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

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. Socolow^2, 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 CO_2’yiyakalamak için, mevcut üç ana depolama seçeneği okyanus depolama, jeolojik depolama ve mineral karbonasyon^4’tir. Mineral karbonasyona odaklanan CO_2, 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 sahiptir^6; 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 lavabodur_{2 2500}Gt karbon için bir rezervuar, atmosferik rezervuar (800 Gt karbon)^8. Topraklarda ve toprak altındaki pedojenik süreçler atmosferik CO_2’yi iki ana doğal yol ile düzenler, yani organik madde döngüsü ve alkali toprak metal minerallerinin yıprağı, organik ve inorganik karbon havuzlarını etkiler, sırasıyla^9.

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 edilir^9,11,12. Ezilmiş silikat içeren mineraller tarım alanlarına uygulandıktan sonra, toprak gözenekli suda çözünen CO₂ ile reaksiyona başlarlar ve kararlı karbonatların mineral çökeltmesi ile^{sonuçlanırlar 11,13}. Olivine^14,15, wollastonite (CaSiO₃)¹³, dolerite ve bazalt^16, 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 endişeler^{vardır 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 ülkeler^{olarak 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 bulunabilecek^{11 , 18,19.} Önceki çalışmalar, Ca bakımından zengin silikat minerallerinin topraklara uygulanmasının, toprak ortamında asitliği nötralize etmek için temellik sağladığını ve mahsul üretimini desteklediğini bildirmiştir^23,24,25. 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:

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

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

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

Pedojenik inorganik karbonat çökeltme:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^– → CaCO_3(ler)↓ + H ₂O_(l) + CO_2(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 varlığı^{gösterilmiştir 19.} Toprakta pedojenik karbonat oluşumu, en önemlisi çeşitli faktörlere bağlıdır: topografya, iklim, yüzey bitki örtüsü, toprak biyotik süreçleri ve toprak fizikokimyasal özellikleri²⁷. Önceki çalışmamız^23, 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 çalışmamızda^{açıklanmıştır 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.