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

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.