農業土壌における改正珪酸塩鉱物の風化による、ペド原性無機炭素蓄積のモニタリング

要約

ここで説明する検証方法は、ウリストナイト、玄武岩、オリビンなどのアルカリ土類金属ケイ酸塩含有岩で改定された各種農業土壌における、個体性無機炭素隔離をモニタリングするために適応可能である。この種の検証は、炭素を隔離する農家に利益をもたらす炭素クレジットプログラムに不可欠です。

要約

本研究は、農業土壌中の微細な岩石の改善により誘導される無機炭素をモニタリングするための体系的な手法を示すことを目的としている。この上、異なる深さで採取したコア土壌サンプル(0-15cm、15-30cm、30~60cmプロファイルを含む)を農業場から採取し、その表土は既にミネラル(ウォラストナイトなど)を含むアルカリ土石材を含有する珪酸塩を濃縮している。実験室に輸送した後、土壌サンプルは空気乾燥され、ふるいにかける。そして、試料の無機炭素含有量は、カルシメトリーと呼ばれる容積法によって決定される。本明細書で提示された代表的な結果は、対照土壌と比較してCa-ケイ酸塩で改正された土壌中の無機炭素含有量の5倍の増分を示した。この組成変化は、改正土壌中で1単位以上のpH増加を伴い、ケイ酸塩の溶解が高いことを示唆した。鉱物学的および形態学的解析は、元素組成と同様に、ケイ酸塩を改変した土壌の無機炭素含有量の増加をさらに裏付ける。この研究で提示されたサンプリングおよび分析方法は、玄武岩やオリビンなどの他の適切なケイ酸塩岩で修正されたものを含む、土壌や地下土壌の中で微量原性無機炭素変化を追跡しようとしている研究者や専門家によって採用することができます。これらの方法は、民間および政府機関による土壌無機炭素隔離を検証するためのツールとして利用され、炭素クレジットを認定し、授与することができます。

概要

_CO2は主要な温室効果ガス(GHG)であり、大気中の濃度は継続的に増加しています。産業前の世界平均_CO2は100万分の315(ppm)であり、2020年4月現在、大気中の_CO2濃度は416ppm以上に増加し、地球温暖化を引き起こした^。したがって、この熱トラップGHGの大気中の濃度を低減することが重要です。ソコロー²は、2070年までに大気中の_CO2から500ppmの濃度を安定させるために、各安定化ウェッジが個々の緩和アプローチである9つの「安定化ウェッジ」が必要であり、年間3.67Gt CO₂ eqの排出削減を達成することを示唆している。

炭素捕獲および貯蔵(CCS)は、国連気候変動会議2015 3で開始されたミッション・イノベーション・イニシアチブの推奨に応じて、大気中からの_CO2を削減するための主要な技術^です。大気中の_CO2を取り込むために、利用可能な3つの主要な貯蔵オプションは、海洋貯蔵、地質貯蔵、鉱物炭酸^化4である。鉱物炭酸化に焦点を当てて_、CO2はアルカリ土類金属、主にカルシウムおよびマグネシウムが豊富なケイ酸塩を地質学的な時間枠(数百万年にわたって)のために熱力学的に安定した炭酸塩に変換することによって貯蔵される^5。例えば、オリビン、ピロキセン、および蛇行群の鉱物は、鉱物炭酸化⁶を受ける可能性がある。しかし、通常の条件下では、これらの反応は遅い反応動態によって制限される。したがって、周囲条件下での処理を高速化するために、これらのシリケートの微細な(粉砕/粉砕)形態を農業土壌に適用することができ、地球的強化風化⁷と呼ばれるプロセス。土壌は_CO2を貯蔵する天然シンクであり、現在は2500Gtの炭素の貯留槽であり、大気貯留層(800Gt炭素⁾⁸を3回引き出している。土壌および地下土壌における環境過程は、大気_CO2を2つの主要な自然経路、すなわち有機物循環とアルカリ土類金属鉱物の風化によって調節し、それぞれ有機および無機炭素プールに影響を及ぼす^9。

大気中_CO2のほぼ1.1Gtは、化学岩風化を通じて毎年¹⁰を鉱物化すると推定される。カルシウムとマグネシウムが豊富なケイ酸塩岩(例えば、玄武岩)は、改善された風化^9、11、12の主要な原料とみなされている。砕石酸塩含有鉱物が農業分野に適用されると、それらは土壌細孔水に溶解した_CO2と反応し始め、安定した炭酸塩^11,13の鉱物沈殿と結びつく。オリビン^14、15、ウォラストナイト(CaSiO^3)13、ドールライト、玄武岩¹⁶は、以前の研究で強化された風化を通じて炭素隔離電位を実証した鉱物の一つである。より大きな可用性にもかかわらず、そしておそらくより大きな_CO2隔離能力、ケイ酸マグネシウムの、CrとNiの浸出の結果としてそれらの潜在的な環境影響とアスベスト状微粒子^{11、15、17、18}の可能な存在のために作物の改善風化のための彼らのアプリケーションについての懸念があります。カルシウムを含むケイ酸塩として、ウォラストナイトは、その高い反応性、単純な化学構造、環境的に良性であること、ならびにCaイオンのシリカマトリックス^{12、19、20、21}への結合が弱いため炭酸塩の生産を促進するため、このプロセスの最有力候補として本明細書に強調される。カナダのオンタリオ州キングストンで採掘され、現在カナダのウォラストナイトが農業用に製品化しているウォラストナイトには、高いレベルの有害金属は含まれていません。世界のウォラストナイト埋蔵量は100以上と推定されており、中国、インド、米国、メキシコ、カナダ、フィンランドが上位の生産国^22.

ケイ酸塩鉱物の改善された風化は、土壌の健康を促進するために、特に作物収量増加および植物の成長改善を促進すると考えられる、合成肥料の適用の潜在的な減少につながり、これはGHG排出削減^11、18、19にさらに寄与することができる。以前の研究では、Caが豊富な珪酸塩鉱物を土壌に適用すると、土壌培地中の酸性度を中和するための塩基性が供給され、作物生産^23、24、25が好ましいと報告されている。これはまた、有毒金属の動員を妨げ、酸性条件に影響を受けやすく、改善された風化は、土壌有機物インクリメント¹¹を通じて浸食を遅らせるのに有用であり得る。

式1-3は、ウォラストナイトで土壌を修正することによって、無機炭酸塩としての浸透性炭素隔離がどのように可能であるかを示しています。環境_CO2 は雨水を通して土壌に入るか、有機化合物を分解する微生物活性によって土壌中で生成される。土壌の細孔水と接触すると、炭酸が形成され、解化して重炭酸塩と陽子を形成する(式1)。植物の存在下では、クエン酸やマレイン酸などの根の滲出物が放出され、システムに陽子も提供されます。これらの陽子は、Caイオンを放出し、非晶質シリカを残して土壌中のウォラストナイトの溶解を容易にする(式2)。放出されたCaイオンは最終的に炭酸塩と反応して炭酸塩(結晶性の方解石または他の品種、地球化学的条件に応じて)として沈殿する(式3)。この形成された炭酸カルシウムは、土壌無機炭素(SIC)画分²⁶の一部となる。

アンビエント CO₂ の解決:

2CO_2(g) + 2H₂O_(l) ↔_{2H 2}CO_3(aq) ↔ 2HCO₃^- + 2H +⁽¹⁾

ウォラストナイト溶解^(H+ 炭酸と根の剥離から):

CaSiO_3(s) + 2 H⁺ → Ca 2 + H² O_(l) + SiO_2(s) (2)

浸透性無機炭酸塩沈殿:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^- → CaCO_3(s)↓ + H₂O_(l) + CO_2(g) (3)

最近の研究では、石灰岩代替改正として、ウォラストナイトを農業土壌に適用することで風化が強化され、実験室およびフィールドスケールの両方で、そして短い(数ヶ月)および長い(3年)の用語で表土中のCaCO₃降水量に有効であることがわかりました。現場研究では、化学および鉱物学的評価により、SIC含有量がウォラストナイト用途用量(トン・ヘクタール^-1)13に比例して増加することが明らかとなった。実験室での研究では、鉱物学的分析は炭素隔離によるペド原性炭酸塩の存在を示した^19.土壌中の小児性起源の炭酸塩の形成は、いくつかの要因に依存し、特に:地形、気候、表面植生、土壌生物化学的プロセス、および土壌生理化学的性質^27。我々の以前の研究²³は、土壌中のウォラストナイト風化および無機炭酸塩形成における植物(豆類植物(緑豆)および非豆類植物(トウモロコシ))の役割を決定した。土壌や地下土壌における農薬炭素形成と移動に関する現在進行中の研究には、様々な深さと時間の経過とともに鉱物の風化のために表土に形成された農業土壌中の土壌炭酸塩の運命を調査することが含まれています。Zamanian et al.²⁷によると、自然発生する小児性の炭酸塩地平線は、局所的な降水量の速度が増加するにつれて表面から遠く離れているのが見つかり、この地平線の上部は一般的に数センチメートルから300cm下に現れる。土壌水収支などの他の周囲および土壌パラメータは、季節的な力学、親材料における初期の炭酸塩含有量、土壌物性、この発生の深さにも影響を与える^27。したがって、シリケートの改良により生じる元のSICおよび増分レベルの正確な理解を得るために、土壌を十分な深さにサンプリングすることが重要です。

フィールドスケールでは、重要な制限は、ケイ酸塩土壌の修正の低い適用率の使用です。土壌や植物の健康に対する多くのケイ酸塩(ウォラストナイトやオリビンなど)の影響に関する知識は限られているため、商業生産者は、大幅な炭素隔離をもたらす可能性のあるより高い適用率のテストを避けます。このような低い適用率の結果として、作物分野の広い領域と同様に、一般的に直面する研究課題は、値が比較的低いときにSICの変化を決定し、水性粒子および風化産物を土壌から回収して分離して形態学的および鉱物学的変化を研究することである。我々の過去の研究では、ウォラストナイト改定土壌の物理的分別(ふるい分けを使用)が、風化プロセス、特に小児性炭酸塩²⁸の形成および蓄積をよりよく理解することを可能にした方法について報告した。したがって、ウォラストナイトおよび風化製品のより高い内容物は、分析中に合理的に高い値を提供し、より正確で信頼性の高い結果を確保する土壌のより細かい部分で検出されました。この知見は、ケイ酸塩を改正した土壌中の隔離炭素蓄積の信頼性の高い推定のために、ふるい分けまたはその他の分離手段を通じて物理的分分化を使用することの重要性を強調している。しかし、分画の程度は土壌によって、ケイ酸塩からケイ酸塩までさまざまであり、さらに研究する必要があります。

SICの正確な測定は、SICの進化と(そして有機炭素)の経時および深さの分析に興味を持つ様々な研究者が採用できる標準的かつ科学的な手順を確立するために重要です。このような方法論は、農家が彼らのフィールド土壌でSIC形成の結果として炭素クレジットを主張することを可能にします。以下の議定書は、詳細に説明する:(1)分析された土壌データの統計的有意性を説明する土壌ケイ酸塩の修正に従って使用される土壌サンプリング方法。(2)ケイ酸塩の風化強化の結果として、ペドジェニック無機炭酸塩プールの定量変化の精度を向上させる土壌分画法、および(3)土壌ケイ酸塩の補正の結果としてSIC隔離率を決定するために使用される計算工程。このデモの目的のために、カナダのウォラストナイトから供給されたウォラストナイトは、農業土壌に適用されるケイ酸塩鉱物であると仮定され、農業土壌はオンタリオ州南部の農地に見られるものと同様であると考えられています。

ウォラストナイトを用いた農業土壌の改正を含む手順(例えば、1ヘクタール当たりの適用するウォラストナイトの量を決定し、それを土壌上に広げる方法)を、我々の以前の研究¹³に記載した。私たちの前と現在の仕事の研究領域は長方形のプロットです。したがって、直接ランダムサンプリング法は、このような研究に適しています。これは、低コスト、時間要件の短縮、および適切な統計的不確実性を提供する能力のために、一般的に使用される方法です。同様に、様々なフィールド条件や統計的有意性のレベルに応じて、ゾナルまたはグリッドサンプリング法も使用できます。土壌サンプリングの精度は、サンプリングバイアスの結果として統計的な不確実性を減らすために不可欠です。統計を使用する場合、95%未満の信頼度(すなわち、p<0.05)を達成することは、「統計的に有意」とは見なされません。しかし、ある種の土壌研究では、測定の一般的な精度に影響を与えるフィールド条件の制御されていない(すなわち、自然に変化する)パラメータの数により、信頼度は90%(すなわち、p<0.10)に緩和される可能性があります。このプロトコルでは、SIC含有量およびその垂直方向のプロファイル全体で土壌の他の化学的、鉱物、形態学的特性を調査するために、2組のサンプルが収集されます。

プロトコル

1. 土壌サンプリング法とコアコレクション

1. 土地の標高、歴史的な作物収量、および/または土地管理戦略に基づいて、マップされた農地と境界のある農地を異なる区画に分割します。GPS受信機を使用して各プロットの平準化を決定し、歴史的な農場記録(平均以下、平均、平均以上)に基づいて作物収量を分類し、各プロットに使用される土地管理戦略(使用される土壌改正の種類(ある場合))。各プロットの境界にフラグを配置すると、後続のサンプリングが容易になります。
   注: 図 1 は、4 つのプロット(A、B、C、D)に対する、スタディの対象となる矩形領域の断面を示しています。このような実験計画と情報は、分析されたデータの統計的有意性を確認するのに役立ちます。また、不規則な農地に適しており、作物の列の向きから地形の方向、流出、優勢な風、太陽の経路など、必要と考えられるパラメータに従ってサンプリングを調整するのに便利です。これらの4つのプロットは、フィールド撮影キャンペーンを容易にするために考慮されました。
2. 各プロット全体でコアを収集するには、ダイレクトランダムサンプリング法を使用します。グリッドパターンに従って各プロットを25個のサブプロットに分割します(図2)。25コアを収集することは、従来の最小推奨コア数(15〜20)を上回っています。

​
図1:サンプル収集に使用されるプロットの表現(各プロットは、5 m × 10 m(全4×50 m²⁾の面積を表します。黒いフラグは、サンプリングを容易にするために各プロット境界を区切り、白いフラグは深いサンプリングのために位置をマークします。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2: 有数サンプルを収集するための各プロットのサブセクション(各サブセクションは、1 m x 2 mの面積を表す)、有数のランダムサンプリング法に基づく。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

3. 各サブプロット内のランダムポイントから、サブプロットごとに1つずつコアサンプルを収集します。土壌プローブまたは土壌コアサンプラーを使用して、0-15 cm、15-30 cm、30-60 cmの3つの深度ゾーンまで土壌コアを収集し、ケイ酸塩土壌の修正による深度のSIC変動を説明します。
   注:土壌の種類と使用されるプローブ/サンプラーによっては、30〜60cmのサンプルを収集するために別のサンプラーが必要な場合があります。
4. 拡張可能オーガー(または同様に可能なサンプラー)を使用して、 図1の白旗の位置から、60-100 cm、100-175 cm、175-250 cmの追加の3つの深度ゾーンまで、深い土壌サンプルを収集します。これらのサンプルは、これらの深さの中で土壌特性の変動を説明するだけでなく、天然に発生する小児性の炭酸塩の地平線の上深さまで、調査された土地領域の背景SICレベルを評価します。
   注: サイトのローカル プロパティ (地下水テーブルの深さなど) に基づいて、最も深いゾーンは別の場所で変更される場合があります。
5. 各プロットでサンプリングされた深さごとに1つずつ、土壌サンプルをバケツに輸送します。各バケツの土を十分に手でブレンドします。ポータブル水分テスターを混合土壌サンプルに入れる。水分の内容がデバイスのゲージの安定したポイントで固定されるまで待ちます。ホルダーボタンを押して、ブレンドされた土壌のリアルタイムの水分量として値を記録します。
6. 密封袋に複合サンプルを保管してください。プロット(A、B、C、またはD)、土壌深さ(0-15 cm、15-30 cm、30-60 cm、60-100 cm、100-175cm、175-250 cm)、およびサンプリングの日付に関する情報を適切にラベル付けします。

2. 化学分析前の土壌分別

1. 土壌炭素の酸化を最小限に抑えるために、サンプリング後できるだけ早く土壌サンプルを空気乾燥させます。このためには、土壌サンプルを段ボール箱(2.5インチx 3インチx 3インチ)に入れ、乾燥キャビネットに50°Cの乾燥キャビネットに入れて、土壌が乾燥するまで24〜48時間置きます。さらに分析するまで、空気乾燥サンプルをサンプルバッグに保管してください。
2. 土壌分画の前に、2mmのふるいを通して土壌サンプルを実行して、岩石や植物の遺跡の大きな断片を取り除きます。
3. サンプルをマフル炉に入れてふるい土をオーブン乾燥し、105±2°Cで少なくとも15時間維持した。
4. 土壌分別の場合は、異なるメッシュサイズ(710〜50μm)からなる篩シェーカーの上メッシュにオーブン乾燥サンプルの1キロを置きます。60 rpmでふるいを15分間振ります。パン分画<50 μmは、これが小児性炭酸塩を豊富に含む土壌分率であるため、分析に好適に使用されます。
   注:他の土壌分率は、修正されたケイ酸塩の強化された風化によるSIC蓄積の検証のための追加データを得るためにテストすることができます。

3. 浸透性無機炭素隔離定量

1. 石灰測定分析を用いて土壌サンプルの無機炭素含有量を決定するには、ふるい状の土壌サンプルの5gを適切なエルレンマイヤーフラスコに入れます。20mLの超純水でサンプルを吊り下げたい。小さな平底ガラス試験管に4 M HClの7 mLを加え、ピンセットを使用してフラスコの内側に直立してこのチューブを置きます。
2. ゴム栓を付けて、慎重にフラスコを石灰計に取り付けます。カルシメーターのビュレット水位は、必要に応じてあらかじめ調整されている必要があり、必要に応じて、ブランクとCaCO₃ 規格は、一度、カルシメータ上で実行されている必要があります。
3. フラスコを振り、酸管をノックし、ビュレット内の水位が一定値に達するまで、溶液中でバブリングが見られない(これは約5分かかります)。
4. サンプルの CaCO₃-等価(CaCO_3(eqv))の含有量を計算します (例,CaCO_3(eqv)·(kg,土壌^)-1)は、ビュレットで観察された体積変化に基づいて、ブランクおよびCaCO₃ キャリブレーション値を、適切な計算式を使用する。SIC含有量は、g,CaCO_3(eqv)を変換することによって得られます·(kg,土壌)^-1 値を_kg,CO2·(トン、土壌)^-1 または kg,C·(トン、土壌)^-1.
   1. 以下の式を使用して、サンプルの CaCO_3(eqv) コンテンツを計算します。
      (4)
      どこ：
      w (CaCO_3(eqv)) = オーブン乾燥土の炭酸塩分
      _m1 = テスト部分の質量
      _m2 = 炭酸カルシウム標準の平均質量
      _V1 = 試験部の反応によって生じる二酸化炭素の体積
      _V2 = 炭酸カルシウム基準で生成される二酸化炭素の平均量
      V₃ = ブランク決定におけるボリュームの変更
      w(H2O)=乾燥試料の水分含有量
      注: 手順 3.1 ~ 3.4 は、標準プロトコル²⁹に基づいて実行されます。
5. 土のかさ密度(BD)を測定するには((トン、土壌^)·m−3)、既知の体積の容器にオーブン乾燥土サンプルの十分に大きなアリコートを置きます。スケールを使用してサンプルの重量を量ります。試料の体積に対する乾燥重量の比率はBDと考えられる。
   注: 「乱れのないかさ密度」を計算するための代替デバイスが説明で紹介されています。
6. アレアルSIC(kg,CO2·(ヘクタール)^-1) 以下の式を使用します。
   (5)
   どこ：
   A = 表面積
   DT = 深さの厚さ
7. 合計SIC(SIC 0-60 cm、kg、CO₂·(ヘクタール)^-1)各プロットの各深度に対して取得された面積 SIC 値を使用して、次のようにします。
   SIC_{プロットA=} SIC_{0-60 cm} = SIC_{0-15 cm} + SIC_{15-30 cm} + SIC_{30-60 cm} (6)
8. トータルアリアルSIC(SIC 0-60 cm、kg、CO₂·(ヘクタール)⁻¹⁾各プロットの含有量 (A,B,C,D)が調査され、平均平均値を以下のように求める。
   (7)
9. 平均リアルSIC(kg,CO₂·(ヘクタール)^-1)土壌修正に使用されるケイ酸塩鉱物/岩石の適用率((トン、ケイ酸塩)によってEq. 7から得られた(トン、ケイ酸塩)·(ヘクタール)^-1)。
   注:これは、塗布されたケイ酸塩のトン当たりの_CO2 のkgの点で隔離された小児性無機炭素の量を提供します(kg、CO_·2(トン、ケイ酸塩)^-1)。複数年にわたる調査が行われたり、ケイ酸塩の修正のない対照プロットが存在する場合、このステップは、より長期的、または前年比の値、または純小児起源炭素隔離に対する全隔離および総修正を考慮して変更する必要がある。

結果

土壌のSIC含有量は、自動化された炭素分析装置またはカルシメータを含む様々な方法を使用して決定することができる。総土壌炭素定量のための自動炭素分析装置は、閉じた容器³⁰に蓄積された_CO2圧力を測定する。カルシメトリーでは、酸性化後に放出される_CO2の進化量は、典型的には、濃縮されたHCl酸を添加することによって、炭?...

ディスカッション

受精した農地からサンプルを採取することは通常困難であることを考えると、栄養摂取前にサンプルを採取することが推奨される。また、凍結したフィールドからサンプルを収集することを避けることをお勧めします。サンプリング深度は、垂直プロファイル上のサンプリングの容易さ、および水テーブルの深さに応じて、異なる領域で変化する可能性があります。選択された土壌サンプリ?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.