[논문 리뷰] Enhanced weathering in the U.S. Corn Belt delivers carbon removal with agronomic benefits

David J. Beerling, Dimitar Z. Epihov외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 06.

CO2 Sequestration and Geologic Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 미국 옥수수 벨트에서 분쇄된 베이시스토를 사용한 강화 weatharing가 4년간 15.4 ± 4.1 t CO2 ha⁻¹를 흡착시키며, 토양 비옥도 향상과 산성도 감소로 인해 옥수수와 콩 수확량을 12–16% 증가시킨다. 이 방법은 질소산화물 배출도 감소시켜 기후 완화와 농업 생산성 향상의 이중적 이점을 제공한다.

ABSTRACT

Enhanced weathering (EW) with crushed basalt on farmlands is a promising scalable atmospheric carbon dioxide removal strategy that urgently requires performance assessment with commercial farming practices. Our large-scale replicated EW field trial in the heart of the U.S. Corn Belt shows cumulative time-integrated carbon sequestration of 15.4 +/- 4.1 t CO2 ha-1 over four years, with additional emissions mitigation of ~0.1 - 0.4 t CO2,e ha-1 yr-1 for soil nitrous oxide, a potent long-lived greenhouse gas. Maize and soybean yields increased 12-16% with EW following improved soil fertility, decreased soil acidification, and upregulation of root nutrient transport genes. Our findings suggest that widespread adoption of EW across farming sectors has the potential to contribute significantly to net-zero greenhouse gas emissions goals and global food and soil security.

연구 동기 및 목표

• 실제 농업 환경에서 상업용 옥수수와 콩 재배에 분쇄된 베이시스토를 활용한 강화 weatharing의 성능을 평가하기 위해.
• 대규모 반복 현장 시험을 통해 장기적인 탄소 흡착과 Greenhouse gas 유출을 정량화하기 위해.
• 수확량, 토양 비옥도, 영양소 운반 관련 유전자 발현 등 농업적 결과를 평가하기 위해.
• 강화 weatharing가 탄소 중립 목표와 식량 안보 목표를 달성하는 데 기여할 잠재력을 규명하기 위해.

제안 방법

• 미국 옥수수 벨트의 여러 농장에서 대규모이고 반복 가능한 현장 시험을 실시하여 연간 10 t ha⁻¹의 분쇄 베이시스토를 도입하였다.
• 토양 탄소와 광물 분석을 통해 4년간 누적된 CO2 흡착을 측정하였다.
• 간접 배출 감소를 평가하기 위해 질소산화물(N2O)을 포함한 Greenhouse gas 유출을 모니터링하였다.
• 토양 pH, 영양소 가용성(예: 칼슘, 마그네슘, 칼륨) 및 영양소 운반 관련 뿌리 유전자 발현을 분석하였다.
• 기상 조건과 weatharing 적용 농도가 수확량과 토양 건강 지표에 미치는 영향을 통계 모델링을 통해 연관시켰다.
• 현장 데이터를 생지화학 모델링과 통합하여 확장 가능성과 기후적 이점을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강화 weatharing를 통해 분쇄된 베이시스토를 사용한 상업용 옥수수와 콩 시스템에서 장기적인 탄소 흡착의 규모는 얼마인가?
• RQ2 베이시스토 weatharing는 미국 옥수수 벨트의 수확량과 토양 비옥도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 강화 weatharing는 농업 토양에서 질소산화물 배출를 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 베이시스토 weatharing는 옥수수와 콩의 뿌리 영양소 운반 유전자 발현에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 강화 weatharing의 광범위한 도입 잠재력은 탄소 중립 목표와 식량 안보를 지원하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 미국 옥수수 벨트에서 분쇄 베이시스토를 활용한 강화 weatharing는 4년간 누적 탄소 흡착이 15.4 ± 4.1 t CO2 ha⁻¹에 도달하였다.
• 베이시스토 도입으로 인한 토양 비옥도 향상과 산성도 감소로 인해 옥수수와 콩 수확량이 12–16% 증가하였다.
• 토양 질소산화물 배출는 연간 0.1–0.4 t CO2,e ha⁻¹ 감소하여 기후 완화에 이중적 이점이 있음을 시사하였다.
• 옥수수와 콩의 뿌리에서 영양소 운반 유전자가 상향 조절되어 영양소 흡수 효율성이 향상됨을 나타내었다.
• 이 방법은 탄소 중립 목표 달성에 있어 확장 가능성을 보이며, 동시에 토양과 식량 안보를 지원하였다.
• 베이시스토 weatharing는 토양 산성도를 감소시키고 칼슘, 마그네슘, 칼륨 등의 필수 영양소 가용성을 증가시켰다.