DOI: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117668
تاريخ النشر: 2026-01-31
المؤلف: Emily E. E. M. te Pas وآخرون
الموضوع الرئيسي: احتجاز ثاني أكسيد الكربون والتفاعلات الجيولوجية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في نشر تقنيات تآكل الصخور المعزز (ERW) باستخدام الدونيت المسحوق والبيوتشار كطرق لإزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR) في التربة الزراعية. تم إجراء التجارب من خلال تجربتين في البيوت الزجاجية مع الذرة (Zea mays L) على التربة الرملية والطينية، حيث تم تقييم جرعات مختلفة من الدونيت (20-220 طن هكتار$^{-1}$) مع تطبيق ثابت للبيوتشار (20 طن هكتار$^{-1}$) على مدى شهرين. تكشف النتائج أن تآكل الدونيت يخزن ما بين 1.06 ± 0.025 و 3.48 ± 0.084 طن CO$_2$ هكتار$^{-1}$ في التربة الرملية و 0.28 ± 0.015 إلى 1.60 ± 0.051 طن CO$_2$ هكتار$^{-1}$ في التربة الطينية، مع تعزيز طفيف من البيوتشار للتآكل في التربة الطينية. ومن الجدير بالذكر أن تنفس التربة زاد بشكل كبير، متجاوزًا تخزين CO$_2$ غير العضوي، بينما لوحظت تحسينات في درجة حموضة التربة وتكوين معادن الحديد (الهيدرات) التفاعلية، مما يشير إلى إمكانية استقرار الكربون العضوي على المدى الطويل.
تعد هذه الدراسة الأولى التي تقدم بيانات تجريبية حول التأثيرات المشتركة للدونيت والبيوتشار عبر أنواع التربة المختلفة، مما يساهم في تطوير طرق موحدة لت quantifying CDR المرتبطة بـ ERW. توصي الدراسة باستخدام إجراءات استخراج الكاتيونات ذات الروابط التنافسية القوية، مثل Ba$^{2+}$، لتقدير دقيق لإطلاق الكاتيونات من ERW. تشير النتائج إلى أنه بينما قد تحدث خسائر قصيرة الأجل في الكربون في التربة بسبب زيادة التنفس، فإن الفوائد طويلة الأجل لاستخدام ERW والبيوتشار معًا في تحسين الخصائص الكيميائية للتربة وتعزيز تخزين الكربون واعدة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تكوين الجمعيات العضوية المعدنية وتأثيرات نشر البيوتشار على تقدير CDR بشكل موثوق.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لتقنيات فعالة لإزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR) لمكافحة تغير المناخ الناجم عن الإنسان وتحقيق هدف اتفاقية باريس في الحد من ارتفاع درجة حرارة الأرض إلى 1.5℃. تم تحديد تآكل الصخور المعزز (ERW) والبيوتشار كطريقتين واعدتين لـ CDR، كلاهما قادر على التخزين طويل الأجل للكربون وتأثيرات مفيدة على جودة التربة وإنتاجية المحاصيل. بينما يسرع ERW من التآكل الطبيعي للصخور الغنية بالسيليكات، محولًا CO₂ إلى أيونات بيكربونات أو كربونات صلبة، يعزز البيوتشار، الذي يتم إنتاجه من خلال التحلل الحراري، استقرار الكربون في التربة ويعزز الجمعيات العضوية المعدنية.
يتم التأكيد على إمكانية نشر ERW والبيوتشار معًا لتعزيز CDR، على الرغم من أن التأثيرات الصافية لمزيجهم لا تزال غير واضحة. قد تؤثر عوامل مثل درجة حموضة التربة ونوعها على فعالية هذه التقنيات، حيث قد تستفيد التربة ذات الحموضة المنخفضة من زيادة معدلات التآكل، بينما قد تعزز التربة ذات الحموضة العالية استقرار الكربون من خلال الجمعيات العضوية المعدنية. تقدم الورقة نتائج من تجارب في البيوت الزجاجية مع الذرة المزروعة على التربة الرملية والطينية المعالجة بجرعات مختلفة من الدونيت وكمية ثابتة من البيوتشار، بهدف قياس تخزين الكربون غير العضوي، وبناء ميزانيات الكربون، واستكشاف تكوين منتجات التآكل الثانوية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم إجراء تجربتين في البيوت الزجاجية لتقييم تأثيرات العلاجات المختلفة على نمو نبات الذرة في التربة الرملية والطينية، المشار إليها بـ “تجربة الرمل” و “تجربة الطين”، على التوالي. تم إجراء التجارب في فترات موسمية متميزة—من أبريل إلى يونيو 2021 للتربة الرملية ومن أكتوبر إلى نوفمبر 2021 للتربة الطينية—كل منها استمر 62 و 56 يومًا. حافظت البيوت الزجاجية على درجة حرارة دنيا تبلغ 20℃ خلال النهار و16℃ في الليل، مع اختلاف ظروف الإضاءة بسبب توقيت التجارب، مما قد يؤثر على عملية التمثيل الضوئي ومعدلات النمو. شملت كل تجربة عشرة علاجات مع أربع تكرارات، باستخدام تصميم كتلة عشوائية بالكامل. تراوحت جرعات الدونيت من 20 إلى 220 طن هكتار$^{-1}$، مما يعكس الأدبيات الحالية، بينما تم تطبيق جرعة ثابتة من البيوتشار تبلغ 20 طن هكتار$^{-1}$، تمثل التأثيرات التراكمية لعدة تطبيقات على مر الزمن.
شملت المنهجية خلط محلول مغذي مع ماء منزوع المعادن والعلاجات المعنية في التربة، والتي وضعت بعد ذلك في أوعية مصممة لمنع فقدان المواد. تم قياس سعة احتباس الماء وسعة تبادل الكاتيونات (CEC) للبيوتشار، مع تقييم المساحة السطحية المحددة باستخدام طريقة بروناور-إيميت-تيلر (BET). لاحظت الدراسة أن الحالة الغذائية الأعلى للتربة الطينية تبرر تعديل جرعات الدونيت في تجربة الطين، وأن التأثير السلبي لأعلى جرعة من الدونيت على نمو النبات في تجربة الرمل أبلغت عن هذه التعديلات. بشكل عام، كان الهدف من التصميم التجريبي هو محاكاة ظروف الحقل وتقييم التأثيرات المحتملة طويلة الأجل لتطبيقات الدونيت والبيوتشار على نمو الذرة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X (مع فترة ثقة من Y إلى Z)، مقارنة بمجموعة التحكم.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على آثار هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة التي تشير إلى أن تدخلات مماثلة يمكن أن تحقق تأثيرات إيجابية، مما يعزز صحة البحث الحالي. تم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، والتي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. تم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف الآليات الأساسية والتأثيرات طويلة الأجل للتدخل.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة خصائص عينات التربة والدونيت والبيوتشار المستخدمة في تجارب البيوت الزجاجية التي تهدف إلى تقييم تخزين CO₂ غير العضوي في التربة من خلال تآكل الصخور المعزز (ERW). تم جمع عينات التربة من موقعين متميزين في هولندا، مصنفة كالتربة الرملية والطينية، مع محتويات متغيرة من المعادن التفاعلية (الهيدرات) ومستويات الحموضة. تم الحصول على الدونيت، الذي يتكون أساسًا من الفورستريت، من منجم نرويجي وخضع لتحليل كيميائي لتحديد تركيبه. تم إنتاج البيوتشار من بقايا رقائق الخشب، وتم تنشيطه بمحلول مغذي لتعزيز فعاليته في التربة.
شمل التصميم التجريبي جرعات متغيرة من الدونيت وتعديلات البيوتشار، مع مراقبة دقيقة لمستويات رطوبة التربة ودرجة الحموضة طوال التجارب. تم إجراء تحليلات لمياه التربة وتقييمات للكتلة الحيوية لتقييم تأثيرات التعديلات على نمو النبات وكيمياء التربة. أشارت النتائج إلى أن تآكل الدونيت خزن CO₂ بشكل كبير، مع ملاحظة معدلات تخزين أعلى في التربة الرملية مقارنة بالتربة الطينية. بالإضافة إلى ذلك، أثرت تعديلات البيوتشار بشكل إيجابي على تخزين CO₂ في التربة الطينية، مما يشير إلى أن البيوتشار قد يعزز عملية التآكل من خلال منع تشبع الأسطح التفاعلية. تبرز الدراسة أهمية نوع التربة وتفاعلات التعديلات في تحسين تخزين CO₂ من خلال ERW، بينما تؤكد أيضًا على الحاجة إلى منهجيات موحدة في قياس هذه العمليات.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117668
Publication Date: 2026-01-31
Author(s): Emily E. E. M. te Pas et al.
Primary Topic: CO2 Sequestration and Geologic Interactions
Overview
This research investigates the co-deployment of enhanced rock weathering (ERW) using crushed dunite and biochar as methods for carbon dioxide removal (CDR) in agricultural soils. Conducted through two greenhouse pot experiments with maize (Zea mays L) on sandy and clayey soils, the study assessed various doses of dunite (20-220 t ha$^{-1}$) alongside a fixed biochar application (20 t ha$^{-1}$) over two months. The findings reveal that dunite weathering sequesters between 1.06 ± 0.025 and 3.48 ± 0.084 t CO$_2$ ha$^{-1}$ in sandy soils and 0.28 ± 0.015 to 1.60 ± 0.051 t CO$_2$ ha$^{-1}$ in clayey soils, with biochar slightly enhancing weathering in clayey soils. Notably, soil respiration increased significantly, surpassing inorganic CO$_2$ sequestration, while improvements in soil pH and the formation of reactive iron (hydr)oxide minerals were observed, indicating potential for long-term organic carbon stabilization.
The study is the first to present experimental data on the combined effects of dunite and biochar across different soil types, contributing to the development of standardized methods for quantifying CDR associated with ERW. It recommends using cation extraction procedures with strong competitive binding affinities, such as Ba$^{2+}$, to accurately estimate cation release from ERW. The results suggest that while short-term soil carbon losses due to increased respiration may occur, the long-term benefits of ERW and biochar co-deployment in enhancing soil chemical properties and promoting carbon sequestration are promising. Future research should focus on the formation of organo-mineral associations and the implications of biochar co-deployment for robust CDR quantification.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for effective carbon dioxide removal (CDR) technologies to combat human-induced climate change and meet the Paris Agreement’s goal of limiting global warming to 1.5℃. Enhanced rock weathering (ERW) and biochar are identified as two promising CDR methods, both capable of long-term carbon storage and beneficial effects on soil quality and crop productivity. While ERW accelerates the natural weathering of silicate-rich rocks, converting CO₂ into bicarbonate ions or solid carbonates, biochar, produced through pyrolysis, enhances soil carbon stability and promotes organo-mineral associations.
The potential for co-deploying ERW and biochar to enhance CDR is emphasized, although the net effects of their combination remain unclear. Factors such as soil pH and type may influence the effectiveness of these technologies, with low pH soils potentially benefiting from increased weathering rates, while higher pH soils may enhance carbon stabilization through organo-mineral associations. The paper presents findings from greenhouse pot experiments with maize grown on sandy and clayey soils treated with varying doses of dunite and a fixed amount of biochar, aiming to quantify inorganic carbon sequestration, construct carbon budgets, and explore the formation of secondary weathering products.
Methods
In this study, two greenhouse pot experiments were conducted to assess the effects of different treatments on maize plant growth in sandy and clayey soils, referred to as “experiment Sand” and “experiment Clay,” respectively. The experiments were carried out in distinct seasonal periods—April to June 2021 for sandy soil and October to November 2021 for clayey soil—each lasting 62 and 56 days. The greenhouse maintained a minimum temperature of 20℃ during the day and 16℃ at night, with light conditions varying due to the timing of the experiments, potentially influencing photosynthesis and growth rates. Each experiment included ten treatments with four replicates, employing a completely randomized block design. Dunite doses ranged from 20 to 220 t ha$^{-1}$, reflecting current literature, while a fixed biochar dose of 20 t ha$^{-1}$ was applied, representing the cumulative effects of multiple applications over time.
The methodology involved mixing a nutrient solution with de-mineralized water and the respective treatments into the soil, which was then placed in pots designed to prevent material loss. Water holding capacity and cation exchange capacity (CEC) of the biochar were measured, with specific surface area assessed using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. The study noted that the higher nutrient status of clayey soil justified the adjustment of dunite doses in experiment Clay, and the negative impact of the highest dunite dose on plant growth in experiment Sand informed these adjustments. Overall, the experimental design aimed to simulate field conditions and evaluate the long-term potential effects of dunite and biochar applications on maize growth.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X (with a confidence interval of Y to Z), compared to the control group.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings in the context of existing literature. The results align with previous studies that suggest similar interventions can yield positive effects, thereby reinforcing the validity of the current research. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research directions are proposed to further explore the underlying mechanisms and long-term effects of the intervention.
Discussion
In this section, the research discusses the characteristics of soil samples, dunite, and biochar used in greenhouse pot experiments aimed at assessing soil inorganic CO₂ sequestration through enhanced rock weathering (ERW). Soil samples were collected from two distinct locations in the Netherlands, classified as sandy and clayey soils, with varying contents of reactive metal (hydr)oxides and pH levels. The dunite, primarily composed of forsterite, was sourced from a Norwegian mine and underwent chemical analysis to determine its composition. Biochar, produced from woodchip residues, was activated with a nutrient solution to enhance its effectiveness in the soil.
The experimental design involved varying doses of dunite and biochar amendments, with careful monitoring of soil moisture and pH levels throughout the experiments. Soil porewater analyses and biomass assessments were conducted to evaluate the effects of the amendments on plant growth and soil chemistry. The results indicated that dunite weathering significantly sequestered CO₂, with higher sequestration rates observed in sandy soils compared to clayey soils. Additionally, biochar amendments positively influenced CO₂ sequestration in clayey soils, suggesting that biochar may enhance the weathering process by preventing saturation of reactive surfaces. The study highlights the importance of soil type and amendment interactions in optimizing CO₂ sequestration through ERW, while also emphasizing the need for standardized methodologies in quantifying these processes.