Waiting
Login processing...

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

Environment

TarımSal Topraklarda Değiştirilen Silikat Minerallerinin Yıprağa MaruzLenmesi Nedeniyle Pedojenik inorganik Karbon Birikiminin İzlenmesi.

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

Burada açıklanan doğrulama yöntemi, wollastonite, bazalt ve olivin gibi alkali toprak metal silikat içeren kayaçlarla değiştirilen çeşitli tarım topraklarında pedojenik inorganik karbon tecritini izlemek için uyarlanabilir. Bu tür doğrulama, tarlalarında karbon inzdiye alan çiftçilere fayda sağlayabilecek karbon kredisi programları için gereklidir.

Abstract

Bu çalışma, tarımsal topraklardaki birleşik kayaçların gelişmiş yıprdanmasıyla inorganik karbonun izlenmesi için sistematik bir prosedür göstermeyi amaçlamaktadır. Bu amaçla, farklı derinlikte (0-15 cm, 15-30 cm ve 30-60 cm profiller dahil) alınan çekirdek toprak örnekleri, üst toprağı zaten mineral içeren alkali toprak metal silikat (wollastonite gibi) ile zenginleştirilmiş bir tarım alanından toplanır. Laboratuvara taşındıktan sonra, toprak örnekleri hava ile kurutulur ve elenir. Daha sonra numunelerin inorganik karbon içeriği kalsimetri adı verilen hacimsel bir yöntemle belirlenir. Burada sunulan temsili sonuçlar, kontrol topraklarına kıyasla Ca silikat ile değiştirilen topraklarda beş kat katlanmış inorganik karbon içeriği artışı göstermiştir. Bu bileşimsel değişime, değiştirilen topraklarda 1 üniteden fazla pH artışı eşlik etti ve silikatın yüksek oranda çözünmesi anlamına geldi. Mineralojik ve morfolojik analizlerin yanı sıra element bileşimi, silikatla değiştirilmiş toprakların inorganik karbon içeriğindeki artışı daha da doğrulamamaktadır. Bu çalışmada sunulan örnekleme ve analiz yöntemleri, bazalt ve olivin gibi diğer uygun silikat kayaçlarla değiştirilenler de dahil olmak üzere topraklarda ve toprak altılarda pedojenik inorganik karbon değişikliklerini izlemek isteyen araştırmacılar ve profesyoneller tarafından benimsenebilir. Bu yöntemler, karbon kredilerini onaylamak ve ödüllendirmek için özel ve resmi kuruluşlar tarafından toprak inorganik karbon tecritlerini doğrulamak için araçlar olarak da kullanılabilir.

Introduction

CO2 büyük bir sera gazıdır (GHG) ve atmosferdeki konsantrasyonu sürekli olarak artmaktadır. Preindüstriyal küresel ortalama CO2 milyonda yaklaşık 315 parçaydı (ppm) ve Nisan 2020 itibarıyla atmosferik CO2 konsantrasyonu 416 ppm'in üzerine çıktı, bu nedenle küresel ısınmaya neden oldu1. Bu nedenle, bu ısı kapan GHG'nin atmosferdeki konsantrasyonunun azaltılması kritik öneme sahiptir. Socolow2, atmosferik CO2 ila 500 ppm konsantrasyonunu 2070 yılına kadar stabilize etmek için, her stabilizasyon kamasının emisyon azaltmada yılda 3,67 Gt CO2 eq elde etmek için boyutlandırılmış bireysel bir azaltma yaklaşımı olduğu dokuz 'stabilizasyon kaması' gerekeceğini öne sürtünmektedir.

Karbon yakalama ve depolama (CCS), Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Konferansı2015 3'tebaşlatılan Misyon İnovasyon girişimi tarafından önerildiği gibi CO 2'yi atmosferden azaltmak için ana teknolojidir. Atmosferik CO2'yiyakalamak için, mevcut üç ana depolama seçeneği okyanus depolama, jeolojik depolama ve mineral karbonasyon4'tir. Mineral karbonasyona odaklanan CO2, başta kalsiyum ve magnezyum bakımından zengin silikatlar olmak üzere alkali toprak metallerinin jeolojik zaman dilimleri için termodinamik olarak kararlı karbonatlara dönüştürülmesiyle depolanır (milyonlarca yıldan fazla)5. Örneğin, olivin, piroksin ve serpantin grubu mineraller mineral karbonasyon geçirme potansiyeline sahiptir6; ancak normal şartlarda bu reaksiyonlar yavaş reaksiyon kinetiği ile sınırlıdır. Bu nedenle, ortam koşullarında süreci hızlandırmak için, bu silikatların ince işlenmiş (ezilmiş / öğütülmüş) formları tarım topraklarına uygulanabilir, karasal gelişmiş hava koşulları olarak adlandırılan bir işlem7. Toprak CO depolamak için doğal bir lavabodur2 2500Gt karbon için bir rezervuar, atmosferik rezervuar (800 Gt karbon)8. Topraklarda ve toprak altındaki pedojenik süreçler atmosferik CO2'yi iki ana doğal yol ile düzenler, yani organik madde döngüsü ve alkali toprak metal minerallerinin yıprağı, organik ve inorganik karbon havuzlarını etkiler, sırasıyla9.

Atmosferik CO 2'nin neredeyse 1.1 Gt'nin kimyasal kayayıprılılığı ile mineralize olduğu tahmin edilmektedir. Kalsiyum ve magnezyum bakımından zengin silikat kayaçları (örneğin bazalt), gelişmiş hava koşulları için birincil hammadde olarak kabul edilir9,11,12. Ezilmiş silikat içeren mineraller tarım alanlarına uygulandıktan sonra, toprak gözenekli suda çözünen CO2 ile reaksiyona başlarlar ve kararlı karbonatların mineral çökeltmesi ilesonuçlanırlar 11,13. Olivine14,15, wollastonite (CaSiO3)13, dolerite ve bazalt16, önceki çalışmalarda gelişmiş hava koşulları ile karbon tecrit potansiyelini gösteren mineraller arasındadır. Magnezyum silikatların daha fazla kullanılabilirliğine ve dolayısıyla muhtemelen daha fazla CO2 tecrit kapasitesine rağmen, Cr ve Ni liçlerinin bir sonucu olarak potansiyel çevresel etkileri ve asbestiform partiküllerin olası varlığı nedeniyle mahsul alanlarında gelişmiş hava koşullarına yönelik uygulamaları hakkında endişelervardır 11,15,17,18. Kalsiyum taşıyan bir silikat olarak wollastonite, yüksek reaktivite, basit kimyasal yapısı, çevreye duyarlı olması ve Ca iyonlarının silika matrisine daha zayıf bağlanması nedeniyle karbonat üretimini kolaylaştırması nedeniyle bu işlem için birincil aday olarak vurgulanmaktadır12,19,20,21. Kingston, Ontario, Kanada'da çıkarılan ve şu anda Kanada Wollastonite tarafından tarımsal uygulamalar için ticarileştirilen Wollastonite, yüksek düzeyde tehlikeli metal içermez. Dünya çapında wollastonite rezervlerinin 100 Mt'nin üzerinde olduğu tahmin edilirken, Çin, Hindistan, ABD, Meksika, Kanada ve Finlandiya en verimli ülkelerolarak 22.

Silikat mineralinin gelişmiş hava durumunun toprak sağlığını, özellikle mahsul verim artışını ve bitki büyümesinin iyileştirilmesini teşvik ettiği ve sentetik gübrelerin uygulanmasında potansiyel azalmaya yol açan, GHG emisyonlarının azaltılmasına daha fazla katkıda bulunabilecek11 , 18,19. Önceki çalışmalar, Ca bakımından zengin silikat minerallerinin topraklara uygulanmasının, toprak ortamında asitliği nötralize etmek için temellik sağladığını ve mahsul üretimini desteklediğini bildirmiştir23,24,25. Bu aynı zamanda toksik metallerin mobilizasyonuna engel olur, asidik koşullara duyarlıdır ve gelişmiş hava koşulları toprak organik madde artışı yoluyla erozyon geciktirmek için yararlı olabilir11.

Denklemler 1-3, inorganik karbonatlar olarak pedojenik karbon tecritinin, wollastonit ile toprakların değiştirilmesiyle nasıl mümkün olduğunu göstermektedir. Ortam CO2 toprağa yağmur suyundan girer veya organik bileşikleri bozan mikrobiyal aktivite ile toprakta üretilir. Toprak porewater ile temas ettikten sonra, bikarbonat ve proton oluşturmak için ayrışan karbonik asit oluşur (Denklem 1). Bitkilerin varlığında, sitrik asit ve maleik asit gibi kök eksüdaları salınır ve bu da sistemde proton sağlar. Bu protonlar, Ca iyonlarını serbest bırakarak ve amorf silika bırakarak topraktaki wollastonitlerin çözünmesini kolaylaştırır (Denklem 2). Salınan Ca iyonları sonuçta karbonatlar (kristal kalsit veya jeokimyasal koşullara bağlı olarak diğer çeşitler) olarak çökelmek için bikarbonat ile reaksiyona girer (Denklem 3). Bu oluşan kalsiyum karbonat, toprağın inorganik karbon (SIC) fraksiyonunun bir parçası haline gelir26.

Ortam CO2 çözme:

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

Wollastonite çözünmesi (H+ karbonik asit ve kök eksüdasyonunun ayrışmasından):

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

Pedojenik inorganik karbonat çökeltme:

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

Son çalışmalarımızda, kireçtaşı alternatifi bir değişiklik olarak wollastonite'in tarım arazilerine uygulanması yoluyla gelişmiş hava koşulları, caco3 yağışı için hem laboratuvar hem de saha ölçeklerinde ve kısa (birkaç ay) ve uzun (3 yıl) terimlerle etkili bulunmuştur. Saha çalışmalarında kimyasal ve mineralojik değerlendirmeler, SIC içeriğinin wollastonite uygulama dozajı (ton·hektar-1)13ile orantılı olarak arttığını ortaya koydu. Laboratuvar çalışmalarında mineralojik analizde karbon sequestrasyona bağlı pedojenik karbonat varlığıgösterilmiştir 19. Toprakta pedojenik karbonat oluşumu, en önemlisi çeşitli faktörlere bağlıdır: topografya, iklim, yüzey bitki örtüsü, toprak biyotik süreçleri ve toprak fizikokimyasal özellikleri27. Önceki çalışmamız23, bitkilerin (baklagil bitkisi (yeşil fasulye) ve baklagil olmayan bir bitkinin (mısır)) wollastonit yıprar ve topraktaki inorganik karbonat oluşumu üzerindeki rolünü belirlemiştir. Toprak ve toprak altındaki pedojenik karbon oluşumu ve göçü üzerine devam eden araştırmamız, ilk olarak çeşitli derinliklerde ve zamanla mineral yıprağa bağlı olarak üst topraklarda oluşan toprak karbonatlarının tarımsal topraktaki kaderini araştırmayı içermektedir. Zamanian ve ark.27'yegöre, doğal olarak meydana gelen pedojenik karbonat ufku, yerel yağış oranı arttıkça yüzeyden daha uzakta bulunur ve bu ufkun üst kısmı genellikle yüzeyin birkaç santimetre ila 300 cm altında görülür. Toprak suyu dengesi, mevsimsel dinamikler, ana malzemedeki ilk karbonat içeriği, toprak fiziksel özellikleri gibi diğer ortam ve toprak parametreleri de bu oluşumun derinliğini etkiler27. Bu nedenle, silikatların gelişmiş hava koşullarından kaynaklanan orijinal ve artımlı SIC seviyelerinin doğru bir şekilde anlaşılması için tüm fırsatlarda yeterli derinliğe kadar toprak örneklenmesi önemlidir.

Alan ölçeğinde, önemli bir sınırlama silikat toprak değişikliklerinin düşük uygulama oranlarının kullanılmasıdır. Birçok silikatın (wollastonite ve olivin gibi) toprak ve bitki sağlığı üzerindeki etkisi hakkında sınırlı bilgi olduğundan, ticari üreticiler önemli karbon salınımı ile sonuçlanabilecek daha yüksek uygulama oranlarını test etmekten kaçınmaktadır. Bu kadar düşük uygulama oranlarının yanı sıra, mahsul alanlarının geniş alanının bir sonucu olarak, yaygın olarak karşılaşılan bir araştırma zorluğu, değerler nispeten düşük olduğunda SIC'deki değişiklikleri belirlemek ve morfolojik ve mineralojik değişiklikleri incelemek için silikat tanelerini ve yıprağı ürünlerini topraktan geri kazanmak ve izole etmektir. Geçmiş çalışmalarımızda, wollastonite değiştirilmiş toprağın fiziksel fraksiyonasyonunun (eleme kullanarak) özellikle pedojenik karbonatların oluşumu ve birikmesi olmak üzere yıprılım sürecinin daha iyi anlaşılmasını nasıl sağladığını bildirdik28. Buna göre, wollastonite ve yıpranma ürünlerinin daha yüksek içeriği, analizler sırasında makul derecede yüksek değerler sağlayan, daha kesin ve güvenilir sonuçlar sağlayan toprağın daha ince fraksiyonunda tespit edildi. Bulgular, silikatla değiştirilmiş topraklardaki sıralı karbon birikiminin güvenilir bir şekilde tahmin edilmesi için eleme veya diğer ayrım araçlarıyla fiziksel fraksiyonasyon kullanmanın önemini vurgulamaktadır. Bununla birlikte, fraksiyonasyon derecesi topraktan toprağa ve silikitten silikat'a değişebilir, bu nedenle daha fazla araştırılmalıdır.

SIC'nin doğru ölçümü, SIC ve (ve organik karbonun) zaman ve toprak derinliği üzerindeki evrimini analiz etmek isteyen çeşitli araştırmacılar tarafından benimsenebilecek standart ve bilimsel bir prosedür oluşturmak için kritik öneme sahiptir. Bu metodoloji, çiftçilerin tarla topraklarında SIC oluşumu sonucu karbon kredisi talep etmelerini sağlar. Aşağıdaki protokol ayrıntılı olarak açıklanmaktadır: (1) analiz edilen toprak verilerinin istatistiksel önemini açıklayan toprak silikat değişikliğini takiben kullanılacak bir toprak örnekleme yöntemi; (2) gelişmiş silikat yıpretmenin bir sonucu olarak pedojenik inorganik karbonat havuzundaki değişiklikleri ölçme doğruluğunu artıran bir toprak fraksiyonasyon yöntemi ve (3) toprak silikat değişikliğinin bir sonucu olarak SIC sequestrasyon oranını belirlemek için kullanılan hesaplama adımları. Bu gösterinin amacı için, Kanada Wollastonite kaynaklı Wollastonite'in tarım topraklarına uygulanan silikat minerali olduğu varsayılıyor ve tarım topraklarının Güney Ontario'nun tarım arazilerinde bulunanlara benzer olduğu kabul ediliyor.

Tarım toprağının wollastonit ile değiştirilmesini içeren prosedür (örneğin, hektar başına uygulanacak wollastonite miktarının belirlenmesi ve toprağa yayılma yöntemi) önceki çalışmamızdaaçıklanmıştır 13. Önceki ve şimdiki çalışmalarımızdaki çalışma alanı dikdörtgen arsalardır; bu nedenle, doğrudan rastgele örnekleme yöntemi bu tür çalışmalar için uygundur. Bu, düşük maliyeti, azaltılmış zaman gereksinimi ve yeterli istatistiksel belirsizlik sağlama yeteneği nedeniyle yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Benzer şekilde, çeşitli alan koşullarına ve istenen istatistiksel önem düzeyine bağlı olarak, bölgesel veya ızgara örnekleme yöntemleri de kullanılabilir. Toprak örneklemede doğruluk, örnekleme önyargısının bir sonucu olarak istatistiksel belirsizliği azaltmak için gereklidir. İstatistikler kullanıldığında, %95'ten daha az güven elde etmek (yani, p < 0,05) "istatistiksel olarak anlamlı" olarak kabul edilir. Bununla birlikte, bazı toprak etütleri için, ölçümlerin genel hassasiyetini etkileyen alan koşullarındaki kontrolsüz (yani doğal olarak değişen) parametrelerin sayısı nedeniyle güven seviyesi% 90'a (yani p < 0.10) gevşetilebilir. Bu protokolde, dikey profili boyunca toprağın SIC içeriğini ve diğer kimyasal, mineral ve morfolojik özelliklerini araştırmak için iki numune seti toplanır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Toprak örnekleme yöntemi ve çekirdek toplama

  1. Haritalı ve sınırlanmış bir tarım arazisi alanını, arazi yüksekliğine, tarihsel mahsul verimine ve/veya arazi yönetimi stratejisine göre farklı arazilere bölün. Bir GPS alıcısı kullanarak her arsanın seviyelendirmesini belirleyin, mahsul verimini geçmiş çiftlik kayıtlarına (ortalamanın altında, ortalamanın, ortalamanın üzerinde) ve her arsa için kullanılan arazi yönetim stratejisine (varsa kullanılan toprak değişiklikleri türleri) göre sınıflandırın. Sonraki örneklemeyi kolaylaştırmak için bayrakları her çizimin sınırlarına yerleştirin.
    NOT: Şekil 1, üzerinde çalışılan dikdörtgen alanın dört arsaya (A, B, C, D) bölünmüş olduğunu göstermektedir. Böyle deneysel bir tasarım ve bilgi, analiz edilen verilerin istatistiksel önemini kontrol etmek için yardımcı olacaktır. Ayrıca, düzensiz tarım arazileri için uygun olabilir ve mahsul sıralarının arazi yönüne, akıntıya, baskın rüzgara, güneş yoluna vb. Bu dört arsa, bir saha çekim kampanyasını kolaylaştırmak için düşünüldi.
  2. Her çizimde çekirdek toplamak için yönlendirilmiş rastgele örnekleme yöntemini kullanın. Izgara desenini izleyen her çizimi 25 alt çizime alt bölümlere bölün (Şekil 2). 25 çekirdek toplamak, geleneksel olarak önerilen minimum çekirdek sayısının (15-20) üzerindedir.

​Figure 1
Şekil 1: Örnek toplama için kullanılan çizimlerin temsili (her çizim 5 m × 10 m (toplam dört x 50 m2)bir alanı temsil eder). Siyah bayraklar örneklemeyi kolaylaştırmak için her çizim sınırını sınırlar ve beyaz bayraklar konumları derin örnekleme için işaretler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Yönlendirilmiş rastgele örnekleme yöntemine dayanarak çekirdek örnekleri toplamak için her çizimin alt bölümü (her alt bölüm 1 m x 2 m'lik bir alanı temsil eder). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. 

  1. Her alt çizimde her alt çizimde bir tane olmak üzere rastgele noktalardan çekirdek örnekleri toplayın. Silikat toprak değişikliği nedeniyle SIC varyasyonunun derinliğini hesaba katmak için toprak çekirdeğini 0-15 cm, 15-30 cm ve 30-60 cm'lik üç derinlik bölgesine kadar toplamak için bir toprak probu veya toprak çekirdeği örnekleyici kullanın.
    NOT: Toprağın türüne ve kullanılan prob/numune alma örneğine bağlı olarak, 30-60 cm'lik numuneyi toplamak için farklı bir örnekleyici gerekebilir.
  2. Şekil 1'deki beyaz bayrak konumlarından 60-100 cm, 100-175cm ve 175-250 cm'lik ek üç derinlik bölgesine kadar derin toprak örnekleri toplamak için uzatılabilir bir helezon (veya benzer şekilde yetenekli örnekleyici) kullanın. Bu örnekler, bu derinliklerdeki toprak karakterizasyon varyasyonunu ve araştırılan arazi alanındaki arka plan SIC seviyesini, doğal olarak meydana gelen pedojenik karbonat ufkunun üst derinliğine kadar değerlendirmeyi hesaba katmaktadır.
    NOT: Sahadaki yerel özelliklere (örneğin yeraltı suyu masasının derinliği) bağlı olarak, en derin bölge farklı konumlarda değiştirilebilir.
  3. Toprak örneklerini her arsada örneklenmiş her derinlik için bir tane olmak üzere kovalara taşıyın. Her kovadaki toprakları iyice elle karıştırın. Taşınabilir nem test cihazı karışık toprak örneğine yerleştirin. Nem içeriği cihazın göstergesinde sabit bir noktada sabitlenine kadar bekleyin. Tutucu düğmesine basın ve değeri harmanlanmış toprakların gerçek zamanlı nem içeriği olarak kaydedin.
  4. Kompozit numuneleri kapalı torbalarda saklayın. Torbaları, arsalar (A, B, C veya D), toprak derinliği (0-15 cm, 15-30 cm, 30-60 cm, 60-100 cm, 100-175cm, 175-250 cm) ve örnekleme tarihi hakkında bilgilerle uygun şekilde etiketle.

2. Kimyasal analizden önce toprak fraksiyonasyonu

  1. Toprak karbonunun oksidasyonunu en aza indirmek için numunelerden sonra toprak örneklerini mümkün olan en kısa sürede havayla kurulayın. Bunun için, toprak örneklerini karton kutulara (2,5" x 3" x 3") yerleştirin ve kutuları toprak kuruyana kadar 24-48 saat boyunca 50 ° C'de bir kurutma dolabına yerleştirin. Havayla kurutulmuş numuneleri bir sonraki analize kadar numune torbalarında saklayın.
  2. Toprak fraksiyonasyonundan önce, büyük kaya parçalarını ve bitki kalıntılarını çıkarmak için toprak örneklerini 2 mm'lik bir elekle çalıştırın.
  3. Numuneleri 105 ± 2 °C'de en az 15 saat muhafaza edilen bir susturucu fırınına yerleştirerek elenmiş toprakları fırınlayın.
  4. Toprak fraksiyonasyonu için, fırında kurutulmuş numunenin 1 kg'ını farklı ağ boyutlarından (710 ila 50 μm) oluşan elek çalkalayıcının üst örgüsüne yerleştirin. Elekleri 15 dakika boyunca 60 rpm'de sallayın. Pan fraksiyonları <50 μm tercihen analizler için kullanılır, çünkü bu pedojenik karbonatla zenginleştirilmiş toprak fraksiyonudur.
    NOT: Diğer toprak fraksiyonları, değiştirilen silikatların gelişmiş yıprdanması nedeniyle SIC birikiminin doğrulanması için ek veri sağlamak için de test edilebilir.

3. Pedojenik inorganik karbon sequestrasyon tayini

  1. Kalsimetri analizi kullanarak toprak örneklerinin inorganik karbon içeriğini belirlemek için, elenmiş bir toprak örneğinin 5 g'ını uygun bir Erlenmeyer şişesine yerleştirin. Numuneyi 20 mL ultra saf suda askıya alın. Küçük bir düz tabanlı cam test tüpüne 7 mL 4 M HCl ekleyin, ardından bu tüpü bir çift cımbız kullanarak şişenin içine dik olarak yerleştirin.
  2. Lastik durdurucuyu yapıştırarak şişeyi kireçmetreye dikkatlice takın. Kalsimetredeki burette su seviyeleri daha önce gerektiği gibi ayarlanmalıdır ve boşluklar ve CaCO3 standartları gerektiğinde kalsmetre üzerinde bir kez çalıştırılmalıdır.
  3. Şişeyi sallayın, böylece buretteki su seviyesi sabit bir değere ulaşana kadar asit tüpünü devirin ve çözeltide kabarcıklanma gözlenmez (bu yaklaşık 5 dakika sürer).
  4. Örneğin CaCO3eşdeğeri (CaCO3(eqv)içeriğini hesaplayın (g,CaCO3(eqv)·( kg,toprak)-1) uygun kalsimetri formülünü kullanarak burette gözlenen hacim değişimine ve boş ve CaCO3 kalibrasyon değerlerine dayanır. SIC içeriği g,CaCO3(eqv)dönüştürülerek elde edilir · (kg,toprak) -1 kg değeri,CO2· (ton, toprak) -1 veya kg,C· (ton, toprak) -1.
    1. Aşağıdaki formülü kullanarak örneğin CaCO3(eqv) içeriğini hesaplayın:
      Equation 1(4)
      nerede:
      w (CaCO3(eqv)= fırında kurutulmuş toprağın karbonat içeriği
      m1 = test bölümünün kütlesi
      m2 = kalsiyum karbonat standartlarının ortalama kütlesi
      V1 = test kısmının reaksiyonunun ürettiği karbondioksit hacmi
      V2 = kalsiyum karbonat standartları tarafından üretilen ortalama karbondioksit hacmi
      V3 = boş belirlemelerdeki ses değişimi
      w (H2O) = kurutulmuş numunenin su içeriği
      NOT: 3.1 ile 3.4 arasında adımlar standart bir protokole göre yürütülmektedir29.
  5. Toprağın ((ton, toprak)·m−3)kütle yoğunluğunu (BD) ölçmek için, fırınla kurutulmuş toprak örneğinin yeterince büyük bir aliquotunu bilinen hacimli bir kaba yerleştirin. Numuneyi bir ölçek kullanarak tartın. Kurutulmuş ağırlığın numunenin hacmine oranı BD olarak kabul edilir.
    NOT: Tartışmada "bozulmamış toplu yoğunluğu" hesaplamak için alternatif cihazlar tanıtılır.
  6. Areal SIC'yi hesaplama (kg,CO2·( hektar)−1) aşağıdaki formülü kullanarak:
    Equation 2(5)
    nerede:
    A = yüzey alanı
    DT = derinlik kalınlığı
  7. Toplam SIC'yi hesaplayın (SIC 0-60 cm, kg,CO2·( hektar)−1) her çizim için, her derinlik için elde edilen areal SIC değerlerini kullanarak aşağıdaki gibi:
    SICArsa A = SIC0-60 cm = SIC0-15 cm + SIC15-30 cm + SIC30-60 cm (6)
  8. Toplam areal SIC ekleyin (SIC 0-60 cm, kg,CO2·( hektar)−1) araştırılan her arsanın (A, B, C, D) içeriği ve ortalama ortalamayı aşağıdaki gibi elde edin:
    Equation 3(7)
  9. Ortalama areal SIC'yi bölün (kg,CO2·( hektar)−1) Toprak değişikliği için kullanılan silikat minerali/kayaç uygulama oranı ile Eq. 7'den elde edilen ((ton, silikat)·( hektar)−1).
    NOT: Bu, uygulanan silikat tonu başına KG2 kg açısından inzalize edilen pedojenik inorganik karbon miktarını sağlayacaktır (kg, CO2·( ton, silikat)−1). Çok yıllı bir soruşturma yapılırsa veya silikat değişikliği olmayan bir kontrol planı varsa, bu adımın daha uzun vadeli veya yıldan yıla değerler veya net pedojenik karbon tecrit üzerinde toplam tecrit ve toplam değişikliği hesaba katacak şekilde değiştirilmesi gerekir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Toprakların SIC içeriği, otomatik karbon analizörü veya kalsimmetre de dahil olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılarak belirlenebilir. Toplam toprak karbon tayini için otomatik karbon analizörü, kapalı bir kapta yerleşik CO2 basıncını ölçen30. Kalsimetride, karbonat içeren numunenin konsantre HCl asidinin eklenmesiyle, asitleşmeden sonra salınan CO2'nin evrimleşmiş hacmi ölçülür. Kalsimetri yöntemi, basit kimyasal prosedürleri içeren nispeten basittir, bu nedenle birçok alan örneğini yüksek hassasiyetle (yani tekrarlanabilir değerler) ve yeterli doğrulukla (yani doğru karbonat içeriğine yakın değerler) hızlı bir şekilde analiz etmek için uygundur. Bu çalışmada kullanılan yönlendirilmiş rastgele örnekleme yönteminde, her arsadan alınan örnekler iyice elle karıştırılır, daha sonra SIC içeriğini analiz etmeden önce homojen bir temsili toprak örneği elde etmek için kurutulur. Kalsimetre analizi her örnek için üç taraflı olarak yapılır.

Toprak örneklerinin element bileşimi Dalga Boyu Dispersiyonel X-ışını Floresan spektroskopisi (WDXRF) veya Endüktif Olarak Eşleştirilmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICP-MS) ile belirlenebilir. İkincisi durumunda, toprak örnekleri analizden önce asit sindirilmelidir. Mineral bileşimi en iyi toz X-ışını Kırınımı (XRD) ile belirlenir. Elde edilen difaraktogram, rietveld arıtma tekniği ile ölçülebilen kristal mineral fazlarının varlığı hakkında nitel bilgiler sağlar, en iyi iç standardın kullanımı ile yardımcı olur. Elementel ve mineralojik bileşim, silikatların ve yıprar ürünlerinin örnekleme zamanında ulaştığı derinliği çıkarmak için kullanılabilir. Bu nedenle, karbonatların uzun süre saklanabileceği toprak altından toprak altı doğru taşımayı doğrulayabilirler. Toprak partiküllerinin morfolojisi taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ile incelenebilir ve yarı nicel elementel mikroanaliz için enerji dispersiyon spektroskopisi (EDS) ile birleştirilebilir. Morfolojik analiz, artık silikatları, yıprar ürünlerini tanımlamak ve yıprar fenomenleri (yüzeylerin çözülmesi, yeni çökelmiş kristaller ve amorf malzemelerin oluşumu gibi) mekanistik bir anlayış kazanmak için kullanılabilir. Mineralojik ve elementel mikroanaliz sonuçları kalsimetri sonuçlarını daha fazla doğrulamak için de kullanılabilir. Kalsit (CaCO3)gibi birikmiş karbonat fazlarının varlığı difraktogramlarda belirgin olabilir ve toprak partikülleri arasında bileşimsel imza ile bulunabilir.

Tablo 1, wollastonite değiştirilmiş bir toprak için tipik bir veri kümesini gösterir (0-15 cm'den toplanır ve işlenmemiş) toprak pH'ı, kalsimetri sonuçları ve mikrodalga sindirimi kullanılarak elde edilen kalsiyum iyon konsantrasyonu açısından işlenmemiş bir toprağa kıyasla ICP-MS tarafından takip edilir. Wollastonite tarafından değiştirilen toprağın pH'ı kontrole kıyasla 1,15 birim daha yüksektir ve CaCO3 (eqv) içeriği kontrolden yaklaşık beş kat daha fazladır. Wollastonite tarafından değiştirilmiş topraktaki kalsiyum konsantrasyonu da neredeyse yedi kat daha yüksektir. Tek başına, ICP-MS wollastonit veya kalsit gibi hangi kalsiyum mineralini ayırt edemez, esas olarak bu kalsiyum konsantrasyonlarına katkıda bulunur. Yine de, değiştirilen toprak kontrol toprağından hem daha fazla wollastonite hem de daha fazla karbonata sahip olacağından, kalsiyum konsantrasyon farkının karbonat farktan daha önemli olması beklenir. Bu numunelerin WDXRF ve XRD analizi, numunelerde bulunan ana oksitlerin ve mineral fazlarının daha da netleştirilmesine yardımcı olabilir.

Dikey profil (0-15, 15-30 ve 30-60 cm) üzerindeki CaCO3(eqv) içeriği (kalsometre sonuçları) Tablo 2'degösterilmiştir. Buna göre, en yüksek içerik (unsieved örneklerin) 10,13 g,CaCO3(eqv)oldu · (kg,toprak) -1, 0-15 cm derinlik bölgesinde tespit edilir. 15-30 cm'lik numuneler en düşük CaCO3(eqv)miktarını gösterdi. CaCO3(eqv) içeriği 30-60 cm bölgesinde tekrar arttı. İki derin profil örneğinden elde edilen sonuçlar, karbonatların daha derin katmanlardaki (60-100 cm profil) çok daha yüksek içeriğini de göstermektedir. Sığ ve derin örneklerin sonuçlarına dayanarak, karbonatlarda zenginleştirilmiş iki bölge olduğu ima edilmektedir. Birincisi, kontrole karşı önemli artış göz önüne alındığında, wollastonite uygulaması nedeniyle yıpramayan ürünlerin temsilcisi olan 0-15 cm derinlik bölgesidir. Diğer bölge, yaklaşık 30 cm'den başlayan ve büyük ölçüde 1 m'ye kadar artan daha derin örnekler içerir. Daha derin numuneler genellikle toprağın ana malzemelerinin göstergesi olduğundan, bu bölgedeki karbonatların jeolojik kökenli olduğu sonucuna varılabilir. Tablo 2 ayrıca, fraksiyonasyonun karbonat içeriği üzerindeki etkisini araştırmak için işlenmemiş ve elenmiş numunenin (pan fraksiyonu) bir karşılaştırmasını gösterir. Buna dayanarak, karbonat içeriği tava fraksiyonunda biraz daha yüksektir, bu da daha küçük parçacıklarda karbonatların birikmesi olasılığını ima eder, önceki çalışmamızla aynı fikirde28.

Toprakta bulunan çeşitli oksitler, kontrol toprağı için Tablo 3'te örneklendirileceği gibi WDXRF tarafından belirlenebilir. Silika (SiO2),kumlu tınlı toprağın birincil bileşeni olan ana oksittir ve bu numunenin dokusu 11 g/kg çakıl, 551 g/kg kum, 295 g/kg silt ve 155 g/kg kil içerir. Toprağın Ca içeriği (%2,59) WDXRF tarafından elde edilen, ICP-MS (%0,96 wt) tarafından belirlenenden daha büyüktür. Bunun nedeni, WDXRF sonucunun% 100 wt'ye normalleştirilmesidir, bu da değerleri organikler gibi algılanamayan bileşenler hesaba katmadığı için hafifçe şişirir. Ayrıca, ICP-MS için numune hazırlamak için kullanılan sindirim yöntemi muhtemelen tüm toprak minerallerini tam olarak çözmedi, bu nedenle ICP-MS değerleri biraz hafife alındı. Bu nedenle, WDXRF kullanımı ICP-MS ile birlikte gerçek Ca (ve Mg) konsantrasyonunda bir üst ve alt sınır tahmin etmeye izin verir. Böylece, derinlik fonksiyonu olarak silikatların ve karbonatlar da dahil olmak üzere yıprılı ürünlerin taşınmasını izlemek için kullanılabilirler.

Wollastonite değiştirilmiş bir toprağın XRD deseni Şekil 3'tesunulmuştur. Mevcut ana zirveler26.65° 'de kuvars (SiO 2) ve28.07° 'de 31 kumlu topraklarda ağırlıklı mineraller olan albite (NaAlSi 3 O8). Wollastonit ilavesi ve kalsit oluşumu sonucu ek wollastonit ve kalsit zirveleri de mevcuttur. Kalsit, 29.40° 2φ'de bir ana zirve ve 39.40 ° 'de küçük bir zirve ile tanımlanır. Değiştirilen toprak için yüksek kalsemetre okuması, en azından kısmen ortam koşullarında da oluşabilen amorf karbonatlar olarak kalsit oluşumundan kaynaklanmaktadır32. WDXRF ve XRD, kullanılan wollastonite'ın karakterizasyonunda da yardımcı olabilir. Bu çalışmada kullanılan wollastonite'in Kanada Wollastonite'in Ontario madeninden elde edilen nominal element bileşimi% 26 silikon (% 55 SiO2), % 18 kalsiyum (% 26 CaO), % 4.0 magnezyum (% 9 MgO), % 1.8 kükürt içerir. %0,11 azot, %0,10 P2O5,%0,10 K2O, 11 ppm bakır ve 1,1 ppm çinko. Bu wollastonitte bulunan ana mineral aşamaları, XRD analizi ile belirlendiği gibi, wollastonite, diopside (CaMgSi2O6) ve kuvars (SiO2)içerir.

Şekil 4a, wollastonite değiştirilmiş toprağın SEM görüntülerini birkaç haftalık bir yıprdanma süresinden sonra göstermektedir. İnce iğne şeklindeki wollastonit, diğer büyük toprak parçacıkları ile birlikte bulunan değiştirilmiş toprak örneğinde fark edilir. Bu wollastonit parçacıklarına daha yakından bakmak (Şekil 4b) yüzeyde meydana gelen morfolojik değişiklikler hakkında daha derin bir fikir edinmeye yardımcı olur. Wollastonite yüzeyinin mikroanalizi, numunenin elementel bir haritalandırılması ile mümkündür (Şekil 4c-f). Haritalanan alanın EDS spektrumu Şekil 4g'deyarı nicel kimyasal profilini ortaya koymaktadır. Elementel haritalar, Wollastonite'in ana bileşenleri olarak Si ve Ca'yı açıkça göstermektedir. Mg, iğne şeklindeki parçacıklardan Mg sinyalinin bulunmamasıyla kanıtlanan wollastonite'ın önemli bir bileşeni değildir, ancak diopside parçacıklar içerebilen diğer toprak parçacıklarında küçük miktarlarda bulunur. C haritası wollastonit yüzeyinde oluşan karbonat ile toprakta zaten bulunan organik madde arasında ayrım yapmaz ve numunenin altındaki karbon banttan gelen karbon sinyalinin de hakimiyetindedir. Şekil 5, daha küçük parçalar üzerinde, 40000x'te, toprak örneğine dağılmış ve sarı daire içinde işaretlenmiş Şekil 4b'de (2.000x'te) gösterilen nokta EDS analizini göstermektedir. İki farklı noktadaki spot EDS analizi, bu parçanın C ve O bakımından zengin olduğunu gösterir ve öncelikle amorf parçacık morfolojisine uyan organik maddeden oluşur olduğunu gösterir. Ek olarak, Ca:Si oranına bakarak, SEM-EDS analizi, Ca'nın wollastonitten sızması veya toprakta oluşan karbonatların kaderi gibi toprakta wollastonit yıprağı belirtilerini tanımlamak için potansiyel olarak kullanılabilir.

Wollastonite ile değiştirilen toprağın kalsometre okuması kullanılarak, pedojenik inorganik karbon sequestrasyon oranı Protokolün bölüm 3'lerinde belirtilen adımlar kullanılarak hesaplanabilir. Bu amaçla, analiz edilen numune için kalsimetre okuma farkı ve ilgili kontrolü ilgi derinliği için hesaplanmalıdır. Daha sonra CaCO3(eqv) 'yi CO2'yedönüştürmek için farka 0,44 faktörü uygulanır. Tablo 2'de sunulan 0-15 cm derinlik örneklerinde, kontrolün kalsemetre okuması düşülür (2,51 g,CaCO3(eqv)·( kg,toprak)-1) 0-15 cm derinlik okumasından (10,13 g,CaCO3(eqv)·( kg,toprak)-1), net 3,35 kg,CO2ile sonuçlanır · (ton, toprak) -1 bu derinlikte inzdiye alındı. Sadece 0,15 m toprak kalınlığı ve 1,01 tonluk rahatsız BD göz önüne alındığında· (m-3)laboratuvarda ölçülen Areal SIC daha sonra Denklem 5 kullanılarak hesaplanabilir. Bozulmamış ve rahatsız BD arasındaki oran ve iklimsel ve arazi kullanım faktörleri nedeniyle BD raporlamasında mevcut olan belirsizliğe dayanarak, 0-15 cm katmanımızın bozulmamış BD'sinin 1.386 ± 0.23 ton· olduğunu tahmin ettik. (m-3). Kalsimmetre okumasında mevcut belirsizliği göz önünde bulundurarak, hesaplanan SICAreal'in kümülatif belirsizliğini belirledik Normalde dağıtılmış hatalar yöntemi için Gauss denklemi kullanarak, % 39'±. Buna göre, alanımızın0-15 cm katmanındaki sıralı CO 2'nin 6,96 ± 2,71 ton, CO2olduğunu tahmin ediyoruz · (hektar) −1. Benzer prosedür kullanılarak, 15-30 cm ve 30-60 cm katmanların Areal SIC'si de hesaplanabilir (bu alan için kontrol değerleri bu hesaplamayı göstermek için mevcut değildi). Tam 0-60 cm profilin değerlerini özetleyen çalışma alanında tahmini sıralanmış karbon belirlenebilir.

Figure 3
Şekil 3: Wollastonite değiştirilmiş bir toprakta bulunan mineralojik evreleri gösteren XRD difaraktogramı (W: wollastonite, Q: kuvars, A: albite, C: kalsit). Ticari X-ışını kırınımı ve analiz yazılımı ile belirlenen difaraktogram. Difaraktometre 45 kV ve 40 mA'da Cu Kα radyasyonu ile çalıştırıldı ve kırınım desenleri 2φ 5-70 ° aralığında toplandı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: SEM-EDS analizi. (a) 250x ve 400 μm ölçeğinde wollastonite değiştirilmiş bir toprağın SEM görüntüsü; (b) 2000x ve 50 μm ölçeğinde toprakta bulunan yıpranmış wollastonite tanelerinin daha yakından görünümü; (c-f) Şekil 4b'de 2.000x ve 50 μm ölçeğinde görselleştirilen alanda bulunan Si, C, Ca ve Mg'ın EDS elementel haritalaması; (g) Panel b'de görselleştirilen alanın EDS spektrumu ve yarı nicel elementel bileşimi, seçilen alanların ve 20 kV'da eksitasyon hacmine sahip noktaların elementel bileşim analizi için kullanılan enerji dağıtıcı spektroskopi ile donatılmış taramalı elektron mikroskobu kullanılarak toplanmıştır. SEM-EDS analizi öncesinde numuneler karbon bant üzerine monte edilmiş ve altınla kaplanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Şekil 4b'de 40.000x ve 2.5 μm ölçeğinde gösterilen kuşatılmış partiküllerin SEM görüntüsü ve SEM görüntüsünde işaretlenmiş iki noktanın EDS spektrumu ve yarı nicel elementel bileşimi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

örnek pHa Kalsimetre ölçümü (g,CaCO3(eqv)/kg, toprak) ICP-MS'den ca konsantrasyonu (mg,Ca/kg,toprak)b
Kontrol (değişiklik yok) 6,42 ± 0,05 4,5 ± 0,5 9566,6 ± 86,8
Wollastonite toprağı değiştirdi 7,57 ± 0,04 21.9 ± 0.1 66044,1 ± 534,6
bir Numunelerin pH'ı 1:5 toprak oranı ve 0.01M CaCl2 çözeltisi kullanılarak belirlendi, ardından açık süpernatantın pH ölçümünü almadan önce 30 dk sallama ve 1 saat yerleşme süresi (Pansu ve Gautheyrou, 2006).
b Örnekler ICP-MS analizi öncesinde konsantre HNO3'te mikrodalga olarak sindirildi; HF kullanımı genellikle toprakları ve silikatları sindirmek için tavsiye edilir, ancak analizin güvenlik riskini azaltmak için burada kaçınılır (HF, aşırı bakım ve uygun kullanım gerektiren çok toksik bir kimyasaldır).

Tablo 1: İşlenmemiş kontrol toprağı ile wollastonite değiştirilmiş toprak arasında kimyasal analizlere (pH, kalsimetri ve ICP-MS) dayalı karşılaştırma.

örnek SIC içeriği (g,CaCO3(eqv)/(kg,toprak))
0-15 cm derinlik bölgesi (pan fraksiyonu) 12,33 ± 3,53
0-15 cm derinlik bölgesi 10.13 ± 2.68
0-15 cm derinlik bölgesinin kontrol değeri 2,51 ± 0,50
15-30 cm derinlik bölgesi 4.23 ± 1.00
30-60 cm derinlik bölgesi 9,20 ± 0,09
Derin profil 1 (0-30 cm) 4,41 ± 0,06
Derin profil 1 (30-60 cm) 1,56 ± 0,03
Derin profil 1 (60-100 cm) 32,32 ± 1,36
Derin profil 2 (0-30 cm) 4,56 ± 0,62
Derin profil 2 (30-60 cm) 18,43 ± 0,41
Derin profil 2 (60-100 cm) 131,54 ± 1,89
0-15 cm derinlik bölgesi örnekleri bir prob örnekleyici kullanılarak toplanarak toplandırıldı. 15-30 cm ve 30-60 cm derinlik bölgelerinin örnekleri Dakota prob örnekleyicisi kullanılarak toplanarak toplandı. Derin profil örnekleri genişletilmiş bir burgu örnekleyici kullanılarak toplanmıştır.

Tablo 2: Kalsimetri sonuçlarına göre toprağın farklı derinliklerindeki CaCO3(eqv) içeriği.

Topraktaki oksitler Wt%
Sio2 65.19
Al2O3 14.76
Fe2O3 6.20
CaO 3.62
K2O 2.98
P2O5 2.11
MgO 1.69
Na2O 1.45
Tio2 1.25
YANI3 0.37
MnO 0.16
Bao 0.11
ZrO2 0.10

Tablo 3: Kontrol toprağında bulunan çeşitli oksitlerin bileşiminin WDXRF verileri. Gevşek toz formundaki mükerrer numuneler, standartsız Omniam yöntemi kullanılarak, helyum altında ve 1 kW gücünde 20 dakika analiz edildi ve konsantrasyonlar oksit olarak hesaplandı.  Normalleşme öncesi ortalama toplam %69,8'dir ve denge gözeneklilik ve tespit edilemeyen ışık elementleridir (H, C, O, N). %0,10 wt'den büyük miktarlarda bulunan saptanmış oksitlerin ortalama konsantrasyonları seçildi ve %100'e normalleştirildi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Döllenmiş tarım alanlarından numune toplamanın genellikle zor olduğu göz önüne alındığında, besin uygulamasından önce numunelerin toplanması önerilmektedir. Dondurulmuş alanlardan numune toplamaktan kaçınmanız da önerilir. Örnekleme derinliği, dikey profil üzerindeki örnekleme kolaylığına ve su tablosunun derinliğine bağlı olarak farklı alanlarda değişebilir. Seçilen toprak örnekleme cihazı toprak yapısına ve ilgi derinliğine bağlıdır33. Sığ numunelerde el probları / olukları kullanmak daha uygun olsa da, toprak altı örneklerinin geri kazanılması için genellikle daha gelişmiş bir versiyon (örneğin, uzatılabilir burgu) önerilir33. Sıkı killerin veya semente kumların baskınlığında, örnekleyicinin sürtünmesi ve torquing'i nedeniyle çekirdek çıkarma sırasında bazı zorluklar ortaya çıkabilir33. İnorganik karbon doğrulama kampanyaları için bir konu, uzun aralıklarla (örneğin, 5 ila 10 yıl) değişken olabileceğinden, topraklardaki karbon alımını izlemek için uygun aralığın seçimidir34. Yeniden örnekleme için öngörülen bir frekans olmamasına rağmen, orta derecede uzun aralıkların (örneğin, yıllık veya iki yıllık) SIC değişikliklerini güvenilir bir şekilde izleme şansını artırdığına inanılmaktadır35.

Ayrıca, farklı analizler kullanarak inorganik karbonun ölçülmesi için karmaşıklaşan birkaç zorluk vardır. Birincisi, özellikle parçacık agregaları içinde veya hatta orijinal silikat parçacıkları içinde karbonatların tuzaklanması olduğunda, kalsimetri analizi sırasında karbonat türlerinin olası yavaş çözünmesi ile ilgili olarak; bu, asidik çözeltinin temasını azaltır, karbonatların çözünmesini yavaşlatır ve hatta engeller ve kalsimetri analizi sırasında CO2'nin gazdan arındırılması. Ortaya çıkabilecek diğer zorluk ise mineralojik analiz sırasında, yıpranma/tecrit ürünlerinin tespiti açısından ve toprağın heterojenliği nedeniyle, XRD ve SEM-EDS analizlerini engelleyen, en azından kesin sonuçlara ulaşmayı zorlaştırarak36. Daha kesin kimyasal, mineral ve morfolojik analizlerin yapılmasına izin vererek pedojenik karbonatları ve artık silikatları tek bir toprak fraksiyonunda (pan fraksiyonu) yoğunlaştırmakiçin önceki çalışmamızda fraksiyonasyon prosedürünün yararlı olduğu bulunmuştur. Diğer çalışmalar, biriken organik karbonun, Şekil 5'te analiz edilen partiküle benzerşekilde, tarımsaltoprakların ince parçacıktoplamasında 37,38 , depolanma olasılığının daha yüksek olduğunu belirtmiştir. Ayrıca, ince silikat kaya parçacıklarının daha yüksek yüzey alanı, kaba fraksiyon15ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir yıprağı oranına yol açar. Bununla birlikte, fraksiyonasyon topraktan toprağa değişebilir ve hatta büyük miktarda karbonat ve silikat içeren toprak için gerekli olmayabilir. Ayrıca, ihtiyacı veya yararı, önceki çalışmalarımızda kullanılanlardan farklı toprak türleri ve çeşitli silikat değişiklikleri için daha fazla doğrulanmalıdır.

Mevcut çalışmada wollastonitlerin tarım arazilerine uygulanması nedeniyle SIC'nin tespiti ve analizi için yöntemler ortaya koyduk. Bu teknikler bazalt ve olivin gibi diğer gelişmiş hava koşulları adaylarıyla değiştirilen topraklarda SIC'nin araştırılması için kullanılabilse de, tercih edilen mineralin toprak üzerinde analiz sırasında dikkate alınması gereken farklı etkileri olabilir. Örneğin, bazı mineraller için yıpramam işlemi diğerlerine kıyasla daha uzun sürebilir. Bunun nedeni, kısa ve uzun terimlerle farklı mineralizasyon oranında sonuçlanan birkaç mineralin benzer olmayan çözünme oranı olabilir. Diğer konu, silikat mineral özelliklerine ve toprağın ortaya çıkan jeokimyasal kondsiyonlarına bağlı olarak değişebilen, endüktif veya sığ toprakta hemen karbonat çökeltmemesine neden olabilecek toprağın dikey profili üzerinde çökelmiş karbonatların ortaya çıkmasıyla ilgilidir. Buna göre, bazı silikat türleriyle yapılan topraklarda değişiklik yapılması, çalışılan alanlarımızda tespit edilen wollastonitlerin yıprağa bağlı olarak karbonatların sığ birikmesinin aksine, daha derin katmanlarda önemli pedojenik karbonat oluşumu sağlayabilir. Çekirdek örnekleyiciler, bozulmamış numunelerin çıkarılması ve39alanında bozulmamış BD'nin ölçülmesi için yaygın olarak kullanılmaktadır. BD birkaç iklimsel parametrenin ve uygulama ayarlarının bir işlevi olduğundan ve hem mekansal hem de zamansal olarak değişebileceğinden, çalışma alanında kabul edilebilir bir BD belirsizliği aralığı sağlamak için makul sayıda çoğaltma gereklidir39. Bu, özellikle mevcut çalışmada belirlenen değer (yani% 39'±) gibi SICareal hesaplanan tahminlerdeki büyük belirsizlikleri gidermek için gereklidir.

Termogravimetrik analiz (TGA), CaCO340için ayrışma sıcaklık aralığı olan 500−800 °C sıcaklık aralığındaki kütle kaybını ölçerek topraktaki kalsiyum karbonat içeriğini belirlemek için de kullanılabilir. Otomatik karbon analizörü veya TGA yöntemleri, saksı deneyi gibi daha küçük kapalı alanlardan toprak örneklerini analiz etmek için uygundur, çünkü bu yöntemler analizler için sadece 20 miligram toprak örneği gerektirir. Bu nedenle, tarımsal çalışmalar için, analiz edilen daha büyük numune kütlesi (10 g'a karşı 20 miligram), elde edilen üç taraflı okumalar ve yöntem standardı olarak saf kalsiyum karbonat kullanımı göz önüne alındığında kalsimetri sonuçları daha kesin ve doğru olarak kabul edilir. Daha fazla ayrıntı ve örnek Haque ve ark.36. Toprakta jeolojik ve atmosferik tahrikli pedojenik karbonatların birlikte ortaya çıkması nedeniyle, farklı kaynakları ayırt etmek önemlidir. Kararlı izotopik (δ13C) ve radyojenik(14C) karbon imzalarının yanı sıra izotopik oksijen izleri, topraktaki karbon kaynağını tanımlamak için sağlam araçlar olarak kabul edilir16,41,42,43. Bu tür analizler, topraklardaki pedojenik karbonatın kaderini izlemeyi amaçlayan çalışmalarda atmosferik CO2'nin sızlanmasını daha da doğrulayabilir.

Geleneksel karbon tespit yöntemleri (örneğin, kütle ölçümü) yerel karbon piyasaları için uygun olsa da, düzenlenmiş pazarlarda doğrulama hedefleri söz konusu olduğunda daha sistematik yöntemler gereklidir35. Burada açıklanan doğrulama yöntemi, wollastonite, bazalt ve olivin gibi alkali toprak metal silikat içeren kayaçlarla değiştirilen çeşitli tarım topraklarında pedojenik inorganik karbon tecritini izlemek için uyarlanabilir. Bu tür doğrulama, tarlalarında karbon inzdiye alan çiftçilere fayda sağlayabilecek karbon kredisi programları için gereklidir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların çıkar çatışması yoktur.

Acknowledgments

Bu çalışma, Kanada İlk Araştırma Mükemmellik Fonu'ndan finanse edilen Düşünce Ticarileştirme Hibesinden Bir Gıda tarafından desteklendi. Kanadalı Wollastonite bu Hibenin bir parçası olarak endüstriyel finansal destek sağladı.

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

Çevre Bilimleri Sayı 172 pedojenik karbonatlar gelişmiş yıprar karbon yakalama ve depolama toprak örneklemesi kalsimetri inorganik karbon
TarımSal Topraklarda Değiştirilen Silikat Minerallerinin Yıprağa MaruzLenmesi Nedeniyle Pedojenik inorganik Karbon Birikiminin İzlenmesi.
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