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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-78283
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7828/


Effect of charred digestate (biochar) and digestate on soil organic carbon and nutrients in temperate bioenergy crop production systems

Einfluss von verkohlten Gärresten (Biokohle) und Gärresten auf organischen Bodenkohlenstoff und Nährstoffe beim Anbau von Bioenergiepflanzen in gemäßigten Klimazonen

Suddapuli Hewage, Renuka Priyadarshani

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SWD-Schlagwörter: Bodengüte , Pflanzenkohle , Energiepflanzen , Schleswig-Holstein , Klimaänderung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Biokohle , Gärresten , Bodenkohlenstoff , Schleswig-Holstein , Energiepflanzen
Freie Schlagwörter (Englisch): Biochar , Digestate , SOC , Soil-nutrients , Energy-crop
Basisklassifikation: 48.32 , 48.52
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.01.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 31.03.2016
Kurzfassung auf Deutsch: In den letzten Jahren ist das Interesse an der Biomasseproduktion als Quelle erneuerbarer Energie erheblich gestiegen, da diese zur Reduktion der Freisetzung von klimawirksamen Spurengasen und zur Sicherung des immer weiter ansteigenden globalen Energiebedarfs beitragen kann. Verbrennung ist nicht die einzige Möglichkeit, aus Biomasse Energie zu gewinnen, sondern dies kann auch durch anaerobe Gärung oder durch Pyrolyse (Biokohle) geschehen. Dabei gibt es noch viele offene Fragen im Hinblick auf die Biokohle an sich, ihre Wirksamkeit als Bodenverbesserer, ihren Einfluss auf die Kohlenstoffbindung im Boden und ihr Verhalten in Ökosystemen. Diese Arbeit wurde mit der Zielsetzung durchgeführt, den Einfluss von Biokohle als Bodenverbesserer auf die Kohlenstoffbindung im Boden, die allgemeine Bodenqualität, den Ernteertrag und die Freisetzung von klimawirksamen Spurengasen besser zu verstehen.
Dazu wurde ein Feldversuch an zwei Standorten mit Bioenergiepflanzungen in Drage, Schleswig-Holstein, Deutschland durchgeführt (Fruchtfolge mit Zea mays L., Secale cereale L. und Triticum aestivum L.). Die sandigen Böden dieser Standorte (Gley Podsol/Gleyic Podzol und Gley-Plaggenesch/Gleyic Anthrosol), erhielten insgesamt fünf verschiedene Be-handlungen in einem vollständig randomisierten Block-Design mit 3 Replikaten. Der Gley Podsol wurde mit 5 t Biokohle ha-1 behandelt, bzw. blieb ohne Zusatz in den Kontrollfeldern. Der Gley-Plaggenesch enthielt einen Zusatz von Gärrückstanden mit 0.15 kg C m-2 bzw. blieb ohne Behandlung in den Kontrollen. Andere Plots erhielten Zusätze von Biokohle, so dass Mischungen der bereits vorhandenen Gärreste mit der hinzugefügten Biokohle im Verhältnis von 1:1 und 1:5 erreicht wurden (5 bzw. 24 t Biokohle ha-1). Die verwendete Biokohle wurde aus trockenen, festen Gärrückständen bei 650 °C hergestellt und in den Oberboden (0 – 0.2 m) eingearbeitet. Daten wurden über einen Zeitraum von zwei Jahren zu jeder Jahreszeit ermittelt. Zusätzlich wurde ein Inkubations-Experiment mit Proben des Gleyic Podsol und den fünf Zusätzen Kontrolle, nur Gärreste, nur Biokohle, und 1:1 und 1:5 Mischungen von Gärresten und Biokohle durchgeführt, um die Beziehung zwischen zugesetztem Kohlenstoff und Bodenkohlenstoff zu ermitteln. Die CO2 Emissionen wurden während der gesamten Inkubationszeit von 133 Tagen ermittelt, und die δ13C-Signaturen des emittierten CO2 bestimmt.
Die Ergebnisse des Feldversuchs zeigten, dass Biokohle positive Auswirkungen auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften beider Böden hatte. In den ersten Monaten nach der Anwendung hatten die Plots mit zugefügter Biokohle höhere Werte für Bodenwassergehalt, pH-Wert, Gesamtkohlenstoff, Gesamtstickstoff, C/N-Verhältnis, anorganischen Stickstoff, pflanzenverfügbares Phosphor (P) und Kalium (K), Kationenaustauschkapazität und austauschbare Kationen (Ca, Mg, Na, K). Dabei waren die Werte für Gesamtkohlenstoff, Kationenaustauschkapazität, pflanzenverfügbares P und K sowie anorganischen Stickstoff in den Böden mit zugefügter Biokohle signifikant höher als in den Kontrollen. In der Folgezeit nahmen diese Effekte ab, aber die Auswirkungen auf Kationenaustauschkapazität und pflanzenverfügbares P und K waren auch nach zwei Jahren noch signifikant. Im Gegensatz zu den Nährstoffgehalten wurde unmittelbar nach dem Zusatz von Biokohle eine negative Auswirkung auf den mikrobiellen Bodenkohlenstoff und -stickstoff festgestellt. Danach hatten die Plots jedoch signifikant höhere Werte für mikrobiellen Bodenkohlenstoff, und nicht-signifikant höhere mikrobielle Stickstoffgehalte. Die mit Biokohle bzw. einer Mischung aus Biokohle und Gärresten behandelten Böden zeigten einen signifikant höheren Ernteertrag als die Kontrollen. Aus dem Feldversuch ergab sich keine klare Beziehung zwischen dem Ausstoß von Treibhausgasen und dem Zusatz von organischer Substanz. Dies kann an den niedrigen Applikationsraten der Biokohle liegen. Während der gesamten Dauer des Experiments erhöhte der Zusatz von Biokohle auf diesen sandigen Böden die CO2 Emissionen. Diese Erhöhung war jedoch nicht signifikant. In dem aeroben Inkubationsexperiment beschleunigten alle Bodenzusätze die Kohlenstoffmineralisation während der ersten Phase der Inkubation. Über die gesamte Dauer von 133 Tagen zeigte der ausschließliche Zusatz von Biokohle geringere Kohlenstoffverluste als die anderen Behandlungen. Somit konnte die Fähigkeit von Biokohle, die Kohlenstoffbindung im Boden zu erhöhen, bestätigt werden.
Insgesamt führen die Ergebnisse dieser Studie zu dem Schluss, dass Biokohle im Boden stabiler ist als Gärreste und verwendet werden kann, um die Nachhaltigkeit von Agrar-Ökosystemen zur Erzeugung von Bioenergiepflanzen auf sandigen Böden zu verbessern, die Anbauleistung zu erhöhen, und die Auswirkungen auf den Klimawandel zu vermindern.
Kurzfassung auf Englisch: In recent years, the interest in bioenergy crop production as a renewable energy source increased substantially because it may contribute to the reduction of greenhouse gas emissions and the satisfaction of the ever increasing worldwide energy demands. Combustion is not the only way of gaining energy from biomass, but also anaerobic digestion or pyrolysis can be used. During the thermochemical decomposition (pyrolysis) of biomass in an oxygen free and high temperature environment, pyrolyzed biomass or biochar is produced together with the two co-products energy and syn-gasses. Biochar, being a carbonaceous material, is known to have the potential to improve soil conditions, reduce greenhouse gas emissions and, most importantly, to improve the long-term carbon storage in soil. However, there still are many unanswered questions about biochar itself, its potential performance as a soil amendment, its influence on terrestrial carbon sequestration, and its behavior in the ecosystems. For this reason, this study was done with the overall objective to better understand the impact of biochar as a soil amendment on terrestrial carbon sequestration, soil quality, crop productivity, and greenhouse gas fluxes.
A field experiment was established at two sites in Drage, Schleswig-Holstein, Germany, with bioenergy crops (crop rotation of Zea mays L., Secale cereale L. and Triticum aestivum L.). The sites represented two different sandy soils: Gleyic Podzol and Gleyic Anthrosol, which were amended with a total of five different treatments in a randomized complete block design with three replicates. Gleyic Podzol was amended with biochar (5 t biochar ha-1), respectively not amended in the control plots. Gleyic Anthrosol had already been amended with digestate at 0.15 kg C m-2, and was used unaltered for the control plots. To other plots, biochar was added to establish 1:1 and 1:5 mixtures of the existing digestate and the added biochar (5 and 24 t biochar ha-1 resp.). The biochar was produced from dry solid biogas digestate at 650 °C, and was mixed into the topsoils (0 - 0.2 m). Data were collected in all seasons over a two year period. In addition, an aerobic incubation experiment was conducted, investigating the interactions between amended organic matter (digestates and biochar) and inherent soil organic matter, using samples from Gleyic Podzol with control, digestate only, biochar only, and 1:1 and 1:5 mixtures of digestate:biochar treatments. During the 133 day incubation period, the CO2 production was determined, and on selected days samples of the produced CO2 were analyzed for δ13C.
The results of the field experiment showed that biochar had positive effects on the soil physico-chemical properties in both soils. In the first season after the application, the biochar amended plots had increased soil moisture content, soil reaction, TOC, TN, C/N ratio, inorganic nitrogen, plant available-P and -K, CEC and exchangeable cations (Ca, Mg, Na, K). The values of TOC, CEC, plant available-P and -K, and inorganic nitrogen were significantly higher in biochar amended soils compared to the control soils. Over the next seasons, the positive effects were diminishing, but the effects on CEC and plant available-P and -K remained significant even after two years. In contrast to soil nutrients, a negative effect was detected on soil microbial carbon and nitrogen just after amending the soil with biochar, but in the next seasons the biochar treated plots showed significantly higher microbial carbon, and nonsignificantly higher microbial nitrogen contents. The plots amended with biochar only and with both mixtures of digestate and biochar had a significantly higher crop biomass production in comparison to the control plots. The field experiment did not show a clear relationship between greenhouse gas emissions and organic matter amendments. This may be due to the low application rates of biochar. However, during the whole experimental period the application of biochar to these sandy soils only nonsignificantly increased CO2 emissions. In the aerobic incubation experiment, all amendments accelerated carbon mineralization during the first phase of the incubation. However, over the whole period of 133 days, the biochar only treatment showed less loss of carbon, thus proving the potential of biochar to increase carbon sequestration.
Overall, the results of this study lead to the conclusion that charred digestate (biochar) is more stable than digestate, and can be used to enhance the sustainability of bioenergy crop production agro-ecosystems with sandy soils, increase their agricultural productivity, and mitigate the impact on climate change.

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