Possibilities to stabilize organic matter in soil using various biochars

Abstract

Soil organic matter (SOM) has an important role in soil fertility and agricultural productivity. Carbon (C) sequestration in soil can be an important step towards soil organic matter (SOM) stabilization and conservation. The traditional practices used to increase SOM do not sequester significant quantities of C into soil because most of the organic matter is not stable and is mineralized very fast. With the discovery of Terra Preta, it is evident that charcoal/biochar can be used to increase SOM. The potential positive effects of biochars on soils and plant production have been well elaborated. With increasing interest of biochar production using various biomass materials, it is necessary to study their mineralization and stabilization potential in various soils. In the present study, three biochars (a charcoal produced by burning of wood at 550°C, a hydrothermal carbonization coal (HTC) of bark, and a low-temperature conversion coal (LTC) of sewage sludge) in comparison to wheat straw were selected with the objectives to investigate the C mineralization kinetics. Prior to the incubation experiment, Fourier transformation infrared spectroscopy (FTIR) and N-fractionation were performed to characterize the C and N bonds in the biochars and straw. Charcoal was highly carbonized compared with the HTC and LTC. The LTC biochar contained more N in the heterocyclic-bound N fraction as compared with the charcoal, HTC and straw. The selected soils for the incubation experiment were sampled from various areas in Hesse, Germany. The Ferralsol (a mixture of various soil horizons) was a relict tertiary Ferralsol. In comparison, the Luvisol derived from loess (topsoil and subsoil) was selected because this is the most important soil type in Western Europe for crop production.In the first experiment, the above-described soils were incubated at 25°C with the biochars, straw, and without amendment (control) over a period of 730 d. Carbon mineralization was analyzed as alkali absorption of CO2 released at regular intervals. Soil samples taken after 5 d, 365 d, and 735 d of incubation were analyzed for soluble organic C and mineral N. To examine the reactions occurring on biochar surfaces during the first year of incubation, SOM density fractionation was performed. Total C and N in the density fractions were determined using an elemental analyzer. The bulk soil samples and SOM density fractions were scanned using FTIR to observe chemical changes on the surfaces of density fractions. In a second experiment, the effect of soil pH on C mineralization of straw and HTC was investigated. The Ferralsol was selected as test soil in this experiment. In the third experiment, wheat straw (8 t ha-1) was mixed with the biochar-amended (365 d and 0 d aged-soils) and control soils. Carbon mineralization was measured at different time intervals for a time scale of 90 d. Carbon mineralization kinetics was calculated using cumulative CO2 release data. The results show that wheat straw was mineralized very fast and had a lower half-life of C compared with the biochars. Among the biochars, HTC showed some C mineralization when compared with charcoal and LTC but less than straw. The kinetics show that half-lives of C were higher in the charcoal and LTC treatments in the Ferralsol than in the Luvisol topsoil and subsoil, possibly due to high concentration of Fe-oxide in the Ferralsol. The LTC-C had a higher half-life, possibly due to N-binding in a heterocyclic form. The results of density fractionation showed a higher proportion of applied C in the free fraction (FF). The FTIR spectra of the FF indicated surface depositions of alumino-silicate minerals on biochars, which might have increased the stabilization of biochars in the soils. Followed by the FF, higher amounts of C were found in intra-aggregate fraction (IAF). No surface depositions occurred in IAF. Except LTC, no treatment increased the C content of the heavy fraction (HF). The mechanisms involved in the increase of TC in the HF with LTC are unclear and need further investigations.In the second experiment, it was shown that soil pH did not affect mineralization of HTC and straw. The results of the third experiment show that biochar ageing in soils influenced C mineralization of added straw. The half-lives of C in various treatments were significantly higher in 365 d biochar-aged soils. Stabilization of straw C was observed in the charcoal added-soils, while increased mineralization or priming was documented in HTC and LTC added-soils. The results suggest an interaction between biochar aged in soil and applied straw. However, to investigate the detailed mechanisms of C-stabilization and C priming, further research is needed using C-labeled biochars and straw. Die organische Substanz spielt eine wichtige Rolle für die Bodenfruchtbarkeit und für die landwirtschaftlich Produktivität. Die Kohlenstoff-Sequestrierung in Böden könnte ein wichtiger Schritt für die Stabilisierung der organischen Substanz im Boden sein. Traditionelle Praktiken zur Steigerung der organischen Substanz erfordern große Kohlenstoffmengen, da der eingebrachte Kohlenstoff relativ instabil ist und somit rasch mineralisiert wird. Mit der Entdeckung der Terra Preta ist es offensichtlich, dass Holzkohle / Biokohle verwendet werden könnte, um die organische Substanz nachhaltig zu erhöhen.Für die vorliegende Studie wurden drei Biokohlen ausgesucht: eine Holzkohle produziert aus Holz bei 550°C, eine hydrothermale Kohle (HTC) aus Rinden und eine niedrigtemperatur Konvertierungskohle aus Klärschlamm (LTC). Das Ziel dieser Untersuchungen war es, die Kohlenstoffmineralisation dieser drei Biokohlen im Vergleich zu Weizenstroh zu analysieren. Vor den Inkubationsversuchen wurde die Fourier-Transformations-Infrarotspekroskopie (FTIR) sowie die Stickstofffraktionierung zur Charakterisierung der Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen in den verschiedenen Biokohlen angewendet. Holzkohle war deutlich stärker karbonisiert als die HTC- und die LTC-Kohle. Die LTC-Kohle enthielt im Vergleich zu Holzkohle, HTC-Kohle und Weizenstroh deutlich mehr heterocyclisch gebundenen Stickstoff. Die für die Inkubationsexperimente ausgewählten Böden stammten aus verschiedenen Regionen Hessens, wobei der Ferralsol (Gemisch aus verschiedenen Horizonten) von der Eisernen Hose in Lich geholt wurde. Im Vergleich dazu wurden ein Ober- und eine Unterboden von Lössböden ausgesucht, da die aus Löss entstandenen Böden eine große Bedeutung für die landwirtschaftliche Produktion in Deutschland aufweisen.Im ersten Experiment wurden die drei Biokohlen und das Weizenstroh in die oben beschriebenen Böden eingearbeitet und im Vergleich zu einer Variante ohne organische Düngung bei 25°C über einen Zeitraum von 730 Tagen inkubiert. Mineralisiertes CO2 wurde in Kalilauge aufgefangen und in regelmäßigen Abständen analysiert. Bodenproben wurden nach 5, 365, und 735 Tagen der Inkubation entnommen, um löslichen organischen Kohlenstoff und mineralischen Stickstoff zu analysieren.Nach einer einjährigen Inkubationsphase der Biokohlen in den verschiedenen Böden wurde eine Dichtefraktionierung durchgeführt, um mögliche Reaktionen an den Oberflächen der Biokohlen zu untersuchen. In den Dichtefraktionen wurden die Gesamtkonzentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff mit einem Elementaranalysator bestimmt. Ferner wurden die Ausgangsböden und die Dichtefraktionen einer Fourier-Transformations-Infrarotspekroskopie (FTIR) unterzogen, um Oberflächenänderungen an den Biokohlen zu messen.. Im zweiten Versuch wurde der Einfluss vom Boden pH-Wert auf die Kohlenstoffmineralisierung von Stroh und HTC-Kohle im Ferralsol untersucht. In einem dritten Versuch wurde der Einfluss einer einjährigen Verweildauer (Alterung) von Biokohle im Boden im Vergleich zu einer frischen Applikation von Biokohle (keine Alterung) auf die Kohlenstoffmineralsierung von Weizenstroh analysiert. Dazu wurden die für 365 Tage und 0 Tage mit verschiedenen Biokohlen inkubierten Böden mit Weizenstroh (8 t ha-1) gedüngt. Die Kohlenstoffmineralisierung wurde in verschiedenen Zeitabständen bis 90 Tage gemessen.Die Ergebnisse zeigen, dass Weizenstroh im Vergleich zu den Biokohlen sehr rasch mineralisiert wurde, und dass die Halbwertszeit von Weizenstrohkohlenstoff niedriger war als von den Biokohlen. Von den Biokohlen wurde HTC-Kohle stärker mineralisiert als Holzkohle und LTC-Kohle. Die Ergebnisse der Kinetik-Berechnungen aus den Kohlenstoffmineralisationskurven ergaben für Holzkohle und NTK-Kohle eine längere Halbwertszeit von Kohlenstoff im Ferrasol als im Ober- und Unterboden der Lössböden, möglicherweise aufgrund der hohen Fe-Oxid-Konzentration im Ferralsol. Der in der LTC-Kohle gebundene Kohlenstoff hatte eine höhere Halbwertszeit, möglicherweise aufgrund von heterocyclisch gebundenem Stickstoff. Die Ergebnisse der Dichtefraktionierung zeigen einen hohen Anteil des zugeführten Kohlenstoffs in der freien Fraktion (FF). Die FTIR-Spektren der FF ergaben Oberflächenablagerungen an Aluminium-Silikat-Mineralen auf den Biokohlen, die die Stabilisierung von Biokohlen in den Böden gefördert haben könnten. Gefolgt von der FF, wurden höhere Kohlenstoffmengen in der Intra-Aggregat-Fraktion gefunden. In der Intra-Aggregat-Fraktion traten keine Oberflächenablagerungen auf. Mit Ausnahme der LTC-Kohle hatte keine Biokohle einen Einfluss auf den Kohlenstoffgehalt in der schweren Fraktion (HF). Die Mechanismen für die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in der schweren Fraktion (HF) infolge von LTC-Düngung sind unklar und sollten weiter untersucht werden.Im zweiten Experiment wurde gezeigt, dass der Boden pH-Wert nicht die Mineralisierung von HTC-Kohle und Stroh beeinflusste. Die Ergebnisse des dritten Experiments dokumentieren, dass die Alterung von Biokohle im Boden die Kohlenstoffmineralisierung von Stroh beeinflusste. Die Halbwertszeiten von Kohlenstoff waren signifikant in den Varianten höher, in denen die Biokohle einer 365-tägigen Verweildauer (Alterung) in den Böden unterlag. In den Varianten mit Holzkohle wurde eine Stabilisierung von Strohkohlenstoff beobachtet. Im Vergleich dazu wurde eine höhere Kohlenstoffmineralisation oder ein priming Effekt in den Varianten mit HTC- und NTK-Kohle dokumentiert. Die Ergebnisse deuten auf Interaktionen zwischen den im Boden gealterten Biokohlen sowie gedüngtem Stroh. Es sind weitere Forschungen mit markiertem Kohlenstoff erforderlich, um die Mechanismen von Biokohlen auf Stabilisierung und Mineralisation von Kohlenstoff in unseren Böden besser zu verstehen.