Carbon sequestration in temperate grassland soil : risks and opportunities of biochar and hydrochar application

Abstract

The discovery of Terra Preta soils and the identification of charcoal as an essential component therein initiated an ever-growing research field. Since then, many experiments on the production and application of carbonized plant material (biochar or hydrochar) to soil have been carried out. However, the integration of biochar/hydrochar into soil management systems requires comprehensive analyses to identify and evaluate possible risks and opportunities involved with biochar/hydrochar application. This thesis provides results on the influence of Miscanthus × giganteus feedstock, hydrochar and biochar application on the greenhouse gas balance, plant growth and nutrient status of an extensively managed grassland ecosystem in comparison with an unamended control. The results provide information on the recalcitrance of the carbon amendments against degradation under field conditions. The comprehensive field study was complemented by a greenhouse based plant growth experiment and additional incubation experiments. One of the incubation experiments focused especially on the degradation of the carbon amendments under simulated weather conditions fostering their break down and mineralization. The data gathered in the period of 2011-2014 show an increasingly recalcitrant behavior of the carbon amendments against degradation along their degree of carbonization. As a consequence, both N2O and CO2 losses from the hydrochar and biochar amended soil in the field and in incubation were significantly reduced as compared to the soils amended with uncarbonized feedstock material. Biochar even reduced the CO2 emissions below the control treatment, leading to a significant soil organic carbon increase. The reduction in emissions could not be attributed to a decreasing abundance or activity of soil microorganisms; rather, the results suggested an interaction between biochar and soil- or plant-derived carbon compounds. Over a period of two years, none of the carbon amendments impaired plant growth or reduced the plant nutrient concentrations and nutrient removal. Biochar increased plant growth in a pot experiment in the greenhouse, while hydrochar induced short-term yield decreases in the field. The results suggest that especially and only biochar is suited for long term soil carbon sequestration without negatively affecting the soils greenhouse gas balance or plant growth and plant nutrient concentrations. Die Entdeckung und Bestimmung von schwarzen, nährstoffreichen Terra Preta de Indio-Böden im Amazonasgebiet in den 80er Jahren, deren Fruchtbarkeit unter anderem auf Holzkohleanteile von bis zu 20 % zurückgeführt war der Auslöser für ein dynamisches Forschungsfeld. Dieses hat zum Ziel, den Einsatz von verkohltem Pflanzenmaterial als Bodenzusatz zu prüfen und zu bewerten. Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an. Sie widmet sich vor allem den möglichen Risiken des Einsatzes verschiedener Biokohlen aus Miscanthus × giganteus-Ernteresten (hydrothermal karbonisiertes, halbverkohltes Material=hydrochar und pyrolysiertes, nahezu vollständig verkohltes Material=biochar) im Vergleich zu unverkohltem Ausgangsmaterial (Miscanthus-Stroh=feedstock) und einer Kontrolle ohne Kohlenstoff-Applikation. Dazu wurde im April 2011 ein Feldversuch in einem extensiv bewirtschafteten Grasland-Ökosystem angelegt. Zusätzlich durchgeführte Labor- und Gewächshausversuche ermöglichten zudem einen Einblick in das Abbauverhalten verschiedener Kohlen unter dem Einfluss forcierter Verwitterung z.B. anhand simulierter Wettereinflüsse. Die Ergebnisse der von 2011 bis 2014 erhobenen Daten zeigen eine eindeutige Erhöhung der Abbaustabilität von organischem Material mit dem Grad der Karbonisierung. So konnten die hohen CO2- und Lachgasemissionen, die beim Abbau von unverkohltem, strohartigem Feedstock-Material im Freiland und im Labor zu beobachten waren, durch die Karbonisierung signifikant verringert werden. Vor allem die nahezu vollständige Karbonisierung (biochar) führte sowohl im Freiland als auch im Labor zu einer Verringerung der bodenbürtigen CO2-Emissionen und zu einem signifikanten Kohlenstoff-Aufbau des Bodens, im Vergleich zur Kontrolle ohne Kohlenstoff-Applikation. Da der Kohlenstoff-Aufbau nicht mit einer Reduzierung des Bodenlebens erklärt werden konnte, erscheint eine Interaktion der biochar mit z.B. pflanzen- oder bodenbürtigen Kohlenstoffverbindungen wahrscheinlich. Keines der eingesetzten Materialien führte langfristig zu einer Verringerung des Pflanzenwachstums, der Pflanzengesundheit und der Qualität (Nährstoffgehalt) des Ernteguts. Biochar führte sogar zu einer Steigerung des Pflanzenwachstums in einem Kurzzeit-Topfexperiment, während nach Aufbringen von hydrochar mit geringem Inkohlungsgrad kurzfristige Ertragseinbußen im Feld zu beobachten waren. Die Ergebnisse legen nahe, dass nur biochar langfristig Kohlenstoff im Boden festlegen kann, ohne das Pflanzenwachstum zu beeinträchtigen. Die Treibhausgasbilanz des Bodens konnte durch den Biokohleeinsatz sowohl in den Inkubationsexperimenten als auch im Feld verbessert werden.