ניטור הצטברות פחמן אנאורגנית פדוגנית עקב בליה של מינרלים סיליקט מתוקן בקרקעות חקלאיות.

CO₂ הוא גז חממה מרכזי (GHG), וריכוזו באטמוספירה גדל ברציפות. CO₂ הממוצע העולמי הקדם-אינדוסטראלי היה כ-315 חלקים למיליון (עמודים לדקה), נכון לאפריל 2020, ריכוז ה-CO₂ האטמוספרי עלה ליותר מ-416 עמודים לדקה, מה שגרם להתחממות כדור הארץ¹. לכן, זה קריטי כדי להפחית את הריכוז של זה חום לכידת GHG באטמוספירה. Socolow² הציע כי כדי לייצב את הריכוז של CO אטמוספרי₂ כדי 500 עמודים לדקה על ידי 2070, תשעה “טריזים ייצוב” יידרש, שבו כל טריז ייצוב היא גישה הקלה אישית, בגודל כדי להשיג 3.67 GT CO₂ eq בשנה בהפחתת פליטות.

לכידת פחמן ואחסון (CCS) היא הטכנולוגיה העיקרית כדי להפחית את CO₂ מהאטמוספירה, כפי שהומלץ על ידי היוזמה חדשנות המשימה, הושק בכנס האו”ם לשינוי האקלים 2015³. כדי ללכוד CO₂אטמוספרי , שלוש אפשרויות האחסון העיקריות הזמינות הן אחסון האוקיינוס, אחסון גיאולוגי, פחמן^{מינרלי 4}. התמקדות פחמן מינרלי, CO₂ מאוחסן על ידי המרת מתכות אדמה אלקליין, בעיקר סידן ומגנזיום עשיר סיליקטים, לתוך קרבונטים יציבים תרמודינמית עבור מסגרות זמן גיאולוגיות (על פני מיליוני שנים)⁵. לדוגמה, אוליבין, פירוקסן, ומינרלים קבוצת סרפנטין יש פוטנציאל לעבור פחמן^{מינרלי 6}; עם זאת, בתנאים רגילים, תגובות אלה מוגבלות על ידי קינטיקה תגובה איטית. לכן, כדי להאיץ את התהליך בתנאי הסביבה, צורות מועכות (מרוסקות /טחונות) של סיליקטים אלה ניתן להחיל על קרקעות חקלאיות, תהליך המכונה בליה משופרת יבשתית⁷. אדמה היא כיור טבעי לאחסון CO₂, כיום להיות מאגר עבור 2500 GT של פחמן, אשר שלוש פעמים את המאגר האטמוספרי (800 GT פחמן)⁸. תהליכים פדוגניים בקרקעות ובתת-ענפים מווסתים CO₂ אטמוספרי על ידי שני מסלולים טבעיים עיקריים, כלומר מחזור החומר האורגני ו בליה של מינרלים מתכתיים אלקליין, המשפיעים על בריכות פחמן אורגניות ואנאורגניות, בהתאמה⁹.

ההערכה היא כי כמעט 1.1 GT של CO₂ אטמוספרי הוא מינרלים באמצעות סלע כימי בליה מדי שנה¹⁰. סלעי סיליקט עשירים בסידן ומגנזיום (למשל, בזלת) נחשבים למזון העיקרי לליווי משופר^9,11,12. לאחר כתוש מינרלים המכילים סיליקט מוחלים על שדות חקלאיים, הם מתחילים להגיב עם CO₂ מומס ב נקבוביות הקרקע, מסכם עם משקעים מינרליים של קרבונטים יציבים^11,13. אוליבין^14,15, וולאסטונייט (CaSiO₃)¹³, dolerite, ובזלת^{16 הם בין מינרלים} אשר הוכיחו פוטנציאל בידוד פחמן באמצעות בליה משופרת במחקרים קודמים. למרות הזמינות הגדולה יותר, ולכן אולי יכולת בידוד CO₂ גדולה יותר, של סיליקטים מגנזיום, ישנם חששות לגבי היישום שלהם עבור בליה משופרת באזורי יבול בשל ההשפעה הסביבתית הפוטנציאלית שלהם כתוצאה Cr ו Ni שטיפה ואת הנוכחות האפשרית של חלקיקים אזבסטיפורם^11,15,17,18. כמו סיליקט נושא סידן, wollastonite מודגש בזאת כמועמד העיקרי לתהליך זה בשל תגובתיות גבוהה שלה, מבנה כימי פשוט, להיות שפיר לסביבה, כמו גם להקל על הייצור של קרבונטים בשל מליטה חלשה יותר של יוני Ca למטריצת סיליקה שלה^12,19,20,21. וולאסטונייט שנכרה בקינגסטון, אונטריו, קנדה, וכיום ממוסחר על ידי וולסטונייט הקנדית ליישומים חקלאיים, אינו מכיל רמות גבוהות של מתכות מסוכנות. עתודות wollastonite ברחבי העולם מוערך להיות מעל 100 הר, עם סין, הודו, ארה”ב, מקסיקו, קנדה, ופינלנד כמו המדינות היצרניות העליון²².

בליה משופרת של מינרל סיליקט הוא העריך כדי לקדם את בריאות הקרקע, בעיקר גידול יבול יבול ושיפור צמיחת הצמח, המוביל לירידה פוטנציאלית ביישום של דשנים סינתטיים, אשר יכול לתרום עוד יותר להפחתת פליטת GHG^11,18,19. מחקרים קודמים דיווחו כי היישום של מינרלים סיליקט Ca עשיר לקרקעות מספק בסיסיות לנטרול חומציות במדיום הקרקע, לטובת ייצור היבול^23,24,25. זה גם מעכב גיוס מתכות רעילות, רגישים לתנאים חומציים, בליה משופרת יכול להיות שימושי עבור שחיקה מפגרת דרך תוספת חומר אורגני הקרקע¹¹.

משוואות 1-3 מראות כיצד בידוד פחמן פדוגני כמו קרבונטים אנאורגניים אפשרי על ידי תיקון קרקעות עם וולסטונייט. Ambient CO₂ נכנס לאדמה דרך מי גשמים או מיוצר באדמה על ידי פעילות מיקרוביאלית המשפילה תרכובות אורגניות. לאחר מגע עם נקבוביות קרקע, נוצרת חומצה פחמתית, אשר מנתק כדי ליצור ביקרבונט ופרוטון (משוואה 1). בנוכחות צמחים, הפרשות שורש, כגון חומצת לימון וחומצה מלזית, משתחררים, אשר מספקים גם פרוטונים במערכת. פרוטונים אלה מקלים על פירוק הוולסטונייט באדמה באמצעות שחרור יוני Ca והשארת סיליקה אמורפית מאחור (משוואה 2). יוני Ca ששוחררו בסופו של דבר מגיבים עם ביקרבונט לזרז כמו קרבונטים (קלציט גבישי או זנים אחרים, בהתאם לתנאים גיאוכימיים) (משוואה 3). זה נוצר סידן פחמתי הופך לחלק פחמן אנאורגני הקרקע (SIC) שבר²⁶.

פתיר CO₂ סביבתי:

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

פירוק וולאסטונייט (H⁺ מהניתוק של חומצה פחמתית ושורש exudates):

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

משקעים פחמתיים אנאורגניים פדוגניים:

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

בעבודה האחרונה שלנו, בליה משופרת באמצעות יישום של wollastonite לקרקעות חקלאיות, כתיקון גיר חלופי, נמצאה יעילה עבור CaCO 3 משקעים בקרקע העליונה, הן בקנה_מידה מעבדה ושדה, ועל פני קצר (כמה חודשים) וארוך (3 שנים) מונחים. במחקרי השדה, הערכות כימיות ומינרלוגיות גילו כי התוכן SIC עולה באופן פרופורציונלי מינון יישום wollastonite (טון·דונם-1)¹³. במחקרי מעבדה, הניתוח המינרלולוגי הראה נוכחות של קרבונט פדוגניים עקב בידוד פחמן¹⁹. היווצרות קרבונט פדוגנית באדמה תלויה במספר גורמים, בעיקר: טופוגרפיה, אקלים, צמחיית פני השטח, תהליכים ביוטיים בקרקע ותכונות פיזיוכימיות של הקרקע²⁷. המחקר הקודם שלנו²³ קבע את תפקידם של צמחים (צמח קטניות (שעועית ירוקה) וצמח לא קטנוני (תירס)) על בליה וולאסטונית היווצרות קרבונט אנאורגנית באדמה. המחקר המתמשך שלנו על היווצרות פחמן פדוגניים והגירה בקרקעות ובתת-קרקעות כולל חקירת גורלם של קרבונטים בקרקע חקלאית, שנוצרו לראשונה בקרקעות העליונות עקב בליה של מינרלים בעומקים שונים ולמשך הזמן. על פי Zamanian et al.²⁷, אופק קרבונט פדוגניים המתרחשים באופן טבעי נמצא רחוק יותר מפני השטח ככל שקצב המשקעים המקומי עולה, כאשר החלק העליון של אופק זה מופיע בדרך כלל בין כמה סנטימטרים ל -300 ס”מ מתחת לפני השטח. פרמטרים אחרים של הסביבה והאדמה, כגון איזון מי קרקע, דינמיקה עונתית, תכולת הפחמן הראשונית בחומר אב, תכונות פיזיקליות של הקרקע, משפיעים גם הם על עומק התרחשות זו²⁷. לכן יש חשיבות לדגום קרקעות לעומק מספיק בכל ההזדמנויות כדי לקבל הבנה מדויקת של המקורי ואת הרמות המצטברות של SIC הנובע בליה משופרת של סיליקטים.

בקנה מידה השדה, מגבלה חשובה היא השימוש בשיעורי יישום נמוכים של תיקוני קרקע סיליקט. מכיוון שיש ידע מוגבל על ההשפעה של סיליקטים רבים (כגון וולסטונייט ואוליבין) על בריאות הקרקע והצמחים, יצרנים מסחריים נמנעים מבדיקת שיעורי יישום גבוהים יותר שעלולים לגרום לבידוד פחמן משמעותי. כתוצאה משיעורי יישום נמוכים כאלה, כמו גם את השטח הגדול של שדות יבול, אתגר מחקרי בדרך כלל בפני הוא לקבוע שינויים SIC כאשר הערכים נמוכים יחסית, כדי לשחזר ולבודד את גרגרי סיליקט ומוצרי בליה מהאדמה ללמוד שינויים מורפולוגיים ומינרלוגיים. בעבודתנו בעבר, דיווחנו על האופן שבו שבר פיזי של האדמה המתוקנת בוולאסטונייט (באמצעות מסננת) אפשר הבנה טובה יותר של תהליך בליה, במיוחד היווצרות והצטברות של קרבונטים פדוגניים²⁸. בהתאם לכך, התוכן הגבוה יותר של וולסטונייט ומוצרי בליה זוהו בחלק העדין יותר של הקרקע, שסיפק ערכים גבוהים למדי במהלך ניתוחים, והבטיח תוצאות מדויקות ואמינות יותר. הממצאים מדגישים את החשיבות של שימוש בשבר פיזי, באמצעות מיון או אמצעי הפרדה אחרים, להערכת אמין של הצטברות הפחמן המבודד בקרקעות מתוקנות סיליקט. עם זאת, מידת השבר יכולה להשתנות מאדמה לאדמה וסיליקט לסיליקט, ולכן יש לחקור אותה עוד יותר.

מדידה מדויקת של SIC היא קריטית לקביעת הליך סטנדרטי ומדעי שניתן לאמץ על ידי חוקרים שונים המעוניינים לנתח את האבולוציה של SIC ו (ופחמן אורגני) לאורך זמן ועומק של הקרקע. מתודולוגיה כזו מאפשרת לחקלאים לתבוע אשראי פחמן כתוצאה מהיווצרות SIC בקרקעות השדה שלהם. הפרוטוקול הבא מתאר, בפירוט: (1) שיטת דגימת קרקע לשימוש בעקבות תיקון סיליקט הקרקע, המהווה את המשמעות הסטטיסטית של נתוני הקרקע המנותחים; (2) שיטת שבר קרקע המשפרת את הדיוק של כימות שינויים בבריכת קרבונט אנאורגנית פדוגנית כתוצאה מפלינג סיליקט משופר, ו- (3) שלבי החישוב המשמשים לקביעת קצב הבידוד של SIC כתוצאה מתיקון סיליקט הקרקע. לצורך הפגנה זו, וולסטונייט, שמקורו בוולאסטונייט הקנדי, הוא הניח להיות מינרל סיליקט להחיל על קרקעות חקלאיות, ואת הקרקעות החקלאיות נחשבים דומים לאלה שנמצאו באדמות החקלאיות של דרום אונטריו.

ההליך הכרוך בתיקון קרקע חקלאית עם וולסטונייט (למשל, קביעת כמות הוולסטונייט שיש להחיל לדונם, והשיטה להפצתה על פני האדמה) תואר במחקר הקודם שלנו¹³. אזור המחקר בעבודתנו הקודמת וההווה הוא חלקות מלבניות; לכן, שיטת הדגימה האקראית הישירה מתאימה למחקרים כאלה. זוהי שיטה נפוצה בשל העלות הנמוכה שלה, דרישת זמן מופחתת, ואת היכולת לספק אי ודאות סטטיסטית נאותה. באופן דומה, בהתאם לתנאי השדה השונים ורמת המשמעות הסטטיסטית הרצויה, ניתן להשתמש גם בשיטות דגימת זונל או רשת. דיוק בדגימת הקרקע חיוני כדי להפחית את אי הוודאות הסטטיסטית כתוצאה מהטיית דגימה. כאשר נעשה שימוש בסטטיסטיקה, השגת פחות מ-95% ביטחון (כלומר, p < 0.05) אינה נחשבת "מובהקת סטטיסטית". עם זאת, עבור מחקרי קרקע מסוימים, רמת הביטחון עשויה להיות רגועה ל -90% (כלומר, p < 0.10) בשל מספר הפרמטרים הבלתי מבוקרים (כלומר, משתנים באופן טבעי) בתנאי השדה המשפיעים על הדיוק הכללי של המדידות. בפרוטוקול זה נאספים שני סטים של דגימות על מנת לחקור תוכן SIC ותכונות כימיות, מינרליות ומורפולוגיות אחרות של הקרקע לאורך הפרופיל האנכי שלה.