. h. p < 0,10) gelockert werden, da die Anzahl unkontrollierter (d. h. natürlich variierender) Parameter unter den Feldbedingungen, die die allgemeine Genauigkeit der Messungen beeinflussen, erhöht wird. In diesem Protokoll werden zwei Probensätze gesammelt, um den SIC-Gehalt und andere chemische, mineralische und morphologische Eigenschaften des Bodens in seinem vertikalen Profil zu untersuchen.

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Protocol

1. Bodenprobenahmeverfahren und Kernentnahme

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

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

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

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

2. Bodenfraktionierung vor der chemischen Analyse

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

3. Bestimmung der pedogenen anorganischen Kohlenstoffbindung

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

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Representative Results

Der SIC-Gehalt von Böden kann mit verschiedenen Methoden bestimmt werden, darunter ein automatisierter Kohlenstoffanalysator oder ein Kalzimeter. Der automatisierte Kohlenstoffanalysator zur Bestimmung des Gesamtkohlenstoffs im Boden misst den in einem geschlossenen Behälter aufgebauten CO2-Druck 30. In der Kalzimetrie wird das entwickelte Volumen von CO2, das nach der Versauerung, typischerweise durch Zugabe von konzentrierter HCl-Säure, der karbonathaltigen Probe freigesetzt wird, gemessen. Die Kalzimetriemethode ist relativ einfach, beinhaltet einfache chemische Verfahren und eignet sich daher für die schnelle Analyse vieler Feldproben mit hoher Präzision (d. H. Reproduzierbare Werte) und ausreichender Genauigkeit (d. H. Werte nahe dem genauen Karbonatgehalt). Bei der in dieser Studie verwendeten gezielten Zufallsstichprobenmethode werden die Proben aus jeder Parzelle gründlich von Hand gemischt und dann getrocknet, um eine homogene repräsentative Bodenprobe zu erhalten, bevor der SIC-Gehalt analysiert wird. Die Kalzimeteranalyse wird für jede Probe in Triplikaten durchgeführt.

Die elementare Zusammensetzung von Bodenproben kann entweder durch wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenzspektroskopie (WDXRF) oder durch Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) bestimmt werden. Bei letzterem müssen Bodenproben vor der Analyse säureverdaut werden. Die Mineralzusammensetzung wird am besten durch Pulverröntgenbeugung (XRD) bestimmt. Das resultierende Diffraktogramm liefert qualitative Informationen über das Vorhandensein kristalliner Mineralphasen, die mit der Rietveld-Verfeinerungstechnik quantifiziert werden können, am besten unterstützt durch die Verwendung eines internen Standards. Die elementare und mineralogische Zusammensetzung kann verwendet werden, um die Tiefe abzuleiten, die Silikate und Verwitterungsprodukte zum Zeitpunkt der Probenahme erreicht haben. Daher können sie den Transport vom Oberboden in den Untergrund bestätigen, wo Karbonate langfristig gespeichert werden können. Die Morphologie von Bodenpartikeln kann durch eine Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht und mit energiedispersiver Spektroskopie (EDS) für die semi-quantitative elementare Mikroanalyse kombiniert werden. Die morphologische Analyse kann verwendet werden, um Restsilikate und Verwitterungsprodukte zu identifizieren und ein mechanistisches Verständnis der Verwitterungsphänomene (wie sich auflösende Oberflächen, neu gefällte Kristalle und Bildung von amorphen Materialien) zu gewinnen. Mineralogische und elementare Mikroanalyseergebnisse können auch verwendet werden, um die Kalzimetrieergebnisse weiter zu verifizieren. Das Vorhandensein von akkumulierten Karbonatphasen wie Calcit (CaCO3) kann in Diffraktogrammen offensichtlich sein und kann durch die Zusammensetzungssignatur unter Bodenpartikeln gefunden werden.

Tabelle 1 zeigt einen typischen Datensatz für einen Wollastonit-ergänzten Boden (gesammelt von 0-15 cm und ungesiebt) im Vergleich zu einem unbehandelten Kontrollboden in Bezug auf den pH-Wert des Bodens, die Kalzimetrieergebnisse und die Kalziumionenkonzentration, die durch Mikrowellenaufschluss gefolgt von ICP-MS erhalten wurde. Der pH-Wert des Mit Wollastoni-ergänzten Bodens ist im Vergleich zur Kontrolle um 1,15 Einheiten höher, und der CaCO3 (eqv) -Gehalt ist fast fünfmal größer als der Der Kontrollgehalt. Die Kalziumkonzentration im Wollastonit-ergänzten Boden ist ebenfalls um fast das Siebenfache höher. Allein kann ICP-MS nicht unterscheiden, welches Calciummineral wie Wollastonit oder Calcit hauptsächlich zu diesen Kalziumkonzentrationen beiträgt. Dennoch wird erwartet, dass der Kalziumkonzentrationsunterschied signifikanter sein wird als der Karbonatunterschied, da der geänderte Boden sowohl mehr Wollastonit als auch mehr Karbonate als der Kontrollboden haben wird. Die WDXRF- und XRD-Analyse dieser Proben kann dazu beitragen, die in den Proben vorhandenen Hauptoxide bzw. Mineralphasen weiter zu klären.

Der CaCO3(eqv)-Gehalt (Kalzimeterergebnisse) über ein vertikales Profil (0-15, 15-30 und 30-60 cm) ist in Tabelle 2dargestellt. Dementsprechend betrug der höchste Gehalt (von ungesiebten Proben) 10,13 g,CaCO3(eqv)· (kg, Boden) -1, detektiert in einer Tiefenzone von 0-15 cm. Die 15-30 cm Proben zeigten die geringste Menge an CaCO3(eqv). Der CaCO3(eqv) Gehalt stieg in 30-60 cm Zone wieder an. Die Ergebnisse aus zwei Tiefenprofilproben deuten auch auf den deutlich höheren Gehalt an Karbonaten in tieferen Schichten (60-100 cm Profil) hin. Basierend auf den Ergebnissen von flachen und tiefen Proben wird impliziert, dass es zwei Zonen gibt, die mit Karbonaten angereichert sind. Die erste ist die Tiefenzone von 0-15 cm, die für Verwitterungsprodukte aufgrund der Wollastonitanwendung repräsentativ ist, angesichts der signifikanten Zunahme gegenüber der Kontrolle. Die andere Zone umfasst tiefere Proben, die bei etwa 30 cm beginnen und bis zu 1 m stark ansteigen. Da tiefere Proben im Allgemeinen auf die Ausgangsmaterialien des Bodens hinweisen, kann daraus abgeleitet werden, dass Karbonate in dieser Zone geologischen Ursprungs sind. Tabelle 2 zeigt auch einen Vergleich der ungesiebten und gesiebten Probe (Pfannenfraktion), um den Einfluss der Fraktionierung auf den Karbonatgehalt zu untersuchen. Auf dieser Grundlage ist der Karbonatgehalt in der Pfannenfraktion etwas höher, was die Möglichkeit der Ansammlung von Karbonaten in kleineren Partikeln impliziert, in Übereinstimmung mit unserer vorherigen Studie28.

Die verschiedenen im Boden vorhandenen Oxide können durch WDXRF bestimmt werden, wie in Tabelle 3 für den Kontrollboden veranschaulicht. Kieselsäure(SiO2)ist das Hauptoxid, das der Hauptbestandteil von sandigem Lehmboden ist, und die Textur dieser Probe umfasst 11 g / kg Kies, 551 g / kg Sand, 295 g / kg Schlick und 155 g / kg Ton. Der Ca-Gehalt des Bodens (2,59 Gew.-%) die durch WDRFA erhaltene ist größer als die durch ICP-MS ermittelte (0,96 Gew.%). Dies liegt daran, dass das WDRFA-Ergebnis auf 100 Gew.-% normalisiert wird, was die Werte leicht aufbläht, da nicht nachweisbare Komponenten wie organische Stoffe nicht berücksichtigt werden. Darüber hinaus hat die Aufschlussmethode, die zur Vorbereitung von Proben für ICP-MS verwendet wurde, wahrscheinlich nicht alle Bodenmineralien vollständig aufgelöst, so dass die ICP-MS-Werte leicht unterschätzt werden. Daher ermöglicht die Verwendung von WDXRF in Kombination mit ICP-MS die Abschätzung einer oberen und einer unteren Grenze der tatsächlichen Ca- (und Mg-) Konzentration. So können sie verwendet werden, um den Transport von Silikaten und Verwitterungsprodukten, einschließlich Karbonaten, in Abhängigkeit von der Tiefe zu überwachen.

Das XRD-Muster eines mit Wollastonit geänderten Bodens ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Hauptgipfel sind Quarz (SiO2)bei 26,65° und Albit (NaAlSi3O8)bei 28,07°, die vorherrschende Mineralien in sandigen Lehmböden sind31. Die zusätzlichen Spitzen von Wollastonit und Calcit sind auch als Folge der Wollastonitzugabe und Calcitbildung vorhanden. Der Calcit wird durch einen Hauptpeak bei 29,40° 2θ und einen kleinen Peak bei 39,40° identifiziert. Der hohe Kalzimeterwert für veränderten Boden ist auf die Bildung von Calcit zurückzuführen, zumindest teilweise als amorphe Karbonate, die sich auch unter Umgebungsbedingungen bilden können32. WDXRF und XRD können auch bei der Charakterisierung des verwendeten Wollastonits helfen. Die nominale elementare Zusammensetzung des in dieser Studie verwendeten Wollastonits, das aus der kanadischen Wollastonitmine Ontario stammt, umfasst 26 % Silizium (55 %SiO2),18 % Calcium (26 % CaO), 4,0 % Magnesium (9 % MgO), 1,8 % Schwefel, 0,11 % Stickstoff, 0,10 %P2O5,0,10 %K2O, 11 ppm Kupfer und 1,1 ppm Zink. Die wichtigsten Mineralphasen, die in diesem Wollastonit vorhanden sind, umfassen, wie durch XRD-Analyse bestimmt, Wollastonit, Diopsid (CaMgSi2O6)und Quarz(SiO2).

Abbildung 4a zeigt REM-Aufnahmen des Wollastonit-ergänzten Bodens nach mehrwöchiger Verwitterung. Der feine nadelförmige Wollastonit macht sich in der ergänzten Bodenprobe bemerkbar, die zusammen mit anderen größeren Bodenpartikeln vorhanden ist. Ein genauerer Blick auf diese Wollastonitpartikel (Abbildung 4b) hilft, einen tieferen Einblick in die morphologischen Veränderungen an der Oberfläche zu erhalten. Die Mikroanalyse der Wollastonitoberfläche ist möglich, indem eine elementare Abbildung der Probe erhalten wird (Abbildungen 4c-f). Das EDS-Spektrum des kartierten Gebiets zeigt sein semi-quantitatives chemisches Profil in Abbildung 4g. Die Elementkarten zeigen si und ca deutlich als hauptbestandteile von Wollastonit. Mg ist kein Hauptbestandteil von Wollastonit, wie das Fehlen des Mg-Signals von den nadelförmigen Partikeln zeigt, aber es ist in geringen Mengen in anderen Bodenpartikeln vorhanden, zu denen Diopsidpartikel gehören können. Die C-Karte unterscheidet nicht zwischen dem auf der Wollastonitoberfläche gebildeten Karbonat und der bereits im Boden vorhandenen organischen Substanz, und sie wird auch vom Kohlenstoffsignal dominiert, das vom Kohlenstoffband unter der Probe kommt. Abbildung 5 zeigt die Spot-EDS-Analyse der kleineren Fragmente bei 40000x, die in der Bodenprobe verstreut sind und in Abbildung 4b (bei 2.000x) innerhalb des gelben Kreises markiert sind. Die Spot-EDS-Analyse an zwei verschiedenen Punkten zeigt, dass dieses Fragment reich an C und O ist, was darauf hindeutet, dass es hauptsächlich aus organischer Materie besteht, die der amorphen Partikelmorphologie entspricht. Darüber hinaus kann die SEM-EDS-Analyse durch die Betrachtung des Ca:Si-Verhältnisses möglicherweise verwendet werden, um Anzeichen einer Wollastonitverwitterung im Boden zu identifizieren, wie z. B. das Auslaugen von Ca aus dem Wollastonit oder das Schicksal der gebildeten Karbonate im Boden.

Unter Verwendung des Mit Wollastonit geänderten Kalzimeters des Bodens kann die pedogene anorganische Kohlenstoffbindungsrate mit den in Abschnitt 3 des Protokolls beschriebenen Schritten berechnet werden. Zu diesem Zweck sollte die Differenz des Kalzimeterwerts für die analysierte Probe und die entsprechende Kontrolle für die interessierende Tiefe berechnet werden. Dann wird ein Faktor von 0,44 auf die Differenz angewendet, um CaCO3 (eqv) in CO2umzuwandeln. Bei den in Tabelle 2 dargestellten Proben mit einer Tiefe von 0-15 cm wird der Kalzimeterwert der Kontrolle abgezogen (2,51 g, CaCO3(eqv)·( kg, Boden)-1) ab 0-15 cm Tiefenmessung (10,13 g, CaCO3 (eqv)·( kg,Boden)-1), ergibt eine Nettomenge von 3,35 kg,CO2· (Tonne, Boden) -1 in dieser Tiefe sequestriert. Betrachtet man nur die Bodendicke von 0,15 m und eine gestörte BD von 1,01 Tonnen· (m-3)im Labor gemessen, kann der Areal SIC dann mit Gleichung 5 berechnet werden. Basierend auf dem Verhältnis zwischen ungestörter und gestörter BD und der Unsicherheit, die bei der Meldung von BD aufgrund klimatischer und landnutzungsbedingter Faktoren besteht, haben wir die ungestörte BD unserer 0-15 cm Schicht auf 1,386 ± 0,23 Tonnen geschätzt· (m-3). Unter Berücksichtigung der Unsicherheit, die bei der Messung von Kalzimetern vorhanden ist, haben wir die kumulative Unsicherheit des berechnetenSIC-Arealsunter Verwendung einer Gaußschen Gleichung für die Methode der normalverteilten Fehler auf ± 39% bestimmt. Dementsprechend schätzen wir das sequestrierte CO2 in der 0-15 cm Schicht unseres Feldes auf 6,96 ± 2,71 Tonne,CO2· (Hektar) −1. Mit einem ähnlichen Verfahren kann auch der Areal SIC von 15-30 cm und 30-60 cm Schichten berechnet werden (für dieses Feld standen keine Kontrollwerte zur Verfügung, um diese Berechnung zu demonstrieren). Fasst man die Werte für das volle 0-60 cm Profil zusammen, konnte der geschätzte sequestrierte Kohlenstoff im Untersuchungsgebiet bestimmt werden.

Figure 3
Abbildung 3: XRD-Diffraktogramm, das die mineralogischen Phasen in einem Wollastonit-ergänzten Boden zeigt (W: Wollastonit, Q: Quarz, A: Albit, C: Calcit). Diffraktogramm bestimmt durch kommerzielle Röntgenbeugungs- und Analysesoftware. Das Diffraktometer arbeitete mit Cu-Kα-Strahlung bei 45 kV und 40 mA, und die Beugungsmuster wurden über einen 2θ-Bereich von 5-70° gesammelt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: SEM-EDS-Analyse. (a) REM-Bild eines Wollastonit-ergänzten Bodens im Maßstab 250x und 400 μm; b)genauere Sicht auf die verwitterten Wollastonitkörner im Boden im Maßstab 2000x und 50 μm; (c-f) EDS-Elementkartierung von Si, C, Ca und Mg in dem in Abbildung 4b visualisierten Bereich im Maßstab 2.000x und 50 μm; g)EDS-Spektrum und semi-quantitative Elementzusammensetzung der in Panel b visualisierten Fläche. SEM-EDS-Daten wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop gesammelt, das mit energiedispersiver Spektroskopie ausgestattet war, die für die Analyse der Elementzusammensetzung ausgewählter Bereiche und Flecken mit einem Anregungsvolumen bei 20 kV verwendet wurde. Vor der SEM-EDS-Analyse wurden die Proben auf Kohlenstoffband montiert und mit Gold sputterbeschichtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: REM-Bild von eingekreisten Partikeln in Abbildung 4b im Maßstab 40.000x und 2,5 μm sowie EDS-Spektrum und semi-quantitative Elementzusammensetzung von zwei auf dem REM-Bild markierten Flecken. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Probe pH-Wert a Kalzimetermessung (g,CaCO3(eqv)/kg,Boden) Ca-Konzentration aus ICP-MS (mg,Ca/kg,Boden)b
Kontrolle (keine Änderung) 6.42 ± 0.05 4,5 ± 0,5 9566,6 ± 86,8
Wollastonit-ergänzter Boden 7.57 ± 0.04 21,9 ± 0,1 66044,1 ± 534,6
a Der pH-Wert der Proben wurde mit einem Verhältnis von 1:5 aus Boden und 0,01 MCaCl2-Lösung bestimmt, gefolgt von 30 min Schütteln und 1 h Absetzzeit, bevor der pH-Wert des klaren Überstands gemessen wurde (Pansu und Gautheyrou, 2006).
b Die Proben wurden vor der ICP-MS-Analyse in konzentriertem HNO3 in der Mikrowelle verdaut; Die Verwendung von HF wird oft für die Verdauung von Böden und Silikaten empfohlen, wird hier jedoch vermieden, um das Sicherheitsrisiko der Analyse zu verringern (HF ist eine sehr giftige Chemikalie, die extreme Sorgfalt und angemessene Handhabung erfordert).

Tabelle 1: Vergleich zwischen dem unbehandelten Kontrollboden und dem Wollastonit-ergänzten Boden auf der Grundlage chemischer Analysen (pH-Wert, Kalzimetrie und ICP-MS).

Probe SIC-Gehalt (g,CaCO3(eqv)/(kg,Boden))
Tiefenbereich von 0-15 cm (Pfannenfraktion) 12.33 ± 3.53
Tiefenbereich von 0-15 cm 10.13 ± 2.68
Kontrollwert der Tiefenzone von 0-15 cm 2,51 ± 0,50
Tiefenbereich von 15-30 cm 4.23 ± 1.00
Tiefenbereich von 30-60 cm 9.20 ± 0.09
Tiefes Profil 1 (0-30 cm) 4.41 ± 0.06
Tiefes Profil 1 (30-60 cm) 1,56 ± 0,03
Tiefes Profil 1 (60-100 cm) 32.32 ± 1.36
Tiefes Profil 2 (0-30 cm) 4,56 ± 0,62
Tiefes Profil 2 (30-60 cm) 18.43 ± 0.41
Tiefes Profil 2 (60-100 cm) 131,54 ± 1,89
Proben einer Tiefenzone von 0-15 cm wurden mit einem Sondensammleser entnommen. Proben von Tiefenzonen von 15-30 cm und 30-60 cm wurden mit einem Dakota-Probenehmer gesammelt. Tiefenprofilproben wurden mit einem erweiterten Schneckensammleser entnommen.

Tabelle 2: Der CaCO3(eqv)-Gehalt in verschiedenen Tiefen des Bodens basierend auf den Berechnungsergebnissen.

Oxide im Boden Gew.-%
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
SO3 0.37
MnO 0.16
Bao 0.11
ZrO2 0.10

Tabelle 3: WDRFA-Daten zur Zusammensetzung der verschiedenen im Kontrollboden vorhandenen Oxide. Doppelte Proben in loser Pulverform wurden 20 Minuten lang mit der standardlosen Omniam-Methode unter Helium und bei 1 kW Leistung analysiert und die Konzentrationen als Oxide berechnet.  Die durchschnittliche Summe vor der Normalisierung betrug 69,8 Gew.-%, wobei die Bilanz Porosität und nicht nachweisbare Lichtelemente (H, C, O, N) waren. Die durchschnittlichen Konzentrationen der detektierten Oxide, die in Mengen von mehr als 0,10 Gew.-% vorhanden sind, wurden ausgewählt und auf 100% normalisiert.

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Discussion

Da das Sammeln von Proben von gedüngten landwirtschaftlichen Feldern in der Regel schwierig ist, wird empfohlen, vor der Nährstoffanwendung Proben zu sammeln. Es ist auch ratsam, das Sammeln von Proben von gefrorenen Feldern zu vermeiden. Die Probenahmetiefe kann in verschiedenen Bereichen variieren, abhängig von der Leichtigkeit der Probenahme über das vertikale Profil und der Tiefe des Grundwasserspiegels. Das gewählte Bodenprobenahmegerät ist abhängig von der Bodenstruktur und der interessierenden Tiefe33. Während es bei flachen Proben bequemer ist, Handsonden/ Schnecken zu verwenden, wird in der Regel eine erweiterte Version (z. B. ausziehbare Schnecke) für die Rückgewinnung von Untergrundproben empfohlen33. Bei der Vorherrschaft von dichten Tonen oder zementierten Sanden können während der Extraktionskerne aufgrund von Reibung und Torquing des Probenehmers einige Schwierigkeiten auftreten33. Ein Problem für anorganische Kohlenstoffverifikationskampagnen ist die Wahl des geeigneten Intervalls zur Verfolgung der Aufnahme von Kohlenstoff in Böden, da es über lange Intervalle (z. B. 5 bis 10 Jahre) variabel sein kann34. Obwohl es keine vorgeschriebene Häufigkeit für die erneute Probenahme gibt, wird angenommen, dass die mäßig langen Intervalle (z. B. jährlich oder zweijährlich) die Chance erhöhen, SIC-Änderungen zuverlässig zu verfolgen35.

Es gibt auch einige Herausforderungen, die die Messung des anorganischen Kohlenstoffs mit verschiedenen Analysen erschweren. Erstens geht es um die mögliche langsame Auflösung von Karbonatspezies während der Kalzimetrieanalyse, insbesondere wenn Karbonate in Partikelaggregaten oder sogar in den ursprünglichen Silikatpartikeln eingeschlossen sind; Dies reduziert den Kontakt der sauren Lösung, verlangsamt oder behindert sogar die Auflösung von Karbonaten und die daraus resultierende Entgasung von CO2 während der Kalzimetrieanalyse. Die andere Schwierigkeit, die auftreten kann, ist bei der mineralogischen Analyse in Bezug auf den Nachweis von Verwitterungs- / Sequestrierungsprodukten und aufgrund der Heterogenität des Bodens, die XRD- und SEM-EDS-Analysen behindert, zumindest indem sie es schwieriger macht, schlüssige Ergebnisse zu erzielen36. Das Fraktionierungsverfahren erwies sich in unserer früheren Arbeit28 als vorteilhaft für die Konzentration der pedogenen Karbonate und Restsilikate in einer einzigen Bodenfraktion (Pfannenfraktion), so dass präzisere chemische, mineralische und morphologische Analysen durchgeführt werden können. Andere Studien haben gezeigt, dass akkumulierter organischer Kohlenstoff eher in der Feinpartikelaggregation von landwirtschaftlichenBöden 37,38gespeichert wird, ähnlich wie die in Abbildung 5analysierten Partikel . Darüber hinaus führt die höhere Oberfläche feiner Silikatgesteinspartikel zu einer höheren Verwitterungsrate im Vergleich zur gröberen Fraktion15. Die Fraktionierung kann jedoch von Boden zu Boden variieren und ist möglicherweise nicht einmal für Böden erforderlich, die große Mengen an Karbonaten und Silikaten enthalten. Außerdem sollte sein Bedarf oder Nutzen für verschiedene Bodentypen und verschiedene Silikatänderungen als die in unseren früheren Arbeiten verwendeten weiter überprüft werden.

In der aktuellen Studie haben wir Methoden zum Nachweis und zur Analyse von SIC durch Die Anwendung von Wollastonit auf landwirtschaftlichen Böden demonstriert. Obwohl diese Techniken zur Untersuchung von SIC in den Böden verwendet werden könnten, die mit anderen verbesserten Verwitterungskandidaten wie Basalt und Olivin ergänzt wurden, kann das Mineral der Wahl unterschiedliche Auswirkungen auf den Boden haben, die bei der Analyse berücksichtigt werden sollten. Zum Beispiel kann der Verwitterungsprozess für einige Mineralien länger dauern als für andere. Dies kann auf eine unterschiedliche Auflösungsrate mehrerer Mineralien zurückzuführen sein, die kurz- und langfristig in einer unterschiedlichen Mineralisierungsrate endet. Das andere Problem betrifft das Auftreten von gefällten Karbonaten über dem vertikalen Profil des Bodens, die aufgrund der Silikatmineraleigenschaften und der daraus resultierenden geochemischen Bedingungen des Bodens variieren können, induktiv oder nicht zu sofortigem Karbonatniederschlag im flachen Boden. Dementsprechend könnte die Ergänzung von Böden mit einigen Arten von Silikaten zu einer signifikanten pedogenen Karbonatbildung in tieferen Schichten führen, im Gegensatz zu der flachen Ansammlung von Karbonaten aufgrund der Verwitterung von Wollastonit, die in unseren untersuchten Feldern nachgewiesen wurde. Kernprobenehmer wurden häufig zur Extraktion ungestörter Proben und zur Messung von ungestörter BD im Feld39 eingesetzt. Da BD eine Funktion mehrerer klimatischer Parameter und Praxiseinstellungen ist und sowohl räumlich als auch zeitlich variieren kann, ist eine angemessene Anzahl von Replikaten erforderlich, um einen akzeptablen Bereich der BD-Unsicherheit im Untersuchungsgebiet zu erhalten39. Dies ist insbesondere notwendig, um große Unsicherheiten inSIC-Areal-Berechneten Schätzungen zu beheben, wie z.B. den in der aktuellen Studie ermittelten Wert (d.h. ± 39%).

Die thermogravimetrische Analyse (TGA) kann auch verwendet werden, um den Calciumcarbonatgehalt im Boden zu bestimmen, indem der Massenverlust im Temperaturbereich von 500-800 °C gemessen wird, was dem Zersetzungstemperaturbereich für CaCO340entspricht. Automatisierte Kohlenstoffanalysatoren oder TGA-Methoden eignen sich für die Analyse von Bodenproben aus kleineren begrenzten Bereichen, wie z.B. einem Topfexperiment, da diese Methoden nur 20 Milligramm Bodenprobe für Analysen benötigen. Daher werden die Kalzimetrieergebnisse für landwirtschaftliche Studien angesichts der größeren Masse der analysierten Probe (10 g gegenüber 20 Milligramm), der dreifach erhaltenen Messwerte und der Verwendung von reinem Calciumcarbonat als Methodenstandard als präziser und genauer angesehen. Weitere Details und Beispiele finden Sie in Haque et al.36. Aufgrund des gleichzeitigen Vorkommens von geologisch und atmosphärisch getriebenen pedogenen Karbonaten im Boden ist die Unterscheidung zwischen verschiedenen Quellen von Bedeutung. Stabile Isotopen- (δ13C) und radiogene(14C) Kohlenstoffsignaturen sowie Isotopensauerstoffsignaturen gelten als robuste Werkzeuge zur Identifizierung der Kohlenstoffquelle im Boden16,41,42,43. Eine solche Analyse kann die Sequestrierung von atmosphärischem CO2 in Studien zur Überwachung des Verbleibs von pedogenem Karbonat in Böden weiter verifizieren.

Während herkömmliche Kohlenstoffdetektionsmethoden (z.B. Massenmessung) für lokale Kohlenstoffmärkte geeignet sind, sind systematischere Methoden erforderlich, wenn es um Verifikationsziele in regulierten Märkten geht35. Die hier beschriebene Nachweismethode ist anpassbar für die Überwachung der pedogenen anorganischen Kohlenstoffbindung in verschiedenen landwirtschaftlichen Böden, die mit Erdalkalimetallsilikat-haltigen Gesteinen wie Wollastonit, Basalt und Olivin ergänzt werden. Diese Art der Validierung ist für Emissionsgutschriftenprogramme unerlässlich, von denen Landwirte profitieren können, die Kohlenstoff auf ihren Feldern binden.

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Disclosures

Die Autoren haben keinen Interessenkonflikt.

Acknowledgments

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

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.

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Environmental Sciences pedogene Carbonate verbesserte Verwitterung Kohlenstoffabscheidung und -speicherung Bodenprobennahme Kalzimetrie anorganischer Kohlenstoff
Überwachung der anorganischen Kohlenstoffakkumulation pedogener Kohlenstoff aufgrund der Verwitterung von geänderten Silikatmineralien in landwirtschaftlichen Böden.
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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).

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