Waiting
Login processing...

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

Environment

Мониторинг педогенного накопления неорганического углерода в результате выветривания измененных силикатных минералов в сельскохозяйственных почвах.

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

Описанный здесь метод верификации можно адаптировать для мониторинга педогенного связывания неорганического углерода в различных сельскохозяйственных почвах, дополненных щелочноземельными металлами силикатсодержащими породами, такими как волластонит, базальт и оливин. Этот тип валидации имеет важное значение для программ углеродного кредитования, которые могут принести пользу фермерам, которые поглощают углерод на своих полях.

Abstract

Настоящее исследование направлено на демонстрацию систематической процедуры мониторинга неорганического углерода, вызванного усиленным выветривания измельченных пород в сельскохозяйственных почвах. С этой целью образцы керна почвы, взятые на разной глубине (в том числе профили 0-15 см, 15-30 см и 30-60 см), собираются с сельскохозяйственного поля, верхний сельхозяй уже обогащен силикатом щелочноземельных металлов, содержащим минерал (например, волластонит). После транспортировки в лабораторию образцы почвы сушат на воздухе и просеивают. Затем содержание неорганического углерода в образцах определяется объемным методом, называемым кальциметрией. Репрезентативные результаты, представленные в настоящем документе, показали пятикратные приращения содержания неорганического углерода в почвах, дополненных Ca-силикатом, по сравнению с контрольными почвами. Это композиционные изменения сопровождались более чем 1 единицей повышения рН в измененных почвах, что подразумевало высокое растворение силиката. Минералогические и морфологические анализы, а также элементный состав дополнительно подтверждают увеличение содержания неорганического углерода в силикатно-измененных почвах. Методы отбора проб и анализа, представленные в этом исследовании, могут быть приняты исследователями и специалистами, желающими проследить педогенные неорганические изменения углерода в почвах и недрах, в том числе измененные другими подходящими силикатными породами, такими как базальт и оливин. Эти методы могут также использоваться в качестве инструментов для проверки связывания почвенного неорганического углерода частными и государственными органами для сертификации и выдачи углеродных кредитов.

Introduction

CO2 является основным парниковым газом (ПГ), и его концентрация в атмосфере постоянно увеличивается. Доиндустриальный глобальный средний co2 составлял около 315 частей на миллион (ppm), и по состоянию на апрель 2020 года концентрация CO2 в атмосфере увеличилась до более чем 416 ppm, что вызвало глобальное потепление1. Поэтому крайне важно снизить концентрацию этого улавливающего тепло ПГ в атмосфере. Соколов2 предположил, что для стабилизации концентрации атмосферного CO2 до 500 ppm к 2070 году потребуется девять «стабилизационных клиньев», где каждый стабилизационный клин является индивидуальным подходом к смягчению последствий, рассчитанным на достижение 3,67 Гт CO2 экв. в год при сокращении выбросов.

Улавливание и хранение углерода (CCS) является основной технологией для сокращения CO2 из атмосферы, как рекомендовано Инициативой Mission Innovation, запущенной на Конференции Организации Объединенных Наций по изменению климата 2015года 3. Для улавливания атмосферного CO 2 тремя основными доступными вариантамихраненияявляются хранение в океане, геологическое хранение и карбонизация полезных ископаемых4. Сосредоточив внимание на минеральной карбонизации, CO2 хранится путем преобразования щелочноземельных металлов, в основном богатых кальцием и магнием силикатов, в термодинамически стабильные карбонаты для геологических временных рамок (в течение миллионов лет)5. Например, минералы оливиновой, пироксеновой и серпентиновой групп могут подвергаться минеральной карбонизации6; однако в нормальных условиях эти реакции ограничены кинетикой медленных реакций. Поэтому, чтобы ускорить процесс в условиях окружающей среды, мелко измельченные (измельченные / измельченные) формы этих силикатов могут быть применены к сельскохозяйственным почвам, процесс, называемый наземным усиленным выветриванием7. Почва является естественным поглотителем для хранения CO2,в настоящее время являясь резервуаром для 2500 Гт углерода, который в три раза больше атмосферного резервуара (800 Гт углерода)8. Педогенные процессы в почвах и недрах регулируют атмосферныйСО2 двумя основными естественными путями, а именно циклом органического вещества и выветривания минералов щелочноземельных металлов, влияя на органические и неорганические углеродные пулы, соответственно9.

По оценкам, почти 1,1 Гт атмосферного CO2 минерализуется в результате химического выветривания горных пород ежегодно10. Силикатные породы, богатые кальцием и магнием (например, базальт), рассматриваются в качестве основного сырья для усиленного выветривания9,11,12. После того, как измельченные силикатсодержащие минералы наносят на сельскохозяйственные поля, они начинают реагировать с CO2, растворенным в почвенной поровой воде, завершаясь минеральным осаждением стабильных карбонатов11,13. Оливин14,15,волластонит (CaSiO3)13,долерит и базальт16 относятся к числу минералов, которые продемонстрировали потенциал связывания углерода за счет усиления выветривания в предыдущих исследованиях. Несмотря на большую доступность и, следовательно, большую способность к связыванию CO2 силикатов магния, существуют опасения по поводу их применения для усиленного выветривания на пахотных угодьях из-за их потенциального воздействия на окружающуюсреду в результате выщелачивания Cr и Ni и возможного присутствия асбестиформных частиц11,15,17,18. В качестве силиката, несущего кальций, волластонит выделен в качестве основного кандидата для этого процесса из-за его высокой реакционной способности, простой химической структуры, являющейся экологически доброкачественной, а также облегчающей производство карбонатов из-за более слабой связи ионов Ca с его матрицей кремнезема12,19,20,21. Волластонит, который добывается в Кингстоне, Онтарио, Канада, и в настоящее время коммерциализируется канадским волластонитом для сельскохозяйственных применений, не содержит повышенных уровней опасных металлов. Мировые запасы волластонита оцениваются в более чем 100 млн тонн, причем Китай, Индия, США, Мексика, Канада и Финляндия являются наиболее продуктивными странами22.

Считается, что усиленное выветривание силикатного минерала способствует здоровью почвы, в частности повышению урожайности сельскохозяйственных культур и улучшению роста растений, что приводит к потенциальному сокращению применения синтетических удобрений, что может способствовать дальнейшему сокращениювыбросов парниковых газов 11,18,19. Предыдущие исследования сообщали, что применение богатых Ca силикатных минералов к почвам обеспечивает основную для нейтрализации кислотности в почвенной среде, благоприятствуя растениеводству23,24,25. Это также препятствует мобилизации токсичных металлов, восприимчивых к кислым условиям, и усиленное выветривание может быть полезно для задержки эрозии через приращение органического веществапочвы 11.

Уравнения 1-3 показывают, как педогенное связывание углерода в виде неорганических карбонатов возможно путем внесения изменений в почвы волластонитом. Окружающий CO2 попадает в почву через дождевую воду или образуется в почве в результате микробной активности, разрушающих органические соединения. При контакте с почвенной поровой водой образуется угольная кислота, которая диссоциирует с образованием бикарбоната и протона (уравнение 1). В присутствии растений высвобождаются корневые экссудаты, такие как лимонная кислота и малеиновая кислота, которые также обеспечивают протоны в системе. Эти протоны способствуют растворению волластантита в почве путем высвобождения ионов Ca и оставления после себя аморфного кварца (уравнение 2). Высвобождаемые ионы Ca в конечном итоге реагируют с бикарбонатом с осаждением в виде карбонатов (кристаллический кальцит или другие разновидности, в зависимости от геохимических условий) (уравнение 3). Этот образовавшийся карбонат кальция становится частью почвенного неорганического углерода (SIC) фракции26.

СольватацияCO2 в окружающей среде:

2CO2 (г) + 2H2O(л) ↔ 2H2CO3 (aq) ↔ 2HCO3- + 2H+ (1)

Растворение волластонита(H+ от диссоциации угольной кислоты и корневых экссудатов):

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

Педогенные осадки неорганических карбонатов:

Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3(s)↓ + H 2O(л) + CO2(g) (3)

В нашей недавней работе было признано, что улучшенное выветривание за счет применения волластонита к сельскохозяйственным почвам в качестве альтернативной поправки к известняку было признано эффективным для осадков CaCO3 в верхнем слое почвы, как в лабораторных, так и в полевых масштабах, а также в течение коротких (несколько месяцев) и длинных (3 года) сроков. В полевых исследованиях химические и минералогические оценки показали, что содержание SIC увеличивается пропорционально дозировке применения волластонита (тонна·га-1)13. В лабораторных исследованиях минералогический анализ показал наличие педогенного карбоната в результате связывания углерода19. Педогенное карбонатное образование в почве зависит от нескольких факторов, наиболее заметно: топографии, климата, поверхностной растительности, почвенных биотических процессов и физико-химических свойствпочвы 27. Наше предыдущее исследование23 определило роль растений (бобового растения (зеленая фасоль) и небобобового растения (кукуруза)) на выветривание волластонита и образование неорганического карбоната в почве. Наши текущие исследования педогенного образования углерода и миграции в почвах и недрах включают изучение судьбы карбонатов почвы в сельскохозяйственных почвах, впервые образовавшуюся в верхних слоях почвы из-за минерального выветривания на различных глубинах и с течением времени. Согласно Zamanian et al.27,естественный педогенный карбонатный горизонт находится дальше от поверхности по мере увеличения скорости местных осадков, причем вершина этого горизонта обычно появляется на глубине от нескольких сантиметров до 300 см ниже поверхности. Другие параметры окружающей среды и почвы, такие как водный баланс почвы, сезонная динамика, исходное содержание карбонатов в исходном материале, физические свойства почвы, также влияют на глубину этогозалегания27. Таким образом, при всех возможностях важно отбирать пробы почв на достаточную глубину для получения точного понимания исходных и дополнительных уровней SIC в результате усиленного выветривания силикатов.

В полевых масштабах важным ограничением является использование низких норм внесения силикатных поправок в почву. Поскольку знания о влиянии многих силикатов (таких как волластонит и оливин) на здоровье почвы и растений ограничены, коммерческие производители избегают тестирования более высоких норм внесения, которые могут привести к значительному связыванию углерода. В результате таких низких норм внесения, а также большой площади сельскохозяйственных полей, исследовательская задача, с которой обычно сталкиваются, заключается в определении изменений в SIC при относительно низких значениях, а также в извлечении и изоляции силикатных зерен и продуктов выветривания из почвы для изучения морфологических и минералогических изменений. В нашей прошлой работе мы сообщали о том, как физическое фракционирование почвы с поправкой волластонита (с использованием просеивания) позволило лучше понять процесс выветривания, особенно образование и накопление педогенных карбонатов28. Соответственно, более высокое содержание волластонита и продуктов выветривания было обнаружено в более тонкой фракции почвы, что обеспечило достаточно высокие значения во время анализов, обеспечивая более точные и надежные результаты. Полученные данные подчеркивают важность использования физического фракционирования с помощью просеивания или других средств сегрегации для надежной оценки накопления изолированного углерода в почвах с силикатными поправками. Однако степень фракционирования может варьироваться от почвы к почве и от силиката к силикате, поэтому ее следует дополнительно исследовать.

Точное измерение SIC имеет решающее значение для установления стандартной и научной процедуры, которая может быть принята различными исследователями, заинтересованными в анализе эволюции SIC и (и органического углерода) с течением времени и глубины почвы. Такая методология позволяет фермерам претендовать на углеродный кредит в результате образования SIC на своих полевых почвах. В следующем протоколе подробно описывается: (1) метод отбора проб почвы, который будет использоваться после внесения изменений в силикат почвы, который учитывает статистическую значимость анализируемых почвенных данных; (2) метод фракционирования почвы, повышающий точность количественной оценки изменений педогенного неорганического карбонатного пула в результате усиленного силикатного выветривания, и (3) этапы расчета, используемые для определения скорости связывания SIC в результате изменения силиката почвы. Для целей этой демонстрации волластонит, полученный из канадского волластолита, считается силикатным минералом, применяемым к сельскохозяйственным почвам, а сельскохозяйственные почвы считаются аналогичными тем, которые встречаются на сельскохозяйственных угодьях Южного Онтарио.

Процедура, включающая внесение изменений в сельскохозяйственные почвы волластонитом (например, определение количества волластонита для внесения на гектар и способа его распространения по почве) была описана в нашем предыдущем исследовании13. Область исследования в нашей предыдущей и настоящей работе - прямоугольные участки; поэтому для таких исследований подходит метод прямой случайной выборки. Этот метод широко используется из-за его низкой стоимости, сокращения временных требований и способности обеспечить адекватную статистическую неопределенность. Аналогичным образом, в зависимости от различных полевых условий и желаемого уровня статистической значимости, могут также использоваться зональные или сетевые методы выборки. Точность отбора проб почвы имеет важное значение для уменьшения статистической неопределенности в результате систематической ошибки отбора проб. Когда используются статистические данные, достижение достоверности менее 95% (т.е. p < 0,05) не считается «статистически значимым». Однако для некоторых почвенных исследований уровень достоверности может быть ослаблен до 90% (т.е. p < 0,10) из-за количества неконтролируемых (т.е. естественно изменяющихся) параметров в полевых условиях, которые влияют на общую точность измерений. В этом протоколе собираются два набора образцов для изучения содержания SIC и других химических, минеральных и морфологических свойств почвы по всему ее вертикальному профилю.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Метод отбора проб почвы и сбора керна

  1. Разделите нанесенный на карту и разграниченный район сельскохозяйственных земель, представляющих интерес, на различные участки на основе высоты земли, исторической урожайности сельскохозяйственных культур и / или стратегии управления земельными ресурсами. Определите выравнивание каждого участка с помощью GPS-приемника, классифицируйте урожайность сельскохозяйственных культур на основе исторических данных о фермах (ниже среднего, среднего, выше среднего) и стратегии управления земельными ресурсами, используемой для каждого участка (типы используемых поправок к почве, если таковые используются). Разместите флаги на границах каждого участка, чтобы облегчить последующую выборку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 1 показано секционирование исследуемой прямоугольной области на четыре участка (A, B, C, D). Такой экспериментальный дизайн и информация будут полезны для проверки статистической значимости анализируемых данных. Кроме того, он может быть подходящим для нерегулярных сельскохозяйственных угодий и быть удобным для выравнивания отбора проб в соответствии с параметром, который считается необходимым, от ориентации рядов сельскохозяйственных культур до направления местности, стока, доминирующего ветра, траектории солнца и т. Д. Эти четыре сюжета были рассмотрены для того, чтобы облегчить полевую съемочную кампанию.
  2. Используйте метод направленной случайной выборки для сбора ядер на каждом участке. Подразделяют каждый участок по схеме сетки на 25 подсюжетов(рисунок 2). Сбор 25 ядер выше традиционно минимального рекомендуемого количества ядер (15-20).

​Figure 1
Рисунок 1:Представление участков, используемых для отбора проб (каждый участок представляет собой площадь 5 м × 10 м (всего четыре х 50м2). Черные флаги разграничляют границу каждого участка, чтобы облегчить выборку, а белые флаги отмечают места для глубокой выборки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2:Подсечение каждого участка для сбора образцов керна (каждый подраздел представляет собой площадь 1 м х 2 м) на основе метода направленной случайной выборки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 

  1. Соберите образцы керна из случайных точек в пределах каждого подсюжетного участка, по одному на подсюжет. Используйте почвенный зонд или пробоотборник почвенного керна для сбора керна почвы до трех глубинных зон 0-15 см, 15-30 см и 30-60 см, чтобы учесть изменение SIC с глубиной из-за силикатной поправки почвы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от типа почвы и используемого пробоотборника для сбора пробы размером 30-60 см может потребоваться другой пробоотборник.
  2. Используйте выдвижной шнек (или аналогично способный пробоотборник) для сбора глубоких образцов почвы из мест белого флага на рисунке 1,вплоть до дополнительных трех глубинных зон 60-100 см, 100-175 см и 175-250 см. Эти образцы учитывают изменение характеристик почвы в пределах этих глубин, а также оценивают фоновый уровень SIC в исследуемом земельном участке, вплоть до верхней глубины естественного педогенного карбонатного горизонта.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Исходя из местных свойств на участке (например, глубины грунтовых вод), самая глубокая зона может быть изменена в разных местах.
  3. Транспортировать образцы почвы в ведра, по одному на каждую отобранную глубину на каждом участке. Вручную тщательно смешивайте почву в каждом ведре. Поместите переносной влагометер в образец смешанной почвы. Подождите, пока содержание влаги зафиксируется в стабильной точке на датчике устройства. Нажмите кнопку держателя и запишите значение в виде содержания влаги в смешанных почвах в режиме реального времени.
  4. Храните композитные образцы в запечатанные пакеты. Правильно маркировочные пакеты с информацией о участках (A, B, C или D), глубине почвы (0-15 см, 15-30 см, 30-60 см, 60-100 см, 100-175 см, 175-250 см) и дате отбора проб.

2. Фракционирование почвы перед химическим анализом

  1. Высушите образцы почвы на воздухе как можно скорее после отбора проб, чтобы свести к минимуму окисление почвенного углерода. Для этого поместите образцы почвы в картонные коробки (2,5" x 3" x 3") и поместите ящики в сушильный шкаф при 50 °C в течение 24-48 ч, пока почва не высохнет. Храните высушенные на воздухе образцы в мешках для образцов до дальнейшего анализа.
  2. Перед фракционированием почвы прогоните образцы почвы через 2-миллиметровое сито, чтобы удалить большие фрагменты горных пород и растительные останки.
  3. Просушитые в печи грунты, помещая образцы в муфельную печь, поддерживаемую при 105 ± 2 °C в течение не менее 15 ч.
  4. Для фракционирования почвы поместите 1 кг высушенного в духовке образца на верхнюю сетку ситового шейкера, состоящую из ячеек различных размеров (от 710 до 50 мкм). Встряхните сита при 60 об/мин в течение 15 мин. Для анализа предпочтительно используются фракции поддонов <50 мкм, так как это педогенная почвенная фракция, обогащенная карбонатом.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Другие фракции почвы также могут быть испытано для получения дополнительных данных для проверки накопления SIC из-за усиленного выветривания измененных силикатов.

3. Определение педогенного связывания неорганического углерода

  1. Для определения содержания неорганического углерода в образцах почвы с помощью кальциметрического анализа поместите 5 г просеянный образец почвы в соответствующую колбу Эрленмейера. Суспендировать образец в 20 мл сверхчистой воды. Добавьте 7 мл 4 M HCl в небольшую стеклянную пробирку с плоским дном, затем поместите эту трубку вертикально внутрь колбы с помощью пинцета.
  2. Осторожно прикрепите колбу к кальциметру, прикрепив резиновую пробку. Уровень воды на кальциметре должен был быть предварительно отрегулирован по мере необходимости, а заготовки и стандарты CaCO 3 должны былибыть после этого запущены на кальциметре по мере необходимости.
  3. Встряхните колбу, тем самым опрокинув кислотную трубку, пока уровень воды в бюретке не достигнет постоянного значения, и в растворе не наблюдается пузырьков (это занимает примерно 5 мин).
  4. Рассчитать CaCO3-эквивалентное (CaCO3(eqv))содержание образца (g,CaCO3(eqv)·( кг,почва)-1)на основе изменения объема, наблюдаемого в бюретке, и калибровочных значений заготовки и CaCO3 с использованием соответствующей формулы кальциметрии. Содержание SIC получается путем преобразования g,CaCO3(eqv)· (кг, почва) -1 значение в кг, CO2· (тонна, почва) -1 или кг,С· (тонна, почва) -1.
    1. Рассчитайте содержание CaCO3(eqv) в образце, используя приведенную ниже формулу:
      Equation 1(4)
      где:
      w (CaCO3(eqv)= содержание карбонатов в высушенной в печи почве
      m1 = масса испытательной части
      m2 = средняя масса нормативов карбоната кальция
      V1 = объем диоксида углерода, образующегося в результате реакции испытательной части
      V2 = средний объем углекислого газа, производимого стандартами карбоната кальция
      V3 = изменение объема в пустых определениях
      w(H2O) = содержание воды в высушенном образце
      ПРИМЕЧАНИЕ: этапы 3.1-3.4 проводятся на основе стандартного протокола29.
  5. Для измерения насыпной плотности (BD) грунта((тонна,почва)·м−3) поместите достаточно большую аликвоту высушенного в печи образца почвы в контейнер с известным объемом. Взвесьте образец с помощью весов. Отношение высушенного веса к объему образца считается BD.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В ходе обсуждения были представлены альтернативные устройства для расчета "ненарушенного объемной плотности".
  6. Рассчитать Areal SIC (кг,CO2·( га)−1) по следующей формуле:
    Equation 2(5)
    где:
    A = площадь поверхности
    DT = толщина глубины
  7. Рассчитать общий SIC (SIC 0-60 см, кг,CO2·( га)−1)для каждого участка, используя ареальные значения SIC, полученные для каждой глубины, следующим образом:
    SICУчасток A = SIC0-60 см = SIC0-15 см + SIC15-30 см + SIC30-60 см (6)
  8. Добавить Общий объем SIC (SIC 0-60 см, кг,CO2·( га)−1) содержание для каждого исследуемого участка (А, В, С, Г) и получить среднее среднее следующим образом:
    Equation 3(7)
  9. Деление среднего значения SIC (кг,CO2 ·( га)−1), полученный из экв. 7 по норме внесения силикатного минерала/породы, используемой для внесения изменений в почву ((тонна, силикат)·( га)−1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это обеспечит количество педогенного неорганического углерода, поглощенного в пересчете на кг CO2 на тонну примененного силиката (кг, CO2·( тонна, силикат)−1). Если проводится многолетнее расследование или присутствует контрольный участок без силикатной поправки, этот шаг необходимо изменить, чтобы учесть общее связывание и общее изменение в долгосрочной перспективе, или годовые значения, или чистое педогенное связывание углерода.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Содержание SIC в почвах может быть определено с помощью различных методов, включая автоматизированный анализатор углерода или кальциметр. Автоматизированный анализатор углерода для определения общего углерода в почве измеряет давление CO2, накопленное в закрытом сосуде30. В кальциметрии измеряется выделяемый объем CO2, высвобождаемого после подкисления, обычно путем добавления концентрированной HCl-кислоты, карбонатсодержащего образца. Метод кальциметрии относительно прост, включает в себя простые химические процедуры, поэтому подходит для быстрого анализа многих полевых образцов с высокой точностью (т.е. воспроизводимыми значениями) и адекватной точностью (т.е. значениями, близкими к точному содержанию карбоната). В методе направленной случайной выборки, используемом в этом исследовании, образцы с каждого участка тщательно смешивают вручную, а затем сушат для получения однородного репрезентативного образца почвы перед анализом его содержания SIC. Анализ кальциметра проводится в трех расчетах для каждого образца.

Элементный состав образцов почвы может быть определен либо с помощью дисперсионной рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (WDXRF), либо с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS). В последнем случае образцы почвы должны быть переварено кислотой перед анализом. Минеральный состав лучше всего определять порошковой рентгеновской дифракцией (XRD). Полученная дифрактограмма предоставляет качественную информацию о наличии кристаллических минеральных фаз, которые могут быть количественно определены с помощью метода уточнения Ритвельда, лучше всего с использованием внутреннего стандарта. Элементный и минералогический состав может быть использован для вывода глубины, которую силикаты и продукты выветривания достигли во время отбора проб. Поэтому они могут подтвердить перенос из верхнего слоя почвы в сторону недр, где карбонаты могут храниться в течение длительного времени. Морфология частиц почвы может быть изучена с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и может быть объединена с энергодисперсионной спектроскопией (EDS) для полу количественного элементарного микроанализа. Морфологический анализ может быть использован для идентификации остаточных силикатов, продуктов выветривания и получения механистического понимания явлений выветривания (таких как растворяющиеся поверхности, вновь осажденные кристаллы и образование аморфных материалов). Результаты минералогического и элементного микроанализа также могут быть использованы для дальнейшей проверки результатов кальциметрии. Присутствие накопленных карбонатных фаз, таких как кальцит (CaCO3),может быть очевидно в дифрактограммах и может быть обнаружено по композиционной сигнатуре среди частиц почвы.

В таблице 1 приведен типичный набор данных для почвы с волластонитом (собранной от 0 до 15 см и непросеянную) по сравнению с контрольной необработанным грунтом с точки зрения рН почвы, результатов кальциметрии и концентрации ионов кальция, полученной с помощью микроволнового сбраживания с последующим МСП-МС. pH почвы с поправками на волластонит выше на 1,15 единицы по сравнению с контролем, а содержание CaCO3 (eqv) почти в пять раз больше, чем в контроле. Концентрация кальция в почве, измененной волластонитом, также выше, почти в семь раз. В одиночку ICP-MS не может дифференцировать, какой минерал кальция, такой как волластонит или кальцит, в основном способствует этим концентрациям кальция. Тем не менее, ожидается, что разница в концентрации кальция будет более значительной, чем разница в карбонате, поскольку измененная почва будет иметь как больше волластонита, так и больше карбонатов, чем контрольная почва. Анализ WDXRF и XRD этих образцов может помочь дополнительно прояснить основные оксиды и минеральные фазы, присутствующие в образцах, соответственно.

Содержание CaCO3(eqv) (результаты кальциметра) по вертикальному профилю (0-15, 15-30 и 30-60 см) показано в таблице 2. Соответственно, самое высокое содержание (непросеянные образцы) составило 10,13 г, CaCO3 (экв)· (кг, почва) -1, обнаруживается в зоне глубины 0-15 см. Образцы размером 15-30 см показали наименьшее количество CaCO3 (eqv). Содержание CaCO3(eqv) снова увеличилось в зоне 30-60 см. Результаты двух образцов глубокого профиля также свидетельствуют о гораздо более высоком содержании карбонатов в более глубоких слоях (профиль 60-100 см). Исходя из результатов неглубоких и глубоких проб, подразумевается, что существуют две зоны, обогащенные карбонатами. Первая – это зона глубины 0-15 см, репрезентативная для продуктов выветривания из-за применения волластонита, учитывая значительное увеличение по сравнению с контролем. Другая зона включает в себя более глубокие образцы, начиная с около 30 см и увеличиваясь в значительной степени до 1 м. Поскольку более глубокие образцы, как правило, указывают на исходные материалы почвы, можно сделать вывод, что карбонаты в этой зоне имеют геологическое происхождение. В таблице 2 также приведено сравнение непросеянный и просеянный образец (пан-фракция) для изучения влияния фракционирования на содержание карбонатов. Исходя из этого, содержание карбоната в поддонной фракции несколько выше, что подразумевает возможность накопления карбонатов в более мелких частицах, в согласии с нашим предыдущим исследованием28.

Различные оксиды, присутствующие в почве, могут быть определены с помощью WDXRF, как по примеру по приведенному в таблице 3 для контрольной почвы. Кремнезем (SiO2)является основным оксидом, который является основным компонентом почвы песчаного суглинки, и текстура этого образца включает 11 г / кг гравия, 551 г / кг песка, 295 г / кг ила и 155 г / кг глины. Содержание Ca в почве (2,59 мас.%) полученный WDXRF больше, чем определяется ICP-MS (0,96 мас.%). Это связано с тем, что результат WDXRF нормализуется до 100 мас.%, что немного завышает значения, поскольку необнаруживаемые компоненты, такие как органические вещества, не учитываются. Кроме того, метод пищеварения, используемый для подготовки проб для ИСП-МС, вероятно, не полностью растворил все почвенные минералы, поэтому значения ПМС несколько занижены. Следовательно, использование WDXRF в сочетании с ICP-MS позволяет оценить верхнюю и нижнюю границу истинной концентрации Ca (и Mg). Таким образом, они могут использоваться для мониторинга переноса силикатов и продуктов атмосферостойких воздействий, включая карбонаты, в зависимости от глубины.

Рисунок XRD почвы с волластонитом представлен на рисунке 3. Основными присутствующими пиками являются кварц (SiO2)при 26,65° и альбит (NaAlSi3O8)при 28,07°, которые являются преобладающими минералами в песчаных суглинистых почвах31. Дополнительные пики волластонита и кальцита также присутствуют в результате добавления волластонита и образования кальцита. Кальцит идентифицируется главным пиком в 29,40 ° 2θ и незначительным пиком в 39,40 ° . Высокое показание кальциметра для измененной почвы обусловлено образованием кальцита, по меньшей мере частично в виде аморфных карбонатов, которые также могут образовываться в условиях окружающей среды32. WDXRF и XRD также могут помочь в характеристике используемого волластонита. Номинальный элементный состав волластонита, используемого в этом исследовании, полученный из канадского рудника Волластонита в Онтарио, включает 26% кремния (55% SiO2),18% кальция (26% CaO), 4,0% магния (9% MgO), 1,8% серы, 0,11% азота, 0,10%P2O5,0,10% K2O, 11 ppm меди и 1,1 ppm цинка. Основные минеральные фазы, присутствующие в этом волластоните, как определено xRD-анализом, включают волластонит, диопсид (CaMgSi2O6)и кварц (SiO2).

На рисунке 4а показаны SEM-изображения почвы с волластонитом после периода выветривания в течение нескольких недель. Тонкоигольчатый волластонит заметен в измененном образце почвы, присутствующей вместе с другими более крупными частицами почвы. Более пристальный взгляд на эти частицы волластонита(рисунок 4b)помогает получить более глубокое представление о морфологических изменениях, происходящих на поверхности. Микроанализ поверхности волластонита возможен путем получения элементарного картирования образца(рис. 4c-f). Спектр ЭЦС нанесенной на карту области показывает ее полуколичественный химический профиль на рисунке 4g. Элементарные карты ясно показывают Si и Ca как основные компоненты волластонита. Mg не является основным компонентом волластонита, о чем свидетельствует отсутствие сигнала Mg от игольчатых частиц, но он присутствует в незначительных количествах в других частицах почвы, которые могут включать частицы диопсида. Карта C не различает карбонат, образующийся на поверхности волластонита, и органическое вещество, уже присутствующее в почве, и в нем также преобладает углеродный сигнал, поступающий от углеродной ленты под образцом. На рисунке 5 показан точечный анализ ЭТС на более мелких фрагментах, при 40000x, разбросанных в образце почвы и показанных на рисунке 4b (при 2000x), отмеченных в желтом круге. Анализ точечной ЭЦС в двух разных точках показывает, что этот фрагмент богат C и O, предполагая, что он состоит в основном из органического вещества, что соответствует морфологии аморфных частиц. Кроме того, глядя на соотношение Ca: Si, анализ SEM-EDS может быть потенциально использован для выявления признаков выветривания волластонита в почве, таких как выщелачивание Ca из волластонита или судьба образовавшуюся карбонатов в почве.

С помощью кальциметрических показаний почвы, дополненной волластонитом, педогенная скорость связывания неорганического углерода может быть рассчитана с использованием этапов, изложенных в разделе 3 Протокола. С этой целью разница показаний кальциметра для анализируемого образца и соответствующего ему контроля должна быть рассчитана по глубине интереса. Затем к разнице применяется коэффициент 0,44 для преобразования CaCO3 (eqv) в CO2. В случае образцов глубиной 0-15 см, представленных в таблице 2, вычитают показания кальциметра контрольного элемента (2,51 г, CaCO3(eqv)·( кг, почва)-1) с глубиной 0-15 см (10,13 г, CaCO3(экв)·( кг, почва)-1), в результате что чистое количество 3,35 кг, CO2· (тонна, почва) -1 изолирован на этой глубине. Учитывая только толщину почвы 0,15 м, и нарушенный BD 1,01 тонны· (m-3),измеренный в лаборатории, Areal SIC затем может быть рассчитан с использованием уравнения 5. Основываясь на соотношении между ненарушенным и нарушенным БД и неопределенностью, существующей в отчетности о БД из-за климатических факторов и факторов землепользования, мы оценили ненарушенный БД нашего слоя 0-15 см в 1,386 ± 0,23 тонны. (м-3). Учитывая неопределенность, присутствующая в показаниях кальциметра, мы определили кумулятивную неопределенность расчетного SICAreal,используя уравнение Гаусса для метода нормально распределенных ошибок, ± 39%. Соответственно, мы оцениваем секвестрированный CO2 в слое 0-15 см нашего месторождения в 6,96 ± 2,71 тонны, CO2· (гектар) −1. Используя аналогичную процедуру, также можно рассчитать Areal SIC слоев 15-30 см и 30-60 см (для этого поля контрольные значения не были доступны для демонстрации этого расчета). Суммируя значения для полного профиля 0-60 см, в исследуемом районе можно определить расчетный секвестрированный углерод.

Figure 3
Рисунок 3:XRD дифрактограмма, показывающая минералогические фазы, присутствующие в почве с волластонитом (W: волластонит, Q: кварц, A: альбит, C: кальцит). Дифрактограмма определяется коммерческим рентгеновским дифракционным и аналитическим программным обеспечением. Дифрактометр работал с излучением Cu Kα при 45 кВ и 40 мА, а дифракционные картины собирались в диапазоне 2θ 5-70°. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4:Анализ SEM-EDS. (a)SEM изображение почвы с волластонитом в масштабе 250x и 400 мкм; b)более пристальный вид выветрившихся зерен волластонита, присутствующих в почве в масштабе 2000x и 50 мкм; (с-ф) Элементное отображение EDS Si, C, Ca и Mg, присутствующих в области, визуализированной на рисунке 4b в масштабе 2000x и 50 мкм; (g)Спектр ЭЦП и полукомиментальный элементный состав области, визуализированной на панели b. Данные SEM-EDS были собраны с помощью сканирующего электронного микроскопа, который был оснащен энергодисперсионной спектроскопией, используемой для анализа элементного состава выбранных участков и пятен с объемом возбуждения при 20 кВ. До анализа SEM-EDS образцы были смонтированы на углеродной ленте и покрыты золотом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5:SEM изображение окруженных твердых частиц, показанное на рисунке 4b в масштабе 40 000x и 2,5 мкм, а также спектр EDS и полукомиментальный элементный состав двух пятен, отмеченных на изображении SEM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

образец рНа Измерение кальциметра (g,CaCO3(экв)/кг,почва) Концентрация Ca в МСП-МС (мг,Са/кг,почва)b
Контроль (без изменений) 6.42 ± 0.05 4.5 ± 0.5 9566,6 ± 86,8
Волластонитовый измененный грунт 7.57 ± 0.04 21.9 ± 0.1 66044.1 ± 534.6
а РН образцов определяли с использованием соотношения почвы 1:5 и раствора 0,01M CaCl2 с последующим 30-минутным встряхиванием и 1-часовым временем оседания перед измерением рН прозрачного супернатанта (Pansu and Gautheyrou, 2006).
б Образцы переваривались в микроволновой печи в концентрированном HNO3 до анализа ICP-MS; использование HF часто рекомендуется для переваривания почв и силикатов, но здесь его избегают, чтобы снизить риск безопасности анализа (HF является очень токсичным химическим веществом, которое требует крайней осторожности и надлежащего обращения).

Таблица 1: Сопоставление необработанных контрольных почв и почв с поправками на волластонит на основе химических анализов (рН, кальциметрия и МСП-МС).

образец Содержание SIC (g,CaCO3(экв)/(кг,почва))
Глубинная зона 0-15 см (фракция сковороды) 12.33 ± 3.53
Глубинная зона 0-15 см 10.13 ± 2.68
Контрольное значение глубинной зоны 0-15 см 2.51 ± 0.50
Глубинная зона 15-30 см 4.23 ± 1.00
Глубинная зона 30-60 см 9.20 ± 0.09
Глубокий профиль 1 (0-30 см) 4.41 ± 0.06
Глубокий профиль 1 (30-60 см) 1,56 ± 0,03
Глубокий профиль 1 (60-100 см) 32.32 ± 1.36
Глубокий профиль 2 (0-30 см) 4.56 ± 0.62
Глубокий профиль 2 (30-60 см) 18.43 ± 0.41
Глубокий профиль 2 (60-100 см) 131.54 ± 1.89
Образцы глубинной зоны 0-15 см были собраны с помощью пробоотборника. Образцы глубинных зон 15-30 см и 30-60 см были собраны с помощью пробоотборника Dakota. Образцы глубокого профиля были собраны с помощью расширенного шнекового пробоотборника.

Таблица 2: Содержание CaCO3(eqv) в различных глубинах почвы на основе результатов кальциметрии.

Оксиды в почве Массовая доля%
SiO2 65.19
Al2O3 14.76
Fe2O3 6.20
Цао 3.62
К2О 2.98
2О5 2.11
МгО 1.69
На2О 1.45
ТиО2 1.25
СО3 0.37
Мно 0.16
Бао 0.11
ЗрО 2 0.10

Таблица 3: Данные WDXRF о составе различных оксидов, присутствующих в контрольном грунте. Дубликаты образцов в виде сыпучего порошка анализировали в течение 20 мин безстандартным методом Omniam, под гелием и мощностью 1 кВт, а концентрации рассчитывали как оксиды.  Средняя сумма до нормализации составляла 69,8 мас.%, при этом балансом была пористость и неопределяемые легкие элементы (H, C, O, N). Отобраны средние концентрации обнаруженных оксидов, присутствующих в количествах более 0,10 мас.%, и нормализованы до 100%.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Учитывая, что сбор образцов с удобренных сельскохозяйственных полей, как правило, затруднен, предлагается, чтобы образцы были собраны до внесения питательных веществ. Также желательно избегать сбора проб с замерзших полей. Глубина отбора проб может варьироваться в разных областях в зависимости от удобства отбора проб по вертикальному профилю и глубины грунтовых вод. Выбранное устройство для отбора проб почвы зависит от структуры почвы и глубины, представляющих интерес33. Хотя в случае неглубоких проб удобнее использовать ручные зонды/шнеки, обычно для извлечения образцов недр рекомендуется более усовершенствованная версия (например, выдвижной шнек)33. При преобладании плотных глин или цементированных песков могут возникнуть некоторые трудности при извлечении кернов из-за трения и истязанности пробоотборника33. Одним из вопросов для кампаний по проверке неорганического углерода является выбор подходящего интервала для отслеживания поглощения углерода в почвах, поскольку он может быть переменным в течение длительных интервалов (например, от 5 до 10 лет)34. Хотя не существует предписанной частоты для повторного отбора проб, умеренно длинные интервалы (например, ежегодные или двухгодичные), как полагают, повышают вероятность надежного отслеживания изменений SIC35.

Существует также несколько проблем, усложняющих измерение неорганического углерода с использованием различных анализов. Во-первых, речь идет о возможном медленном растворении карбонатных видов во время кальциметрического анализа, особенно при улавливание карбонатов внутри агрегатов частиц или даже внутри исходных силикатных частиц; это уменьшает контакт кислотного раствора, замедляя или даже препятствуя растворению карбонатов и, как следствие, дегазации CO2 при кальциметрическом анализе. Другая трудность, которая может возникнуть, связана с минералогическим анализом, с точки зрения обнаружения продуктов выветривания/связывания, а также из-за неоднородности почвы, которая затрудняет анализ XRD и SEM-EDS, по крайней мере, затрудняя достижение окончательных результатов36. Процедура фракционирования была признана полезной в нашей предыдущей работе28 для концентрации педогенных карбонатов и остаточных силикатов в одной почвенной фракции (фракции поддонов), что позволяет проводить более точный химический, минеральный и морфологический анализ. Другие исследования показали, что накопленный органический углерод с большей вероятностью будет храниться в агрегации мелких частиц сельскохозяйственных почв37,38,аналогичной частицам, проанализированным на рисунке 5. Кроме того, более высокая площадь поверхности мелкодисперсных частиц силикатных пород приводит к более высокой скорости выветривания по сравнению с более грубой фракцией15. Однако фракционирование может варьироваться от почвы к почве и даже может не требоваться для почвы, содержащей большое количество карбонатов и силикатов. Кроме того, его потребность или польза должны быть дополнительно проверены для различных типов почв и различных силикатных поправок, чем те, которые использовались в нашей предыдущей работе.

В текущем исследовании мы продемонстрировали методы обнаружения и анализа SIC за счет применения волластонита в сельскохозяйственных почвах. Хотя эти методы могут быть использованы для исследования SIC в почвах, измененных другими кандидатами на усиленное выветривание, такими как базальт и оливин, выбранный минерал может оказывать различное воздействие на почву, что следует учитывать в ходе анализа. Например, процесс выветривания может занять больше времени для некоторых минералов по сравнению с другими. Это может быть связано с непохожей скоростью растворения нескольких минералов, заключающейся в разной скорости минерализации в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Другая проблема связана с возникновением осажденных карбонатов над вертикальным профилем почвы, которые могут варьироваться в зависимости от силикатных минеральных свойств и возникающих в результате геохимических кондиций почвы, индуктивных или не приводящих к немедленному карбонатному осаждению на мелководье почвы. Соответственно, изменение почв некоторыми типами силикатов может привести к значительному педогенной карбонатной образованию в более глубоких слоях, в отличие от неглубокого накопления карбонатов из-за выветривания волластонита, обнаруженного на изученных ими полях. Керновы пробоотборники широко используются для извлечения ненарушенные образцы и измерения ненарушенного БД в полевыхусловиях 39. Поскольку BD является функцией нескольких климатических параметров и настроек практики, и он может варьироваться как пространственно, так и временно, требуется разумное количество реплик для получения приемлемого диапазона неопределенности BD в исследуемойобласти 39. Это особенно необходимо для устранения больших неопределенностей врасчетных оценках SIC, таких как значение, определенное в текущем исследовании (т.е. ± 39%).

Термогравиметрический анализ (TGA) также может быть использован для определения содержания карбоната кальция в почве путем измерения потерь массы в диапазоне температур 500−800 °C, который является диапазоном температур разложения для CaCO340. Автоматизированный анализатор углерода или методы TGA подходят для анализа образцов почвы из небольших ограниченных районов, таких как эксперимент в горшке, поскольку эти методы требуют только 20 миллиграммов образца почвы для анализа. Поэтому для сельскохозяйственных исследований результаты кальциметрии считаются более точными и точными, учитывая большую массу анализируемого образца (10 г против 20 миллиграммов), полученные тройные показания и использование чистого карбоната кальция в качестве стандарта метода. Более подробную информацию и примеры можно найти в Haque et al.36. В связи с совместным залегание в почве педогенных карбонатов, обусловленных геологическими и атмосферными явлениями, важное значение имеет различие между различными источниками. Стабильные изотопные (δ13С) и радиогенные(14С) углеродные сигнатуры, а также изотопные кислородные сигнатуры рассматриваются как надежные инструменты для идентификации источника углерода впочве16,41,42,43. Такой анализ может дополнительно проверить связывание атмосферногоСО2 в исследованиях, направленных на мониторинг судьбы педогенного карбоната в почвах.

В то время как традиционные методы обнаружения углерода (например, измерение массы) подходят для местных углеродных рынков, требуются более систематические методы, когда речь идет о целях проверки на регулируемых рынках35. Описанный здесь метод верификации можно адаптировать для мониторинга педогенного связывания неорганического углерода в различных сельскохозяйственных почвах, дополненных щелочноземельными металлами силикатсодержащими породами, такими как волластонит, базальт и оливин. Этот тип валидации имеет важное значение для программ углеродного кредитования, которые могут принести пользу фермерам, которые поглощают углерод на своих полях.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У авторов нет конфликта интересов.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана грантом Food from Thought Commercialization Grant, который финансируется из Канадского фонда первого передового опыта в области исследований. Канадский Wollastonite предоставил промышленную финансовую поддержку в рамках этого гранта.

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

Науки об окружающей среде выпуск 172 педогенные карбонаты улучшенное выветривание улавливание и хранение углерода отбор проб почвы кальциметрия неорганический углерод
Мониторинг педогенного накопления неорганического углерода в результате выветривания измененных силикатных минералов в сельскохозяйственных почвах.
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