Evaluación de efectos de varios tipos de biochar en suelo y planta

El objetivo de este proyecto ha sido analizar los posibles efectos del biochar obtenido de restos de biomasa de resinosas, de caducifolios y de un lodo de depuradora por tres procedimientos de pirolisis (lenta, rápida y gasificación), sobre un suelo (Haploxerept típico) y una planta de interés agrícola (Hordeum vulgare). Adicionalmente, se han comparado los efectos del biochar con los producidos por la aplicación de los materiales originales, y la interacción del biochar sobre el fertilizante mineral incorporado al suelo. Por último, se ha completado el trabajo con la observación de la influencia del biochar en la formación de micorrizas. Para llevar a cabo este estudio se ha realizado un ensayo en invernadero y diferentes análisis en laboratorio que han permitido el estudio comparativo de la germinación y crecimiento de la cebada, y de diferentes parámetros fisicoquímicos del suelo que podrían explicar la respuesta de las plantas crecidas sobre los distintos tipos de biochar. A partir de la interpretación de los resultados se ha determinado que los diferentes tipos de biochar han provocado un mayor desarrollo de la cebada en comparación con la aplicación de sus respectivas materias primas, o bien se ha observado la desaparición de efectos inhibidores como en el caso de los lodos de depuradora. Por otro lado, ha destacado el biochar obtenido por pirólisis lenta del resto de los biochars puesto que se ha observado menor mineralización de su materia orgánica de los suelos y mayor eficiencia en el desarrollo de las plantas. Por último, el efecto de la enmienda orgánica en forma de biochar sobre el desarrollo de las plantas ha sido menor que el efecto provocado directamente por la fertilización mineral.

Efectos de la aplicación de biochar en el modelo jerárquico de agregación de un suelo forestal bajo condiciones oceánicas

El objetivo del presente proyecto ha sido estudiar los efectos del biochar en el modelo jerárquico de agregación del suelo. Para estudiar estas propiedades se ha realizado una incubación de tres tratamientos de biochar Miscanthus (biochar 10t/ha (B10), 2t/ha (B2) y 10t/ha+Nitrógeno (BN), durante 91 días, realizando fraccionamientos en húmedo de las muestras los días 28, 43, 63, 77 y 91. En estos fraccionamientos se han separado las fracciones macroagregrado (LMagg+Magg), microagregados (magg), limos (Silt) y arcillas (Clay). Por último se determinó el C orgánico de todas las fracciones de los tratamientos obtenidos con el objeto de obtener información sobre el efecto que puede tener la aplicación del biochar sobre la estabilización de C en las fracciones del suelo. Los resultados obtenidos indican que con la aplicación de biochar, la teoría jerárquica de agregación propuesta por Tisdall y Oades (1982), no se cumple en la dinámica de agregación del suelo, si bien se puede observar una jerarquía en la estabilización del C orgánico en los macroagregados y microagregados. Además las dosis altas de biochar producen mayor cantidad de microagregados, favoreciendo el secuestro de C en el suelo. Por otro lado, con dosis altas de biochar se aprecia una disminución de la fracción de macroagregados, hecho que puede influir negativamente en la estructura del suelo.

BIOCHAR: PYROGENIC CARBON FOR AGRICULTURAL USE - A CRITICAL REVIEW

Biochar (carbonized biomass for agricultural use) has been used worldwide as soil amendment and is a technology of particular interest for Brazil, since its "inspiration" is from the historical Terra Preta de Índios(Amazon Dark Earth), and also because Brazil is the world's largest charcoal producer, generating enormous residue quantities in form of fine charcoal and due to the availability of different residual biomasses, mainly from agroindustry (e.g., sugar-cane bagasse; wood and paper-mill wastes; residues from biofuel industries; sewage sludge etc), that can be used for biochar production, making Brazil a key actor in the international scenario in terms of biochar research and utilization). In the last decade, numerous studies on biochar have been carried out and now a vast literature, and excellent reviews, are available. The objective of this paper is therefore to deliver a critical review with some highlights on biochar research, rather than an exhaustive bibliographic review. To this end, some key points considered critical and relevant were selected and the pertinent literature "condensed", with a view to guide future research, rather than analyze trends of the past.

Efecte sobre la capacitat d'intercanvi catiònic del sòl i la retenció de nutrients de les aplicacions de biochar en sòls agrícoles

El biochar, o biocarbó, és un material produït a partir de la piròlisi de biomassa, consistent en la descomposició tèrmica de la matèria orgànica a baixa o nul·la concentració d’oxigen. La seva definició més acceptada és la d’un material pirolitzat destinat a ser utilitzat en el sòl, quedant fora d’aquesta denominació materials produïts per a ser utilitzats com a combustible. La gran varietat de materials pirolitzables i de tecnologies de piròlisi determinen un ampli ventall de biochars amb propietats físiques, químiques i biològiques molt contrastades, i que determinen la seva idoneïtat o no per a ser utilitzat com a esmena orgànica, sent la biomassa de partida un dels factors més determinants. Els processos de piròlisis generen gasos inflamables, gasos condensables inflamables (bioolis) i biochar en proporcions variables segons el tipus de piròlisi. Aquests grans tipus principals de piròlisi per la producció de biochar són: Piròlisi lenta, Piròlisi ràpida, i Gasificació. El producte biochar, totalment en procés d’investigació, es creu que pot tenir grans beneficis ambientals en diferents àmbits: Biochar com a millora de la fertilitat, Biochar com a via de gestió de residus, Biochar per producció d’energia, i Biochar per la mitigació del canvi climàtic. Cal tenir en compte possibles riscos a l’hora d’aplicar biochar en sòls. Ja que el producte final varia segons el material de partida. En especial quan es genera biochar a partir de residus, ja siguin de depuradora, industrials o ramaders, degut que el seu contingut en contaminants pot ser perjudicial pel medi ambient i per la salut de les plantes. Els contaminats presents, sobretot metalls pesats i hidrocarburs aromàtics policíclics (PAH), són difícilment eliminats o es produeixen “de novo” durant el procés de piròlisi, respectivament, de manera que amb les aplicacions de biochar poden causar impactes negatius. En aquest projecte, es centre especial atenció en una única característica del sòl, com es la capacitat d’intercanvi catiònic (CIC). La CIC és la capacitat que té el sòl per retenir i alliberar ions amb càrrega positiva. Per les seves característiques, l’argila i la matèria orgànica són les que condicionen la CIC total d’un sòl, ja que aquestes contenen carregues negatives a la seva superfície. La CIC proporciona als sòls la capacitat de retenir nutrients, necessaris per el creixement de les plantes, per tant una major CIC incrementa la fertilitat dels sòls, així com permet reduir les pèrdues d’aquests nutrients per lixiviació i mitigar possible contaminació de les aigües. L’objectiu principal del projecte doncs, és estudiar el potencial ús d’un biochar de gasificació com esmena orgànica per a sòls agrícoles alcalins mediterranis, i més concretament el seu paper per a millora de la retenció de nutrients en relació al potencial augment de la capacitat d’intercanvi catiònic (CIC) del sòl 18 mesos després de la seva aplicació en parcel·les de camp. Les conclusions finals no han estat del tot satisfactòries, degut que no s’han trobat diferències en la CIC, havent de rebutjar la hipòtesi de partida. Tot i que hi ha diferents factors que poden ser la causa d’aquests resultats. Una possibilitat, probablement la que dona major explicació, és el poc temps transcorregut des de l’aplicació de biochar fins al moment de les anàlisis.

Estudi de la viabilitat econòmica de la implantació d'una planta de piròlisi per a la producció de biochar en un context local i comarcal

En aquest document es pretén estudiar de la viabilitat econòmica de la implantació d’una planta de piròlisi per a la producció de biochar o char en un context local i comarcal. La biomassa és una font d’energia que genera uns rendiments energètics prou interesants i d’una manera respectuosa amb el medi ambient. Així doncs, la teòrica planta utilitzarà biomassa que, a traves del tractament termoquímic de la piròlisi, ens generarà uns productes que són d’utilitat per l’obtenció d’energia d’una manera respectuosa amb el medi ambient. Abans de fer l’anàlisi econòmic, hi ha una explicació extensa dels processos termoquímics, com són la piròlisi, la gasificació i la torrefacció. Posteriorment, es du a terme una revisió de l’estat actual de les tecnologies de conversió de biomassa a Catalunya i finalment es realitza un inventari i anàlisi dels usos de la biomassa a Catalunya, en el qual es parla principalment de l’estella el pèl·let, així com també de la seva producció, consum i exportació. El nostre anàlisi econòmic de la planta de processament de biomassa es durà a terme a nivell local, és a dir en un municipi, i també a nivell comarcal a Catalunya. A partir del processament de biomassa per mitja de la piròlisi, obtindrem uns productes, entre els quals el biochar, que serà un dels productes finals per poder vendre. L’altre producte serà el pèl·let de biochar, que l’obtindrem a través del procés de pel·letització. Aquest procés ens permetrà densificar el mateix biochar i obtenir-ne pèl·lets amb un poder calorífic superior, com també el seu possible preu de venda final. En aquest anàlisi econòmic plantejarem diferents escenaris tant a nivell local com comarcal, és a dir, farem variar diferents paràmetres de la planta, com poden ser els dies, les hores de treball, el sou dels treballadors, l’existència de procés de pel·letització...per veure la viabilitat del nostre projecte. Aquesta viabilitat la mesurarem amb diferents Índexs, entre els quals hi ha l’Índex de Rendibilitat, que ens determinarà si el projecte és possible si el seu valor és més gran a 1.

Is sustainability certification for biochar the answer to environmental risks?

Biochar has the potential to make a major contribution to the mitigation of climate change, and enhancement of plant production. However, in order for biochar to fulfill this promise, the industry and regulating bodies must take steps to manage potential environmental threats and address negative perceptions. The potential threats to the sustainability of biochar systems, at each stage of the biochar life cycle, were reviewed. We propose that a sustainability framework for biochar could be adapted from existing frameworks developed for bioenergy. Sustainable land use policies, combined with effective regulation of biochar production facilities and incentives for efficient utilization of energy, and improved knowledge of biochar impacts on ecosystem health and productivity could provide a strong framework for the development of a robust sustainable biochar industry. Sustainability certification could be introduced to provide confidence to consumers that sustainable practices have been employed along the production chain, particularly where biochar is traded internationally.

Sustainability, certification, and regulation of biochar

Biochar has a relatively long half-life in soil and can fundamentally alter soil properties, processes, and ecosystem services. The prospect of global-scale biochar application to soils highlights the importance of a sophisticated and rigorous certification procedure. The objective of this work was to discuss the concept of integrating biochar properties with environmental and socioeconomic factors, in a sustainable biochar certification procedure that optimizes complementarity and compatibility between these factors over relevant time periods. Biochar effects and behavior should also be modelled at temporal scales similar to its expected functional lifetime in soils. Finally, when existing soil data are insufficient, soil sampling and analysis procedures need to be described as part of a biochar certification procedure.

Biochar effect on the mineralization of soil organic matter

The objective of this work was to verify whether the addition of biochar to the soil affects the degradation of litter and of soil organic matter (SOM). In order to investigate the effect of biochar on the mineralization of barley straw, soil was incubated with 14C-labelled barley straw with or without unlabelled biochar. To investigate the effect of straw on the mineralization of biochar, soil was incubated with 14C-labelled biochar with or without straw. In addition, to investigate the effect of biochar on old SOM, a soil labelled by applying labelled straw 40 years ago was incubated with different levels of biochar. All experiments had a control treatment, without any soil amendment. The effect of biochar on the straw mineralization was small and nonsignificant. Without biochar, 48±0.2% of the straw carbon was mineralized within the 451 days of the experiment. In comparison, 45±1.6% of C was mineralized after biochar addition of 1.5 g kg-1. In the SOM-labelled soil, the organic matter mineralized more slowly with the increasing doses of biochar. Biochar addition at 7.7 g kg-1 reduced SOM mineralization from 6.6 to 6.3%, during the experimental period. The addition of 15.5 g kg-1 of biochar reduced the mineralized SOM to 5.7%. There is no evidence of increased degradation of either litter or SOM due to biochar addition; consequently, there is no evidence of decreased stability of SOM.

Characterization of phosphate structures in biochar from swine bones

The objective of this work was to develop an alternative methodology to study and characterize the phosphate crystalline properties, directly associated with solubility and plant availability, in biochar from swine bones. Some phosphate symmetry properties of pyrolyzed swine bones were established, using solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy, principal component analysis, and multivariate curve resolution analysis, on four pyrolyzed samples at different carbonization intensities. Increasing carbonization parameters (temperature or residence time) generates diverse phosphate structures, increasing their symmetry and decreasing the crossed polarizability of the pair ¹H-31P, producing phosphates with, probably, lower solubility than the ones produced at lower carbonization intensity. Additionally, a new methodology is being developed to study and characterize phosphate crystalline properties directly associated with phosphate solubility and availability to plants.

Migration of dissolved organic carbon in biochars and biochar-mineral complexes

The objective of this work was to determine the contribution of dissolved organic carbon (DOC) from a biochar mineral complex (BMC), so as to better understand the interactions between DOC, biochar, clay, and minerals during thermal treatment, and the effects of BMC on amended soils. The BMC was prepared by heating a mixture of a H3PO4-treated saligna biochar from Acacia saligna, clays, other minerals, and chicken manure. The BMC was applied to a sandy loam soil in Western Australia, where wheat was grown. Liquid chromatography-organic carbon detection (LC-OCD) tests were carried out on water extracts from the untreated biochar, the BMC, the BMC-amended soil, and on a control soil to measure the DOC concentration. LC-OCD tests provide a fingerprint of the DOC, which allows the fractions of DOC to be determined. Thermal processing enhanced the reaction of the A. saligna biochar with manure, clays and minerals, and affected the distribution of the DOC fractions. Notably, the process leads to immobilization of hydrophobic DOC and to an increase in the concentration of low-molecular-weight neutrals in the BMC. The application of the BMC to soil increases the DOC in the amended soil, especially the biopolymer fraction.

Soil fertility and upland rice yield after biochar application in the Cerrado

The objective of this work was to evaluate the effect of biochar made from Eucalyptus on soil fertility, and on the yield and development of upland rice. The experiment was performed during two years in a randomized block design with four replicates, in a sandy loam Dystric Plinthosol. Four doses of NPK 05-25-15, annually distributed in stripes (0, 100, 200 and 300 kg ha-1), and four doses of biochar (0, 8, 16 and 32 Mg ha-1), applied once in the first year - alone or with NPK - were evaluated. In the first year, biochar positively affected soil fertility [total organic carbon (TOC), Ca, P, Al, H+Al, and pH], at 0-10 cm soil depth, and it was the only factor with significant effect on yield. In the second year, the effect of biochar diminished or was overcome by the fertilizer. TOC moved down in the soil profile to the 0-20 cm depth, influencing K availability in this layer. In the second year, there was a significant interaction between biochar and the fertilizer on plant growth and biomass dry matter accumulation.

Transpiration response of upland rice to water deficit changed by different levels of eucalyptus biochar

The objective of this work was to evaluate the effect of eucalyptus biochar on the transpiration rate of upland rice 'BRSMG Curinga' as an alternative means to decrease the effect of water stress on plant growth and development. Two-pot experiments were carried out using a completely randomized block design, in a split-plot arrangement, with six replicates. Main plots were water stress (WS) and no-water stress (NWS), and the subplots were biochar doses at 0, 6, 12 and 24% in growing medium (sand). Total transpirable soil water (TTSW), the p factor - defined as the average fraction of TTSW which can be depleted from the root zone before water stress limits growth -, and the normalized transpiration rate (NTR) were determined. Biochar addition increased TTSW and the p factor, and reduced NTR. Consequently, biochar addition was able to change the moisture threshold (p factor) of the growing medium, up to 12% maximum concentration, delaying the point where transpiration declines and affects yield.

Biochar and soil nitrous oxide emissions

The objective of this work was to evaluate the effect of biochar application on soil nitrous oxide emissions. The experiment was carried out in pots under greenhouse conditions. Four levels of ground commercial charcoal of 2 mm (biochar) were evaluated in a sandy Albaqualf (90% of sand): 0, 3, 6, and 9 Mg ha-1. All treatments received 100 kg ha-1 of N as urea. A cubic effect of biochar levels was observed on the N2O emissions. Biochar doses above 5 Mg ha-1 started to mitigate the emissions in the evaluated soil. However, lower doses promote the emissions.

Biochar no manejo de nitrogênio e fósforo para a produção de mudas de angico

Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de biochar aplicado com os macronutrientes N e P, para a formação de substratos, no desenvolvimento de mudas de angico (Anadenanthera colubrina) para a restauração florestal. Os experimentos foram realizados em viveiro florestal, em delineamento inteiramente casualizado. Estudaram-se interações entre concentrações crescentes de biochar e de N, na forma de ureia, e de biochar e P, na forma de superfosfato simples, adicionados a Latossolo Amarelo. Determinaram-se os parâmetros de crescimento, qualidade e nutrição das mudas, e os resultados foram submetidos ao estudo de regressão polinomial (superfície de resposta). A interação entre biochar e N beneficiou a qualidade e a concentração foliar de Mg das mudas de angico, apesar de não influenciar o crescimento das plantas. As mudas de angico submetidas à aplicação de biochar e P mostraram maior qualidade e eficiência de uso dos nutrientes Ca e K. A adição de biochar ao substrato, junto com N e P, apresenta potencial de uso para a produção de mudas de qualidade, o que favorece o sucesso de práticas de restauração florestal em regiões com baixa fertilidade do solo e sujeitas a períodos de estresse hídrico.