Effects of applying pine and corn cobs biochar on soil organic carbon in a Mediterranean agricultural land

Abstract

El canvi climàtic, produït per l’increment de la concentració de gasos d’efecte hivernacle a l’atmosfera, amenaça la integritat del nostre planeta. En aquestes circumstàncies el biochar, material obtingut a partir de biomassa pirolitzada, s’ha proposat com a una possible mesura per augmentar el segrest de carboni en sòls. L’aplicació de biochar en sòls pot servir com a magatzem de carboni a llarg termini compensant les emissions de CO2. No obstant, l’eficàcia del biochar depèn del tipus de biochar i sòl utilitzats. L’objectiu principal d’aquesta tesi és avaluar els efectes de l’aplicació de biochars de pi (PB) i de blat de moro (ZB) a una dosi de 6.5 g kg-1 en un sòl franco-arenós amb pH neutre i baix contingut de carboni orgànic (CO) en condicions de camp durant dos anys. Els objectius específics són els efectes de l’aplicació de biochar en : 1) la resistència termoquímica del CO del sòl (Capítol 1 i Capítol 2); 2) la disponibilitat del CO pels microorganismes (Capítol 3); 3) la protecció física del CO per oclusió en els agregats (Capítol 4). Els mètodes utilitzats per estudiar els efectes del biochar sobre la resistència del CO van ser: pèrdua de pes per ignició (LOI), combustió-seca (TOC), oxidació forta (sO) i feble (mO) amb dicromat-potàssic, hidròlisis-àcida (AH), oxidació amb peròxid d’hidrogen (PO) i anàlisis-isotòpic. A més, el CO-resistent del sòl i del biochar es va estimar mitjançant un balanç de masses. També, es van dur a terme dos mostrejos de sòl a curt i llarg termini (2 i 26 mesos), i es van incubar durant 250 dies. El dia 30 i 250 d’incubació va ser determinada la quantitat i la senyal isotòpica del CO2-C respirat. Addicionalment, es va mesurar el CO-dissolt en les mostres de sòl mitjançant el mètode d’extracció amb aigua-calenta. Les propietats físiques van ser avaluades quantificant el pes dels agregats estables amb aigua destil·lada i de la fracció en partícules amb hexametafosfat (per la disgregació dels agregats) utilitzant el wet-sieving apparatus. A més, el CO procedent del sòl natiu i del biochar dins i fora dels agregats es va estimar mitjançant un balanç de masses utilitzant el mO i el TOC. També es va estimar la contribució de CO del sòl i del biochar en els sòls esmenats amb ZB utilitzant el anàlisis-isotòpic. Es van trobar quantitats de ROC similars en els sòls controls estimats mitjançant mO i AH (5 g CO kg-1), mentre que més contingut de ROC es va observar en els sòls esmenats (6-12 g CO kg-1). La presencia de biochar es va detectar en els sòls esmenats mitjançant la comparació del δ13C en sòls esmenats i no-esmenats, independentment de l’origen del biochar. D’altra banda, el 35% del CO del biochar de ZB dels sòls esmenats es va perdre en dos anys com a resultat de la dissolució del biochar en el sòl. A curt termini, es va observar un priming-negatiu en sòls esmenats amb PB i el contrari en sòls esmenats amb ZB, en resposta al major contingut de CO-làbil del ZB. No obstant, un lleuger priming negatiu es va observar en els dos sòls esmenats a mig termini ja que augmenta la protecció física del CO. Mentre el PB tendeix a ser incorporat en els agregats, el ZB promou l’oclusió del CO natiu del sòl. Al esgotar-se el CO-làbil, el CO queda protegit dins dels agregats. Per tant, l’aplicació del biochar en sòls agrícoles mediterranis augmenta la persistència del CO en el sòl com a resultat de la resistència innata del CO del biochar i la protecció física augmentant el contingut de CO dins dels agregats.

El incremento de gases de efecto invernadero en la atmosfera puede tener consecuencias severas para nuestro planeta. El uso de biochar como enmienda, material obtenido a partir de biomasa pirolizada, se ha propuesto como estrategia para el secuestro de carbono en el suelo. Sin embargo, la efectividad del biochar varía mucho dependiendo del biochar y el tipo de suelo. El objetivo principal de esta tesis es evaluar los efectos de dos biochares, de restos de pino (PB) y mazorca de maíz (ZB), incorporados a una dosis de 6.5 g kg-1 en un suelo de viña franco-arenosa con pH neutro y bajo contenido de carbono orgánico (CO), en condiciones de campo durante dos años. Los objetivos específicos fueron la evaluación de: 1) la resistencia del CO en el suelo a los procesos termoquímicos (Capítulo 1 y Capítulo 2); 2) la disponibilidad de CO a ser mineralizada por microorganismos del suelo (Capítulo 3); y 3) protección física de CO por aumento de agregados (Capítulo 4). Los métodos analíticos utilizados para evaluar los efectos del biochar en el CO resistente del suelo fueron: pérdida de peso por ignición (LOI), combustión-seca (TOC), oxidación fuerte (sO) y suave (mO) con dicromato potásico, hidrólisis-ácida (AH), oxidación con peróxido de hidrogeno (PO) y análisis isotópico. Además, se estimó el CO-resistente del suelo y del biochar a través de un balance de masas. Por otro lado, el suelo se muestreó a corto y medio plazo (2 y 26 meses) y las muestras se incubaron en el laboratorio durante 250 días. Se determinó el CO2-C liberado durante la respiración del suelo y la señal isotópica del día 30 y 250 de incubación. Además, se cuantificó el CO disuelto mediante un extracto con agua caliente. Para evaluar las propiedades físicas, se determinaron los agregados estables en agua destilada y el peso de la fracción particulada con hexametafosfato para la disrupción de los agregados usando el wet-sieving apparatus. El CO oxidable del suelo nativo y del biochar dentro y fuera de los agregados se estimó a través de un balance de masas usando mO y TOC. Por otro lado, mediante el análisis isotópico se estimó la contribución de CO del suelo nativo y del biochar en suelos enmendados con ZB. Se cuantificaron valores similares de ROC en los suelos control mediante AH y mO (5 g C kg-1), mientras que se obtuvieron valores de ROC más altos en los suelos enmendados con biochar (6-12 g C kg-1). Además, la detección cualitativa de biochar se logró comparando δ13C en suelos enmendados y controles, independientemente del origen del biochar. Sin embargo, el 35% de ZB-CO se perdió durante los dos años de experimento por dilución del biochar en el suelo. A corto plazo se observó un priming-negativo en suelos enmendados con PB y al contrario en los suelos con ZB debido al mayor contenido de CO-lábil en ZB comparado con PB. Sin embargo, se encontró un priming ligeramente negativo a medio plazo en ambos suelos enmendados con biochar, como consecuencia de una mayor protección física del CO. Mayores cantidades de TOC y BOC se encontraron en los agregados de los suelos enmendados aunque tuvieron lugar dos procesos diferentes, mientras el PB tiende a incorporarse en agregados el ZB promueve la oclusión del CO del suelo nativo. Al agotarse el CO-lábil, el CO-ocluido queda protegido previniendo las pérdidas adicionales por degradación. Por lo tanto, la aplicación de biochar a un suelo agrícola mediterráneo aumenta la persistencia del CO del suelo debido a la resistencia innata al biochar-CO y la protección física del CO, que previene la degradación biótica o abiótica del CO.

The increment of global threats due to climate change, caused by an increase in atmospheric concentration of GHGs, is predicted to have a severe impact on our planet. The use of biochar, obtained from the thermochemical conversion of biomass in an oxygen-limited environment, as a soil amendment has been proposed as one strategy for C-sequestration. Many environmental benefits have been attributed to the application of biochar into soil, including long-term C-sequestration compensating for CO2 emissions. However, biochar effectiveness still remains under debate because effects can vary greatly depending on biochar and soil type. The main objective of this thesis was to assess the effects of two contrasting biochars, from pine wood (PB) and corn cob (ZB) remains, incorporated at a rate of 6.5 g kg-1 on a sandy loam vineyard soil with neutral pH and low organic carbon (OC) content, in field conditions over two years. Specifically, the aims were to evaluate the consequences of the addition of the different biochars on: 1) soil OC resistance to thermochemical processes (Chapter 1 and Chapter 2); 2) the potential OC availability to be mineralized by soil microorganisms (Chapter 3); and 3) physical OC protection by the promotion of aggregates (Chapter 4). The analytical methods used to evaluate the effects of biochar in soil OC-resistance were: weight loss-on-ignition (LOI), dry-combustion (TOC), strong (sO) and mild (mO) acid potassium dichromate oxidations, acid hydrolysis (AH), peroxide-oxidation (PO) and isotope analysis. Moreover, soil and biochar resistant-OC (ROC) was estimated through a mass balance. Also, soil field samples were collected at the short- and the medium-term (2 and 26 months after the application, respectively), and then incubated in the lab for 250 additional days. The CO2-C released as soil respiration and the CO2-C isotopic signature were assessed after 30 and 250 days of the incubation. Additionally, dissolved-OC was assessed in the field soil samples by hot-water extraction. Regarding physical properties, water-stable aggregates and particulate fraction weight were determined using a wet-sieving apparatus, using distilled water or hexametaphosphate for aggregates disruption. Oxidisable and resistant OC (attributed mainly to native soil and biochar, respectively) inside and outside of aggregates was estimated through a mass balance using mO and TOC. On the other hand, native soil and biochar-OC contribution in ZB biochar-amended soil was estimated by isotope analysis. The ROC estimated by AH and mO led to similar values in control soil (5 g C kg-1 soil), whereas higher ROC values were obtained in biochar-amended ones (6-12 g C kg-1 soil). Moreover, qualitative biochar detection was achieved by comparing δ13C in amended and non-amended soils regardless of the biochar feedstock origin. However, 35% of ZB biochar-OC was apparently lost over two years, which was attributed to biochar dilution into soil. In addition, in the short-term, negative-priming was observed in amended-soil with PB (made at high temperature) whereas positive-priming was seen in those amended with ZB (produced at lower temperatures) as a result of the highest labile-OC content in ZB biochar compared to PB. However, in the medium-term, slightly negative-priming effects in both biochar-amended soils were found. This could be explained by promotion of physical protection processes preventing priming. This fact was corroborated as higher TOC and BOC amount was observed inside of aggregates in biochar-amended soils compare to controls. It seems that PB tended to be incorporated into aggregates while ZB promoted native soil-OC occlusion. Then, after labile-OC has been exhausted, the promotion of OC occlusion prevented further losses. Therefore, the application of biochar to a Mediterranean agricultural soil increases soil-OC persistence due to innate biochar-OC resistance and OC physical protection, which decrease OC degradation by abiotic and biotic agents.