[논문 리뷰] Initial validation of a soil-based mass-balance approach for empirical monitoring of enhanced rock weathering rates

Tom Reershemius, Mike Kelland외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 10.

CO2 Sequestration and Geologic Interactions인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 메조코즘에서 강화된 암석 weathering(ERW) 속도를 실증적으로 모니터링하기 위해 동위원소 희석 ICP-MS를 사용한 토양 기반 질량 보존 방법을 제시하고 검증한다. 이 방법은 Ca, Mg, Na 및 Ti의 원소 질량 보존을 추적하여 CO2 제거량을 정량화하며, 235일 후에 1.44 ± 0.27 tCO2eq ha⁻¹의 신뢰할 수 있는 초기 CDR 추정치를 도출했고, 독립적인 원소 예산 분석과도 일치함을 검증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모에서의 강화된 암석 weathering(ERW)에 대한 비용 효율적이고 최소한의 침습성이며 실증 기반의 모니터링, 보고, 검증(MRV) 프레임워크를 개발하기 위해.
• 농업 토양에서 현장에서의 암석 weathering 및 CO2 제거 속도를 정량화하기 위한 신뢰할 수 있고 현장 적용 가능한 MRV 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 분석 오차를 줄이기 위해 이소토프 희석 질량 분석법을 활용한 지구화학적 질량 보존 접근법을 검증하기 위해.
• 통제된 메조코즘 실험에서 독립적인 원소 예산 분석과 비교하여 이 방법의 정확성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 분석 불확실성을 최소화하기 위해 화재 처리된 토양 샘플의 Ca, Mg, Na 및 Ti 농도를 측정하기 위해 이소토프 희석 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ID-ICP-MS)을 적용한다.
• 이 방법은 비반응성 기준 원소로 Ti를 간주하여 기반암 투입 및 weathering를 추적하는 보존 추적자 원리에 기반한 질량 보존 모델을 사용한다.
• 이 접근법은 기초 기반암 투입 및 Ti 정규화 혼합 기반 예상 값과 비교하여 토양 샘플에서 측정된 Ca, Mg 및 Na의 농도를 비교함으로써 weathering 속도를 계산한다.
• 혼합 삼각형 프레임워크(TiCAT)는 관측된 조성이 예상 혼합 공간 내에 있는지 평가하는 데 사용되며, 2차 광물 침전 또는 토양 기반 기여로 인한 편차를 식별한다.
• 기반암 피드스톡을 50 t ha⁻¹로 사탕귀(Sorghum bicolor) 토양 기둥에 투입하고, 수직 혼합 및 weathering 프로파일을 평가하기 위해 다수의 깊이에서 샘플을 채취하였다.
• Ti 농도를 통해 기반암 복구율을 정량화하였으며, 12 cm 깊이까지 100% 복구율은 균일한 혼합을 나타내어 방법의 정밀도를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이소토프 희석 ICP-MS를 활용한 토양 기반 질량 보존 방법은 농업 토양에서 현장에서의 강화된 암석 weathering 속도를 신뢰할 수 있고 오차가 적은 방법으로 제공할 수 있는가?
• RQ2 통제된 메조코즘 실험에서 전통적인 원소 예산 분석과 비교할 때 질량 보존 방법은 CO2 제거량을 얼마나 정확하게 추정하는가?
• RQ3 토양 지구화학에서의 분석 불확실성은 ERW 모니터링의 신뢰성에 어떤 영향을 미치며, 이소토프 희석은 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 2차 광물 침전 또는 토양 기반 원소 기여와 같은 이상 혼합의 편차를 감지할 수 있으며, 실제 weathering과 이를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 질량 보존 방법은 235일 후에 1.44 ± 0.27 tCO2eq ha⁻¹의 CDR 추정치를 도출하였으며, 이는 독립적인 원소 예산 계산과 통계적으로 일치하였다.
• 이소토프 희석 ICP-MS는 복잡한 토양 매트릭스 내 Ca, Mg, Na 및 Ti의 정밀한 정량화를 가능하게 하여 분석 오차를 효과적으로 감소시켰다.
• 기반암 복구율은 Ti를 통해 정량화되었으며, 12 cm 깊이까지 100% 복구율은 입력 校정의 신뢰성을 확인하였다.
• TiCAT 프레임워크는 이상 혼합에서의 편차를 성공적으로 식별하였으며, 2차 광물 침전을 나타내는 음성 ΔCAT 값과 일관되지 않은 토양 기준선을 경고하였다.
• 원소 비율(예: (Ca+Mg+Na)/Ti)의 깊이 프로파일은 시간이 지남에 따라 기반암 투입 및 weathering과 일관되게 상층 토양에서의 체계적 농축을 보였다.
• 이 방법은 향후 대규모 ERW 시행을 위한 시간 통합형, 현장 특화형, 비용 효율적인 MRV 도구로서의 가능성과 실현 가능성을 입증하였다.