Biochar effects on soil quality as evaluated by physical, chemical, and biological parameters

Abstract

El biochar es un producto resultante de la descomposición térmica mediante pirolisis de biomasa y aplicado al suelo para mejorar sus propiedades. Este area de investigación está auge actualmente por su papel en mejorar la práctica agrícola y como estrategia de secuestro de carbono en suelo. Aún siendo un campo joven, poco se sabe sobre su idoneidad a largo plazo, y aún no se ha estudiado suficientemente sus posibles efectos negativos sobre la calidad del suelo, incluyendo la biología del suelo. Esta tesis toma como enfoque métodos biológicos para evaluar el impacto de biochar sobre la calidad del suelo. Una parte importante de la tesis se basa en bioensayos de laboratorio, complementados por un estudio de campo para evaluar de manera realista los efectos de biochar en un agroecosistema. Los bioensayos realizados a seis biochars demostraron que el método de producción tiene un impacto importante sobre las propiedades químicas del suelo, y a su vez la respuesta de las plantas. Los biochars de gasificación y pirólisis rápida indujeron inhibición vegetal a concentraciones realistas, mientras biochars de pirólisis lenta generalmente no afectaron a las plantas. La inhibición fue interpretada como consecuencia de efectos a corto plazo sobre la disponibilidad de nutrientes en algunos biochars, debido a sus elevados contenidos de materia volátil, que estimularían el crecimiento de microorganismos y la inmobilización de N, mientras que en los biochar más alcalinos se sospechó que fueron debidos a una reducción de la disponibilidad de P. En tests con invertebrados, las respuestas de colémbolos y enquitreidos han sido muy similares, con estimulación en el biochar de lodos de depuradora y de inhibición en el de astilla de pino producido por gasificación. Los resultados señalan el papel de la alcalinización como causándote de los efectos directos en mortalidad y de reproducción. No se pudo demostrar que el estímulo de la comunidad microbiana causado por el biochar explicara la estimulación de la reproducción de la mesofauna observada en algunos biochars. Se desarrolló un nuevo parámetro de medida del impacto para los colémbolos basado en la biomasa de juveniles y su estructura de tamaños mediante el ajuste a modelos multi-Gaussianos. Los incrementos en el número de clases de edad, acompañados por incrementos en la biomasa y longitud de individuos, han sido interpretados como efectos estimulatorios, mientras, a su vez, su diminución ha se interpretó como efectos inhibitorios. Finalmente, en un experimento de campo simulando un cultivo de cebada enmendado con un biochar de pino producido por gasificación, se han demostrado efectos positivos sobre propiedades físicas del evaluadas. Los efectos sobre las propiedades químicas fueron menos marcados, pero son destacables los incrementos en las concentraciones K+, y la reducción de las de NO3-. El cultivo fue generalmente estimulado a 12 t ha-1, y generalmente inhibido a 50 t ha-1. La actividad de mesofauna fue impactada negativamente a 50 t ha-1 biochar. La adición de biochar permitió aumentos significativos en la abundancia microbiana pero no en su actividad, indicando un aumento de su eficiencia. Ensayos de laboratorio de mineralización de material vegetal indicaron que el biochar reducía la liberación de NO3-. Globalmente, el estudio de campo ha demostrado que biochar puede mejorar la fertilidad del suelo a aplicaciones moderadas, pero puede disminuir la calidad del suelo a aplicaciones altas. Los resultados de esta tesis contribuyen a la escasa información disponible sobre los efectos del biochar sobre la biota del suelo, así como los beneficios y riesgos en suelos alcalinos bajo clima mediterréneos.

Biochar is thermally-decomposed biomass deliberately applied to soil to improve its properties. In recent years, biochar research has grown immensely for its potential role in improving agricultural practices and as a strategy to sequester carbon in the soil. However, as a young scientific field of study, little is proven about biochar’s long-term compatibility with modern agriculture, and there is still major uncertainty about its potential negative impacts on soil quality, information on biochar’s effects on soil biology is quite limited. Biochar’s effects on soil quality is the topic of the thesis, with an emphasis on biological methods for its evaluation. A substantial portion of this thesis is based on ecotoxicological approaches of evaluation. Laboratory bioassay studies were undertaken, and complementary studies were undertaken in the field for a broader evaluation of effects in a more realistic setting. Plant growth tests with six biochars showed that pyrolysis method had a strong influence on chemical properties affecting plant responses. Gasification and fast-pyrolysis chars were strongly inhibitory at realistic application rates, while slow-pyrolysis chars generally did not affect plant growth. Inhibition was interpreted to be due to short-term effects on nutrient plant availability, due to biochar’s volatile matter content which increases competition with microorganisms, and P content and/or effects on P availability. In tests with soil invertebrates, performance of the Collembolan and enchytraeid were analogous for both the sewage sludge and pine gasification char, which were slightly stimulatory and inhibitory, respectively. Our results suggest alkalization-related increases in mortality and inhibition of reproduction. We hypothesized that increased microbial abundance would explain stimulation of fauna performance, but this showed no clear trend with biochar concentration, providing no evidence for a trophic effect. Also, Collembolan juvenile biomass and size class structure endpoints were developed using a multi-Gaussian fitting approach. Increases in number of size classes, accompanied by greater relative allocation of biomass to individuals of larger somatic length, were interpreted as stimulatory conditions, and reduction in the number of classes and proportional representation of larger classes were associated with inhibitory effects. Finally, in the field study, simulating barley cultivation with amendment of a gasification biochar, effects on soil physical properties were generally positive. Measured soil chemical parameters were not strongly affected, with the exception of increased K+ ¬ and decreased NO3-. The barley crop was generally stimulated at 12 t ha-1, and generally inhibited at 50 t ha-1. Mineralization tests showed that biochar also reduced NO3- transformation. Overall, the field study that the biochar can enhance soil quality at moderate application rates, but can decrease soil quality at higher rates. Also, fauna activity was negatively impacted at the high, 50 t ha-1 application rate. The addition of biochar permitted increases in microbial abundance, but not activity, indicating an increase in efficiency. These results all have served to provide basic information on effects of biochar on soil quality, whereas to date little information has been available either for soil biota or in mediterranean or alkaline soils.