Effects of slow and fast pyrolysis biochar on N₂O emissions and water availability of two soils with high water-filled pore space

Abstract

Biochars, depending on the types of feedstocks and technological conditions of pyrolysis, can vary significantly in their properties and, therefore, it is difficult to predict biochar-induced effects on nitrous oxide (N2O) emissions from various soils, their physical properties and water availability. The objectives of this study were (1) to quantify effects of slow pyrolysis biochar (BC) and fast pyrolysis biochar (PYRO) on physical and hydro-physical properties of sandy soil (Haplic Arenosol) and clayey loam soil (Gleyic Fluvisol), and (2) to assess corresponding N2O emissions from these two soils. The study included a 63-day long laboratory investigation. Two doses of BC or PYRO (15 t ha−1 and 30 t ha−1) were applied to the soils in combination or without nitrogen fertilizer (NH4NO3, 90 kg N ha−1). The obtained results have shown a significant decrease in the bulk density of sandy soil after it was amended with either rate of BC or PYRO. Water retention capacity of the soils in all the treatments with BC or PYRO increased considerably although no changes was found in the soil water-filled pore space (WFPS) which was higher than 60%. BC was increasing N2O emission rates from the sandy soil treated with N fertilizer, and reducing N2O emission rates from the clayey loam soil treated with N fertilizer. PYRO was more efficient and was reducing N2O emissions from both fertilized soils, but for the sandy soil the reduction was statistically significant only at higher dose (30 t ha−1) of the biochar.

Effects of Slow Pyrolysis Biochar on CO2 Emissions from Two Soils under Anaerobic Conditions

“…The economic feasibility of the application of biochar in agriculture depends on two aspects. First, we must demonstrate that biochar, at low and high rates, often contributes to an improvement in many soil quality indicators, an increase in carbon sequestration from the atmosphere, and a decrease in nitrous oxide emission from soils [2,[15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26]36,37]. This is an economical benefit of using biochar in the long term.…”

“…Slow pyrolysis biochars, in comparison with fast pyrolysis biochars, often demonstrate higher porosity, a higher content of nutrients and organic substances, and, as a result, a greater ability to improve soil aeration and microbial conditions to mitigate CO 2 emissions from soils [36]. However, an increase in soil bulk density and a decrease in aerated pore volume following heavy rains, for instance, can result in the formation of soil anaerobic conditions, which contribute to the increasing rate of CO 2 emissions from soils.…”

90 Years of Agrophysical Institute as a History of Priority Achievements in Russian and World Agrophysical Science

“…В рамках первого направления выполняют инструментальные исследования физических (плотность сложения, агрегатный состав), физико-химических (рН), гидрофизических (содержание влаги, основная гидрофизическая характеристика, влагопроводность) и в будущем -теплофизических (температура, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность) свойств почв (49)(50)(51). Полученные результаты необходимы для анализа тесноты взаимосвязей между свойствами почв при оценке их устойчивости и восстановления после природных и антропогенных воздействий.…”

“…В рамках третьего направления исследований проводится анализ тесноты связей метеорологических параметров приземного слоя атмосферы, а также составляющих теплового и водного баланса подстилающей поверхности с гидрофизическими и теплофизическими свойствами почв (57)(58)(59). Совершенствование методологии предполагает более корректное описание скрытых и явных потоков тепла и влаги между стратифицированным приземным слоем воздуха и шероховатой подстилающей поверхностью, более глубокий анализ механизмов транспорта потоков тепла, капиллярной и пленочной влаги в генетических горизонтах почв, обоснованный анализ степени взаимосвязей между потоками тепла и влаги в почве и из подстилающей поверхности с целью точной оценки их сопряженного вклада в достижение требуемых условий устойчивости и восстановление взаимодействия почва-растение-деятельный слой атмосферы.…”

“…Первоначальное, а также повторное применение биоугля приводило к улучшению структуры почвы. Увеличение содержания почвенного органического вещества за счет первоначального и повторного внесения биоугля значительно поддерживало стабильность почвенных агрегатов, в то время как органическое вещество на основе гуминовых веществ не обеспечивало такой стабильности (52,57).…”