The agronomic and environmental effects of biochar under field conditions in Norway

Abstract

Biochar is emerging as a promising solution for increasing carbon in soil, improving the fertility of selected soils, and mitigating N2O emissions from agricultural soils. In Norway, biochar is high on the agenda of potential actions to address climate change. Farmers, farmer organizations and authorities wish to know more about effects of biochar on Norwegian soils and environmental impacts. This Ph.D. thesis reports results from four field based studies, which document both agronomic and environmental impacts of biochar application in grain and vegetable production systems in Norway. Paper I:III report results from a 4 year field in a silty clam loam in flat terrain in Ås, Norway. In Paper I, I assessed the impact of applying 11.6 and 31.5 t ha-1 miscanthus biochar on soil physical properties, soil microbial biomass and oat and barley yield. Soil volumetric water content was significantly higher and bulk density was significantly lower at the higher biochar application rate. However, there was no significant effect of biochar on soil aggregate stability, pore size distribution, penetration resistance, microbial biomass, basal respiration and barley and oat yields over four years. At the same field site in Ås, Paper II assessed the impact of new vs aged biochar on N2O and CH4 fluxes in two field seasons. New biochar additions at 31.5 t ha-1 significantly reduced N2O by 80% in a single peak event post-harvest in 2012 whereas 2-year aged biochar measured 41% less N2O flux compared to the control (not significant). In 2014, new biochar application induced more N2O emission than the control whereas aged biochar did not differ. However, the magnitude of N2O emissions in 2014 was 2-6 times less than in 2012 due to much drier weather, so the net effect over two field seasons was that new biochar mitigated N2O more than it stimulated it. Analysis of aged vs new biochar shows that biochar loses its alkalinity over 2-4 years and this may explain the weaker N2O mitigation effect in aged compared to new biochar. In contrast to previous studies, I found that aged biochar did not reduce the soil CH4 sink capacity but instead improved the soil sink capaicty during peak CH4 emission events. New biochar did not differ from the control in CH4 flux. Cumulative emissions of CO2, N2O and CH4 did not differ between treatments in 2012 and 2014 due to the high standard deviation recorded within treatments, which is common in GHG field studies using closed chamber measurements. In Paper III, we documented the mobility and fate of biochar 5 years after application. We measured the vertical (0-60cm) and lateral (9 m from plot edge) transport of the biochar in the field at Ås. After 5 years, we accounted for 92-107% ±6 of the applied biochar. Forty-five to seventy two percent of biochar was present in the 0-23 cm plough layer within plot boundaries, 22-31% vertically transported to 23-60 cm depth, 0-21% had moved laterally within 9 m of the plot boundary and 4% was mineralized as CO2. Under laboratory tests, I found that biochar was easily released from soil aggregates when exposed to water slaking. However, considering the high recovery rates we achieved after 5 years we conclude that erosive loss of biochar via slaking was not a significant risk factor in this flat field site where biochar was well incorporated into the soil. Due to the moderate amount of biochar that is vertically transported below the plough layer I recommend that future soil sampling strategies designed to document biochar C stocks considers this vertical movement. In the final study, Paper IV, we cooperated with a commercial farmer to test the synergistic fertilization effect of biochar added as 20% and 40% (V/V) to liquid anaerobic digestate and applied at 7 cm depth under spring onion planting rows in a coarse sandy soil. We measured both soil NH4-N, NO3-N, and N2O measurements in first month of plant establishment. Although differences in yield were not significant, biochar digestate mixture increased spring yield by up to 37% compared to the NPK-Control treatment while digestate alone performed similar to the Control. Soil mineral N significantly increased up to 305% in the digestate-biochar treatment compared to the control, while digestate did not significantly differ from the control. This finding suggests that biochar addition to digestate buffers the loss of digestate nutrients under irrigated conditions in sandy soils and supports a more balanced supply of NO3 and NH4 from digestate. In addition to the results and discussion in these papers, I give a thorough summary on the topic of biochar agronomy and impacts on GHGs and offer suggestions for new research topics that fill identified research gaps.

Biokull vokser fram som en lovende løsning for å øke karbon i jord, forbedre fruktbarheten i utvalgte jordarter og redusere N2O -utslipp fra jordbruksjord. I Norge står biokull høyt på dagsordenen som et klimatiltak i landbruket. Bønder, bondeorganisasjon, og myndigheter uttrykker økende interesse for mer kunnskap om forventede effekter på agronomi og miljøvirkninger. Denne doktorgradsoppgaven rapporterer resultater fra 4 feltbaserte studier som dokumenterer både agronomiske og miljømessige konsekvenser av biokullapplikasjon i korn- og grønnsaksproduksjonssystemer i Norge. Artiklene I- III rapporterer resultater fra et 4 -årig felt i en siltig lettleire i flatt terreng i Ås, Norge. I Artikkel I testet jeg effekten av tilførsel av 11,6 og 31,5 t ha-1 miscanthus biokull på jordas fysiske egenskaper, jordmikrobiell biomasse og havre- og byggavling mellom 2011-14. Jordvolumetrisk vanninnhold var betydelig høyere og jordtetthet ble signifikant redusert med den høyere biokull mengde. Det var ingen signifikant effekt av biokull på jordaggregatstabilitet, porestørrelsesfordeling, penetrasjonsresistens, mikrobiell biomasse, basal respirasjon og bygg- og havreavling over 4 år. På samme felt på Ås, vurderte papir II virkningen av ny versus gammel biokull på N2O og CH4 fluks over to festsesonger. Ny biokull tilført med 31,5 t ha-1 reduserte N2O signifikant med 80% i en enkelt fluksepisode høsten 2012, mens 2-årig biokull målte 41% mindre N2O-flux sammenlignet med kontrollen i samme episode (ikke signifikant). I 2014 slapp ny biokull ut mer N2O enn kontrollen, mens eldre biokull ikke var forskjellig. Imidlertid var størrelsen på N2O-utslipp i 2014 2-6 ganger mindre enn i 2012 på grunn av mye tørrere vær. Nettoeffekten over 2 festsesonger var at ny biokull reduserte N2O mer enn den stimulerte den. Analyse av eldre versus ny biokull viser at biokull mister sin alkalitet over 2-4 år, og dette kan forklare reduksjonen i N2Oreduserende effekt fra eldre sammenlignet med ny biokull. I motsetning til tidligere studier, fant jeg ut at eldre biokull ikke reduserte kapasiteten på tilbakeholdelse av CH4 i jorda, men i stedet hadde en større tilbakeholdelse enn kontrollen ved høye CH4 utslipp. Ny biokull avvek ikke fra kontrollen når det gjaldt CH4 -fluks. Akkumulertutslipp mellom behandlingene var ikke forskjellige i 2012 og 2014 på grunn av høyt standardavvik registrert innen behandlinger, noe som er vanlig i feltstudier ved bruk av lukkede kammermålinger. Flere høyfrekvente målinger ved bruk av automatisert kammer og måling over en hel feltsesong er anbefalt for å gi sikrest mulig resultat av effekten av biokull på klimagassreduksjonen fra jorda. I papir III dokumenterte vi transport og skjebnen til biokull 5 år etter at den ble påført. Vi målte vertikalt (0-60cm) og lateralt (9 m fra rutekanten) transport av biokull i Ås-feltet. Etter 5 år gjenfant vi 92-107% ± 6 av påført biokull. Førtifem til syttito prosent av biokull ble målt i 0-23 cm ploglaget innenfor rutegrensene, 22-31% ble transportert nedover til 23-60 cm dybde, 0-21% beveget seg horisontalt innenfor 9 m av rutegrensen og 4% av biokull-C ble mineralisert som CO2. Jeg fant ut at biokull som ble utskilt fra jordaggregater under forseglingstesten, men på grunn av den høye innsamlingsgrad som ble funnet i dette flate terrenget etter 5 år, konkluderte jeg at tap av biokull ved forsegling er sannsynligvis ikke en stor risikofaktor i dette jordsmonnet, særlig når biokullet er godt innarbeidet i jorda. Jeg anbefaler at fremtidige forsøk på å dokumentere lagrene av biokull C tar hensyn til den vertikale bevegelsen av biokull ved utforming av prøvetakingsstrategier. I den siste studien, Artikkel IV, samarbeidet vi med en kommersiell grønnsaksbonde for å teste den synergistiske gjødslingseffekt av biokull tilsatt som 20% og 40% (V/V) til flytende biorest fra biogass fabrikk. Vi påført blandingen i 7 cm dybde under planteradene til vårløk i en grov sandjord. Vi målte både mineral N og N2O utslipp i første måned etter såing. Vårløk avling med biokull + biorest var 37% høyere enn kontrollbehandlingen med NPK-gjødsel, men ikke signifikant forskjellig. Biorest alene var ikke forskjellig fra kontrollen. Mineral-N økt betydelig ved 305% i behandlingen med biorest + biokull sammenlignet med kontrollen, mens biorest alene hadde ikke noen signifikant effekt. Jeg mener at innblanding av biokull med biorest bufrer tap av plantenæringsstoffer under spiringsperiode når vanning av sandjord er en nødvendighet for god spring. Biokull bidrar med retensjon av plantenæringsstoffer i sandjord og sørge for en mer balanse av NO3:NH4 til plantene sammenlignet med biorest uten biokull. I tillegg til fremlegging og diskusjon av egne funn og resultatene gir denne Ph.D. oppgaven leseren en grundig innføring i temaet om biokull effekt på agronomi og klimagasser og på slutten av avhandlingen peker jeg på nye forskningsspørsmål som kan tette kunnskapshull.