监测农业土壤中经修正的硅酸盐矿物风化造成的致病性无机碳积累。

二_氧化碳是一种主要的温室气体，其大气中的浓度在不断增加。工业化前全球_{平均二氧化碳}浓度约为百万分之315（ppm），截至2020年4月，_大气中二氧化碳浓度上升至416ppm以上，从而导致全球变暖^1。因此，降低这种吸热温室气体在大气中的浓度至关重要。Socolow²建议，到2070年将大气CO₂的浓度稳定在500ppm之间，需要9个”稳定楔子”，其中每个稳定楔子都是一种单独的缓解方法，其大小为每年减排3.67亿克二氧化碳。

碳捕获和储存 （CCS） 是根据_{2015 年}³月联合国气候变化大会发起的”使命创新倡议”的建议，减少大气中二氧化碳排放的主要技术。为了捕获_{大气二氧化碳}，可用的三个主要储存选项是海洋储存、地质储存和矿物碳化^4。CO2以矿物碳化为重点，通过将碱性土金属（主要是富含钙和镁的硅酸盐）转化为热力学稳定的碳酸盐，用于地质时间（超过数百万年^）5。例如，橄榄石、苯甲苯和蛇形组矿物有发生矿物碳化⁶的潜力：然而，在正常情况下，这些反应受到慢反应动力学的限制。因此，为了在环境条件下加快这个过程，这些硅酸盐的精细梳理（粉碎/碾磨）形式可以应用于农业土壤，这个过程被称为陆地增强风化^7。土壤是_{储存二氧化碳}的天然水槽，目前是2500 Gt碳的蓄水池，是大气储层（800 Gt碳^）8的三次。土壤和亚土中的致病_{过程通过两}种主要的自然途径来调节大气中的二氧化碳，即有机物循环和碱性地球金属矿物的风化^{，分别影响}有机和无机碳池。

据估计^{，每年约有}1.1 Gt的_{大气二氧化碳}通过化学岩石风化而矿化。富含钙和镁（如玄武岩）的硅酸盐岩石被认为是增强风化^9、11、12的主要原料。一旦粉碎的含硅酸盐矿物质应用于农田，它们开始_与溶解在土壤毛孔水中的二氧化碳发生反应，最后以稳定碳酸盐^11、13的矿物沉淀结束。奥利文^14号、15号、沃拉斯顿石（CaSiO₃号^）13号、多勒石和玄武岩¹⁶号是通过在先前的研究中加强风化而显示出碳封存潜力的矿物之一。尽管硅酸镁的二氧化碳封存能力更大，因此可能更大，但人们担心，由于Cr和Ni渗出对环境的潜在影响，以及可能存在的甲基颗粒物^{11、15、17、18，}它们在农田中应用增强风化。作为一种含钙硅酸盐，沃拉斯顿石因其高反应性、简单的化学结构、对环境无害以及由于Ca离子与其二氧化硅基质^的粘结性较弱而促进碳酸盐的产生而成为这一过程的主要候选^者。在加拿大安大略省金斯敦开采的沃拉斯顿矿，目前由加拿大沃拉斯顿石为农业应用商业化，不含高浓度的危险金属。据估计，全球沃拉斯顿石储量超过1亿吨，其中中国、印度、美国、墨西哥、加拿大和芬兰为产量最高的国家²²个。

据估计，加强硅酸盐矿物的风化可促进土壤健康，特别是作物增产和植物生长改善，从而有可能减少合成肥料的应用，从而进一步促进温室气体的减少^。先前的研究曾报告说，在土壤中应用富含Ca的硅酸盐矿物为土壤介质中和酸度提供了基础，有利于作物生产^{23、24、25。}这也妨碍了有毒金属的调动，易受酸性条件的影响，加强风化可能有助于通过土壤有机物增量¹¹来延缓侵蚀。

方程1-3表明，通过用沃拉斯顿石修正土壤，如何将致氧碳固存为无机碳酸盐。环境_二氧化碳通过雨水进入土壤，或通过微生物活动降解有机化合物在土壤中产生。一旦与土壤毛孔水接触，就会形成碳酸，从而分离形成碳酸氢盐和质子（等式1）。在植物的存在下，根渗出物，如柠檬酸和雄酸，被释放，这也提供质子在系统中。这些质子通过释放Ca离子并留下无定形二氧化硅（等式2）促进土壤中沃拉斯顿石的溶解。释放的Ca离子最终与碳酸氢盐反应，以碳酸盐（晶体方解石或其他品种，视地球化学条件而定）沉淀（方程3）。这种形成的碳酸钙成为土壤无机碳（SIC）的一部分^26。

环境 CO₂ 索尔夫：

2CO_2（g） =_{2H 2}O_（l） ↔ 2H₂CO_3（aq） ↔ 2HCO₃^– + 2H⁺ （1）

沃拉斯顿石溶解（H⁺ 从碳酸和根渗出分离）：

卡西奥_{3 （s）} + 2 H⁺ → ca^{2 +} H₂O_（l） + Sio_{2 （s）} （2）

致病无机碳酸盐降水：

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

在我们最近的工作中，通过将沃拉斯顿石应用于农业土壤，作为石灰石替代修正，加强了风化，在实验室和田间尺度上，以及短（几个月）和长（3年）的表土中，CaCO₃降水都得到了有效。在实地研究中，化学和矿物学评估显示，SIC含量与沃拉斯顿石应用剂量（吨-公顷^-1）13成正比地增加。在实验室研究中，矿物学分析表明，由于碳封存^19，存在致病性碳酸盐。土壤中碳酸盐的形成取决于几个因素，最显著的因素是：地形、气候、地表植被、土壤生物过程和土壤物理化学特性^27。我们先前的研究²³确定了植物（一种长毛植物（绿豆）和一种非发光植物（玉米）在土壤中沃拉斯顿石风化和无机碳酸盐形成中的作用。我们正在进行的土壤和亚土的碳形成和迁移研究包括调查农业土壤中土壤碳酸盐的命运，这些碳酸盐最初形成于地土中，原因是矿物在不同深度和时间推移。据Zamanian等人²⁷日介绍，随着当地降水速度的增加，自然产生的碳酸盐地平线离地表较远，而这个地平线的顶部通常出现在地表以下几厘米到300厘米之间。其他环境和土壤参数，如土壤水平衡、季节性动力学、母体材料中的碳酸盐含量、土壤物理性质等，也影响了²⁷日这一事件的深度。因此，在所有机会中对土壤进行足够深度的采样，以便准确了解硅酸盐的增强风化导致的 SIC 的原始和增量水平，这一点具有重要意义。

在田间尺度上，一个重要的限制是硅酸盐土壤修正应用率低。由于对许多硅酸盐（如硅酸盐和橄榄石）对土壤和植物健康的影响知之甚不足，商业生产商避免测试更高的应用率，这可能导致严重的碳封存。由于应用率如此之低，以及大面积的作物田地，通常面临的研究挑战是确定当值相对较低时SIC的变化，并回收和分离硅酸盐颗粒和风化产品从土壤中研究形态和矿物学的变化。在我们过去的工作中，我们报告了沃拉斯顿石修正土壤的物理分馏（使用筛分）如何能够更好地了解风化过程，特别是致尿碳酸盐²⁸的形成和积累。因此，在土壤的细分中检测到沃拉斯顿石和风化产品的含量较高，这在分析过程中提供了相当高的值，确保了更精确和可靠的结果。研究结果强调了通过筛分或其他隔离手段，可靠估计硅酸盐修正土壤中固碳积累的重要性。然而，分馏的程度可能因土壤而异，从硅酸盐到硅酸盐可能有所不同，因此应进一步研究。

对 SIC 的准确测量对于建立一个标准和科学程序至关重要，对于有兴趣分析 SIC 和（和有机碳）在土壤时间和深度上的演变的各个研究人员都可以采用该程序至关重要。这种方法使农民能够声称碳信用是由于SIC在其田间土壤中形成的。下列议定书详细描述了：（1）土壤硅酸盐修正后采用的土壤取样方法，说明所分析土壤数据的统计意义：（（2） 通过增强硅酸盐风化，提高生离子无机碳酸盐池变化量化精度的土壤分馏方法：（3） 因土壤硅酸盐修正而用于确定SIC封存率的计算步骤。为了这次示范，从加拿大沃拉斯顿石矿源的沃拉斯顿石被认为是应用于农业土壤的硅酸盐矿物，农业土壤被认为与安大略省南部农田中发现的类似。

我们先前的研究¹³中描述了用沃拉斯顿石修正农业土壤的程序（例如，确定每公顷施用的沃拉斯顿石的数量，以及在土壤中传播的方法）。我们以前和现在的工作研究领域是矩形地块：因此，直接随机抽样方法适合此类研究。这是一种常用的方法，因为它的成本低，时间要求低，并有能力提供足够的统计不确定性。同样，根据不同的现场条件和所需的统计意义水平，也可以使用分区或网格采样方法。土壤采样精度对于减少采样偏差导致的统计不确定性至关重要。使用统计数据时，实现低于 95% 的信心（即 p < 0.05）不被视为"统计显著"。然而，对于某些土壤研究，由于影响测量一般精度的现场条件下不受控制（即自然变化）参数的数量，置信度可能放宽到90%（即p<0.10）。在此协议中，收集两组样本，以调查 SIC 含量及其垂直剖面土壤的其他化学、矿物和形态特性。