Biochar amendment for C sequestration in a temperate agroecosystem : implications for microbial C- and N-cycling

Abstract

Climate warming will have great impact on terrestrial ecosystems. Different soil properties such as temperature and moisture will be altered, thereby influencing C- and N-cycles, microbial activity as well as plant growth. This may contribute to the observed increase in soil greenhouse gas (GHG) emissions under climate change. Therefore, new options are needed to mitigate theses projected consequences. Biochar is primarily suggested to be effective in long-term C sequestration in agricultural soils due to its long-term stability. In addition, it could be applied to improve various soil properties, plant growth and to reduce soil GHG emissions. To date, knowledge about such beneficial biochar effects in soil under predicted warming climate is extremely scarce. In the first study, a slow-pyrolysis biochar from Miscanthus x giganteus feedstock (600 °C, 30 Min.) was incubated for short time (37d) under controlled laboratory conditions in agricultural soil in the presence of earthworms and N-rich litter (Phacelia tanacetifolia Benth.). Biochar increased microbial abundances and the fungal-to-bacterial PLFA ratio after 37 days in arable soil applied with litter suggesting improved living conditions for microorganisms with biochar. Fungi may benefit most from newly created habitats due to colonizable biochar pores and surfaces. Additionally, fungi could have also mineralized small amounts of recalcitrant biochar-C during plant litter decomposition. Without litter, biochar led to interactions between earthworms and soil microorganisms resulting in enhanced bacterial and fungal abundances. This indicates better growth habitats for soil microbes in earthworm casts containing biochar. Soil respiration and metabolic quotients (qCO2) and N2O emissions (in litter treatments) were decreased after biochar application suggesting a more efficient microbial community and underscoring the GHG mitigation potential of the used biochar. The field experiment, investigated in the second and third study, focused on the stability and long-term soil C sequestration potential of comparable Miscanthus biochar (850 °C, 30 Min.). Related effects on soil GHG emissions, physical, chemical and microbiological soil properties as well as plant growth were determined in an agroecosystem at year-round elevated soil temperature (+2.5 °C, since 2008). The second study investigated the short-term effects of biochar on microbial abundances and growth of winter rapeseed during the first year after field application to a warmed temperate arable soil. It was found that fungal biomass and the fungal-to-bacterial ratio were increased in the warmed biochar plots only after three months in the presence of spring barley litter from the previous growing season. The disappearance of this effect points to an overall high stability of the investigated biochar. Moreover, biochar proved to be effective in mitigating negative effects of seasonal dryness on microbial abundances and early plant growth in the dry spring period in 2014. However, biochar had no effect on final aboveground biomass of winter rapeseed at harvest in the first growing season. As shown in the third study, after two vegetation periods of winter rapeseed and spring wheat, the assumption that plant productivity in already fertile temperate arable soils is unlikely to be further enhanced with biochar amendment, was confirmed. Total CO2 emissions after two years were not reduced by biochar and remained unchanged even under warming suggesting a high degradation stability of the used biochar. N2O emissions were increased in biochar-amended soil at elevated soil temperature, presumably due to enhanced water and fertilizer retention with biochar. By using the global warming potential (GWP100) of total soil GHG emissions, the storage of biochar-C in soil was estimated to compensate warming-induced elevated soil GHG emissions for 20 years. To conclude, this thesis revealed that biochar may have only minor influence on soil microorganisms and crop growth in temperate, fertile arable field soils. However, it was shown that biochar could be a valuable tool for C sequestration in temperate arable soils, thus potentially offsetting a warming-induced increase in GHG emissions. In order to face climate change impacts, more long-term studies on microbiological effects and the C sequestration potential of biochar in cultivated soil under warming are urgently needed.

Die Klimaerwärmung wird einen erheblichen Einfluss auf terrestrische Ökosysteme haben. Bodeneigenschaften wie Temperatur und Feuchte werden sich verändern und dabei C- und N-Stoffkreisläufe, mikrobielle Aktivität im Boden sowie das Pflanzenwachstum beeinträchtigen. Dies könnte zur Erhöhung von Treibhausgas-(THG) Emissionen durch den Klimawandel beitragen. Daher werden neue Möglichkeiten zur Verringerung dieser prognostizierten Folgen benötigt. Pflanzenkohle wird aufgrund ihrer Langzeitstabilität primär als ein effektives Mittel für die langfristige C-Sequestrierung in Ackerböden betrachtet. Zudem könnte diese ebenfalls für die Verbesserung von verschiedenen Bodeneigenschaften, zur Erhöhung von Pflanzenwachstum und Verminderung von THG Emissionen angewendet werden. Bisher ist der Kenntnisstand über solche günstigen Pflanzenkohle-Effekte im Boden unter zukünftig erwärmtem Klima sehr gering. In der ersten Studie wurde Miscanthus x giganteus Pflanzenkohle aus langsamer Pyrolyse (600 °C, 30 Min.) mit Regenwürmern und stickstoffreicher Pflanzenstreu (Phacelia tanacetifolia Benth.) über einen kurzen Zeitraum (37 Tage) in einem Ackerboden unter kontrollierten Laborbedingungen inkubiert. Kohle erhöhte die Abundanz der Mikroorganismen und das Pilze/Bakterien-Verhältnis nach 37 Tagen in einem Ackerboden unter Zugabe von Streu, was auf verbesserte Lebensbedingungen für die Mikroorganismen hindeutet. Pilze könnten am stärksten durch neugeschaffene Habitate durch kolonisierbare Poren und Oberflächen der Kohle profitieren oder auch geringe Mengen des rekalzitranten Kohle-C während des Streuabbaus mineralisiert haben. Ohne Streuzugabe hat Pflanzenkohle zu interaktiven Effekten zwischen Regenwürmern und Mikroorganismen und damit erhöhten bakteriellen und pilzlichen Abundanzen geführt. Dies lässt verbesserte Wachstumsbedingungen für die Bodenmikroorganismen in Kohle enthaltenen Regenwurmgängen vermuten. Die Bodenatmung und metabolischen Quotienten sowie N2O Emissionen (in Streubehandlungen) wurden nach Kohle-Zugabe reduziert, was auf eine effizientere mikrobielle Gemeinschaft hindeutet und das Potential von Pflanzenkohle zur Reduktion von THG unterstreicht. Im Fokus des Feldexperiments der zweiten und dritten Studie stand die Stabilität und das langfristige C-Sequestrierungspotential von vergleichbarer Miscanthus Kohle (850 °C, 30 Min.). Die damit verknüpften Effekte von Kohle auf THG Emissionen, physikalische, chemische und mikrobiologische Bodenparameter sowie das Pflanzenwachstum wurden in einem Agrarökosystem unter permanent erhöhter Bodentemperatur (+2,5 °C, seit 2008) untersucht. Die zweite Studie untersuchte die Kurzzeiteffekte von Pflanzenkohle auf mikrobielle Abundanzen und das Wachstum von Winterraps während des ersten Jahres nach Kohle-Applikation zu einem erwärmten temperaten Agrarökosystem. Die pilzliche Biomasse und das Pilz/Bakterien-Verhältnis wurden in den erwärmten Kohleflächen lediglich nach drei Monaten in Anwesenheit von Streu von der Vorfrucht Sommergerste erhöht. Das Verschwinden dieses Effektes deutet auf eine allgemein hohe Stabilität der untersuchten Kohle hin. Darüber hinaus verminderte die Kohle die negativen Effekte von saisonaler Trockenheit auf die Abundanz von Mikroorganismen und das Frühwachstum von Winterraps im trockenen Frühling 2014. Kohle hatte aber keinen Effekt auf die oberirdische Biomasse von Winterraps in der ersten Vegetationsperiode. Wie in der dritten Studie gezeigt, nach zwei Vegetationsperioden von Winterraps und Sommerweizen, wird die Annahme bestätigt, dass eine zusätzliche Erhöhung der Pflanzenproduktion in bereits fruchtbaren Ackerböden gemäßigter Breiten mit Pflanzenkohle unwahrscheinlich ist. Die Gesamtemission von CO2 nach zwei Jahren wurde nicht durch Kohle reduziert und blieb unverändert unter Erwärmung, was auf eine hohe Abbaustabilität der untersuchten Kohle hindeutet. Die N2O Emissionen wurden in den erwärmten Kohle-behandelten Böden erhöht, was möglicherweise auf eine erhöhte Wasser- und Nährstoffretention durch Kohle zurückzuführen ist. Mit Hilfe des globalen Treibhausgaspotentials (GTP) der Gesamt-THG-Emissionen wurde jedoch geschätzt, dass die Festlegung von Kohle-C im Boden, die durch Erwärmung in 20 Jahren erhöhte produzierte Menge an THG Emissionen kompensieren könnte. Abschließend zeigte diese Arbeit, dass Pflanzenkohle einen eher geringen Einfluss auf Mikroorganismen und das Pflanzenwachstum in temperaten, fruchtbaren Ackerböden unter Freilandbedingungen haben könnte. Es konnte aber festgestellt werden, dass Pflanzenkohle ein sinnvolles Mittel für die C-Sequestrierung in temperaten Ackerböden sein kann und damit das Potential besitzt die erhöhten THG Emissionen in einem erwärmten Klima auszugleichen. Um dem Klimawandel zu begegnen werden dringend weitere Studien zu mikrobiologischen Effekten und zum Potential von Pflanzenkohle zur C-Sequestrierung in kultivierten Böden unter Bodenerwärmung benötigt.