Waiting
Login processing...

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

Environment

ניטור הצטברות פחמן אנאורגנית פדוגנית עקב בליה של מינרלים סיליקט מתוקן בקרקעות חקלאיות.

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

שיטת האימות המתוארת כאן ניתנת להתאמה לניטור בידוד פחמן אנאורגני פדופילי בקרקעות חקלאיות שונות המתוקנות בסלעים המכילים סיליקט מתכתי אלקליין, כגון וולסטונייט, בזלת ואוליבין. סוג זה של אימות חיוני עבור תוכניות אשראי פחמן, אשר יכול להועיל לחקלאים לבודד פחמן בתחומם.

Abstract

המחקר הנוכחי נועד להדגים הליך שיטתי לניטור פחמן אנאורגני הנגרם על ידי בליה משופרת של סלעים מזוהמים בקרקעות חקלאיות. למטרה זו נאספות דגימות הליבה של הקרקע שנלקחו בעומק שונה (כולל 0-15 ס"מ, 15-30 ס"מ ופרופילים של 30-60 ס"מ) משדה חקלאי, שהחלק העליון שלו כבר הועשר בסיליקט מתכתי אלקליין המכיל מינרלים (כגון וולסטונייט). לאחר ההובלה למעבדה, דגימות הקרקע מיובשות באוויר ומנופות. לאחר מכן, תכולת הפחמן האנאורגנית של הדגימות נקבעת על ידי שיטה נפחית הנקראת קלצימטריה. התוצאות הייצוגיות שהוצגו בזאת הראו חמישה במרווחים מקופלים של תכולת פחמן אנאורגנית בקרקעות שתוקנו עם ה- Ca-silicate בהשוואה לקרקעות בקרה. שינוי קומפוזיציוני זה לווה ביותר מיחידה אחת של עלייה ב- pH בקרקעות המתוקנות, מה שמרמז על פירוק גבוה של הסיליקט. ניתוחים מינרלוגיים ומורפולוגיים, כמו גם הרכב יסודי, מאמתים עוד יותר את העלייה בתכולת הפחמן האנאורגנית של קרקעות מתוקנות סיליקט. שיטות הדגימה והניתוח המוצגות במחקר זה יכולות להיות מאומצות על ידי חוקרים ואנשי מקצוע המעוניינים להתחקות אחר שינויי פחמן אנאורגניים פדוגניים בקרקעות ובתת-ענפים, כולל אלה המתוקנים עם סלעי סיליקט מתאימים אחרים כגון בזלת ואוליבין. שיטות אלה יכולות גם להיות מנוצלות ככלים לאימות בידוד פחמן אנאורגני קרקע על ידי גופים פרטיים וממשלתיים כדי לאשר ולהעניק זיכויים פחמן.

Introduction

CO2 הוא גז חממה מרכזי (GHG), וריכוזו באטמוספירה גדל ברציפות. CO2 הממוצע העולמי הקדם-אינדוסטראלי היה כ-315 חלקים למיליון (עמודים לדקה), נכון לאפריל 2020, ריכוז ה-CO2 האטמוספרי עלה ליותר מ-416 עמודים לדקה, מה שגרם להתחממות כדור הארץ1. לכן, זה קריטי כדי להפחית את הריכוז של זה חום לכידת GHG באטמוספירה. Socolow2 הציע כי כדי לייצב את הריכוז של CO אטמוספרי2 כדי 500 עמודים לדקה על ידי 2070, תשעה "טריזים ייצוב" יידרש, שבו כל טריז ייצוב היא גישה הקלה אישית, בגודל כדי להשיג 3.67 GT CO2 eq בשנה בהפחתת פליטות.

לכידת פחמן ואחסון (CCS) היא הטכנולוגיה העיקרית כדי להפחית את CO2 מהאטמוספירה, כפי שהומלץ על ידי היוזמה חדשנות המשימה, הושק בכנס האו"ם לשינוי האקלים 20153. כדי ללכוד CO2אטמוספרי , שלוש אפשרויות האחסון העיקריות הזמינות הן אחסון האוקיינוס, אחסון גיאולוגי, פחמןמינרלי 4. התמקדות פחמן מינרלי, CO2 מאוחסן על ידי המרת מתכות אדמה אלקליין, בעיקר סידן ומגנזיום עשיר סיליקטים, לתוך קרבונטים יציבים תרמודינמית עבור מסגרות זמן גיאולוגיות (על פני מיליוני שנים)5. לדוגמה, אוליבין, פירוקסן, ומינרלים קבוצת סרפנטין יש פוטנציאל לעבור פחמןמינרלי 6; עם זאת, בתנאים רגילים, תגובות אלה מוגבלות על ידי קינטיקה תגובה איטית. לכן, כדי להאיץ את התהליך בתנאי הסביבה, צורות מועכות (מרוסקות /טחונות) של סיליקטים אלה ניתן להחיל על קרקעות חקלאיות, תהליך המכונה בליה משופרת יבשתית7. אדמה היא כיור טבעי לאחסון CO2, כיום להיות מאגר עבור 2500 GT של פחמן, אשר שלוש פעמים את המאגר האטמוספרי (800 GT פחמן)8. תהליכים פדוגניים בקרקעות ובתת-ענפים מווסתים CO2 אטמוספרי על ידי שני מסלולים טבעיים עיקריים, כלומר מחזור החומר האורגני ו בליה של מינרלים מתכתיים אלקליין, המשפיעים על בריכות פחמן אורגניות ואנאורגניות, בהתאמה9.

ההערכה היא כי כמעט 1.1 GT של CO2 אטמוספרי הוא מינרלים באמצעות סלע כימי בליה מדי שנה10. סלעי סיליקט עשירים בסידן ומגנזיום (למשל, בזלת) נחשבים למזון העיקרי לליווי משופר9,11,12. לאחר כתוש מינרלים המכילים סיליקט מוחלים על שדות חקלאיים, הם מתחילים להגיב עם CO2 מומס ב נקבוביות הקרקע, מסכם עם משקעים מינרליים של קרבונטים יציבים11,13. אוליבין14,15, וולאסטונייט (CaSiO3)13, dolerite, ובזלת16 הם בין מינרלים אשר הוכיחו פוטנציאל בידוד פחמן באמצעות בליה משופרת במחקרים קודמים. למרות הזמינות הגדולה יותר, ולכן אולי יכולת בידוד CO2 גדולה יותר, של סיליקטים מגנזיום, ישנם חששות לגבי היישום שלהם עבור בליה משופרת באזורי יבול בשל ההשפעה הסביבתית הפוטנציאלית שלהם כתוצאה Cr ו Ni שטיפה ואת הנוכחות האפשרית של חלקיקים אזבסטיפורם11,15,17,18. כמו סיליקט נושא סידן, wollastonite מודגש בזאת כמועמד העיקרי לתהליך זה בשל תגובתיות גבוהה שלה, מבנה כימי פשוט, להיות שפיר לסביבה, כמו גם להקל על הייצור של קרבונטים בשל מליטה חלשה יותר של יוני Ca למטריצת סיליקה שלה12,19,20,21. וולאסטונייט שנכרה בקינגסטון, אונטריו, קנדה, וכיום ממוסחר על ידי וולסטונייט הקנדית ליישומים חקלאיים, אינו מכיל רמות גבוהות של מתכות מסוכנות. עתודות wollastonite ברחבי העולם מוערך להיות מעל 100 הר, עם סין, הודו, ארה"ב, מקסיקו, קנדה, ופינלנד כמו המדינות היצרניות העליון22.

בליה משופרת של מינרל סיליקט הוא העריך כדי לקדם את בריאות הקרקע, בעיקר גידול יבול יבול ושיפור צמיחת הצמח, המוביל לירידה פוטנציאלית ביישום של דשנים סינתטיים, אשר יכול לתרום עוד יותר להפחתת פליטת GHG11,18,19. מחקרים קודמים דיווחו כי היישום של מינרלים סיליקט Ca עשיר לקרקעות מספק בסיסיות לנטרול חומציות במדיום הקרקע, לטובת ייצור היבול23,24,25. זה גם מעכב גיוס מתכות רעילות, רגישים לתנאים חומציים, בליה משופרת יכול להיות שימושי עבור שחיקה מפגרת דרך תוספת חומר אורגני הקרקע11.

משוואות 1-3 מראות כיצד בידוד פחמן פדוגני כמו קרבונטים אנאורגניים אפשרי על ידי תיקון קרקעות עם וולסטונייט. Ambient CO2 נכנס לאדמה דרך מי גשמים או מיוצר באדמה על ידי פעילות מיקרוביאלית המשפילה תרכובות אורגניות. לאחר מגע עם נקבוביות קרקע, נוצרת חומצה פחמתית, אשר מנתק כדי ליצור ביקרבונט ופרוטון (משוואה 1). בנוכחות צמחים, הפרשות שורש, כגון חומצת לימון וחומצה מלזית, משתחררים, אשר מספקים גם פרוטונים במערכת. פרוטונים אלה מקלים על פירוק הוולסטונייט באדמה באמצעות שחרור יוני Ca והשארת סיליקה אמורפית מאחור (משוואה 2). יוני Ca ששוחררו בסופו של דבר מגיבים עם ביקרבונט לזרז כמו קרבונטים (קלציט גבישי או זנים אחרים, בהתאם לתנאים גיאוכימיים) (משוואה 3). זה נוצר סידן פחמתי הופך לחלק פחמן אנאורגני הקרקע (SIC) שבר26.

פתיר CO2 סביבתי:

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

פירוק וולאסטונייט (H+ מהניתוק של חומצה פחמתית ושורש exudates):

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

משקעים פחמתיים אנאורגניים פדוגניים:

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

בעבודה האחרונה שלנו, בליה משופרת באמצעות יישום של wollastonite לקרקעות חקלאיות, כתיקון גיר חלופי, נמצאה יעילה עבור CaCO 3 משקעים בקרקע העליונה, הן בקנהמידה מעבדה ושדה, ועל פני קצר (כמה חודשים) וארוך (3 שנים) מונחים. במחקרי השדה, הערכות כימיות ומינרלוגיות גילו כי התוכן SIC עולה באופן פרופורציונלי מינון יישום wollastonite (טון·דונם-1)13. במחקרי מעבדה, הניתוח המינרלולוגי הראה נוכחות של קרבונט פדוגניים עקב בידוד פחמן19. היווצרות קרבונט פדוגנית באדמה תלויה במספר גורמים, בעיקר: טופוגרפיה, אקלים, צמחיית פני השטח, תהליכים ביוטיים בקרקע ותכונות פיזיוכימיות של הקרקע27. המחקר הקודם שלנו23 קבע את תפקידם של צמחים (צמח קטניות (שעועית ירוקה) וצמח לא קטנוני (תירס)) על בליה וולאסטונית היווצרות קרבונט אנאורגנית באדמה. המחקר המתמשך שלנו על היווצרות פחמן פדוגניים והגירה בקרקעות ובתת-קרקעות כולל חקירת גורלם של קרבונטים בקרקע חקלאית, שנוצרו לראשונה בקרקעות העליונות עקב בליה של מינרלים בעומקים שונים ולמשך הזמן. על פי Zamanian et al.27, אופק קרבונט פדוגניים המתרחשים באופן טבעי נמצא רחוק יותר מפני השטח ככל שקצב המשקעים המקומי עולה, כאשר החלק העליון של אופק זה מופיע בדרך כלל בין כמה סנטימטרים ל -300 ס"מ מתחת לפני השטח. פרמטרים אחרים של הסביבה והאדמה, כגון איזון מי קרקע, דינמיקה עונתית, תכולת הפחמן הראשונית בחומר אב, תכונות פיזיקליות של הקרקע, משפיעים גם הם על עומק התרחשות זו27. לכן יש חשיבות לדגום קרקעות לעומק מספיק בכל ההזדמנויות כדי לקבל הבנה מדויקת של המקורי ואת הרמות המצטברות של SIC הנובע בליה משופרת של סיליקטים.

בקנה מידה השדה, מגבלה חשובה היא השימוש בשיעורי יישום נמוכים של תיקוני קרקע סיליקט. מכיוון שיש ידע מוגבל על ההשפעה של סיליקטים רבים (כגון וולסטונייט ואוליבין) על בריאות הקרקע והצמחים, יצרנים מסחריים נמנעים מבדיקת שיעורי יישום גבוהים יותר שעלולים לגרום לבידוד פחמן משמעותי. כתוצאה משיעורי יישום נמוכים כאלה, כמו גם את השטח הגדול של שדות יבול, אתגר מחקרי בדרך כלל בפני הוא לקבוע שינויים SIC כאשר הערכים נמוכים יחסית, כדי לשחזר ולבודד את גרגרי סיליקט ומוצרי בליה מהאדמה ללמוד שינויים מורפולוגיים ומינרלוגיים. בעבודתנו בעבר, דיווחנו על האופן שבו שבר פיזי של האדמה המתוקנת בוולאסטונייט (באמצעות מסננת) אפשר הבנה טובה יותר של תהליך בליה, במיוחד היווצרות והצטברות של קרבונטים פדוגניים28. בהתאם לכך, התוכן הגבוה יותר של וולסטונייט ומוצרי בליה זוהו בחלק העדין יותר של הקרקע, שסיפק ערכים גבוהים למדי במהלך ניתוחים, והבטיח תוצאות מדויקות ואמינות יותר. הממצאים מדגישים את החשיבות של שימוש בשבר פיזי, באמצעות מיון או אמצעי הפרדה אחרים, להערכת אמין של הצטברות הפחמן המבודד בקרקעות מתוקנות סיליקט. עם זאת, מידת השבר יכולה להשתנות מאדמה לאדמה וסיליקט לסיליקט, ולכן יש לחקור אותה עוד יותר.

מדידה מדויקת של SIC היא קריטית לקביעת הליך סטנדרטי ומדעי שניתן לאמץ על ידי חוקרים שונים המעוניינים לנתח את האבולוציה של SIC ו (ופחמן אורגני) לאורך זמן ועומק של הקרקע. מתודולוגיה כזו מאפשרת לחקלאים לתבוע אשראי פחמן כתוצאה מהיווצרות SIC בקרקעות השדה שלהם. הפרוטוקול הבא מתאר, בפירוט: (1) שיטת דגימת קרקע לשימוש בעקבות תיקון סיליקט הקרקע, המהווה את המשמעות הסטטיסטית של נתוני הקרקע המנותחים; (2) שיטת שבר קרקע המשפרת את הדיוק של כימות שינויים בבריכת קרבונט אנאורגנית פדוגנית כתוצאה מפלינג סיליקט משופר, ו- (3) שלבי החישוב המשמשים לקביעת קצב הבידוד של SIC כתוצאה מתיקון סיליקט הקרקע. לצורך הפגנה זו, וולסטונייט, שמקורו בוולאסטונייט הקנדי, הוא הניח להיות מינרל סיליקט להחיל על קרקעות חקלאיות, ואת הקרקעות החקלאיות נחשבים דומים לאלה שנמצאו באדמות החקלאיות של דרום אונטריו.

ההליך הכרוך בתיקון קרקע חקלאית עם וולסטונייט (למשל, קביעת כמות הוולסטונייט שיש להחיל לדונם, והשיטה להפצתה על פני האדמה) תואר במחקר הקודם שלנו13. אזור המחקר בעבודתנו הקודמת וההווה הוא חלקות מלבניות; לכן, שיטת הדגימה האקראית הישירה מתאימה למחקרים כאלה. זוהי שיטה נפוצה בשל העלות הנמוכה שלה, דרישת זמן מופחתת, ואת היכולת לספק אי ודאות סטטיסטית נאותה. באופן דומה, בהתאם לתנאי השדה השונים ורמת המשמעות הסטטיסטית הרצויה, ניתן להשתמש גם בשיטות דגימת זונל או רשת. דיוק בדגימת הקרקע חיוני כדי להפחית את אי הוודאות הסטטיסטית כתוצאה מהטיית דגימה. כאשר נעשה שימוש בסטטיסטיקה, השגת פחות מ-95% ביטחון (כלומר, p < 0.05) אינה נחשבת "מובהקת סטטיסטית". עם זאת, עבור מחקרי קרקע מסוימים, רמת הביטחון עשויה להיות רגועה ל -90% (כלומר, p < 0.10) בשל מספר הפרמטרים הבלתי מבוקרים (כלומר, משתנים באופן טבעי) בתנאי השדה המשפיעים על הדיוק הכללי של המדידות. בפרוטוקול זה נאספים שני סטים של דגימות על מנת לחקור תוכן SIC ותכונות כימיות, מינרליות ומורפולוגיות אחרות של הקרקע לאורך הפרופיל האנכי שלה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. שיטת דגימת קרקע ואיסוף ליבה

  1. חלקו את השטח הממופה והתוחם לשטח חקלאי בעל עניין בחלקות שונות המבוססות על גובה הקרקע, יבולים היסטוריים ו/או אסטרטגיית ניהול קרקעות. קבע את ההחלקה של כל חלקה באמצעות מקלט GPS, לסווג את יבול היבול בהתבסס על רשומות חווה היסטוריות (מתחת לממוצע, ממוצע, מעל הממוצע), ואת אסטרטגיית ניהול הקרקע המשמשת עבור כל חלקה (סוגים של תיקוני קרקע המשמשים, אם בכלל). הנח את הדגלים בגבולות של כל חלקה כדי להקל על הדגימה הבאה.
    הערה: איור 1 מציג את המקטע של האזור המלבני הנחקר לארבע חלקות (A, B, C, D). תכנון ומידע ניסיוניים כאלה יועילו לבדוק את המשמעות הסטטיסטית של הנתונים המנותחים. יתר על כן, זה יכול להיות מתאים אדמות חקלאיות לא סדירות להיות נוח עבור יישור דגימה על פי פרמטר שנחשב הכרחי, מן הכיוון של שורות יבול לכיוון השטח, נגר, רוח דומיננטית, שביל השמש, וכו '. ארבע חלקות אלה נשקלו על מנת לאפשר קמפיין צילום שדה.
  2. השתמש בשיטת הדגימה האקראית המכוונת כדי לאסוף ליבות בכל חלקה. לחלק כל חלקה לאחר תבנית רשת ל- 25 תת-התוויות (איור 2). איסוף 25 ליבות הוא מעל המינימום המסורתי להמליץ על מספר ליבות (15-20).

​Figure 1
איור 1: ייצוג החלקות המשמשות לאיסוף לדוגמה (כל חלקה מייצגת שטח של 5 מ' × 10 מ' (לגמרי ארבעה x 50 מ'2). דגלים שחורים מפרידים כל גבול התוויה כדי להקל על הדגימה, ודגלים לבנים מסמנים מיקומים לדגימה עמוקה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: מקטע משנה של כל חלקה לאיסוף דגימות ליבה (כל מקטע משנה מייצג שטח של מטר אחד x 2 מ'), בהתבסס על שיטת דגימה אקראית מכוונת. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. 

  1. אסוף דגימות ליבה מנקודות אקראיות בתוך כל תת-התוויית משנה, אחת לכל תת-התוויה. השתמש בדיקה הקרקע או סמפלר ליבת הקרקע כדי לאסוף את ליבת הקרקע עד שלושה אזורי עומק של 0-15 ס"מ, 15-30 ס"מ, ו 30-60 ס"מ כדי להסביר את וריאציה SIC עם עומק עקב תיקון קרקע סיליקט.
    הערה: בהתאם לסוג הקרקע ואת בדיקה / סמפלר בשימוש, סמפלר אחר עשוי להידרש כדי לאסוף את המדגם 30-60 ס"מ.
  2. השתמש בדגימה ניתנת להרחבה (או מדגם בעל יכולת דומה) כדי לאסוף דגימות קרקע עמוקות ממיקומי הדגל הלבן באיור 1, עד לשלושה אזורי עומק נוספים של 60-100 ס"מ, 100-175 ס"מ ו-175-250 ס"מ. דגימות אלה מסבירות את וריאציית אפיון הקרקע בעומקים אלה, כמו גם להעריך את רמת ה- SIC ברקע בשטח היבשתי שנחקר, עד לעומק העליון של אופק הפחמן הפדוגניים המתרחש באופן טבעי.
    הערה: בהתבסס על המאפיינים המקומיים באתר (למשל, עומק טבלת מי התהום), ניתן לשנות את האזור העמוק ביותר במקומות שונים.
  3. להעביר את דגימות הקרקע לתוך דליים, אחד עבור כל עומק שנדגם בכל חלקה. תערובת ידנית של הקרקעות בכל דלי ביסודיות. הנח את בודק הלחות הנייד במדגם הקרקע המעורבת. המתן עד שתכולת הלחות תתקן בנקודה יציבה על מד ההתקן. לחצו על כפתור המחזיק והקליטו את הערך כתכולת הלחות בזמן אמת של קרקעות מעורבבות.
  4. אחסן את הדגימות המשולבות בשקיות אטומות. יש לסמן תיקים כראוי עם מידע על החלקות (A, B, C או D), עומק הקרקע (0-15 ס"מ, 15-30 ס"מ, 30-60 ס"מ, 60-100 ס"מ, 100-175 ס"מ, 175-250 ס"מ) ותאריך דגימה.

2. שבר קרקע לפני ניתוח כימי

  1. לייבש את דגימות הקרקע בהקדם האפשרי לאחר דגימה כדי למזער את החמצון של פחמן הקרקע. לצורך כך, מניחים את דגימות הקרקע בקופסאות קרטון (2.5 אינץ' x 3 אינץ' x 3 אינץ') ומניחים את הקופסאות בארון ייבוש ב-50 מעלות צלזיוס למשך 24-48 שעות, עד שהאדמה מתייבשת. אחסן את הדגימות המיובשות באוויר בשקיות לדוגמה עד לניתוח נוסף.
  2. לפני שבר הקרקע, להפעיל את דגימות הקרקע דרך מסננת 2 מ"מ כדי להסיר שברים גדולים של סלעים ושרידי צמחים.
  3. תנור לייבש את הקרקעות מנופה על ידי הצבת הדגימות בתנור עמום נשמר ב 105 ± 2 מעלות צלזיוס לפחות 15 שעות.
  4. עבור שבר קרקע, מניחים 1 ק"ג של המדגם מיובש בתנור על הרשת העליונה של שייקר מסננת המורכבת בגדלים שונים של רשת (710 עד 50 מיקרומטר). לנער את sieves ב 60 סל"ד במשך 15 דקות. שברי מחבת <50 מיקרומטר משמשים רצוי לניתוחים, שכן זהו שבר הקרקע המועשר בפחמת פדוגניים.
    הערה: שברי קרקע אחרים יכולים גם להיבדק כדי להניב נתונים נוספים לאימות הצטברות SIC עקב בליה משופרת של סיליקטים מתוקנים.

3. קביעת בידוד פחמן אנאורגני פדוגניים

  1. כדי לקבוע את תכולת הפחמן האנאורגנית של דגימות קרקע באמצעות ניתוח קלצימטריה, מקום 5 גרם של דגימת אדמה מנופה בבקבוק ארלנמייר מתאים. להשעות את המדגם ב 20 מ"ל של מים אולטרה. הוסף 7 מ"ל של 4 M HCl למבחנה זכוכית שטוחה קטנה, ולאחר מכן למקם את הצינור הזה זקוף בתוך הבקבוק באמצעות זוג פינצטה.
  2. חבר בזהירות את הבקבוק לקלצימטר על ידי הדבקת פקק הגומי. מפלס המים של הבורט בקלצימטר היה צריך להיות מותאם בעבר כנדרש, ותקני ריקים ו- CaCO3 היו צריכים להיות מופעלים פעם אחת על הקלצימטר לפי הצורך.
  3. לנער את הבקבוק, ובכך להפיל את צינור החומצה, עד מפלס המים בבורט מגיע ערך קבוע, ולא מבעבע נצפתה בתמיסה (זה לוקח בערך 5 דקות).
  4. חשב את תוכן CaCO3(CaCO3(eqv)של המדגם (g,CaCO3(eqv)·( ק"ג, אדמה)-1) בהתבסס על שינוי עוצמת הקול שנצפה בבורט, וערכי הכיול הריקים וה- CaCO3, באמצעות נוסחת הכיול המתאימה. תוכן SIC מתקבל על ידי המרת g,CaCO3(eqv)· (ק"ג, אדמה) -1 ערך לק"ג,CO2· (טון, אדמה) -1 או ק"ג,C· (טון, אדמה) -1.
    1. חשב את תוכן CaCO3(eqv) של הדוגמה באמצעות הנוסחה הבאה:
      Equation 1(4)
      איפה:
      w (CaCO3(eqv)= תכולת הפחמן של האדמה המיובשת בתנור
      m1 = המסה של חלק הבדיקה
      m2 = המסה הממוצעת של תקני סידן פחמתי
      V1 = נפח הפחמן הדו חמצני המיוצר על ידי התגובה של חלק הבדיקה
      V2 = הנפח הממוצע של פחמן דו חמצני המיוצר על ידי תקני סידן פחמתי
      V3 = שינוי עוצמת הקול בקביעות הריקות
      w (H2O) = תכולת המים של המדגם המיובש
      הערה: שלבים 3.1 עד 3.4 מתבצעים בהתבסס על פרוטוקול סטנדרטי29.
  5. למדידת צפיפות בתפזורת (BD) של אדמה ((טון, אדמה)··m-3),מניחים aliquot גדול מספיק של דגימת אדמה מיובשת בתנור במיכל עם נפח ידוע. לשקול את המדגם באמצעות סולם. היחס בין המשקל היבש לנפח המדגם נחשב BD.
    הערה: ההתקנים החלופיים לחישוב "צפיפות בצובר ללא הפרעה" מוצגים בדיון.
  6. חשב את ה- SIC של אריאל (ק"ג,CO2·( hectare)-1) באמצעות הנוסחה הבאה:
    Equation 2(5)
    איפה:
    A = שטח הפנים
    DT = עובי עומק
  7. חשב את סך ה-SIC (SIC 0-60 ס"מ, ק"ג, CO2·( דונם)-1) עבור כל חלקה, באמצעות ערכי SIC אריאליים המתקבלים עבור כל עומק, כדלקמן:
    SIC התוויה A = SIC0-60 ס"מ = SIC0-15 ס"מ + SIC15-30 ס"מ + SIC30-60 ס"מ (6)
  8. הוסף את סה"כ SIC אריאל (SIC 0-60 ס"מ, ק"ג, CO2·( דונם)-1) תוכן עבור כל חלקה (A, B, C, D) נחקר, ולקבל את הממוצע הממוצע כדלקמן:
    Equation 3(7)
  9. חלק את ממוצע SIC (ק"ג,CO2·( דונם)-1) המתקבל מ- Eq. 7 על ידי שיעור היישום של מינרל/סלע סיליקט המשמש לתיקון הקרקע ((טון, סיליקט)·· דונם)-1).
    הערה: זה יספק את כמות הפחמן האנאורגני הפדוגניים מבודד במונחים של ק"ג CO2 לטון של סיליקט מוחל (ק"ג, CO2·( טון, סיליקט)-1). אם מתבצעת חקירה רב-שנתית, או קיימת עלילה ללא תיקון סיליקט, יש לשנות שלב זה כדי להסביר את הבידוד הכולל ואת התיקון הכולל על פני ערכים ארוכי טווח, או שנה אחר שנה, או בידוד פחמן פדוגני נטו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ניתן לקבוע את תכולת ה- SIC של קרקעות בשיטות שונות, כולל מנתח פחמן אוטומטי או קלצימטר. מנתח הפחמן האוטומטי לקביעת פחמן הקרקע הכולל מודד את לחץ CO2 שנבנה בכלי סגור30. ב Calcimetry, נפח מפותח של CO2 שוחרר לאחר החמצה, בדרך כלל על ידי תוספת של חומצת HCl מרוכזת, של מדגם המכיל קרבונט נמדד. שיטת הקלצימטריה היא פשוטה יחסית, הכוללת הליכים כימיים פשוטים, ובכך מתאימה לניתוח דגימות שדה רבות במהירות בדיוק גבוה (כלומר, ערכים הניתנים לשחזור) ובדיוק הולם (כלומר, ערכים הקרובים לתוכן הפחמן המדויק). בשיטת הדגימה האקראית המכוונת המשמשת במחקר זה, הדגימות מכל חלקה מעורבבות היטב ביד, ואז מיובשות כדי להשיג דגימת קרקע ייצוגית הומוגנית לפני ניתוח תוכן ה- SIC שלה. ניתוח הקלצימטר מתבצע בטריפליטים עבור כל דגימה.

ההרכב היסודי של דגימות קרקע ניתן לקבוע גם על ידי ספקטרוסקופיית פלואורסצנטיות פיזור גל (WDXRF) או על ידי ספקטרומטריית מסת פלזמה מצמדית אינדוקטיבית (ICP-MS). במקרה של האחרון, דגימות קרקע חייב להיות מתעכל חומצה לפני הניתוח. הרכב המינרלים נקבע בצורה הטובה ביותר על ידי עקיפת קרני רנטגן אבקה (XRD). diffractogram וכתוצאה מכך מספק מידע איכותי על נוכחות של שלבי מינרלים גבישיים, אשר ניתן לכמת באמצעות טכניקת עידון Rietveld, הטוב ביותר בסיוע שימוש בתקן פנימי. ההרכב היסודי והמינרלוגי יכול לשמש כדי להסיק את העומק כי סיליקטים ומוצרי בליה הגיעו בזמן הדגימה. לכן, הם יכולים לאשר את ההובלה מהחלק העליון לכיוון תת-קרקעי, שם ניתן לאחסן קרבונטים לטווח הארוך. המורפולוגיה של חלקיקי הקרקע ניתן ללמוד על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) והוא יכול להיות משולב עם ספקטרוסקופיה פיזור אנרגיה (EDS) עבור מיקרואנליזה אלמנטלית כמותית למחצה. ניתוח מורפולוגי יכול לשמש לזיהוי שאריות סיליקטים, בליה של מוצרים ולהבנה מכנית של תופעות בליה (כגון המסת משטחים, גבישים שזה עתה זירזו, והיווצרות של חומרים אמורפיים). תוצאות מיקרואנליזה מינרלוגית ואלמנטית יכולות לשמש גם כדי לאמת עוד יותר את תוצאות הקלצימטריה. נוכחותם של שלבי קרבונט מצטברים, כגון קלציט (CaCO3), עשויה להיות ניכרת בדיפרקטוגרמות וניתן למצוא אותה על ידי חתימה קומפוזיציונית בין חלקיקי אדמה.

טבלה 1 מציגה קבוצה טיפוסית של נתונים עבור אדמה מתוקנת וולסטונייט (שנאספה מ-0-15 ס"מ ולא מרוסנת) בהשוואה לאדמה לא מטופלת בשליטה, במונחים של רמת חומציות הקרקע, תוצאות הקלצימטריה וריכוז יוני הסידן המתקבלים באמצעות עיכול מיקרוגל ואחריו ICP-MS. רמת החומצה של הקרקע המתוקנת בוולאסטונייט גבוהה ב-1.15 יחידות בהשוואה לבקרה, ותכולת ה-CaCO3(eqv) גדולה כמעט פי חמישה מהבקרה. גם ריכוז הסידן באדמה המתוקנת בוולסטונייט גבוה יותר, כמעט פי שבעה. לבד, ICP-MS לא יכול להבדיל איזה מינרל סידן, כגון wollastonite או קלציט, תורם בעיקר ריכוזי סידן אלה. עדיין, צפוי כי ההבדל בריכוז הסידן יהיה משמעותי יותר מאשר ההבדל פחמתי מאז הקרקע המתוקנת יהיה גם יותר wollastonite ו קרבונטים יותר מאשר אדמת הבקרה. ניתוח WDXRF ו- XRD של דגימות אלה יכול לעזור להבהיר עוד יותר את תחמוצות העיקריות ושלבי מינרלים נוכחים בדגימות, בהתאמה.

תוכן CaCO3(eqv) (תוצאות קלצימטר) על פרופיל אנכי (0-15, 15-30 ו- 30-60 ס"מ) מוצג בטבלה 2. לפיכך, התוכן הגבוה ביותר (של דגימות שלא הושלכו) היה 10.13 גרם, CaCO3(eqv)· (ק"ג, אדמה) -1, זוהה באזור עומק 0-15 ס"מ. דגימות 15-30 ס"מ הראו את הכמות הנמוכה ביותר של CaCO3(eqv). תכולת CaCO3(eqv) גדלה שוב באזור 30-60 ס"מ. התוצאות של שתי דגימות פרופיל עמוק גם מציע את התוכן הרבה יותר גבוה של קרבונטים בשכבות עמוקות יותר (60-100 ס"מ פרופיל). בהתבסס על התוצאות של דגימות רדודות ועמוקות, משתמע כי ישנם שני אזורים מועשרים קרבונטים. הראשון הוא אזור העומק של 0-15 ס"מ, נציג של מוצרי בליה עקב יישום wollastonite, בהתחשב בעלייה משמעותית לעומת הבקרה. האזור השני כולל דגימות עמוקות יותר, החל סביב 30 ס"מ וגדל במידה רבה עד 1 מ '. מכיוון שדגימות עמוקות יותר מעידות בדרך כלל על חומרי האב של הקרקע, ניתן להסיק כי קרבונטים באזור זה הם ממוצא גיאולוגי. טבלה 2 מתארת גם השוואה של המדגם הלא מסויד והמנופה (חלק פנורמי) כדי לחקור את השפעת השבר על תכולת הפחמן. בהתבסס על כך, התוכן קרבונט הוא מעט גבוה יותר בשבר המחבת, מרמז על אפשרות של הצטברות של קרבונטים בחלקיקים קטנים יותר, בהסכמה עם המחקר הקודם שלנו28.

תחמוצות שונות הנמצאות באדמה ניתן לקבוע על ידי WDXRF, כפי שהודגם בטבלה 3 עבור אדמת הבקרה. סיליקה (SiO2)היא תחמוצת העיקרית הנוכחית, המהווה את המרכיב העיקרי של אדמת לואם חולית, ואת המרקם של מדגם זה כולל 11 g/kg חצץ, 551 גרם / קילוגרם חול, 295 גרם / קילוגרם סחף, ו 155 גרם / ק"ג חימר. תכולת Ca של הקרקע (2.59 wt%) מתקבל על ידי WDXRF גדול מזה שנקבע על ידי ICP-MS (0.96 wt%). הסיבה לכך היא שהתוצאה WDXRF מנורמלת ל- 100 wt%, אשר מנפחת מעט ערכים כרכיבים שאינם ניתנים לזיהוי כגון אורגנים אינם בחשבון. יתר על כן, שיטת העיכול המשמשת להכנת דגימות עבור ICP-MS סביר להניח לא להמיס באופן מלא את כל מינרלים הקרקע, כך ערכי ICP-MS הם מעט לזלזל. לפיכך, השימוש ב- WDXRF בשילוב עם ICP-MS מאפשר הערכת גבול עליון ותחתון בריכוז Ca (ו- Mg) האמיתי. לכן, הם יכולים לשמש כדי לפקח על הובלת סיליקטים ומוצרי בליה, כולל קרבונטים, כפונקציה של עומק.

תבנית XRD של אדמה מתוקנת וולאסטונייט מוצגת באיור 3. הפסגות העיקריות הקיימות הן קוורץ (SiO2)ב 26.65 °, ואלביטה (NaAlSi3O8)ב 28.07 °, שהם מינרלים דומיננטיים בקרקעות לואמי חוליות31. הפסגות הנוספות של וולאסטונייט וקלציט נמצאות גם הן כתוצאה מתוספת וולאסטונייט והיווצרות קלציט. הקלציט מזוהה על ידי שיא ראשי ב 29.40 ° 2θ, ושיא מינורי ב 39.40 °. קריאת הקלצימטר הגבוהה לאדמה מתוקנת נובעת מהיווצרות קלציט, לפחות בחלקה כפחמן אמורפי שיכול להיווצר גם בתנאי סביבה32. WDXRF ו- XRD יכולים גם לסייע באפיון הוולסטונייט המשמש. ההרכב היסודי הנומינלי של הוולסטונייט המשמש במחקר זה, שמקורו במכרה אונטריו של הוולסטונייט הקנדי, כולל 26% סיליקון (55% SiO2), 18% סידן (26% קאו), 4.0% מגנזיום (9% MgO), 1.8% גופרית, 0.11% חנקן, 0.10% P2O5, 0.10% K2O, 11 עמודים לדקה נחושת, ו 1.1 עמודים לדקה אבץ. שלבי המינרלים העיקריים הקיימים בוולאסטונייט זה, כפי שנקבע על ידי ניתוח XRD, כוללים וולסטונייט, דיופסייד (CaMgSi2O6),וקוורץ (SiO2).

איור 4a מציג תמונות SEM של האדמה המתוקנת בוולאסטונייט לאחר תקופה של מספר שבועות של בליה. הוולסטונייט העדין בצורת מחט מורגש בדגימת הקרקע המתוקנת, הקיימת יחד עם חלקיקי אדמה גדולים אחרים. מבט מקרוב על חלקיקי הוולסטונייט הללו (איור 4b) מסייע להשיג תובנה עמוקה יותר לגבי השינויים המורפולוגיים המתרחשים על פני השטח. המיקרואנליזה של פני השטח של הוולסטונייט אפשרית על ידי קבלת מיפוי יסודי של המדגם (איורים 4c-f). ספקטרום ה-EDS של האזור הממופה חושף את הפרופיל הכימי החצי-כמותי שלו באיור 4g. המפות היסודיות מראות בבירור את סי וקה כמרכיבים העיקריים של הוולסטונייט. Mg אינו מרכיב מרכזי של wollastonite, כפי שמעיד על ידי היעדר אות Mg מן החלקיקים בצורת מחט, אבל זה קיים בכמויות קטנות בחלקיקי קרקע אחרים, אשר יכול לכלול חלקיקי diopside. מפת C אינה מבחינה בין קרבונט שנוצר על פני השטח של הוולסטונייט לבין החומר האורגני שכבר קיים באדמה, והוא נשלט גם על ידי אות פחמן המגיע מסרט הפחמן שמתחת למדגם. איור 5 מציג ניתוח EDS נקודתי על השברים הקטנים יותר, ב- 40000x, מפוזרים במדגם הקרקע ומוצג באיור 4b (ב- 2,000x) המסומן בתוך העיגול הצהוב. ניתוח Spot EDS בשתי נקודות שונות מצביע על כך ששבר זה עשיר ב- C ו- O, דבר המצביע על כך שהוא מורכב בעיקר מחומר אורגני, התואם את מורפולוגיית החלקיקים האמורפית. בנוסף, על ידי התבוננות ביחס Ca:Si, ניתוח SEM-EDS יכול לשמש באופן פוטנציאלי כדי לזהות סימנים של בליה wollastonite באדמה, כגון יציקת Ca מן wollastonite או את גורלם של קרבונטים שנוצרו באדמה.

באמצעות קריאת הקלצימטר של האדמה המתוקנת בוולאסטונייט, ניתן לחשב את קצב בידוד הפחמן האנאורגני הפדוגניים באמצעות השלבים המתוארים בסעיף 3 של הפרוטוקול. לצורך כך, יש לחשב את ההבדל של קריאת קלצימטר עבור מדגם מנותח ואת הפקד המתאים לו עבור עומק העניין. לאחר מכן גורם של 0.44 מוחל על ההפרש כדי להמיר CaCO3(eqv) ל CO2. במקרה של דגימות עומק 0-15 ס"מ המוצגות בטבלה 2, ניכוי קריאת הקלצימטר של הפקד (2.51 גרם, CaCO3(eqv)·( ק"ג, אדמה)-1) מקריאה בעומק 0-15 ס"מ (10.13 גרם, CaCO3(eqv)·( ק"ג, אדמה)-1),תוצאות כמות נטו של 3.35 ק"ג, CO2· (טון, אדמה) -1 מבודד בעומק הזה. בהתחשב רק בעובי הקרקע של 0.15 מטר, ו BD מופרע של 1.01 טון· (m-3) נמדד במעבדה, SIC Areal לאחר מכן ניתן לחשב באמצעות משוואה 5. בהתבסס על היחס בין BD מופרע ומופרע וחוסר הוודאות הקיים בדיווח BD בשל גורמי אקלים ושימוש בקרקע, הערכנו את BD באין מפריע של שכבת 0-15 ס"מ שלנו להיות 1.386 ± 0.23 טון· (m-3). בהתחשב באי הוודאות הקיימת בקריאת הקלצימטר, קבענו את אי הוודאות המצטברת של SICArealמחושב , באמצעות משוואה גאוסיאנית לשיטת שגיאות המפוזרת בדרך כלל, להיות ± 39%. בהתאם לכך, אנו מעריכים את CO2 מבודד בשכבה 0-15 ס"מ של השדה שלנו להיות 6.96 ± 2.71 טון, CO2· (דונם) אני לא יכול לעשות את זה. -1. באמצעות הליך דומה, ניתן לחשב גם את ה- SIC של Areal של שכבות 15-30 ס"מ ו- 30-60 ס"מ (עבור שדה זה, ערכי פקדים לא היו זמינים להדגמת חישוב זה). לסיכום הערכים עבור פרופיל מלא 0-60 ס"מ, פחמן מבודד משוער ניתן לקבוע באזור המחקר.

Figure 3
איור 3: XRD diffractogram המציג את השלבים המינרלוגיים הקיימים באדמה מתוקנת וולאסטונייט (W: wollastonite, Q: קוורץ, A: אלביט, C: קלציט). Diffractogram נקבע על ידי עקיפת רנטגן מסחרי ותוכנת אנליסי. מד הדפוס פעל עם קרינת Cu Kα ב 45 kV ו 40 mA, ואת דפוסי עקיפה נאספו על פני טווח 2θ של 5-70 מעלות. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: ניתוח SEM-EDS. ( ( a ) תמונת SEM של אדמה מתוקנת וולסטונייט בסולם של 250x ו- 400 מיקרומטר; (ב)מבט מקרוב על גרגרי הוולסטונייט השחוקים הקיימים באדמה בסולם של 2000x ו- 50 מיקרומטר; (c-f) מיפוי אלמנטים של EDS של Si, C, Ca ו- Mg נמצא באזור הממחה באיור 4b בסולם של 2,000x ו- 50 מיקרומטר; (ז)ספקטרום EDS והרכב אלמנטלי חצי כמותי של האזור המדומיין בלוח b. נתוני SEM-EDS נאספו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה, אשר צויד ספקטרוסקופיה פיזור אנרגיה המשמש לניתוח הרכב אלמנטלי של אזורים ונקודות נבחרים עם נפח עירור ב 20 kV. לפני ניתוח SEM-EDS, הדגימות הורכבו על סרט פחמן מצופה זהב. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: תמונת SEM של חלקיקים מוקפים המוצגים באיור 4b בסולם של 40,000x ו- 2.5 מיקרומטר, ספקטרום EDS והרכב יסודי חצי כמותי של שני כתמים המסומנים בתמונת SEM.

לדוגמה pHa מדידת קלצימטר (g,CaCO3(eqv)/kg,אדמה) Ca ריכוז מ ICP-MS (מ"ג,Ca/ק"ג,אדמה)b
בקרה (ללא תיקון) 6.42 ± 0.05 4.5 ± 0.5 9566.6 ± 86.8
וולאסטונייט תיקן אדמה 7.57 ± 0.04 21.9 ± 0.1 66044.1 ± 534.6
א ה- pH של הדגימות נקבע באמצעות יחס של 1:5 של אדמה ו 0.01M CaCl2 פתרון, ואחריו 30 דקות רועד ו 1 שעות זמן יישוב לפני לקיחת מדידת pH של supernatant ברור (Pansu ו Gautheyrou, 2006).
b b הדגימות היו מיקרוגל מתעכל HNO מרוכז3 לפני ניתוח ICP-MS; השימוש ב- HF מומלץ לעתים קרובות לעיכול קרקעות וסיליקטים, אך נמנע כאן כדי להפחית את הסיכון הבטיחותי של הניתוח (HF הוא כימיקל רעיל מאוד הדורש טיפול קיצוני וטיפול הולם).

טבלה 1: השוואה בין אדמת הבקרה הלא מטופלת לבין אדמה מתוקנת וולאסטונייט המבוססת על ניתוחים כימיים (pH, קלצימטריה ו- ICP-MS).

לדוגמה תוכן SIC (g,CaCO3(eqv)/(ק"ג,אדמה))
אזור עומק של 0-15 ס"מ (שבר מחבת) 12.33 ± 3.53
אזור עומק של 0-15 ס"מ 10.13 ± 2.68
ערך בקרה של אזור עומק של 0-15 ס"מ 2.51 ± 0.50
אזור עומק של 15-30 ס"מ 4.23 ± 1.00
אזור עומק של 30-60 ס"מ 9.20 ± 0.09
פרופיל עמוק 1 (0-30 ס"מ) 4.41 ± 0.06
פרופיל עמוק 1 (30-60 ס"מ) 1.56 ± 0.03
פרופיל עמוק 1 (60-100 ס"מ) 32.32 ± 1.36
פרופיל עמוק 2 (0-30 ס"מ) 4.56 ± 0.62
פרופיל עמוק 2 (30-60 ס"מ) 18.43 ± 0.41
פרופיל עמוק 2 (60-100 ס"מ) 131.54 ± 1.89
דגימות של אזור עומק של 0-15 ס"מ נאספו באמצעות סמפלר בדיקה. דגימות של אזורי עומק של 15-30 ס"מ ו 30-60 ס"מ נאספו באמצעות סמפלר בדיקה דקוטה. דגימות פרופיל עמוק נאספו באמצעות סמפלר auger מורחב.

טבלה 2: תוכן CaCO3(eqv) בעומקים שונים של הקרקע בהתבסס על תוצאות הקלצימטריה.

תחמוצות באדמה Wt%
סיו2 65.19
אל2O3 14.76
פה2O3 6.20
תב"ע 3.62
K2O 2.98
P2O5 2.11
מ.ג.ו. 1.69
נה2O 1.45
טיו2 1.25
אז3 0.37
MnO (לא כולל) 0.16
באו (בוי) 0.11
זרו2 0.10

טבלה 3: נתוני WDXRF של הרכב תחמוצות שונות הנמצאות באדמת הבקרה. דגימות כפולות, בצורת אבקה רופפת, נותחו במשך 20 דקות בשיטת Omniam סטנדרטית, תחת הליום ובעוצמה של 1 קילוואט, וריכוזים חושבו כתחמוצות.  הסכום הממוצע לפני הנורמליזציה היה 69.8 wt%, כאשר האיזון הוא נקבוביות ואלמנטים קלים בלתי ניתנים לגילוי (H, C, O, N). הריכוזים הממוצעים של תחמוצות זוהו נוכח בכמויות גדולות מ 0.10 wt% נבחרו מנורמל ל 100%.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בהתחשב בכך איסוף דגימות משדות חקלאיים מופרים הוא בדרך כלל קשה, הוא הציע כי דגימות יש לאסוף לפני יישום מים מזינים. כמו כן מומלץ להימנע מאיסוף דגימות משדות קפואים. עומק הדגימה עשוי להשתנות באזורים שונים בהתאם לנוחות הדגימה מעל הפרופיל האנכי ועומק שולחן המים. מכשיר דגימת הקרקע שנבחר תלוי במבנה הקרקע ועומק העניין33. אמנם זה נוח יותר להשתמש בבדיקות יד / augers במקרה של דגימות רדודות, בדרך כלל גרסה מתקדמת יותר (למשל, auger להאריך) מומלץ לשחזור דגימות תת קרקעי33. בדומיננטיות של חימרים הדוקים או חולות בטון, כמה קשיים עשויים להופיע במהלך ליבות החילוץ עקב חיכוך ומומנט של סמפלר33. בעיה אחת עבור קמפיינים אימות פחמן אורגני היא הבחירה של מרווח מתאים למעקב אחר ספיגת הפחמן בקרקעות, כפי שהוא עשוי להיות משתנה על פני מרווחים ארוכים (למשל, 5 עד 10 שנים)34. אמנם אין תדירות שנקבעו עבור דגימה מחדש, מרווחי זמן ארוכים למדי (למשל, שנתי או דו שנתי) הוא האמין כדי לשפר את הסיכוי של מעקב אמין SIC שינויים35.

ישנם גם כמה אתגרים המסבכים את מדידת הפחמן האנאורגני באמצעות ניתוחים שונים. הראשון הוא לגבי פירוק איטי אפשרי של מינים קרבונט במהלך ניתוח קלצימטריה, במיוחד כאשר יש מלכודת של קרבונטים בתוך אגרגטים חלקיקים, או אפילו בתוך חלקיקי סיליקט המקורי; זה מפחית את המגע של הפתרון החומצי, האטה או אפילו לעכב את פירוק קרבונטים ואת degassing וכתוצאה מכך של CO2 במהלך ניתוח קלצימטריה. הקושי השני שעלול להתעורר הוא במהלך ניתוח מינרלוגי, במונחים של זיהוי של מוצרי בליה / בידוד, ובשל ההטרוגניות של הקרקע, אשר מעכב XRD ו SEM-EDS ניתוחים, לפחות על ידי כך מקשה להגיע לתוצאות חד משמעיות36. הליך השבר נמצא מועיל בעבודה הקודמת שלנו28 להתרכז קרבונטים פדוגניים סיליקטים שיורית שבר קרקע יחיד (שבר פאן), המאפשר מדויק יותר כימי, מינרלים, וניתוחים מורפולוגיים להיעשות. מחקרים אחרים הראו כי פחמן אורגני שהצטבר נוטה יותר להיות מאוחסן בצבירת חלקיקים עדינה של קרקעות חקלאיות37,38, בדומה לחלקיק שנותח באיור 5. יתר על כן, שטח הפנים הגבוה יותר של חלקיקי סלע סיליקט עדינים מוביל לשיעור בליה גבוה יותר בהשוואה לשבר גס15. עם זאת, שבר יכול להשתנות מאדמה לאדמה ואפילו לא יכול להידרש עבור אדמה המכילה כמויות גדולות של קרבונטים סיליקטים. כמו כן, יש לאמת עוד יותר את הצורך או התועלת שלה לסוגי קרקע שונים ותיקוני סיליקט שונים מאלה ששימשו בעבודתנו הקודמת.

הדגמנו שיטות לגילוי וניתוח SIC עקב יישום של וולסטונייט לקרקעות חקלאיות במחקר הנוכחי. למרות טכניקות אלה יכול להיות מנוצל לחקירת SIC בקרקעות תוקן עם מועמדים אחרים בליה משופרת, כגון בזלת ואוליבין, המינרל של בחירה עשוי להיות השפעות שונות על הקרקע, אשר יש לקחת בחשבון במהלך הניתוח. לדוגמה, תהליך בליה עשוי להימשך זמן רב יותר עבור מינרלים מסוימים בהשוואה לאחרים. זה יכול לנבוע משיעור פירוק שונה של מספר מינרלים, המסתיים בקצב מינרליזציה שונה בטווח הקצר והארוך. הנושא השני עוסק בהתרחשות של קרבונטים מזורזים על פני פרופיל אנכי של הקרקע, אשר יכול להשתנות בהתבסס על תכונות מינרלים סיליקט וכתוצאה מכך condtions גיאוכימיים של הקרקע, השראת או לא מיידית פחמתי משקעים באדמה הרדודה. לפיכך, תיקון של קרקעות עם סוגים מסוימים של סיליקטים יכול להניב היווצרות פחמתית פדוגנית משמעותית בשכבות עמוקות יותר, בניגוד להצטברות הרדודה של קרבונטים עקב בליה של וולאסטונייט שזוהה בשדות הנחקרים שלנו. דגימות ליבה היו בשימוש נרחב לחילוץ דגימות באין מפריע ומדידת BD באין מפריע בתחום39. מאז BD הוא פונקציה של מספר פרמטרים אקלימיים והגדרות בפועל, וזה עשוי להשתנות הן מבחינה עוויתית וטמפורלית, מספר סביר של שכפולים נדרש להניב טווח מקובל של אי ודאות BD באזור המחקר39. הדבר נחוץ במיוחד לטיפול באי-ודאות גדולהבאומדנים מחושבים של SIC, כגון הערך שנקבע במחקר הנוכחי (כלומר, ± 39%).

ניתוח תרמוגרווימטרי (TGA) יכול לשמש גם כדי לקבוע את תכולת סידן פחמתי באדמה על ידי מדידת אובדן המוני בטווח הטמפרטורות של 500-800 מעלות צלזיוס, שהוא טווח הטמפרטורה של פירוק CaCO340. מנתח פחמן אוטומטי או שיטות TGA מתאימים לניתוח דגימות קרקע מאזורים סגורים קטנים יותר, כגון ניסוי סיר, שכן שיטות אלה דורשות רק 20 מיליגרם של דגימת אדמה לניתוחים. לכן למחקרים חקלאיים, תוצאות הקלצימטריה נחשבות מדויקות ומדויקות יותר בהתחשב במסה הגדולה יותר של המדגם שנותח (10 גרם לעומת 20 מיליגרם), הקריאות המשולשות המתקבלות והשימוש בסידן פחמתי טהור כסטנדרט השיטה. פרטים נוספים ודוגמאות ניתן למצוא בהאק ואח '36. בשל התרחשותם המשותפת של קרבונטים פדוגניים הגיאולוגיים והאווירתיים באדמה, ההבחנה בין מקורות שונים היא בעלת משמעות. חתימות פחמן איזוטופיות יציבות (δ13C) ורדיוגניות (14C ), כמו גם חתימות חמצן איזוטופיות, נחשבות ככלים החזקים לזיהוי מקור הפחמן באדמה16,41,42,43. ניתוח כזה יכול עוד יותר לאמת את הבידוד שלCO2 אטמוספרי במחקרים שמטרתם לפקח על גורלו של קרבונט פדוגניים בקרקעות.

בעוד שיטות קונבנציונליות לגילוי פחמן (למשל, מדידה המונית) מתאימות לשווקי פחמן מקומיים, שיטות שיטתיות יותר נדרשות כשמדובר ביעדי אימות בשווקים מוסדרים35. שיטת האימות המתוארת כאן ניתנת להתאמה לניטור בידוד פחמן אנאורגני פדופילי בקרקעות חקלאיות שונות המתוקנות בסלעים המכילים סיליקט מתכתי אלקליין, כגון וולסטונייט, בזלת ואוליבין. סוג זה של אימות חיוני עבור תוכניות אשראי פחמן, אשר יכול להועיל לחקלאים לבודד פחמן בתחומם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין ניגוד אינטרסים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי מענק מסחור מזון מחשבתי, הממומן מקרן המצוינות במחקר הראשון של קנדה. וולאסטונייט הקנדית סיפקה תמיכה כספית תעשייתית כחלק ממענק זה.

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

מדעי הסביבה גיליון 172 קרבונטים פדוגניים בליה משופרת לכידת פחמן ואחסון דגימת קרקע קלצימטריה פחמן אנאורגני
ניטור הצטברות פחמן אנאורגנית פדוגנית עקב בליה של מינרלים סיליקט מתוקן בקרקעות חקלאיות.
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