농업 토양에서 수정 된 실리케이트 미네랄의 풍화로 인해 페도게닉 무기 탄소 축적모니터링.

Summary

여기서 설명된 검증 방법은 울라토니트, 현무암 및 올리바인과 같은 알칼리성 지구 금속 규산염 함유 바위로 개정된 다양한 농업 토양에서 페도게닉 무기 탄소 격리를 모니터링할 수 있다. 이러한 유형의 검증은 탄소 신용 프로그램에 필수적이며, 이는 해당 분야에서 탄소를 격리하는 농부들에게 혜택을 줄 수 있습니다.

Abstract

본 연구는 농업 토양에서 자양암의 강화된 풍화에 의해 유도된 무기 탄소를 감시하기 위한 체계적인 절차를 시연하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해, 다른 깊이(0-15cm, 15-30cm 및 30-60cm 프로파일 포함)에서 채취한 코어 토양 샘플은 농업 분야에서 수집되며, 그 중 표토는 이미 미네랄을 함유한 알칼리성 지구 금속 규산염(예: 울라스토네)으로 농축되어 있다. 실험실로 이송된 후 토양 샘플은 공기 건조 및 체질입니다. 이어서, 시료의 무기 탄소 함량은 석화법이라는 체적 방법에 의해 결정된다. 본 명세서에서 발표된 대표적인 결과는 대조토양에 비해 Ca-규산염으로 개정된 토양내 무기 탄소 함량의 5배 증가가 나타났다. 이러한 조성 변화는 수정된 토양에서 pH 증가의 1 개 이상의 단위를 동반하여 규산염의 높은 용해를 암시했다. 원소 조성뿐만 아니라 광물학적 및 형태학적 분석은 규산염 으로 개정된 토양의 무기 탄소 함량의 증가를 더욱 확증합니다. 이 연구에서 제시된 샘플링 및 분석 방법은 현무암과 올리바인과 같은 다른 적합한 규산염 바위로 개정된 것을 포함하여 토양과 지하토양의 페도게닉 무기 탄소 변화를 추적하려는 연구자와 전문가에 의해 채택될 수 있습니다. 이러한 방법은 또한 탄소 배출권을 인증하고 수여하기 위해 민간 및 정부 기관의 토양 무기 탄소 격리를 검증하는 도구로 악용될 수 있습니다.

Introduction

_CO2는 주요 온실가스(GHG)이며 대기 중의 농도는 지속적으로 증가하고 있습니다. 산업 전 세계 평균_CO2는 백만 분의 약 315 부품 (ppm)이었고, 2020 년 4 월 현재 대기 CO₂ 농도는 416 ppm 이상으로 증가하여 지구^온난화를일으켰습니다. 따라서 대기 중의 열 포집 GHG의 농도를 줄이는 것이 중요합니다. Socolow^2는 2070년까지 대기 CO₂ ~500 ppm의 농도를 안정화하기 위해 각 안정화 웨지가 연간 3.67 Gt CO₂ eq의 배출 감소를 달성하기 위해 개별 완화 접근법인 9개의 ‘안정화 웨지’가 필요하다고 제안했습니다.

탄소 포집 및 저장(CCS)은 2015년 유엔 기후변화 컨퍼런스에서 시작된 미션 이노베이션 이니셔티브가 권장하는대로 대기에서 CO_2를 줄이는 주요 기술입니다. 대기 CO_2를포착하기 위해, 사용할 수있는 세 가지 주요 저장 옵션은 해양 저장, 지질 저장 및 미네랄 탄산^4입니다. 미네랄 탄산에 초점을 맞춘 CO_2는 주로 칼슘과 마그네슘이 풍부한 규산염을 지질 학적 기간 (수백만 년 이상) 열역학적으로 안정적인 탄산염으로 변환하여 저장됩니다^5. 예를 들어, 올리바인, 파이록센 및 뱀 단 미네랄은 미네랄 탄화^6을겪을 가능성이 있다. 그러나 정상적인 조건에서 이러한 반응은 느린 반응 운동학에 의해 제한됩니다. 따라서, 주변 조건에서 공정속도를 높이기 위해, 이들 규산염의 미세하게 컴분트(분쇄/밀링) 형태는 농업 토양에 적용될 수 있으며, 이는 지상파 강화풍화^7이라고하는 과정이다. 토양은 CO_2를저장하는 천연 싱크대이며, 현재 는 대기 저수지 (800 Gt 카본)^8을세 번인 탄소 2500 Gt의 저수지입니다. 토양 및 지하 토양의 페도게닉 공정은 대기 CO_2를 두 가지 주요 자연 경로, 즉 유기 물질 주기및 알칼리성 지구 금속 광물의 풍화로 조절하여 유기 및 무기 탄소 풀에 각각^9을영향을 미칩니다.

대기 CO_2의 거의 1.1 Gt가 매년^{10화학암풍을}통해 미네랄화되는 것으로 추정된다. 칼슘과 마그네슘이 풍부한 규산염 바위(예를 들어, 현무암)는^{풍화 9,11,12를}위한 1차 공급원료로 간주된다. 분쇄된 규산염 함유 광물이 농업 분야에 적용되면 토양 모공수에 용해된_CO2와 반응하기 시작하여 안정적인 탄산염^11,13의광물 침전으로 마무리된다. 올리바인^14,15,울라토네이트(CaSiO₃₎^13,돌레라이트, 현무암(16)은 이전 연구에서 향상된 풍화를 통해 탄소 격리 잠재력을 입증한 광물 중 하나이다. 더 큰 가용성에도 불구하고, 따라서 아마도 더 큰 CO₂ 격리 용량, 마그네슘 규산염의, Cr과 Ni 침출의 결과로 잠재적 인 환경 영향과 석면 미립자의 가능한 존재로 인해 농경지에서 강화 된 풍화에 대한 그들의 응용 프로그램에 대한 우려가있다^11,15,17,18. 칼슘 베어링 규산염으로서, 울라스토네이트는 높은 반응성, 단순한 화학적 구조로 인해 이 공정의 주요 후보로 강조되고 있으며, 환경적으로 양성이 될 뿐만 아니라 실리카^{매트릭스(12,19,20,21)에}대한 Ca 이온의 약한 결합으로 인한 탄산염의 생산을 용이하게 한다. 캐나다 온타리오 주 킹스턴에서 채굴되고 현재 캐나다 울라스테노이트(Wollastonite)가 농업 용 으로 상용화되어 있으며, 위험 금속의 높은 수준을 포함하지 않습니다. 전 세계 울라스토네 매장량은 100Mt 이상으로 추정되며, 중국, 인도, 미국, 멕시코, 캐나다, 핀란드는^22개국으로 등이다.

규산염 광물의 강화된 풍화는 토양 건강, 특히 작물 수율 증가 및 식물 성장 개선을 촉진하여 합성 비료의 적용을 잠재적으로 감소시켜 온실가스 배출 감소^11,18,19에더욱 기여할 수 있다고^{판단된다.} 이전 연구에 따르면 토양에 카가 풍부한 규산염 미네랄을 적용하면 토양 배지에서 산도를 중화하기 위한 기본성을 공급하여 작물 생산^23,24,25를선호하는 것으로 나타났습니다. 이것은 또한 산성 조건에 취약한 독성 금속 동원을 방해하고, 강화된 풍화는 토양 유기물^{증분(11)을}통해 침식을 지연시키는 데 유용할 수 있다.

방정식 1-3은 울라스테온으로 토양을 수정하여 무기 탄산염으로 페도게닉 탄소 격리가 어떻게 가능한지 보여줍니다. 주변 CO_2는 빗물을 통해 토양에 진입하거나 유기 화합물을 저하시키는 미생물 활성에 의해 토양에서 생산됩니다. 일단 토양 모공수와 접촉하면 탄산산이 형성되어 중탄산염과 양성자(방정식 1)를 형성하도록 해리합니다. 식물의 존재에서 구연산 및 말산과 같은 뿌리 분주가 방출되어 시스템에 양성자를 제공합니다. 이러한 양성자는 이온을 방출하고 비정질 실리카 (방정식 2)를 남겨 두고 토양에서 울라토마이트의 용해를 용이하게합니다. 방출된 Ca 이온은 궁극적으로 탄산염(지질화학 적 조건에 따라 결정성 방해기 또는 기타 품종)으로 침전하기 위해 중탄산염과 반응한다(수학식 3). 이러한 형성된 탄산칼슘은 토양 무기 탄소(SIC)^{분수(26)의}일부가 된다.

주변 CO₂ 해결:

2CO_{2 (g)} + 2H₂O_(l) ↔ 2H₂CO_{3 (aq)} ↔ 2HCO₃^– + 2H⁺ (1)

울라스테오네이트 용해 (H⁺ 탄산산과 뿌리 의 해리에서):

CaSiO_{3 (s)} + 2 H⁺ → Ca^{2 +} H₂O_(l) + SiO_{2 (s)} (2)

페도게닉 무기 탄산염 침전:

Ca^{2 +} + 2 HCO₃^– → CaCO_{3 (s)}↓ + H ₂O_(l) + CO_{2 (g)} (3)

최근 작업에서, 농업 토양에 울라스토니트의 적용을 통해 강화 된 풍화, 석회암 대체 개정으로, 실험실과 필드 저울모두에서 표토에서 CaCO₃ 강수량에 효과적이발견되었습니다, 짧은 (몇 개월) 긴 (3 년) 용어. 현장 연구에서, 화학 및 광물학적 평가에서 SIC 함량이 울라스토니트 적용 복용량(톤,헥타르^-1)13에비례적으로 증가하는 것으로 나타났습니다. 실험실 연구에서, 광물학 분석은 탄소^{격리(19)로}인한 페도게닉 탄산염의 존재를 보여주었다. 토양의 페도게닉 탄산염 형성은 지형, 기후, 표면 식물, 토양 생물학적 과정 및 토양 물리 화학적 특성²⁷: 특히 여러 가지 요인에 따라 달라집니다. 우리의 이전 연구²³ 식물의 역할을 결정 (콩 식물 (녹색 콩) 및 비 콩류 식물 (옥수수)) 울라 토 나이트 풍화 및 토양에서 무기 탄산염 형성에. 토양과 기공에서 의한 페도게닉 탄소 형성 및 이주에 대한 당사의 지속적인 연구에는 다양한 깊이와 시간이 지남에 따라 광물 풍화로 인해 처음 표토에서 형성된 농업 토양에서 토양 탄산염의 운명을 조사하는 것이 포함됩니다. Zamanian 외^27에따르면, 자연적으로 발생하는 페도게닉 탄산지평선은 국소 강수량이 증가함에 따라 표면에서 더 멀리 발견되며, 이 지평선의 상단은 일반적으로 표면 아래 몇 센티미터에서 300cm 사이에 나타나는 것으로 나타났다. 토양 수균형, 계절역학, 모재료의 초기 탄산염 함량, 토양 물성 등 기타 주변 및 토양 파라미터도 이 발생의^{깊이(27)에}영향을 미친다. 따라서 규산염의 강화된 풍화로 인한 본래및 증분 수준의 SIC에 대한 정확한 이해를 얻을 수 있는 모든 기회에 충분한 깊이로 토양을 시료하는 것이 중요합니다.

현장 규모에서 중요한 제한은 규산염 토양 개정의 낮은 적용 률의 사용입니다. 토양과 식물 건강에 많은 규산염 (예 : wollastonite 및 olivine)의 효과에 대한 지식이 제한되어 있기 때문에 상업 생산자는 상당한 탄소 격리를 초래할 수있는 더 높은 적용 속도를 테스트하지 않습니다. 이러한 낮은 적용 률의 결과로, 작물 필드의 넓은 영역뿐만 아니라, 일반적으로 직면 연구 과제는 값이 상대적으로 낮은 경우 SIC의 변화를 결정하고, 복구하고 형태학적 및 광물 학적 변화를 연구하기 위해 토양에서 규산곡물과 풍화 제품을 분리하는 것입니다. 우리의 과거 작업에서, 우리는 울라토네이트 개정 토양의 물리적 분획 (체형사용)이 풍화 과정, 특히 페도게닉 탄산보네이트^(28)의형성과 축적을 더 잘 이해할 수 있게 하는 방법에 대해 보고했습니다. 이에 따라, 울라토니트와 풍화 제품의 함량이 높을수록 토양의 미세한 분획에서 검출되어 분석 중에 합리적으로 높은 값을 제공하여 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 보장했습니다. 연구 결과는 규산염 개정 토양에서 격리 된 탄소 축적의 신뢰할 수있는 추정을 위해 체질 또는 기타 분리 수단을 통해 물리적 분획을 사용하는 것의 중요성을 강조합니다. 그러나 분획 정도는 토양에서 토양, 규산염에서 규산염에 이르기까지 다양하므로 추가 조사를 받아야 합니다.

SIC의 정확한 측정은 토양의 시간과 깊이에 따라 SIC및 (및 유기 탄소)의 진화를 분석하는 데 관심이있는 다양한 연구자들이 채택 할 수있는 표준 및 과학적 절차를 수립하는 데 중요합니다. 이러한 방법론은 농부들이 자신의 필드 토양에서 SIC 형성의 결과로 탄소 신용을 주장 할 수 있습니다. 다음 프로토콜은 자세히 설명합니다: (1) 분석된 토양 데이터의 통계적 유의를 차지하는 토양 규산염 개정에 따라 사용되는 토양 샘플링 방법; (2) 토양 분획 방법은 강화된 규산염 풍화의 결과로 페도게닉 무기 탄산염 풀의 변화를 정량화하는 정확도를 향상시키는 토양 분획 방법, (3) 토양 규산염 개정의 결과로 SIC 격리 속도를 결정하는 데 사용되는 계산 단계. 이 데모의 목적을 위해, 캐나다 울라스토니테에서 공급되는 울라스토니테는 농업 토양에 적용되는 규산염 광물로 간주되며, 농업 토양은 온타리오 남부의 농지에서 발견되는 것과 유사한 것으로 간주됩니다.

울라스토니트와 농업 토양을 개정하는 절차(예를 들어, 헥타르당 적용할 울라스토니테의 양을 결정하고, 토양에 퍼지는 방법)은 이전 연구에서 설명하였다^13. 우리의 이전 및 현재 작업의 연구 영역은 직사각형 플롯입니다; 따라서 직접적인 무작위 샘플링 방법은 이러한 연구에 적합합니다. 이것은 낮은 비용, 감소 된 시간 요구 사항 및 적절한 통계 적 불확실성을 제공 할 수있는 능력으로 인해 일반적으로 사용되는 방법입니다. 마찬가지로, 다양한 필드 조건 및 원하는 통계적 유의수준에 따라, 구역 또는 그리드 샘플링 방법도 사용될 수 있다. 토양 샘플링의 정확도는 샘플링 바이어스의 결과로 통계적 불확실성을 줄이는 데 필수적입니다. 통계가 사용되는 경우 95% 미만의 신뢰도(예: p < 0.05)를 달성하는 것은 "통계적으로 유의한" 것으로 간주되지 않습니다. 그러나, 특정 토양 연구의 경우, 측정의 일반적인 정밀도에 영향을 미치는 현장 조건에서 제어되지 않은(즉, 자연적으로 변화하는) 파라미터의 수로 인해 신뢰 수준이 90%(즉, p < 0.10)로 완화될 수 있다. 이 프로토콜에서는 수직 프로파일 전반에 걸쳐 토양의 SIC 함량 및 기타 화학 물질, 광물 및 형태학적 특성을 조사하기 위해 두 세트의 샘플이 수집됩니다.

Protocol

1. 토양 샘플링 방법 및 코어 수집 토지 고도, 역사적 작물 수율 및 / 또는 토지 관리 전략에 따라 매핑 및 관심의 분권 된 농업 토지 영역을 다른 플롯으로 나눕니다. GPS 수신기를 사용하여 각 플롯의 평준화를 결정하고, 기록 팜 레코드(평균 이하, 평균, 평균 이상)를 기반으로 작물 수확량을 분류하고 각 플롯에 사용되는 토지 관리 전략(사용되는 토양 수정 유형,있는 경우)을 분류합니다. ?…

Representative Results

토양의 SIC 함량은 자동화된 탄소 분석기 또는 calcimeter를 포함한 다양한 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 총 토양 탄소 측정을 위한 자동화된 탄소 분석기는폐쇄용기(30)에내장된CO2 압력을 측정한다. 석화에서, 산성화 후 방출되는CO2의 진화된 부피, 전형적으로 농축 된 HCl산의 첨가에 의해, 탄산염 함유 시료의 측정된다. 석회화 방법은 간…

Discussion

수정된 농업 분야에서 샘플을 수집하는 것은 일반적으로 어렵다는 점을 감안할 때, 영양 적용 전에 샘플을 수집해야 한다는 것이 좋습니다. 또한 얼어 붙은 필드에서 샘플을 수집하는 것을 피하는 것이 좋습니다. 샘플링 깊이는 수직 프로파일을 통해 샘플링의 용이성과 물 테이블의 깊이에 따라 다른 영역에서 다를 수 있습니다. 선택된 토양 샘플링 장치는 토양 구조 및^{관심도(33)의</…}

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.