Monitoring pedogene anorganische koolstofaccumulatie als gevolg van verwering van gewijzigde silicaatmineralen in landbouwgronden.

Summary

De hier beschreven verificatiemethode is aanpasbaar voor het monitoren van pedogene anorganische koolstofvastlegging in verschillende landbouwgronden, gewijzigd met alkalische aardmetaalsilicaathoudende gesteenten, zoals wollastoniet, basalt en olivijn. Dit type validatie is essentieel voor koolstofkredietprogramma’s, die ten goede kunnen komen aan boeren die koolstof in hun velden in beslag neemt.

Abstract

De huidige studie heeft tot doel een systematische procedure aan te tonen voor het monitoren van anorganische koolstof veroorzaakt door verbeterde verwering van gecommineerde gesteenten in landbouwgronden. Hiertoe worden de kerngrondmonsters die op verschillende diepten zijn genomen (waaronder profielen van 0-15 cm, 15-30 cm en 30-60 cm) verzameld uit een landbouwveld, waarvan de bovengrond al is verrijkt met een alkalisch aardmetaalsilicaat dat mineraal bevat (zoals wollastoniet). Na transport naar het laboratorium worden de bodemmonsters aan de lucht gedroogd en gezeefd. Vervolgens wordt het anorganische koolstofgehalte van de monsters bepaald door een volumetrische methode genaamd calcimetry. De hierin gepresenteerde representatieve resultaten toonden vijf gevouwen verhogingen van het anorganische koolstofgehalte in de bodems die met het Ca-silicaat werden gewijzigd in vergelijking met controlebodems. Deze samenstellingsverandering ging gepaard met meer dan 1 eenheid pH-verhoging in de gewijzigde bodems, wat een hoge ontbinding van het silicaat impliceerde. Mineralogische en morfologische analyses, evenals elementaire samenstelling, bevestigen verder de toename van het anorganische koolstofgehalte van met silicaat gewijzigde bodems. De bemonsterings- en analysemethoden die in deze studie worden gepresenteerd, kunnen worden gebruikt door onderzoekers en professionals die pedogene anorganische koolstofveranderingen in bodems en ondergronden willen opsporen, inclusief die welke zijn gewijzigd met andere geschikte silicaatrotsen zoals basalt en olivijn. Deze methoden kunnen ook worden gebruikt als instrumenten voor het verifiëren van bodemorganische koolstofvastlegging door particuliere en overheidsinstanties om koolstofkredieten te certificeren en toe te kennen.

Introduction

CO₂ is een belangrijk broeikasgas (BKG) en de concentratie ervan in de atmosfeer neemt voortdurend toe. Pre-industriële wereldwijde gemiddelde CO₂ was ongeveer 315 delen per miljoen (ppm), en vanaf april 2020 steeg de atmosferische CO_{2-concentratie} tot meer dan 416 ppm, waardoor de opwarming van de aarde¹. Daarom is het van cruciaal belang om de concentratie van deze warmtevangende BKG in de atmosfeer te verminderen. Socolow² heeft gesuggereerd dat om de concentratie atmosferische CO₂ tot 500 ppm tegen 2070 te stabiliseren, negen ‘stabilisatiewiggen’ nodig zullen zijn, waarbij elke stabilisatiewig een individuele mitigatiebenadering is, die 3,67 Gt CO₂ eq per jaar aan emissiereductie kan bereiken.

Koolstofafvang en -opslag (CCS) is de belangrijkste technologie om de CO₂ uit de atmosfeer te verminderen, zoals aanbevolen door het Mission Innovation-initiatief, gelanceerd op de Klimaatconferentie van de Verenigde Naties 2015³. Om atmosferische CO₂af te vangen, zijn de drie belangrijkste beschikbare opslagopties oceaanopslag, geologische opslag en minerale carbonatatie⁴. Co₂ richt zich op minerale carbonatatie en wordt opgeslagen door alkalische aardmetalen, voornamelijk calcium- en magnesiumrijke silicaten, om te zetten in thermodynamisch stabiele carbonaten voor geologische tijdframes (over miljoenen jaren)⁵. Olivijn, pyroxeen en serpentijngroepmineralen kunnen bijvoorbeeld minerale carbonatatie ondergaan⁶; onder normale omstandigheden worden deze reacties echter beperkt door langzame reactiekinetiek. Om het proces onder omgevingsomstandigheden te versnellen, kunnen daarom fijngemalen (gemalen/gemalen) vormen van deze silicaten worden toegepast op landbouwgronden, een proces dat terrestrische verbeterde verwering wordt genoemd⁷. Bodem is een natuurlijke gootsteen om CO₂op te slaan , momenteel een reservoir voor 2500 Gt koolstof, wat driemaal het atmosferische reservoir (800 Gt koolstof)^{is 8}. Pedogene processen in bodems en ondergronden reguleren atmosferische CO₂ via twee belangrijke natuurlijke routes, namelijk de organische stofcyclus en de verwering van alkalische aardmetaalmineralen, die respectievelijk organische en anorganische koolstofpools aantasten⁹.

Geschat wordt dat bijna 1,1 Gt atmosferische CO₂ jaarlijks wordt gemineraliseerd door chemische rots verwering¹⁰. Silicaatrotsen die rijk zijn aan calcium en magnesium (bv. basalt ) worden beschouwd als de primaire grondstoffen voor verbeterde verwering^9,11,12. Zodra gemalen silicaathoudende mineralen op landbouwvelden worden aangebracht, beginnen ze te reageren met CO₂ opgelost in bodemporiënwater, eindigend met de minerale neerslag van stabiele carbonaten^11,13. Olivijn^14,15, wollastoniet (CaSiO₃)¹³, doleriet en basalt¹⁶ behoren tot de mineralen die in eerdere studies een koolstofvastleggingspotentieel hebben aangetoond door verbeterde verwering. Ondanks de grotere beschikbaarheid, en dus mogelijk grotereCO 2-sequestratiecapaciteit, van magnesiumsilicaat, zijn er zorgen over hun toepassing voor verbeterde verwering in akkers vanwege hun potentiële milieu-impact als gevolg van Cr- en Ni-uitspoeling en de mogelijke aanwezigheid van asbestvormige deeltjes^11,15,17,¹⁸. Als calciumdragend silicaat wordt wollastoniet hierin benadrukt als een uitstekende kandidaat voor dit proces vanwege de hoge reactiviteit, eenvoudige chemische structuur, die milieuvriendelijk is en de productie van carbonaten vergemakkelijkt vanwege de zwakkere binding van Caionen aan zijn silicamatrix^12,19,20,21. Wollastonite dat wordt gewonnen in Kingston, Ontario, Canada, en momenteel door het Canadese Wollastonite op de markt wordt gebracht voor landbouwtoepassingen, bevat geen verhoogde niveaus van gevaarlijke metalen. De wereldwijde wollastonitische reserves worden geschat op meer dan 100 Mt, met China, India, de VS, Mexico, Canada en Finland als de beste productieve landen²².

Een betere verwering van silicaatmineraal wordt geacht de bodemgezondheid te bevorderen , met name de toename van de gewasopbrengst en de verbetering van de plantengroei , wat leidt tot een mogelijke vermindering van de toepassing van synthetische meststoffen , die verder kan bijdragen tot de vermindering van de broeikasgasemissies^11,18,19. Eerdere studies hebben gemeld dat de toepassing van ca-rijke silicaatmineralen op de bodem een basischtelijkheid levert voor het neutraliseren van de zuurgraad in het bodemmedium , wat de gewasproductie^23,24,25bevordert . Dit belemmert ook de mobilisatie van giftige metalen, gevoelig voor zure omstandigheden, en verbeterde verwering kan nuttig zijn voor het vertragen van erosie door toename van organisch materiaal in de bodem¹¹.

Vergelijkingen 1-3 laten zien hoe pedogene koolstofvastlegging als anorganische carbonaten mogelijk is door bodems te wijzigen met wollastoniet. Omgevings-CO₂ komt via regenwater in de bodem terecht of wordt in de bodem geproduceerd door microbiële activiteit die organische verbindingen afbreekt. Eenmaal in contact met bodemporewater wordt koolzuur gevormd, dat zich dissocieert tot bicarbonaat en proton (vergelijking 1). In aanwezigheid van planten komen wortelschillen vrij, zoals citroenzuur en maleïnezuur, die ook protonen in het systeem leveren. Deze protonen vergemakkelijken de ontbinding van wollastoniet in de bodem door caionen vrij te geven en amorf silica achter te laten (vergelijking 2). De vrijgegeven Ca-ionen reageren uiteindelijk met het bicarbonaat om neer te vallen als carbonaten (kristallijn calciet of andere variëteiten, afhankelijk van geochemische omstandigheden) (vergelijking 3). Dit gevormde calciumcarbonaat wordt onderdeel van de bodemorganische koolstof (SIC) fractie²⁶.

Omgevings-CO 2-solvatie:

2CO_2(g) + 2H₂O_(l) ↔ 2H₂CO_3(aq) ↔ 2HCO₃^– + 2H⁺ (1)

Wollastonitoplossing (H⁺ van de dissociatie van koolzuur en wortelschilten):

CaSiO_3(s) + 2 H⁺ → Ca²⁺ + H₂O_(l) + SiO_2(s) (2)

Pedogene anorganische carbonaatprecipitatie:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^– → CaCO_3(s)↓ + H ₂O_(l) + CO_2(g) (3)

In ons recente werk is verbeterde verwering door de toepassing van wollastoniet op landbouwgronden, als een kalksteenalternatief amendement, effectief bevonden voor CaCO_3-neerslag in de bovengrond, zowel op laboratorium- als veldschalen, en over korte (enkele maanden) en lange (3 jaar) termen. Uit de veldstudies is gebleken dat het SIC-gehalte evenredig toeneemt met de dosering van de wollastoniettoepassing (ton·hectare^-1)¹³. In laboratoriumstudies toonde de mineralogische analyse de aanwezigheid van pedogene carbonaat als gevolg van koolstofvastlegging¹⁹. Pedogene carbonaatvorming in de bodem hangt af van verschillende factoren, met name: topografie, klimaat, oppervlaktevegetatie, bodembiotische processen en bodemfysische eigenschappen²⁷. Onze vorige studie²³ bepaalde de rol van planten (een peulvrucht (sperzieboon) en een niet-peulvruchtenplant (maïs)) op wollastoniet verwering en anorganische carbonaatvorming in de bodem. Ons lopende onderzoek naar de pedogene koolstofvorming en migratie in bodems en ondergronden omvat het onderzoeken van het lot van bodemcarbonaten in landbouwgrond, voor het eerst gevormd in bovengrond als gevolg van minerale verwering op verschillende diepten en in de loop van de tijd. Volgens Zamanian et al.²⁷wordt de natuurlijk voorkomende pedogene carbonaathorizon verder van het oppervlak gevonden naarmate de snelheid van lokale neerslag toeneemt, waarbij de bovenkant van deze horizon vaak tussen een paar centimeter en 300 cm onder het oppervlak verschijnt. Andere omgevings- en bodemparameters, zoals bodemwaterbalans, seizoensdynamiek, het initiële carbonaatgehalte in moedermateriaal, fysische eigenschappen van de bodem, hebben ook invloed op de diepte van dit voorval²⁷. Het is dus van belang om bodems op alle mogelijke plaatsen voldoende diep te bemonsteren om een nauwkeurig inzicht te krijgen in de oorspronkelijke en incrementele SIC-niveaus als gevolg van verbeterde verwering van silicaten.

Op veldschaal is een belangrijke beperking het gebruik van lage toepassingspercentages van silicaatbodemwijzigingen. Aangezien er beperkte kennis is over het effect van veel silicaten (zoals wollastoniet en olivijn) op de bodem en de fytosanitaire gezondheid, vermijden commerciële producenten het testen van hogere toepassingspercentages die kunnen leiden tot aanzienlijke koolstofvastlegging. Als gevolg van dergelijke lage toepassingspercentages, evenals het grote gebied van gewasvelden, is een onderzoeksuitdaging die vaak wordt geconfronteerd, het bepalen van veranderingen in SIC wanneer de waarden relatief laag zijn, en het herstellen en isoleren van de silicaatkorrels en verweringsproducten uit de bodem om morfologische en mineralogische veranderingen te bestuderen. In ons vorige werk rapporteerden we over hoe fysieke fractionering van de wollastoniet-gewijzigde grond (met behulp van zeven) een beter begrip van het verweringsproces mogelijk maakte, met name de vorming en accumulatie van pedogene carbonaten²⁸. Dienovereenkomstig werd het hogere gehalte aan wollastoniet en verweringsproducten gedetecteerd in de fijnere fractie van de bodem, die tijdens analyses redelijk hoge waarden opleverde, wat nauwkeurigere en betrouwbaardere resultaten garandeerde. De bevindingen benadrukken het belang van het gebruik van fysische fractionering, door middel van zeven of andere scheidingsmiddelen, voor een betrouwbare schatting van de in beslag genomen koolstofaccumulatie in met silicaat gewijzigde bodems. De mate van fractionering kan echter variëren van bodem tot bodem en van silicaat tot silicaat, dus het moet verder worden onderzocht.

Nauwkeurige meting van SIC is van cruciaal belang voor het vaststellen van een standaard en wetenschappelijke procedure die kan worden aangenomen door verschillende onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het analyseren van de evolutie van SIC en (en organische koolstof) in de loop van de tijd en diepte van de bodem. Een dergelijke methodologie stelt landbouwers in staat koolstofkrediet te claimen als gevolg van SIC-vorming in hun veldbodems. Het volgende protocol beschrijft in detail: (1) een bodembemonsteringsmethode die moet worden gebruikt na wijziging van het bodemsilicaat, die de statistische significantie van de geanalyseerde bodemgegevens verklaart; (2) een bodemfractiemethode die de nauwkeurigheid verbetert van het kwantificeren van veranderingen in pedogene anorganische carbonaatpool als gevolg van verbeterde silicaat verwering, en (3) de berekeningsstappen die worden gebruikt om de SIC-sequestratiesnelheid te bepalen als gevolg van bodemsilicaatwijziging. Voor deze demonstratie wordt aangenomen dat wollastoniet, afkomstig van het Canadese Wollastonite, het silicaatmineraal is dat op landbouwgronden wordt toegepast, en de landbouwgronden worden beschouwd als vergelijkbaar met die in de landbouwgronden van Zuid-Ontario.

De procedure voor het wijzigen van landbouwgrond met wollastoniet (bijvoorbeeld het bepalen van de hoeveelheid wollastoniet die per hectare moet worden toegepast en de methode om deze over de bodem te verspreiden) werd beschreven in onze vorige studie¹³. Het studiegebied in ons voor- en huidig werk is rechthoekige percelen; daarom is de methode voor directe aselecte bemonstering geschikt voor dergelijke studies. Dit is een veelgebruikte methode vanwege de lage kosten, de verminderde tijdsbehoefte en het vermogen om voldoende statistische onzekerheid te bieden. Afhankelijk van de verschillende veldomstandigheden en het gewenste niveau van statistische significantie kunnen ook zonale of rasterbemonsteringsmethoden worden gebruikt. Nauwkeurigheid in bodembemonstering is essentieel om statistische onzekerheid als gevolg van bemonsteringsbias te verminderen. Wanneer statistieken worden gebruikt, wordt het bereiken van minder dan 95% vertrouwen (d.w.z. p < 0,05) niet als "statistisch significant" beschouwd. Voor bepaalde bodemstudies kan het betrouwbaarheidsniveau echter worden verlaagd tot 90% (d.w.z. p < 0,10) als gevolg van het aantal ongecontroleerde (d.w.z. natuurlijk variërende) parameters in de veldomstandigheden die van invloed zijn op de algemene nauwkeurigheid van de metingen. In dit protocol worden twee sets monsters verzameld om het SIC-gehalte en andere chemische, minerale en morfologische eigenschappen van de bodem in het verticale profiel te onderzoeken.

Protocol

1. Bodembemonsteringsmethode en kernverzameling Verdeel het in kaart gebrachte en afgebakende landbouwgrondgebied in verschillende percelen op basis van de landhoogte, historische gewasopbrengst en/of landbeheerstrategie. Bepaal de nivellering van elk perceel met behulp van een GPS-ontvanger, classificeer de gewasopbrengst op basis van historische bedrijfsgegevens (ondergemiddeld, gemiddeld, bovengemiddeld) en de landbeheerstrategie die voor elk perceel wordt gebruikt (soorten gebruikte bodemwijzigingen, indien…

Representative Results

Het SIC-gehalte van bodems kan op verschillende manieren worden bepaald, waaronder een geautomatiseerde koolstofanalysator of een calcimeter. De geautomatiseerde koolstofanalysator voor totale koolstofbepaling in de bodem meet de CO2-druk die is opgebouwd in een gesloten vat30. In de calcimetrie wordt het geëvolueerde volume CO2 dat vrijkomt na verzuring, meestal door toevoeging van geconcentreerd HCl-zuur, van het carbonaatbevattende monster…

Discussion

Aangezien het verzamelen van monsters uit bemeste landbouwgronden meestal moeilijk is, wordt voorgesteld om monsters te nemen voordat nutriënten worden toegepast. Het is ook raadzaam om te voorkomen dat monsters van bevroren velden worden verzameld. De bemonsteringsdiepte kan in verschillende gebieden variëren, afhankelijk van het bemonsteringsgemak over het verticale profiel en de diepte van de watertafel. Het geselecteerde bodembemonsteringsapparaat is afhankelijk van de bodemstructuur en de diepte van belang<sup cla…

Materials

Analytical scale	Sartorius	Quintix 224-S1	Four decimals.
Calcimeter	Eijkelkamp	Model 08.53	To determine the wt% CaCO3-equivalent in the sample.
Drying cabinet/muffle furnace	Thermo Scientific	F48055-60	50°C or 103 ± 2°C.
HCl	Fisher Scientific	A144S-500	Reagent grade (36.5%-38.0%).
HNO3	Fisher Scientific	T003090500	Trace metal analysis grade (69.0%-70.0%)
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS)	PerkinElmer	NexION	To determine the concentration of Ca in the microwave-digested soil.
Microwave digester	PerkinElmer	Titan	To digest soils in concentrated HNO3.
pH meter	Oakton	700	Calibrated with standard solutions before each set of measurements; temperature corrected to 25 °C.
Scanning Electron Microscope -Energy Dispersive Spectroscope (SEM-EDS)	Oxford	X-Max20 SSD	To determine the morphology of soil particulates.
Sieve shaker	Retsch	AS-200	For soil fractionation.
Soil auger sampler	Eijkelkamp	01-16	Depths down to 700 cm.
Soil Dakota probe sampler	JMC	PN139	Depths down to 100 cm.
Soil probe sampler	JMC	PN031	Depths down to 30 cm.
Soil moisture meter	Extech	MO750	Measure moisture content up to 50%
Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence spectroscope (WDXRF)	Malvern Panalytical	Zetium	To characterize elemental composition of soil.
X-ray Diffraction analyzer (XRD)	Panalytical	Empyrean	To characterize mineralogicalbproperties of soil.