[論文レビュー] Initial validation of a soil-based mass-balance approach for empirical monitoring of enhanced rock weathering rates

Tom Reershemius, Mike Kelland+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2023

CO2 Sequestration and Geologic Interactions被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、同位体希釈 ICP-MS を用いた土壌ベースの質量バランス法を提示し、メソコスムで強化風化（ERW）の速度を実証的にモニタリングすることを検証した。この手法は、Ca、Mg、Na、Ti の要素質量バランスを追跡することで、CO2 吸収量を定量的に評価し、235 日後に 1.44 ± 0.27 tCO2eq ha⁻¹ の信頼性の高い初期 CDR 評価値を達成した。この値は、独立した要素予算法と一致しており、妥当性が裏付けられている。

ABSTRACT

Enhanced Rock Weathering (ERW) is a promising scalable and cost-effective Carbon Dioxide Removal (CDR) strategy with significant environmental and agronomic co-benefits. A major barrier to large-scale implementation of ERW is a robust Monitoring, Reporting, and Verification (MRV) framework. To successfully quantify the amount of carbon dioxide removed by ERW, MRV must be accurate, precise, and cost-effective. Here, we outline a mass-balance-based method where analysis of the chemical composition of soil samples is used to track in-situ silicate rock weathering. We show that signal-to-noise issues of in-situ soil analysis can be mitigated by using isotope-dilution mass spectrometry to reduce analytical error. We implement a proof-of-concept experiment demonstrating the method in controlled mesocosms. In our experiment, basalt rock feedstock is added to soil columns containing the cereal crop Sorghum bicolor at a rate equivalent to 50 t ha$^{-1}$. Using our approach, we calculate rock weathering corresponding to an average initial CDR value of 1.44 +/- 0.27 tCO$_2$eq ha$^{-1}$ from our experiments after 235 days, within error of an independent estimate calculated using conventional elemental budgeting of reaction products. Our method provides a robust time-integrated estimate of initial CDR, to feed into models that track and validate large-scale carbon removal through ERW.

研究の動機と目的

• 大規模な強化風化（ERW）のための、費用対効果が高く、最小限の侵襲性があり、経験的根拠に基づいたモニタリング・レポート作成・検証（MRV）フレームワークの開発。
• 農業土壌における現地での岩石風化および CO2 吸収速度を定量する、堅牢で現場適用可能な MRV 方法の不足を解消すること。
• 同位体希釈質量分析法を用いた地質化学的質量バランスアプローチを検証し、土壌ベースの ERW モニタリングにおける分析誤差を低減すること。
• 制御されたメソコスム実験において、独立した要素予算法と比較することで、この手法の正確性を実証すること。

提案手法

• 同位体希釈誘導結合プラズマ質量分析法（ID-ICP-MS）を用いて、灰化土壌試料中の Ca、Mg、Na、Ti 濃度を測定し、分析誤差を最小限に抑える。
• 保存的トレーサーの原則に基づく質量バランスモデルを採用し、チタニア（Ti）を反応しない基準要素とみなして玄武岩の投入量と風化度を追跡する。
• 初期に添加された玄武岩と Ti 正規化混合に基づく予想値と比較することで、Ca、Mg、Na の測定濃度から風化速度を計算する。
• 「ミキシングトライアングル」フレームワーク（TiCAT）を用い、観察された組成が予想される混合空間内に位置するかを評価し、二次鉱物の析出や土壌由来寄与によるずれを特定する。
• サトウキビ（Sorghum bicolor）を栽培した土壌シリンダーに、50 t ha⁻¹ の玄武岩原料を添加し、複数の深さから試料を採取して垂直方向の混合状態と風化プロファイルを評価した。
• Ti 含量を用いて玄武岩回収率を測定した。100% の回収率は、12 cm の深さまで均一な混合が達成されたことを示し、この手法の精度が裏付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同位体希釈 ICP-MS を用いた土壌ベースの質量バランス法は、農業土壌における現地での強化風化速度を、信頼性が高く、誤差が小さい方法でモニタリングできるか？
• RQ2 制御されたメソコスム実験において、この質量バランス法は、従来の要素予算法と比較して、CO2 吸収量をどの程度正確に推定できるか？
• RQ3 土壌地球化学における分析誤差は、ERW モニタリングの信頼性にどの程度影響を及ぼすか？ また、同位体希釈法はこれを緩和できるか？
• RQ4 この手法は、二次鉱物の析出や土壌由来の元素寄与といった理想混合からのずれを検出できるか？ また、それらを実際に風化とは区別できるか？

主な発見

• 質量バランス法により、235 日後に 1.44 ± 0.27 tCO2eq ha⁻¹ の CDR 評価値が得られ、独立した要素予算計算と統計的に整合した。
• 同位体希釈 ICP-MS は、複雑な土壌マトリックス中の Ca、Mg、Na、Ti の正確な定量に効果的に寄与し、分析誤差を著しく低減した。
• 玄武岩回収率は Ti を用いて測定され、100% の回収率は 12 cm の深さまで均一な混合が達成されたことを示し、入力補正の信頼性が確認された。
• TiCAT フレームワークは、二次鉱物析出を示す負の ΔCAT 値などの理想混合からのずれを効果的に同定し、一貫性のない土壌ベースラインも特定した。
• 元素比（例：(Ca+Mg+Na)/Ti）の深さプロファイルは、上層土壌に系の蓄積が見られ、時間経過に伴う玄武岩添加と風化と整合的であった。
• この手法は、時間積分型で、現場特化型かつ費用対効果に優れた MRV ツールとして、今後の ERW の大規模な展開に実用可能であることが示された。