Relevance of biochar properties for the emission of greenhouse gases in agricultural soils

Abstract

El cambio climático es hoy en día una realidad cuyo avance se ha acelerado en los últimos años debido, principalmente, a cambios de carácter antropogénico. Una de las principales consecuencias de estas trasformaciones es el aumento en la concentración atmosférica de los gases de efecto invernadero, entre los que se encuentra el metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O). La agricultura y el uso que el ser humano hace del suelo, contribuyen de manera significativa a las emisiones de estos dos gases. Una de las estrategias sostenibles que en los últimos años se ha desarrollado para mitigar el cambio climático es el uso del biochar como enmienda de suelos, por su potencial para el secuestro de carbono a largo plazo. Además, y aunque menos estudiado, el uso del biochar también podría ser eficaz para reducir las emisiones de CH4 y N2O en suelos agrícolas.

El objetivo de la presente tesis fue entender la interacción del biochar con los procesos biogeoquímicos que dan lugar a la producción de CH4 y N2O en suelo. Para su consecución, se estudió el efecto de una gran variedad de biochars, con orígenes y propiedades muy diferentes, en la emisión y el consumo de estos gases para discernir qué materiales son más efectivos en cuanto a mitigación y cuáles son las propiedades fisicoquímicas responsables de ese efecto.

El primero de los experimentos consistió en una incubación de suelo con los diferentes biochars para estudiar su efecto en la oxidación del CH4 en un suelo agrícola. Los resultados obtenidos mostraron que las propiedades fisicoquímicas del biochar estuvieron directamente relacionadas con su capacidad de aumentar o disminuir la oxidación, mientras que las propiedades redox no tuvieron un efecto significativo. Biochars preparados a partir de madera y con una gran área superficial mejoraron la oxidación de CH4 mientras que biochars con altos contenidos de cenizas y caracterizados por una alta conductividad eléctrica, inhibieron este proceso.

En el segundo experimento se realizaron incubaciones en las que se mezcló un suelo agrícola con los diferentes biochar para, en este caso, estudiar su impacto sobre la producción de N2O mediante el

proceso de desnitrificación. El biochar, dependiendo de sus propiedades fisicoquímicas, es capaz de disminuir, incrementar o incluso no ejercer ningún efecto sobre la desnitrificación del suelo. Se concluyó que biochars con altos contenidos en carbono orgánico soluble, grupos carboxilo/carbonatos y bajos índices de germinación, generaron mayores emisiones de N2O. El contenido en compuestos aromáticos policíclicos, así como la capacidad redox de los biochar no modificaron las emisiones de N2O.

La tercera parte de la tesis analizó el efecto que el biochar ejerce sobre la reducción de N2O a N2 que llevan a cabo algunas bacterias desnitrificantes, como Paracoccus denitrificans. La efectividad de los biochars para favorecer la actividad de la bacteria Paracoccus denitrificans estuvo principalmente determinada por su capacidad de donación y de intercambio de electrones, y en menor medida por otras propiedades fisicoquímicas (determinadas por la temperatura de producción y el material de partida).

Las conclusiones que se derivan de los tres trabajos presentados son que el biochar influye sobre la capacidad del suelo para oxidar CH4, producir N2O mediante la desnitrificación y sobre su reducción biótica a N2. Sin embargo, este efecto difiere dependiendo de cuál de los tres procesos se trate y del tipo de biochar empleado, en concreto, de sus propiedades fisicoquímicas, material de partida y condiciones de síntesis.

At present, climate change has become an issue of concern due to its acceleration as a result of anthropogenic activities. One of the principal consequences of these activities is the increase in the atmospheric concentration of greenhouse gases such as methane (CH4) and nitrous oxide (N2O). Agriculture and the activities that humans carry out on soils significantly contribute to the emission of these two gases. One of the recent sustainable strategies developed to mitigate climate change is the use of biochar as a soil amendment, mainly due to its potential for long-term soil carbon sequestration. Moreover, although less studied, biochar can also reduce the production of CH4 and N2O from agricultural soils.

The objective of the present thesis was to ascertain the interaction of biochar on the biogeochemical processes controlling soil CH4 and N2O emissions. To achieve this goal, a wide variety of biochars with contrasting physicochemical properties were studied to determine which materials were more effective in reducing soil gaseous emissions and which were the main physicochemical properties of the biochars that drove these processes.

The first experiment was an incubation of soil with the synthetized biochars to analyze how they influenced soil CH4 oxidation rates. The results showed that the physicochemical properties of the biochars were directly linked to their ability to enhance or inhibit the oxidation of CH4, whereas biochar redox properties were not found to be relevant for CH4 oxidation in soil. Biochars from wood feedstocks and pyrolyzed at 600°C, characterized by a high pore area, resulted in the highest CH4 oxidation rates, whereas biochars with high ash concentrations and electrical conductivity significantly diminished CH4 oxidation rates.

The second experiment consisted on soil incubations with the different biochars to study, in this case, their impact on N2O emissions caused by denitrification. Biochars, depending on their physicochemical properties, were able to increase, decrease, or not affect soil denitrification. It was

concluded that biochars with a high content in soluble organic carbon, carboxylic/carbonates groups, and low germination indexes favored N2O emissions. The biochar’s content of polycyclic aromatic hydrocarbons or redox capacity did not affect soil N2O emissions.

The third experiment studied the impact of biochar on the reduction of N2O to N2, a process carried out by specific soil bacteria, for instance, Paracoccus denitrificans. The effectiveness of biochar to promote Paracoccus denitrificans activity was mainly driven by its capacity to donate and exchange electrons, and to lesser extent, by other physicochemical properties (determined by the feedstock and pyrolysis conditions).

The conclusions obtained were that biochar has a marked effect on the soil capacity to oxidize CH4, produce N2O through denitrification, or to reduce N2O to N2. However, the effect differs depending on which of the three processes was involved, and the type of biochar used, specifically, its physicochemical properties, starting material, and pyrolysis conditions.