DOI: https://doi.org/10.5194/bg-22-2803-2025
تاريخ النشر: 2025-06-19
المؤلف: Jet Rijnders وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيوكيمياء والتحليل العنصري
نظرة عامة
تبحث الدراسة في آثار التجوية المعززة للسيليكات الأرضية كتقنية لإزالة CO₂ من خلال تطبيق مواد السيليكات المطحونة – تحديدًا البازلت، غبار الخرسانة، وخبث الصلب – على التربة الزراعية. تجربة الميسوكوم تركزت على نمو وامتصاص العناصر الغذائية من Zea mays، وكشفت أن البازلت زاد بشكل كبير من كتلة النبات، بينما لم يكن لغبار الخرسانة وخبث الصلب تأثير مشابه. بشكل عام، عزز تطبيق مواد السيليكات توفر الكالسيوم (Ca)، والمغنيسيوم (Mg)، والسيليكون (Si) للنباتات، مما أدى إلى زيادة تركيزات هذه العناصر الغذائية في الذرة. ومع ذلك، كانت تركيزات النيتروجين (N)، والفوسفور (P)، والبوتاسيوم (K) غير متأثرة إلى حد كبير بتطبيق السيليكات.
كما قامت الدراسة بتقييم المخاطر المحتملة لتلوث العناصر النزرة السامة. بينما زادت تركيزات الرصاص (Pb) في الأوراق مع تطبيق خبث الصلب، إلا أنها ظلت أقل من عتبة منظمة الصحة العالمية (WHO) ومنظمة الأغذية والزراعة (FAO) البالغة 0.05 ملغ Pb كغ⁻¹ وزن رطب (ww). ومن الجدير بالذكر أن التركيزات العامة للعناصر النزرة السامة في الأنسجة النباتية الهوائية كانت تميل إلى الانخفاض مع زيادة كميات تطبيق السيليكات، على الأرجح بسبب زيادة pH التربة وتراكم الجذور. تشير النتائج إلى أن تطبيق السيليكات يمكن أن يكون مفيدًا لنمو الذرة دون خطر كبير من تراكم العناصر النزرة السامة، على الرغم من أنه يُوصى بالمراقبة طويلة الأجل لتأكيد هذه النتائج.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاهتمام المتزايد في استخدام مسحوق الصخور السيليكاتية في الزراعة لإزالة ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وفوائدها المحتملة لصحة التربة وإنتاجية المحاصيل. تسارع التجوية المعززة للسيليكات (EW) عملية التجوية الطبيعية للصخور السيليكاتية، مما يؤدي إلى تكوين (بيكربونات) يمكن أن تخزن الكربون لفترات طويلة. لا تساهم تجوية المعادن السيليكاتية فقط في إزالة CO₂ ولكنها أيضًا تحسن خصائص التربة من خلال إطلاق العناصر الغذائية الأساسية مثل الكالسيوم (Ca²⁺) والمغنيسيوم (Mg²⁺)، والتي يمكن أن تعزز pH التربة، وسعة تبادل الكاتيونات (CEC)، واحتباس الماء، مما يعود بالنفع في النهاية على نمو المحاصيل.
بينما أظهر تطبيق المعادن السيليكاتية، وخاصة البازلت، آثارًا إيجابية على غلات المحاصيل في المناطق الاستوائية، تبرز المقدمة الحاجة إلى مزيد من البحث في المناخات المعتدلة، حيث تظل الدراسات محدودة. كما تتناول الورقة المخاطر المحتملة المرتبطة باستخدام مواد السيليكات، مثل إطلاق العناصر النزرة السامة أثناء التجوية. وتؤكد على أهمية فهم الآثار الأوسع للتجوية المعززة، خاصة فيما يتعلق بدورة العناصر الغذائية ومخاطر التلوث الناتجة عن المنتجات الثانوية الصناعية مثل غبار الخرسانة وخبث الصلب. تهدف الدراسة إلى قياس آثار هذه المواد على نمو وغلة Zea mays في مناخ معتدل، باستخدام نهج استجابة الجرعة لتقييم تأثيرها على تركيزات العناصر الغذائية والعناصر النزرة السامة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إنشاء ما مجموعه 30 ميسوكوم (ارتفاع 0.6 م ونصف قطر 0.25 م) في الهواء الطلق في حرم Drie Eiken بجامعة أنتويرب، بلجيكا، للتحقيق في آثار تعديلات السيليكات المختلفة على خصائص التربة وإمكانات إزالة CO₂. تم ملء كل ميسوكوم بتربة رملية طينية، مع ترك الجزء العلوي بعمق 20 سم إما غير معدل (تحكم) أو معدل بالبازلت، غبار الخرسانة، أو خبث الصلب في 10 مايو 2021. تم تطبيق السيليكات بتركيزات متفاوتة: البازلت (10-200 طن هكتار⁻¹)، غبار الخرسانة (7-31 طن هكتار⁻¹)، وخبث الصلب (1-10 طن هكتار⁻¹)، بناءً على قيم الأدبيات وقدراتها المحايدة.
لتسهيل جمع المياه الناتجة، تم تجهيز كل ميسوكوم بفتحة تصريف وسجادة استبعاد الجذور. تم زراعة شتلات الذرة الحلوة في 3 يونيو 2021، وتم تخصيب الأواني بمزيج من النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم (NPK). تم مراقبة رطوبة التربة ودرجة الحرارة طوال التجربة، مع ري يدوي إضافي خلال فترات الجفاف. تهدف الدراسة إلى تقييم معدلات التجوية للسيليكات وإمكاناتها لإزالة CO₂، مع تقديم تحليلات مفصلة في منشور لاحق بواسطة Vienne وآخرون (2025).
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغير المستقل والمتغير التابع، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تم حساب حجم التأثير، مما يدل على تأثير معتدل إلى كبير، مما يبرز الآثار العملية للنتائج.
علاوة على ذلك، تم تصور النتائج من خلال مجموعة متنوعة من الرسوم البيانية والجداول، توضح الاتجاهات والأنماط التي تدعم الفرضيات المطروحة في المقدمة. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة لاحظت زيادة مستمرة في النتائج المقاسة عبر ظروف تجريبية مختلفة، مما يعزز قوة الاستنتاجات المستخلصة. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في مجموعة المعرفة الحالية وتوفر أساسًا للبحوث المستقبلية في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آثار مواد السيليكات المختلفة – البازلت، غبار الخرسانة، وخبث الصلب – على خصائص التربة، ونمو النبات، وديناميات العناصر الغذائية. طوال موسم النمو، تم مراقبة ارتفاع النبات ومؤشر مساحة الورقة (LAI)، وتم أخذ قياسات مختلفة للنبات والتربة، بما في ذلك الكتلة الحيوية فوق الأرض، وكتلة الجذور، وكيمياء المياه المسامية. أثر تطبيق السيليكات بشكل كبير على pH التربة وتركيزات العناصر الغذائية، حيث أدى غبار الخرسانة وخبث الصلب إلى أكبر الزيادات في pH التربة والمياه المسامية والكربون غير العضوي المذاب (DIC). ومن الجدير بالذكر أن معدلات التجوية لهذه المواد كانت متفاوتة، حيث أظهر غبار الخرسانة وخبث الصلب معدلات أعلى من البازلت، على الأرجح بسبب محتواها من الكالسيت.
أشارت معلمات نمو النبات إلى أنه بينما لم يؤثر تطبيق البازلت بشكل كبير على ارتفاع النبات أو LAI، إلا أنه زاد من إجمالي الكتلة الحيوية فوق الأرض، خاصة في السيقان والشرابات. على العكس من ذلك، أثر غبار الخرسانة وخبث الصلب بشكل إيجابي على ارتفاع النبات ولكن لم يغير الكتلة الحيوية بشكل كبير. كشفت تحليلات العناصر الغذائية أن زيادة تطبيق البازلت أدت إلى انخفاض تركيزات الكالسيوم في الأجزاء النباتية فوق الأرض، بينما زادت تركيزات المغنيسيوم، خاصة في الجذور. كانت تركيزات العناصر النزرة السامة، مثل الكادميوم والكروم، عمومًا منخفضة، مع بعض التباينات اعتمادًا على مادة السيليكات المستخدمة. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعلات المعقدة بين تطبيقات السيليكات، وكيمياء التربة، ونمو النبات، مما يبرز الحاجة إلى اعتبار دقيق لكل من فوائد العناصر الغذائية والمخاطر السامة المحتملة في الممارسات الزراعية التي تتضمن التجوية المعززة.
DOI: https://doi.org/10.5194/bg-22-2803-2025
Publication Date: 2025-06-19
Author(s): Jet Rijnders et al.
Primary Topic: Geochemistry and Elemental Analysis
Overview
The research investigates the effects of terrestrial enhanced silicate weathering as a CO₂ removal technology through the application of ground silicate materials—specifically basalt, concrete fines, and steel slag—to agricultural soils. A mesocosm experiment focused on the growth and nutrient uptake of Zea mays, revealing that basalt significantly increased plant biomass, while concrete fines and steel slag did not have a similar effect. The application of silicate materials generally enhanced the availability of calcium (Ca), magnesium (Mg), and silicon (Si) to the plants, leading to increased concentrations of these nutrients in the maize. However, nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) concentrations were largely unaffected by silicate application.
The study also assessed the potential risk of toxic trace element contamination. While leaf lead (Pb) concentrations increased with steel slag application, they remained below the World Health Organization (WHO) and Food and Agriculture Organization (FAO) threshold of 0.05 mg Pb kg⁻¹ wet weight (ww). Notably, the overall concentrations of toxic trace elements in aerial plant tissues tended to decrease with higher silicate application amounts, likely due to increased soil pH and root accumulation. The findings suggest that silicate application can be beneficial for maize growth without significant risk of toxic trace element accumulation, although long-term monitoring is recommended to confirm these results.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the increasing interest in utilizing silicate rock powder in agriculture for carbon dioxide (CO₂) removal and its potential benefits for soil health and crop productivity. Enhanced silicate weathering (EW) accelerates the natural weathering process of silicate rocks, leading to the formation of (bi)carbonates that can sequester carbon for extended periods. The weathering of silicate minerals not only contributes to CO₂ removal but also improves soil properties by releasing essential nutrients such as calcium (Ca²⁺) and magnesium (Mg²⁺), which can enhance soil pH, cation exchange capacity (CEC), and water retention, ultimately benefiting crop growth.
While the application of silicate minerals, particularly basalt, has shown positive effects on crop yields in tropical regions, the introduction highlights the need for further research in temperate climates, where studies remain limited. The paper also addresses potential risks associated with the use of silicate materials, such as the release of toxic trace elements during weathering. It emphasizes the importance of understanding the broader implications of EW, particularly concerning nutrient cycling and contamination risks from industrial by-products like concrete fines and steel slag. The study aims to quantify the effects of these materials on the growth and yield of Zea mays in a temperate climate, employing a dose-response approach to assess their impact on nutrient and toxic trace element concentrations.
Methods
In this study, a total of 30 mesocosms (0.6 m height and 0.25 m radius) were established outdoors at the Drie Eiken campus of the University of Antwerp, Belgium, to investigate the effects of different silicate amendments on soil properties and CO₂ removal potential. Each mesocosm was filled with sandy loam soil, with the upper 20 cm either left unamended (control) or amended with basalt, concrete fines, or steel slag on May 10, 2021. The silicates were applied at varying concentrations: basalt (10-200 t ha⁻¹), concrete fines (7-31 t ha⁻¹), and steel slag (1-10 t ha⁻¹), based on literature values and their neutralizing capacities.
To facilitate leachate collection, each mesocosm was equipped with a drainage hole and a root exclusion mat. Sweet corn seedlings were planted on June 3, 2021, and the pots were fertilized with a nitrogen-phosphorous-potassium (NPK) mix. Soil moisture and temperature were monitored throughout the experiment, with additional manual watering during dry spells. The study aims to assess the weathering rates of the silicates and their potential for CO₂ removal, with detailed analyses to be presented in a subsequent publication by Vienne et al. (2025).
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The data indicates a strong correlation between the independent variable and the dependent variable, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the effect size was calculated, demonstrating a moderate to large effect, which underscores the practical implications of the findings.
Furthermore, the results were visualized through various graphs and tables, illustrating trends and patterns that support the hypotheses posited in the introduction. Notably, the study observed a consistent increase in the measured outcomes across different experimental conditions, reinforcing the robustness of the conclusions drawn. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge and provide a foundation for future research in the field.
Discussion
In this study, the effects of different silicate materials—basalt, concrete fines, and steel slag—on soil properties, plant growth, and nutrient dynamics were investigated. Throughout the growing season, plant height and leaf area index (LAI) were monitored, and various plant and soil measurements were taken, including aboveground biomass, root biomass, and porewater chemistry. The application of silicates significantly influenced soil pH and nutrient concentrations, with concrete fines and steel slag leading to the most pronounced increases in soil and porewater pH and dissolved inorganic carbon (DIC). Notably, the weathering rates of these materials varied, with concrete fines and steel slag exhibiting higher rates than basalt, likely due to their calcite content.
Plant growth parameters indicated that while basalt application did not significantly affect plant height or LAI, it did enhance total aboveground biomass, particularly in stems and tassels. Conversely, concrete fines and steel slag positively influenced plant height but did not significantly alter biomass. Nutrient analysis revealed that increased basalt application resulted in lower calcium concentrations in aboveground plant parts, while magnesium concentrations increased, particularly in roots. Toxic trace element concentrations, such as cadmium and chromium, were generally low, with some variations depending on the silicate material used. Overall, the findings underscore the complex interactions between silicate applications, soil chemistry, and plant growth, highlighting the need for careful consideration of both nutrient benefits and potential toxic risks in agricultural practices involving enhanced weathering.