5 Role of biochar in N cycling in a Mediterranean agroecosystem: potential benefits and trade-offs

Abstract

Les aportacions de nitrogen reactiu (N) mitjançant el procés Haber-Bosch (fixació industrial de N2 per produir fertilitzants) i el cultiu de lleguminoses són responsables de més de la meitat de l’aportació de N als ecosistemes terrestres. Aquests inputs excessius provinents dels agroecosistemes han augmentat els fluxos d’òxid nitrós (N2O), amoníac (NH3) i nitrat (NO3−), provocant efectes tals com l’acceleració de l’escalfament global, l’eutrofització i la reducció de l’ozó estratosfèric, entre d’altres.

L’esmena del sòl amb biochar, el sòlid ric en carboni (C) produït per la conversió termoquímica de biomassa en condicions limitants d’oxigen, podria ser una eina valuosa per fer front als fluxos elevats de N. No obstant, la implementació a gran escala de biochar es veu compromesa per les incerteses sobre possibles conseqüències adverses, així com pels seus efectes a llarg termini sobre la qualitat del sòl, atesa la seva persistència al sòl.

Per tal d’escurçar aquests buits de coneixement, es va avaluar en condicions d’hivernacle (Capítol 1) i en condicions de camp (Capítol 2) un biochar de gasificació que va demostrar prèviament poder reduir el nivell de NO3− soluble al sòl. El Capítol 1 examinà la possible mitigació de la lixiviació de nitrats tant a curt com a llarg termini i a dues dosis d’aplicació contrastades (12 i 50 t ha-1). Es van examinar columnes de sòl amb biochar fresc i biochar envellit 6 anys al camp. Al cap de 8 mesos, es va trobar una reducció significativa de NO3− en la solució del sòl, així com d’altres ions (incloent clorur, magnesi, sodi i calci), per a les dues dosis d’aplicació de biochar fresc. Aquest fenòmen s’atribuí a la formació d’un recobriment organo-mineral sobre els porus del biochar, tot atrapant aigua i nutrients dins els porus del biochar. Tot i la disminució de NO3− en la solució del sòl, la lixiviació no va veure’s afectada pel biochar, posant en dubte la seva capacitat de mitigació.

Al Capítol 2, s’avaluà la qualitat del sòl mitjançant el seguiment de diverses propietats del sòl en mesocosmos de camp establerts fa 6 anys (d’on provenen les mescles sòl-biochar envellit utilitzats al Capítol 1). La dosi de 50 t ha-1 fou la més eficaç en el segrest de C i va millorar el contingut d’humitat al sòl puntualment. No obstant, aquesta dosi representà un trade-off ja que va impactar negativament les comunitats de fauna del sòl (nematodes i col·lèmbols), i també va augmentar les emissions de metà (CH4). Encara que la dosi de 12 t ha-1 no presentà aquests efectes negatius, va mostrar indicis de metabolisme de compostos recalcitrants de C, que, si es mantingués en el temps, podria afectar el potencial de segrest de C del biochar. En conjunt, es pot concloure que al nostre agroecosistema la dosi de 12 t ha-1 representa un escenari amb menys riscos.

Finalment, el Capítol 3 va abordar els possibles beneficis agronòmics d’incloure un biochar de piròlisi lenta en tres formulacions de fertilitzants organo-minerals (NPK, NP i K). La lixiviació de nutrients es va alentir en la formulació amb biochar i NPK (NPK + B). Probablement, el C làbil incorporat amb el biochar i l’input simultani de diversos nutrients podria haver estimulat el creixement microbià causant un emmagatzematge temporal de nutrients a la biomassa microbiana. Tot i que el fertilitzant NPK + B només va millorar significativament la biomassa de palla d’ordi i no el gra, tots els fertilitzants formulats amb biochar van provocar un millor estat nutricional vegetal ( en relació al potassi, sofre, calci i manganès). Aquests resultats indiquen que les formulacions investigades són prometedores per al desenvolupament de fertilitzants de nova generació.

Las aportaciones de nitrógeno reactivo (N) mediante el proceso Haber-Bosch (fijación industrial de N2 para producir fertilizantes) y el cultivo de leguminosas son responsables de más de la mitad del input de N a los ecosistemas terrestres. Estos insumos excesivos provenientes de los agroecosistemas han aumentado los flujos de óxido nitroso (N2O), amoníaco (NH3) y nitrato (NO3-), provocando efectos tales como la aceleración del calentamiento global, la eutrofización y la reducción de la ozono estratosférico, entre otros.

La enmienda del suelo con biochar, el sólido rico en carbono (C) producido por la conversión termoquímica de biomasa en condiciones limitantes de oxígeno, podría ser una herramienta valiosa para hacer frente a los flujos elevados de N. Sin embargo, la implementación a gran escala del biochar se ve comprometida por la incertidumbre sobre posibles efectos adversos, así como por sus efectos a largo plazo sobre la calidad del suelo, debido a su persistencia en el suelo.

Para reducir estas brechas de conocimiento, se evaluó en condiciones de invernadero (Capítulo 1) y en condiciones de campo (Capítulo 2) un biochar de gasificación que demostró previamente poder reducir el nivel de NO3- soluble del suelo. El Capítulo 1 examinó la posible mitigación de lixiviación de nitratos a corto y largo plazo en dos dosis de aplicación contrastadas (12 y 50 t ha-1). Se examinaron columnas de suelo con biochar fresco y biochar envejecido durante 6 años en el campo. Al cabo de 8 meses, se encontró una reducción significativa de NO3- en la solución del suelo, así como de otros iones (incluyendo cloruro, magnesio, sodio y calcio), para las dos dosis de aplicación de biochar fresco. Este fenómeno se atribuyó a la formación de un recubrimiento organo-mineral sobre los poros del biochar, que atraparía agua y nutrientes dentro de los poros del biochar. A pesar de la disminución de NO3- en la solución del suelo, la lixiviación no se redujo, poniendo en duda la capacidad de mitigación del biochar.

En el Capítulo 2, se evaluó la calidad del suelo mediante el seguimiento de varias propiedades del suelo en mesocosmos de campo establecidos hace 6 años (de donde provienen las mezclas suelo-biochar envejecido utilizados en el Capítulo 1). La dosis de 50 t ha-1 fue la más eficaz en el secuestro de C y mejoró el contenido de humedad en el suelo puntualmente. Sin embargo, esta dosis representó un trade-off, ya que impactó negativamente las comunidades de fauna del suelo (nematodos y colémbolos), y también aumentó las emisiones de metano (CH4). Aunque la dosis de 12 t ha-1 no presentó estos efectos negativos, mostró indicios de metabolismo de compuestos recalcitrantes de C, que, si se mantuviera en el tiempo, podría afectar el potencial de secuestro de C del biochar. En conjunto, se puede concluir que en nuestro agroecosistema la dosis de 12 t ha-1 representa un escenario con menos riesgos.

Finalmente, el Capítulo 3 abordó los posibles beneficios agronómicos incluir un biochar de pirólisis lenta en tres formulaciones de fertilizantes organo-minerales (NPK, NP y K). La lixiviación de nutrientes se ralentizó en la formulación con biochar y NPK (NPK + B). Probablemente, el C lábil incorporado con el biochar y el input simultáneo de varios nutrientes podría haber estimulado el crecimiento microbiano causando un almacenamiento temporal de nutrientes en la biomasa microbiana. Aunque el fertilizante NPK + B solo mejoró significativamente la biomasa de paja de cebada y no el grano, todos los fertilizantes formulados con biochar provocaron un mejor estado nutricional vegetal (en relación al potasio, azufre, calcio y manganeso). Estos resultados indican que las formulaciones investigadas son prometedoras para el desarrollo de fertilizantes de nueva generación.

Anthropogenic inputs of reactive nitrogen (N) via the Haber-Bosch process (synthetic N2 fixation for fertiliser production) and legume cultivation are responsible for over half of the input of N to terrestrial ecosystems. These excessive inputs from agroecosystems have resulted in enhanced fluxes of nitrous oxide (N2O), ammonia (NH3), and nitrate (NO3−), which induce far-reaching adverse effects, including the acceleration of global warming, promoting eutrophication, and depleting stratospheric ozone, among others.

Soil-application of biochar, the carbon(C)-rich solid produced by thermochemical conversion of biomass under oxygen-limited conditions, could be a valuable tool to cope with elevated N fluxes. However, broad-scale biochar implementation is hindered by the uncertainties concerning possible unintended consequences as well as its long-term effects on soil quality, given its persistence in soil.

In order to fill in some of these knowledge gaps, a pine gasification biochar that was found to reduce nitrate contents in soil solution in a previous study was assessed both under greenhouse conditions (Chapter 1) and under field conditions (Chapter 2). Chapter 1 was aimed at evaluating whether this particular biochar could induce a nitrate leaching mitigation response both in the short and long-term and at two contrasted application rates (12 and 50 t ha-1). To do so, soil columns filled with either fresh biochar or 6-yr field-aged biochar were monitored for 8 months. At the end of the trial, a significant reduction of NO3− in soil solution as well as other ions (including chloride, magnesium, sodium, and calcium) was found for both application rates in the fresh biochar-amended columns but not in the aged biochar scenario. The formation of an organo-mineral coating that entrapped nutrient-enriched water into biochar pores was ascribed as the most plausible explanation. Despite the alleviation of NO3− in soil solution, its leaching was unaffected by biochar treatment, casting doubt about possible environmental effects.

In Chapter 2, by monitoring a wide range of soil properties in 6-yr old field mesocosms (from where the soil-aged biochar mixtures of Chapter 1 were taken), a soil quality assessment was conducted. The 50 t ha-1 application rate was the most effective in sequestering C and presented enhanced water contents at some sampling dates. However, an important trade-off emerged, since it exerted negative effects towards soil fauna communities (nematodes and collembolans), and also it boosted methane (CH4) soil emissions. Conversely, the 12 t ha-1 rate did not pose serious risks to soil faunal communities and soils acted as a CH4 sink. On the other hand, this same treatment showed signs of promotion of recalcitrant carbon metabolism, which, if maintained over time, could affect biochar’s C sequestration potential and reduce its expected persistence. Taking all into consideration, in our agroecosystem, the 12 t ha-1 rate would be safer to apply.

Finally, Chapter 3 addressed the potential agronomical benefits of including biochar into fertiliser formulation. Particularly, a slow pyrolysis biochar was included in three organo-mineral fertiliser formulations (NPK, NP, and K). Nutrient leaching was slowed down in the formulation combining biochar and NPK (NPK+B). This effect was plausibly attributed to the labile-C added with the slow-pyrolysis biochar and the concomitant provision of NPK, which could have promoted microbial growth and caused a temporary storage of nutrients in microbial biomass. While the NPK+B fertiliser only significantly enhanced barley straw biomass and not grain, all biochar-based fertilisers presented improved plant nutrient content and export (regarding potassium, sulphur, calcium, and manganese). Both the improved nutrient release pattern in NPK+B and the enhanced crop nutrient status found for all biochar-based fertilisers indicate that the investigated formulations hold promise for further research and development of new generation fertilisers.