Band 54:
Borchard, Nils (2012): Interaction of biochar (black carbon) with the soil matrix and its influence
on soil functions
Bonner Bodenkundl. Abh. 54 142 S., 10 Abb., 21 Tab. Bonn 2012.; 12,- €
Zusammenfassung Band 54
Borchard, Nils (2012): Interaction of biochar (black carbon) with the soil matrix and its influence
on soil functions
Bonner Bodenkundl. Abh. 54 142 S., 10 Abb., 21 Tab. Bonn 2012
Zusammenfassung
Während der technischen Verkohlung von Biomasse entsteht Holzkohle (Biokohle), die als Kohlenstoffspeicher und Bodenhilfsstoff genutzt werden kann. Die meisten verfügbaren Studien basieren jedoch auf der Anwendung einzelner Biokohlen in tropischen Böden. In dieser Studie sollen frische, physikalisch aktivierte und kompostierte Biokohlen auf deren Sorptionseigenschaften und deren Wirkungen auf die Biomasseproduktion untersucht werden.
Drei Biokohlen (Vergasungskoks, Holzkohle und Flash-Pyrolyse Kohle) aus C3-Pflanzen wurden in unterschiedlichen Mengen in einen sandigen und einen schluffigen Versuchsboden eingemischt, um Veränderungen der Bodeneigenschaften und den Pflanzenerträgen nachzugehen. Die Experimente wurden in einem viermonatigen Topfversuch mit Weidelgras (Lolium perenne L.) und in einem dreijährigen Freilandversuch mit Mais (Zea mays L.) durchgeführt. Zur Kennzeichnung der Verweilzeit wurden Benzolpolycarbonsäuren (BPCA) als molekulare Marker und Stabil-Isotopensignaturen analysiert. Aktivierte Holzkohle wurde parallel zur Holzkohle im Topfversuch eingesetzt. Es folgten Untersuchungen zum Einfluss einer sechsmonatigen Kompostierung auf die Nährstoffgehalte und physikalisch-chemischen Eigenschaften von Biokohlen. Analysen der Adsorptionfähigkeit von Mikronährstoffen (Cu und S) an frischen und kompostierten Biokohlen fügten sich an, um das Potenzial dieser Kohlen für eine Retention von Nährelementen und Schwermetallen in Böden beurteilen zu können.
Die Einmischung der Biokohle in die Versuchsböden führte zu einer signifikanten Festlegung von Kohlenstoff und die in den Biokohlen enthaltenen Aschen düngten kurzfristig. Die Nährstoff-Gehalte an K, Mg und, P sind im Vergasungskoks am höchsten und nehmen über die Holzkohle zur Flash-Pyrolyse Kohle ab. Die Biokohlen mit basisch wirksamen Aschen beeinflussten die pH-Werte der Böden signifikant, was zumindest teilweise zu einer Erhöhung der effektiven Kationenaustauschkapazität (KAK) führte. Jedoch zeigten sich keine positiven Düngeeffekte auf die Pflanzen. Im Gegenteil, die Einmischung der Biokohlen führte zu Nährstoffungleichgewichten, die sich in einer verringerten N-Aufnahme äußerten. Offenbar wird mit steigenden Mengen an zugegebener Biokohle Boden-N immobilisiert. Im Extremfall (~100 g Biokohle kg-1 Boden) führte dies sogar zu Ertragseinbußen statt zu einer erhöhten Biomasseproduktion. Diese Ertragsrisiken müssten durch gezielte Düngung (v.a. von N) ausgeglichen werden. Der damit verbundene zusätzliche Verbrauch an CO2-Äquivalenten für Herstellung und Transport sowie der Freisetzung von N2O könnte das erhöhte Potential zur C-Sequestration nach Biokohle-Applikationen konterkarieren.
Frische Biokohlen weisen sehr geringe Sorptionskapazitäten auf. Daher wurden ausgewählte Biokohlen physikalisch aktivierten und/oder kompostiert. Die Physikalische Aktivierung verdoppelte die KAK und vervielfachte die spezifische Oberfläche der Holzkohle. Dennoch führte die Nutzung der aktivierten Holzkohle zu keinem Ertragszuwachs beim Weidelgras, aber zu verringerten Austrägen von N (nicht im Sand) und P. Das Kompostieren erhöhte die KAK bis zum Vierfachen der Ausgangswerte, wohingegen die BPCA-C-Gehalte unverändert blieben. Die spezifischen Oberflächen (gemessen mit N2 und CO2) verringerten sich im Zuge der Kompostierung, aufgrund von Anlagerungen löslicher organischer Substanzen. Die Biokohlen nahmen Nährstoffe (NPK) reversibel auf. Als Modellstoffe für die Sorption kationischer und anionischer Bodeninhaltsstoffe verwendeten wir Kupfer (Cu2+) und Sulfat (SO42-). Die Langmuir-Sorptionskoeffizienten für Cu2+ nicht kompostierter Biokohlen erhöhten sich in der Reihenfolge Flash-Pyrolyse Kohle < Holzkohle < Vergasungskoks. Die Sorptionskapazität verringerte sich in der Reihenfolge Vergasungskoks > Flash-Pyrolyse Kohle > Holzkohle. Durch die Kompostierung erhöhen sich die Sorptionskoeffizienten etwa um das 5-fache für die Holzkohle und um das 3- bis 4-fache für den Vergasungskoks. Jedoch lassen unsere Daten nicht erwarten, dass die Einmischung realistischer Mengen an Biokohle zu einer verbesserten Festlegung von Cu2+ und SO42- in mitteleuropäischen Böden führen könnte.
Zusammenfassend erhärten die Ergebnisse dieser Studie zumindest das Potenzial von Biokohlen aus Holz zur C-Sequestration in Böden. Sie liefern jedoch keine Hinweise auf eine förderliche Wirkung von Biokohlen auf das Wachstum von Kulturpflanzen, sondern lassen im Gegenteil Nährstoffungleichgewichte befürchten, daher kann eine verbreitete Anwendung von Biokohlen auf landwirtschaftlich genutzten Böden der gemäßigten Breiten nicht vorbehaltlos empfohlen werden. Was jedoch zu prüfen bleibt, ist die potentielle Nutzung von aktivierten und kompostierten Biokohlen zur Verbesserung der Metall- und Nährstoffretention saurer Sandböden mit geringen Humusgehalten.
Summary Band 54
Borchard, Nils (2012): Interaction of biochar (black carbon) with the soil matrix and its influence on soil functions
Bonner Bodenkundl. Abh. 54 142 S., 10 Abb., 21 Tab. Bonn 2012
Summary
Biochar, i.e., the product of anthropogenic biomass carbonization, has been suggested to be used for both: sequestration of soil C and improvement of soil functions like plant productivity and element retention. Most of the available research results, however, related to tropical soils and a single biochar type, mainly charcoal. The aims of this study were to elucidate the fate and effects of three different kinds of biochar in temperate soil, and to test the role of hot steam activation, and composting on soil fertility, and biochar sorption properties.
The tested biochars were a gasification coke, a charcoal and a flash-pyrolysis char, all showing the isotopic signature of C3-plants. These biochars were mixed in varying amounts to sandy and silty textured soils to investigate effects on soil properties and yields of C4-crops. Two experiments were performed: a four-month pot-experiment with ryegrass (Lolium perenne L.) and a three-year field trial with maize (Zea mays L.). To monitor the fate of biochar-C in soil, I determined benzene polycarboxylic acids (BPCA) as molecular marker as well as stable 13C isotope signatures. Activated charcoal was used in pot-experiments next to charcoal treatments. A six-month composting experiment followed in order to study its impact on nutrient contents and physicochemical properties of biochars. Finally, sorption experiments of micro-nutrients (Cu and S) were performed with fresh and composted biochars to assess their potential to retain nutrients and heavy metals in temperate soils.
The added biochars elevated soil-C contents significantly; the biochar-C was sequestrated over at least the three-year experimental period. In the short-term, biochar associated ashes fertilized the soils and raised their pH values. Compared with charcoal, the gasification coke contained larger amounts of available K, Mg and P; and the flash-pyrolysis char showed lowest contents of available nutrients. However, no positive fertilizer effects were observed on plant growth. On the contrary, biochar applications led to nutrient imbalances, causing reduced N uptake by the plants. Apparently, with increasing amounts of added biochar, soil-N was immobilised. In the worst case (~100 g biochar kg-1 soil), biomass yields decreased instead of improving plant productivity! These yield risks would have to be balanced through fertilizer application (especially N). Consequently, additional CO2-equivalents are used for both fertilizer production and transport; moreover, the release of N2O could counteract potential C-sequestration by biochar applications.
As fresh biochars are characterized by low sorption capacities, biochars were physically activated and/or composted. The physical activation doubled cation exchange capacity (CEC) and multiplied specific surface area of the charcoal. Nevertheless, the use of activated charcoal did not affect yields of ryegrass, but decreased losses of N (not in the sand) and P. Composting increased the CEC of the biochars up to a factor of four; the BPCA-C contents remained unchanged. The specific surface areas (measured with N2 and CO2) decreased during composting due to the accumulations of soluble organic compounds. These compounds, however, contained nutrients (NPK), which therewith were reversibly sorbed. The sorption experiments with copper (Cu2+) as model cation revealed that Langmuir sorption coefficients increased after composting in the order of flash-pyrolysis char < charcoal < gasification coke, while the sorption capacity decreased in the order of gasification coke > flash-pyrolysis char > charcoal. Composting increased the Cu2+-sorption coefficient by a factor of 5 in the case of charcoal and by a factor of 3-4 in the case of gasification coke. Also retention of SO42-, used here as model anion, increased, though less strongly than that of Cu2+. Even at realistic biochar applications rates, composting may not improve the retention of Cu2+ and SO42- by biochars in soils of temperate climates.
In summary, my results confirm the potential of biochar made from wood for C-sequestration in soils. However, the results of this study provide no evidence of a beneficial effect of biochars on crop growth, but on the contrary they indicate nutrient imbalances and yield insecurity, therefore, a widespread application of biochar to fertile agricultural soils in temperate regions should be performed with caution. However, what remains to be examined is the potential use of activated or composted biochar to improve metal and nutrient retention of acidic, sandy soils with low organic matter contents.