Influence of the combination of biochar and rock powder on soil properties and soil organic carbon dynamics

Abstract

Carbon dioxide removal (CDR) is a crucial approach to mitigate anthropogenic climate change and to achieve long-term climate targets. Biochar and silicate rock powder for enhanced rock weathering are two promising soil-based technologies, combining CDR with potential soil fertility improvement. Despite their possible synergies, most studies have investigated the effects of the separate application of both amendments. To address this gap, this dissertation compared the effects of pure and combined applications of biochar and basanite, a silicate rock powder, as soil amendments for CDR and soil fertility improvement. Combined applications included both a co-application of biochar and basanite as well as rock-enhanced biochar produced from co-pyrolysis of biomass and basanite. Amendment applications were investigated in different experimental settings across timescales and soil types to capture potential amendment effects on soil fertility and soil organic carbon (SOC) dynamics, affecting the amendments’ CDR potential. A nine-week field-based lysimeter experiment with a temperate sandy soil planted with cabbage turnip (Brassica oleracea var. gongylodes L.) was used to assess amendment effects on soil properties and processes, affecting soil fertility, as well as SOC stabilization under near-field conditions. Three laboratory-based incubations, each conducted with three contrasting agricultural soils, were used to investigate amendment effects on specific aspects of SOC dynamics: a 17-day incubation with ¹³C-glucose to assess amendment effects on the response of SOC mineralization to labile carbon input (glucose-induced priming); a 66-day incubation with ¹³C-labeled biochar-containing amendments to determine the mineralization and stabilization of native and amendment-derived SOC; and an 874-day incubation to quantify SOC stability over time, allowing long-term extrapolation of SOC pools. The three soils differed in their initial carbon and nitrogen contents, texture, and pH and represented common agricultural soils from temperate and tropical regions. To account for the impact of feedstock on amendment effects, biochar-containing amendments derived from woody biomass and wheat straw were included in the incubations. Soil fertility of the temperate sandy soil in the lysimeter experiment was improved by all biochar-containing amendments, reflected by increased water holding capacity, reduced bulk density, elevated soil pH, and enhanced nutrient availability. These changes in chemical and physical soil properties affected extracellular enzyme kinetics, indicating a shift from sole phosphorus limitation towards a more balanced nutrient acquisition, resulting in a relative increase of microbial nitrogen demand. The effects of the applied amendments on SOC dynamics were time- and feedstock-dependent and partly differed between the three investigated soils. Across soils, wood-derived amendments were less strongly mineralized, consistently reduced overall SOC mineralization over time, and resulted in larger long-term stable SOC pools, while wheat-derived amendments had more variable and soil-dependent effects. These soil-dependent amendment effects on SOC mineralization were predominantly controlled by soil texture and pH, with a stronger native SOC mineralization following wheat-derived amendment application (positive amendment-induced priming) in both low-pH sandy soils. All biochar-containing amendments increased SOC stabilization in aggregates and mineral associations in the three soils, partly due to the stabilization of amendment-derived carbon, thereby enhancing the overall CDR potential of these biochar-containing amendments. The effects of basanite rock powder on SOC dynamics intensified progressively, while remaining negligible on shorter timescales under laboratory and field conditions. On longer time scales, basanite enhanced SOC mineralization and thus CO2 release from the neutral-pH temperate silty soil, while ongoing basanite weathering in both low-pH sandy soils resulted in a reduced CO2 release and thus a visible CDR potential of basanite. Co-application of biochar and basanite largely mirrored the effects of pure biochar on both soil fertility and SOC dynamics, showing no clear advantages over pure biochar application under the investigated conditions. Rock-enhanced biochar, in contrast, resulted in less pronounced short-term improvements in soil fertility than pure or co-applied biochar, while often more strongly affecting SOC dynamics. Rock-enhanced biochar had a higher inherent stability, resulting in reduced short-term mineralization, larger long-term stable SOC pools, greater resistance to physical breakdown, and pronounced formation of mineral-associated organic matter. The higher short- and long-term stability is likely caused by the occlusion of basanite particles in the pores of rock-enhanced biochar, reducing the accessible surface area, thus limiting amendment-soil-interactions, and improving the CDR potential of rock-enhanced biochar. The pronounced formation of mineral-associations occurred either during co-pyrolysis or in soils due to the higher release of dissolved organic carbon, which can be adsorbed directly to mineral surfaces. Notably, co-pyrolysis of wheat straw with basanite elevated the long-term stable SOC pool to levels comparable to or exceeding those of wood-derived biochar across all soils, demonstrating that co-pyrolysis can compensate for inherent feedstock limitations in long-term amendment stability enhancing the amendments’ CDR effect. In conclusion, all investigated amendments demonstrated potential for CDR and soil fertility improvement, though the magnitude of effects varied with amendment and soil type and over the considered timeframe. The application of basanite had visible effects on SOC dynamics over longer timespans, underlining the suitability of silicate rock powder application for long-term CDR and likely also for soil fertility improvement, especially in low-pH soils that are promoting weathering. Pure and co-applied biochar were better suited for rather rapid soil fertility improvement, while rock-enhanced biochar was most beneficial to improve short- and long-term SOC stability and stabilization while showing the potential for comparably strong soil fertility improvements over longer timescales. Overall, these findings underline that amendment selection should be guided by desired amendment goals, target timescales, and soil conditions.

Die Entnahme von atmosphärischem Kohlenstoffdioxid (engl. carbon dioxide removal (CDR)) ist ein zentraler Ansatz zur Minderung des anthropogenen Klimawandels und zur Erreichung langfristiger Klimaziele. Pflanzenkohle und die beschleunigte Gesteinsverwitterung von Silikatgesteinsmehl stellen zwei vielversprechende Technologien dar, die potenziell CDR mit Verbesserungen der Bodenfruchtbarkeit kombinieren. Trotz ihrer potentiellen Synergien wurden die Effekte beider Bodenzusätze in den meisten bisherigen Studien getrennt voneinander untersucht. Um diese Forschungslücke zu schließen, vergleicht diese Dissertation die Effekte der puren und kombinierten Applikation von Pflanzenkohle und Basanit, einem Silikatgesteinsmehl, auf ihr Potential für CDR und für die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit. Die kombinierten Applikationen umfassten sowohl die Co-Applikation von Pflanzenkohle und Basanit (engl. co-application) als auch gesteinsangereicherte Pflanzenkohle (engl. rock-enhanced biochar), die durch Co-Pyrolyse von Biomasse und Basanit hergestellt wurde. Die Applikationen der Bodenzusätze wurden in verschiedenen experimentellen Ansätzen über unterschiedliche Zeitskalen und in verschiedenen Bodentypen untersucht. So konnten die möglichen Effekte der Bodenzusätze auf die Bodenfruchtbarkeit und die Dynamik des organischen Bodenkohlenstoffs (engl. soil organic carbon (SOC)), welche das CDR-Potenzial der Zusätze steuert, erfasst werden. Ein neunwöchiges, feldnahes Lysimeterexperiment mit einem sandigen Boden der gemäßigten Klimazone, vermengt mit den jeweiligen Bodenzusätzen und bepflanzt mit Kohlrabi (Brassica oleracea var. gongylodes L.), wurde durchgeführt. In diesem Experiment wurden die Effekte der Bodenzusätze auf bodenchemische und -physikalische Eigenschaften und Prozesse, die die Bodenfruchtbarkeit beeinflussen, sowie die Stabilisierung von SOC unter feldnahen Bedingungen untersucht. Zusätzlich wurden in drei laborbasierten Inkubationsversuchen mit jeweils drei unterschiedlichen landwirtschaftlichen Böden die Effekte der Bodenzusätze auf spezifische Aspekte der SOC-Dynamik untersucht: eine 17-tägige Inkubation mit ¹³C Glukose zur Untersuchung des Einflusses der Bodenzusätze auf den Abbau von SOC nach der Zugabe von leicht verfügbarem Kohlenstoff (glukose-induzierter Priming-Effekt); eine 66-tägige Inkubation mit ¹³C-markierten pflanzenkohle-basierten Bodenzusätzen zur Bestimmung der Mineralisierung und Stabilisierung von bodeneigenem und aus den Bodenzusätzen stammenden SOC; und eine 874-tägige Inkubation zur Quantifizierung der SOC-Stabilität über die Zeit und zur langfristigen Extrapolation der Inkubationsdaten in SOC-Pools. Die drei verwendeten Böden stehen stellvertretend für typische landwirtschaftliche Böden gemäßigter und tropischer Regionen und unterschieden sich in ihrem initialen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt, ihrer Textur und ihrem pH-Wert. Um den Einfluss der Ausgangsbiomasse der pflanzenkohle-basierten Bodenzusätze zu berücksichtigen, wurden in den Inkubationen Bodenzusätze aus holziger Biomasse und Weizenstroh untersucht. Die Bodenfruchtbarkeit des gemäßigten sandigen Bodens im Lysimeterexperiment wurde durch alle pflanzenkohle-basierten Bodenzusätze verbessert, erkennbar in einer erhöhten Wasserhaltekapazität, einer reduzierten Lagerungsdichte, einem erhöhten pH-Wert und einer verbesserten Nährstoffverfügbarkeit. Diese Veränderungen der chemischen und physikalischen Bodeneigenschaften beeinflussten die extrazelluläre Enzymkinetik, welche eine Verschiebung von einer reinen Phosphorlimitierung hin zu einer ausgewogeneren Nährstoffaufnahme zeigte, was in einem erhöhten relativen mikrobiellen Stickstoffbedarf resultierte. Die Effekte der eingesetzten Bodenzusätze auf die SOC-Dynamik waren zeit- und ausgangsmaterialabhängig und unterschieden sich teilweise zwischen den drei untersuchten Böden. In allen drei Böden wurden holz-basierte Zusätze weniger stark abgebaut, reduzierten den Abbau des gesamten SOC über den Inkubationszeitraum hinweg und resultierten in einem größeren langfristig stabilen SOC-Pool, während weizenbasierte Zusätze variablere und stärker vom Bodentyp abhängige Effekte hatten. Diese bodenspezifischen Effekte auf den Abbau von SOC wurden hauptsächlich durch die Bodentextur und den pH-Wert gesteuert, wobei in den Sandböden mit niedrigem pH mehr bodeneigener SOC aufgrund der Zugabe der weizen-basierten Bodenzusätze abgebaut wurde (positiver bodenzusatz-induzierter Priming-Effekt). Die pflanzenkohle-basierten Bodenzusätze erhöhten die SOC-Stabilisierung in Aggregaten und an Mineraloberflächen in allen drei Böden, teilweise durch die Stabilisierung von Kohlenstoff aus den Bodenzusätzen, wodurch sich das CDR-Potential dieser pflanzenkohle-basierten Bodenzusätze erhöhte. Die Effekte des Basanitgesteinsmehls auf die SOC-Dynamik und somit auf CDR nahmen im Laufe der Zeit zu, während die kurzfristigen Effekte von Basanit sowohl in Labor- als auch in Feldexperimenten vernachlässigbar waren. Längerfristig erhöhte Basanit den SOC-Abbau und somit die CO2-Freisetzung aus dem schluffigen Boden mit neutralem pH, während die fortschreitende Basanitverwitterung in beiden sandigen Böden mit niedrigem Ausgangs-pH zu einer Reduktion der CO2-Emissionen führte und das CDR-Potential von Basanit aufzeigte. Die Co-Applikation von Pflanzenkohle und Basanit hatte sowohl auf die Bodenfruchtbarkeit als auch auf die SOC-Dynamik meist ähnliche Effekte wie die Applikation der puren Pflanzenkohle und zeigte somit unter den untersuchten Bedingungen keine klaren Vorteile gegenüber purer Pflanzenkohle. Gesteinsangereicherte Pflanzenkohle zeigte hingegen eine weniger stark ausgeprägte kurzfristige Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit im Vergleich zu purer oder co-applizierter Pflanzenkohle, während sie die SOC-Dynamik häufig stärker beeinflusste. Gesteinsangereicherte Pflanzenkohle hatte eine höhere inhärente Stabilität, was zu einer geringeren kurzfristigen Mineralisierung, größeren langfristig stabilen SOC-Pools, einer höheren physikalischen Stabilität und einer vermehrten Stabilisierung von SOC an Mineraloberflächen führte. Die erhöhte kurz- und langfristige Stabilität steigerte das CDR-Potential der gesteinsangereicherten Pflanzenkohle und wurde wahrscheinlich verursacht durch den Einschluss von Basanitpartikeln in den Poren der gesteinsangereicherten Pflanzenkohle, wodurch deren Oberfläche reduziert und somit die Interaktion mit dem Boden eingeschränkt wurde. Die vermehrte Bildung von Mineralassoziationen entstand entweder während der Co-Pyrolyse oder in Boden durch die vermehrte Freisetzung von gelöstem organischem Kohlenstoff, welcher direkt an Mineraloberflächen gebunden werden kann. Die Co-Pyrolyse von Weizenstroh mit Basanit zu gesteinsangereicherter Pflanzenkohle erhöhte die Größe des langfristig stabilen SOC-Pools auf ein ähnliches oder höheres Niveau als das mit holz-basierter Pflanzenkohle. Somit kann Co-Pyrolyse inhärente Einschränkungen der Ausgangsbiomasse auf die langfristige Stabilität der Bodenzusätze kompensieren. Zusammenfassend zeigten alle untersuchten Bodenzusätze ein Potenzial für CDR und die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit, wobei das Ausmaß dieser Effekte je nach Bodenzusatz, Bodentyp und betrachteter Zeitspanne variierte. Die Anwendung von Basanit zeigte insbesondere über längere Zeiträume sichtbare Effekte auf die SOC-Dynamik, was die Eignung von Silikatgesteinsmehlen für langfristige CDR und wahrscheinlich auch für die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit, insbesondere in sauren Böden, zeigt. Pure und co-applizierte Pflanzenkohle sind gut geeignet für eine vergleichsweise schnelle Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit. Gesteinsangereicherte Pflanzenkohle ist hingegen besonders vorteilhaft, um die kurz- und langfristige SOC-Stabilität und -Stabilisierung zu erhöhen, während sie gleichzeitig das Potenzial für vergleichbar starke Verbesserungen der Bodenfruchtbarkeit auf längeren Zeitskalen aufweist. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die Auswahl von Bodenzusätzen entsprechend den angestrebten Zielen, den relevanten Zeitskalen und den jeweiligen Bodenbedingungen erfolgen sollte.