Effects of biochar and hydrochar on soil physicochemical properties and greenhouse gas emissions from a legume grassland

Abstract

Biohiilen ja hydrohiilen käyttö maaperän lannoitteena on herättänyt viime vuosien aikana kiinnostusta niiden lukuisten hyötyjen vuoksi. Hiilen lisääminen maaperään parhaimmillaan edistää maaperän kykyä sitoa kasvihuonekaasupäästöjä, sekä parantaa maaperän tuottavuutta ja hedelmällisyyttä. Biohiili ja hydrohiili ovat hiilipitoisia lannoitteita, joita pystytään tuottamaan teollisuuden biomassajäämistä termokemiallisten muunnostekniikoiden avulla. Tässä tutkimuksessa selvitin, miten koivun kuoresta valmistettu biohiili ja hydrohiili vaikuttavat maaperän kasvihuonekaasupäästöihin, biomassan tuotantoon, sekä maaperän ominaisuuksiin, kuten pH:seen, mineraalityppeen, mikrobibiomassaan, sekä orgaanisen aineksen ja hiilen määrään, ja vertasin saatuja tuloksia typpilannoitteen vaikutuksiin. Koe oli kolmen kuukauden pituinen mesokosmikoe kasvihuoneolosuhteissa. Kahteen käsittelyyn lisättiin joko pelkkää biohiiltä, tai hydrohiiltä, ja kahteen käsittelyyn hiilen lisäksi lisättiin typpilannoitetta yleisten maatalouskäytäntöjen mukainen määrä. Käsittelyjä oli yhteensä kuusi: C kontrolli, TB biohiili, TH hydrohiili, TN typpilannoite, TNB typpilannoite + biohiili, ja TNH typpilannoite + hydrohiili. Hydrohiilen lisäys vähensi merkittävästi maaperän typpioksidi (N2O) päästöjä tutkimusjakson aikana. Hiilen lisääminen ei vaikuttanut merkittävästi maaperän hiilidioksidi (CO2) tai metaani (CH4) päästöihin. Käsittelyissä, joihin typpilannoitetta oli lisätty samanaikaisesti hiilen kanssa, havaittiin korkeammat N2O päästöt, joita kuitenkin kompensoi korkeampi biomassan tuotanto. Lisäksi orgaanisen aineksen ja nitraatin (NO3-) määrä oli korkeampi näissä käsittelyissä. Saatujen tulosten perusteella hiililannoitteen kyky yhdessä typpilannoitteen kanssa voisi kasvattaa biomassan tuotantoa ja parantaa maaperän hedelmällisyyttä. Kokeemme oli kuitenkin vain lyhytaikainen kasvihuoneolosuhteissa toteutettu tutkimus, joka kuvastaa mahdollisia hiililannoitteiden vaikutuksia kenttäolosuhteissa. Tuloksiemme perusteella hiililannoitteet voisivat tarjota vaihtoehtoisen, kestävämmän vaihtoehdon typpilannoitteille maataloudessa.

The use of biochar and hydrochar as a soil amendment has piqued interest due to their various benefits including the potential ability to mitigate greenhouse gas (GHG) emissions and improve soil fertility and productivity. Biochar and hydrochar are carbon-rich amendments, which can be produced with thermochemical conversion techniques from industrial biomass residues. In my thesis, I examined the emissions of all three GHGs; CO2, N2O, and CH4 for three months from agricultural soil in a mesocosm experiment after the amendments of birch bark biochar and hydrochar. To better explain the GHG emissions, two plant biomass harvests were conducted, and soil physicochemical properties, such as pH, mineral nitrogen (N), microbial biomass and bulk soil organic matter (SOM) and soil organic carbon (SOC) from soils collected at the beginning and at the end of the experiment were analyzed. Chars were applied alone at two different rates to compare the effects of two different char types, and simultaneously with synthetic N fertilizer totaling in six treatments: C control, TB biochar only, TH hydrochar only, TN fertilizer only, TNB biochar + fertilizer, and TNH hydrochar + fertilizer. Hydrochar application alone reduced the cumulative emissions of N2O significantly over the study period. Emissions of CO2 and CH4 were not impacted by char application. Simultaneous applications of either char and N fertilizer resulted in higher N2O emissions, which was however compensated with higher biomass production. Furthermore, the amount of mineral NO3- and soil organic matter (SOM) content was higher in these treatments. Our results indicate that chars' ability together with N fertilizer can enhance biomass production and improve soil fertility. Our experiment was a short-term mesocosm experiment conducted in a greenhouse without environmental variability and reflects only possible scenarios in the field conditions. According to our results, chars could offer an alternative sustainable management practice in agricultural fields.