Biochar for N2O mitigation and improved delivery and retention of mineral nitrogen in compost and soil

Abstract

Biochar is a promising technology for simultaneously storing carbon in soils, improving crop yields and reducing greenhouse gases. In the last 20 years, research efforts into biochar and its application to soils have been growing exponentially. Biochar has been shown to influence multiple processes in soils and commonly reported biochar effects related to soil nitrogen (N) dynamics are increased crop yields, reduced N leaching and reduced N2O emissions. However, the diversity and complexity of the proposed mechanisms, as well as the reported variability in biochar effects for different combinations of biochar, soil and environmental conditions still make it difficult to choose biochars for a given purpose.

In this thesis, through experimentation and review, I investigated how biochar can be applied to reduce N2O emissions and retain mineral N in soil and compost. Across two different laboratory studies and in two soils and a compost, I observed that high temperature biochar (>500 oC Highest Treatment Temperature HTT) consistently reduced N2O emission. In the soil experiment, the observed N2O mitigation effect depended on the degree of carbonisation of the biochar which appeared to be important for the consistency of the N2O supressing effect. Depending on the soil, low temperature biochar stimulated or inhibited denitrification and, more specifically, N2O reduction to N2. We found that the biochar effect on denitrification was best explained by pH increase after biochar addition and the surface area of the biochar.

Addition of biochar to compost also reduced N2O emissions. Here, high pH of the compost material ruled out pH effects on denitrification and the evidence pointed to a structural effect of biochar on the compost material. Biochar addition increased the heterogeneity of the compost which may have influenced oxygen availability locally. We therefore believe that biochar addition influenced both production and consumption of N2O through effects on both nitrification and denitrification.

Biochar addition to compost did not result in greater nitrogen retention in the compost or the soil to which the compost was applied. This may be because the quantity of ammonium in the digestate N, used as a feedstock for composting, exceeded the sorption capacity of the biochar or because additionally added garden waste functioned similar to biochar, masking the effect of biochar on nutrient retention.

To create a scientifically sound basis for the development of effective biochar fertilisers, I conducted an in-depth literature review and re-analysed published data of ammonium and nitrate retention by biochar. Re-analysis of absolute N retention per gram biochar revealed that the nutrient retention capacity of fresh or modified biochar for ionic nutrients is small. Methodological artefacts related to insufficient pH control were identified and are the likely reason for the often reported high retention capacity of biochar. It is concluded that more stringent determination of biochars’ retention capacity is needed before designing fertilisers with biochar as a nutrient carrier.

The meta-analysis suggested that ion exchange is the primary mechanism by which biochars retain NH4+. Values of NH4+ retention exceeding measured cation exchange capacity (CEC) reported in the literature suggest that additional mechanisms may play a role. Again, methodological issues in determining both NH4+ retention and CEC may be responsible for this discrepancy. Moreover, potentially relevant variables, such as biochar porosity and surface area, are infrequently and inconsistently quantified in the literature, and could therefore not be evaluated in the present study.

In this thesis, I confirm that biochar can substantially reduce N2O emissions from both compost and soil. Moreover, our review concluded that biochar may have promise for inclusion in a compound fertiliser, but our re-analysis of literature values showed that sorption of NH4+ on biochar surfaces is not sufficient to be used as a key principle onto which this development should be based. I conclude that biochar soil research would benefit from more standardised methodologies. I also argue for quantitative approaches when synthesising literature data, to better assess the absolute effect size of different biochar properties on soil processes.

Biokull er en lovende teknologi for å kunne lagre karbon i jord, forbedre avlinger og redusere drivhusgasser. Forskning på biokull og ulike måter å utnytte biokull på innen jordbruket har økt kraftig de siste 20 årene. Biokull påvirker mange prosesser i jorda. Vanlige rapporterte effekter av biokull er økte avlinger, minskede nitrogen-tap og reduserte N2O-utslipp. Men fordi biokull kan påvirke mange mekanismer, og fordi resultatene kan påvirkes av ulike biokull-kombinasjoner, jord og miljømessige forhold, er det en utfordring å finne den optimale type biokull til et spesifikt bruk.

I denne doktorgraden, undersøker jeg, gjennom eksperimenter og litteratur undersøkelser, hvordan biokull kan bli brukt for å redusere N2O-utslipp samt bevare nitrogen i jord og kompost. I to ulike lab-eksperimenter samt to jord- og en kompost-studie, observerte jeg at biokull ved høy temperatur (>500oC høyeste registrerte temperatur under pyrolyse (HTT)) reduserte N2O-utslipp. I lab-eksperimentet, var den reduserende effekten av N2O avhengig av graden av biokull-karbonisering. Biokull-karboniseringen viste seg å være en viktig faktor for i hvilken grad og hvor mye N2O som ble redusert. Biokull produsert på lav temperatur kunne både stimulere og hindre denitrifisering og samtidig gjør N2O om til N2, men dette var avhengig av hvilken jordtype som ble brukt. Effekten av biokull på denitrifisering kunne best forklares ut i fra en økning i pH etter tilsetting av biokull, i tillegg til overflate størrelsen av biokullet.

Tilsetting av biokull til kompost reduserer også N2O -utslipp. I dette studiet, viste en høy pH ikke å på denitrifiseringen. Isteden viste biokull å ha en strukturell effekt på kompostmateriale. Ved å tilsette biokull økte man heterogeniteten av komposten, som igjen kan påvirke tilgjengeligheten av oksygen lokalt. Vi menter at tilsettingen av biokull påvirket både produksjonen og reduksjon av N2O, gjennom nitrifisering og denitrifisering.

Tilsetting av biokull til kompost førte ikke til økt nitrogen-bevaring i komposten eller i jorden som ble tilsatt kompost. Dette kan ha ulike årsaker. Det kan skyldes at mengden av ammoniakk i biorest i kompost blandingen overskred absorpsjonsevnen til biokull. Eller så kan hageavfallet ha fungert på en tilsvarende måte som biokull, og dermed maskert effektene av biokull for oppbevaring av næringsstoffer.

For å vitenskapelig demonstrere behovet for å utvikle effektiv biokull-gjødsel, har jeg foretatt en grundig gjennomgang av publiserte artikler, og re-analysert publiserte data om biokulls ammonium- og nitrat-retensjon. Mine resultater viste at absolutt N retensjon per gram biokull er relativt liten, både for ferskt og modifisert biokull. En utfordring ved biokull tilførsel er at pHen i substratet vil først øke, men etter noen timer vil pHen synke igjen, dette gjør det vanskelig å isolere hvorvidt retensjonen er styrt av pH eller biokull tilførsel. Vi tror at denne variasjonen er en sannsynlige årsak til at det ofte ble rapportert en høy retensjon av NH4+ av biokull i litteraturen. Mer nøyaktig fastsetting av retensjonskapasiteten til biokull er nødvendig før man produserer gjødsel som bruker biokull for å levere næringsstoffer til jord.

Metaanalysen indikerer at ionbytte er den viktigste mekanismen biokull beholder NH4+ på. Verdier av NH4+-retensjon som overgår de målte kation bytte kapasitet (CEC) rapportert i litteraturen, tyder på at det andre mekanismer som også spiller en viktig rolle. Igjen kan metodiske avvik i NH4+ retensjon og CEC være mulige bakenforliggende årsaker til dette. Andre mulige variabler som biokull porøsitet og overflateareal har ikke blitt konsekvent vurdert som variabler, og er derfor ikke inkludert i studien.

I denne avhandlingen, bekrefter jeg at biokull signifikant kan redusere N2O-utslipp fra både kompost og jord. Studien vår konkluderer med at biokull kan være et positivt/lovende tilskudd i en sammensatt gjødsel. Reanalysene av tilgjengelig litteratur viser at NH4+ sorpsjon på biokull-overflaten ikke er tilstrekkelig for forsvare en fremtidig satsning på biokull gjødsel. Jeg konkluderer med det er behov for mer standardisert metodikk når det gjelder forskning innen biokull. Det bør også benyttes kvantitative teknikker/metodikker for syntetisering av data i litteraturen, for å bedre kunne vurdere de ulike effektene biokull har på jorda.