Η επίδραση βιοεξανθρακώματος (biochar) από οργανικά παραπροϊόντα στις καλλιέργειες Lolium perenne L. και Zea Mays L.

Abstract

In the current PhD study, biochars derived from four different agricultural organic byproducts were assessed in plant cultivation. The organic by-products came from agro-industrial activities and were: grape pomace (GP), rice husks (RH), brewery spent grains (BSG) and brewery surplus yeast (BSY). Rice husks were chosen due to their great abundance worldwide, while the grape pomace due to the large quantities produced by the winemaking process in Crete. Brewery spent grain and surplus yeast were chosen due to the increase in brewing activity in Greece, hence the production of brewery by-products.In the first part of the study, the effect of biochars produced at 300°C pyrolysis temperature and derived from rice husks (BC-RH) and grape pomace (BC-GP), was investigated on ryegrass (Lolium perenne L.). A three-month period of ryegrass cultivation was studied on two Mediterranean agricultural soils of different texture (Sandy Loam-SL and Loam-L). The objectives of this study aim to ascertain (i) whether biochar, with or without compost, at an application rate of 2% (w/w), having received all nutrients but P (FNoP) or no inorganic fertilization at all (ΝοF), affect aboveground dry weight, P concentration and uptake in ryegrass shoot tissues and (ii) the impact of biochars with or without compost, at an application rate of 2% (w/w), having received no inorganic fertilization at all (ΝοF), on the dry weight and nutrient status of ryegrass shoot tissues. According to the results, application of both types of biochar with or without compost, in the presence of inorganic fertilization except P, significantly increased aboveground dry weight of ryegrass (59-78%), compared to control, in SL soil, particularly, BC-RH (3.17 g/pot), compared to the control (1.78 g/pot), although no statistically significant increase was observed in L soil. No statistically significant differences were observed among the no fertilization treatments (NoF) in all three harvests for both soils. The addition of BC-GP and BC-GP+compost significantly increased the shoot P-concentration only in L soil, in all harvests, either in the presence or absence of inorganic fertilization except P. The application of BC-GP and BC-GP+compost resulted in increased shoot K concentration mainly in SL soil. Shoot Fe concentration increased by the addition of BC-RH+compost in SL soil, whereas Mn and Zn concentrations were significantly affected by the addition of compost and BC-GP+compost in both soils.The second part of the study looked into the influence of biochar, compost and mixtures of the two on maize (Zea mays L.) dry weight, morphological traits and nutrient status of plant tissues and soils. Biochars were produced from the same types of feedstock (GP and RH) and at the same pyrolysis temperature, as in the first part of the study. Maize was grown for 30 days after seedling emergence in a greenhouse pot trial in two Mediterranean agricultural soils of different texture (Sandy Loam-SL and Loam-L) amended with biochar with or without compost at application rate of 2% (w/w) and inorganic N fertilization. The addition of BC-GP amendment resulted in the highest increase (155%) of aboveground dry weight compared to the control in SL soil, whereas in L soil the highest increase of aboveground dry weight resulted from BC-RH+compost (436%). The addition of BC-GP+compost significantly increased P concentration of the aboveground and belowground tissues only in L soil. K concentration of aboveground and belowground tissues significantly increased almost by all the amendments with the greatest increase observed by the addition of BC-GP+compost in SL soil, while K concentration significantly increased only in belowground tissues with the highest increase by the BC-GP application in L soil. Ca concentration significantly increased mainly in the belowground tissues in the L soil, while Mg concentration of belowground tissues was positively affected by the BC-GP and BC-GP+compost treatment in L and SL soil, respectively. The addition of BC-GP+compost significantly increased aboveground Fe concentration in both soils. The Mn concentration of aboveground and belowground tissues significantly increased by the BC-GP+compost treatment only in the SL soil. Zn belowground concentration was positively influenced by the treatments containing compost in the SL soil.In the last part of the thesis, the effect of biochar derived from brewery spent grains (BSG) and brewery surplus yeast (BSY) was studied, having received inorganic N fertilization (F) or no inorganic N fertilization at all (NoF), on maize (Zea Mays L.) in a Loam (L) soil. The biochars were produced at 300°C pyrolysis temperature, while the total biochar application rate was either 2% (w/w) (BC-BSG-2%; BC-BSY-2%) or 5% (w/w) (BC-BSG-5%; BC-BSY-5%) for each type of biochar, as well as a mixture of both types (BC-BSG+BSY-1%+1%; BC-BSG+BSY-2.5%+2.5%). The influence of biochars on the dry weight and morphological characteristics of the plant, the concentrations of macronutrients and micronutrients of aboveground and belowground plant tissues, and the soil properties, including nutrients and pH, in an experiment 30 days after the seedling emergence were studied. The results showed that the addition of biochars significantly increased the aboveground dry weight of maize (46-157%), compared to the control, having received inorganic N fertilization, while by 59-186% without inorganic fertilization at all. Biochars individually or in a mixture at 5% application rate gave the highest increase of aboveground and belowground maize tissues. P concentration of aboveground and belowground tissues was significantly enhanced by biochars individually or in a mixture and mainly at 5% application rate, having received inorganic N fertilization or not. K concentration of aboveground tissues significantly increased by the addition of BC-BSY (BC-BSY-2% and BC-BSY-5%) at both application rates, and by the mixture at 5% application rate, without inorganic N fertilization. Ca belowground concentration was positively affected by BC-BSG-2% without inorganic N fertilization. Mg aboveground concentration was significantly increased by BC-BSG-5% and BC-BSG+BSY-2.5%+2.5% applications, without inorganic N fertilization. In conclusion, biochar addition could enhance plant yield, although soil conditions, type of biochar, application rate and additional fertilization should receive special attention in order for biochar to be an effective tool for the management of agricultural residues and sustainable agriculture.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η αξιοποίηση βιοεξανθρακωμάτων (biochars), προερχόμενα από τέσσερα διαφορετικά αγροτικά οργανικά παραπροϊόντα, με σκοπό την εφαρμογή τους σε καλλιέργειες. Τα οργανικά παραπροϊόντα που χρησιμοποιήθηκαν, ήταν τα στέμφυλα (Σ), οι φλοιοί ρυζιού (ΦΡ), οι εξαντλημένοι σπόροι κριθαριού (ΣΚ) και η πλεονάζουσα μαγιά (Μ). Η επιλογή των φλοιών ρυζιού έγινε λόγω της μεγάλης αφθονίας, παγκοσμίως, ενώ τα στέμφυλα λόγω των μεγάλων ποσοτήτων που παράγονται από τη διαδικασία της οινοποίησης στην Κρήτη. Οι εξαντλημένοι σπόροι κριθαριού και η πλεονάζουσα μαγιά επιλέχτηκαν λόγω της αύξησης της δραστηριότητας ζυθοποίησης τα τελευταία χρόνια στην Ελλάδα, επομένως και παραγωγής παραπροϊόντων ζυθοποιίας. Στο πρώτο μέρος της μελέτης διερευνήθηκε η επίδραση βιοεξανθρακωμάτων σε θερμοκρασία πυρόλυσης 300°C, που είχαν προέλθει από φλοιούς ρυζιού (BC-ΦΡ) και στέμφυλα (BC-Σ), στο Lolium perenne L. Η διάρκεια της καλλιέργειας ήταν 3 μήνες και χρησιμοποιήθηκαν δύο καλλιεργούμενα εδάφη διαφορετικής κοκκομετρικής σύστασης (Sandy Loam-SL και Loam-L). Στόχος ήταν να μελετηθεί (i) αν τα βιοεξανθρακώματα με/χωρίς οργανική (κόμποστ) λίπανση, σε δόση 2% κ.β. είτε χωρίς ανόργανη λίπανση (ΧΛ) είτε σε συνδυασμό με ανόργανη χωρίς Ρ (ΛΧΡ), επηρεάζουν το ξηρό βάρος του υπέργειους μέρους του φυτού, τη συγκέντρωση Ρ στους υπέργειους φυτικούς ιστούς και (ii) αν τα βιοεξανθρακώματα σε συνδυασμό με ή χωρίς κόμποστ, σε δόση 2% κ.β, χωρίς ανόργανη λίπανση (ΧΛ), επηρεάζουν το ξηρό βάρος του υπέργειου μέρους του φυτού, τις συγκεντρώσεις μακροθρεπτικών και μικροθρεπτικών στοιχείων στους υπέργειους φυτικούς ιστούς. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, σημαντική αύξηση στο ξηρό βάρος των υπέργειων φυτικών ιστών του Lolium perenne L. στο SL έδαφος στον τρίτο μήνα καλλιέργειας επέφερε η προσθήκη βιοεξανθρακώματος με ή χωρίς κόμποστ (59-78%) και ιδιαίτερα του BC-ΦΡ (3.17 g/δοχείο), σε συνδυασμό με ανόργανη λίπανση, σε σύγκριση με τον μάρτυρα (1.78 g/δοχείο), ενώ στο L έδαφος δεν παρατηρήθηκε καμία σημαντική αύξηση. Καμία σημαντική επίδραση στο ξηρό βάρος δεν παρατηρήθηκε και στα δύο εδάφη, όταν προστέθηκαν τα εδαφοβελτιωτικά χωρίς ανόργανη λίπανση. Η προσθήκη BC-Σ και BC-Σ+κόμποστ αύξησε σημαντικά τη συγκέντρωση Ρ των υπέργειων φυτικών ιστών μόνο στο L έδαφος, σε όλες τις συγκομιδές, είτε παρουσία ανόργανης λίπανσης είτε απουσία. Η συγκέντρωση Κ στους υπέργειους φυτικούς ιστούς αυξήθηκε από τα BC-Σ και BC-Σ+κόμποστ κυρίως στο SL έδαφος. Η συγκέντρωση Fe, αυξήθηκε στους υπέργειους φυτικούς ιστούς από την προσθήκη BC-ΦΡ+κόμποστ στο SL έδαφος, ενώ η συγκέντρωση Mn και Zn επηρεάστηκε σημαντικά από την προσθήκη κόμποστ και BC-Σ+κόμποστ και στα δύο εδάφη. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετήθηκε η επίδραση βιοεξανθρακωμάτων, κόμποστ και μίγματα των δύο, στο ξηρό βάρος, τα μορφολογικά χαρακτηριστικά και στις συγκεντρώσεις μακροθρεπτικών και μικροθρεπτικών στοιχείων στους υπέργειους, υπόγειους φυτικούς ιστούς του Zea Mays L. και στα εδάφη. Τα βιοεξανθρακώματα παράχθηκαν από την ίδια βιομάζα (BC-Σ και BC-ΦΡ) και στην ίδια θερμοκρασία πυρόλυσης 300°C, όπως και στο πρώτο μέρος της εργασίας. Το καλαμπόκι αναπτύχθηκε για 30 ημέρες μετά την έκπτυξη των σποροφύτων σε δοχεία που περιείχαν δύο καλλιεργούμενα εδάφη διαφορετικής κοκκομετρικής σύστασης (Sandy Loam-SL και Loam-L) με/χωρίς κόμποστ σε δόση εφαρμογής 2% κ.β. σε συνδυασμό με ανόργανη Ν λίπανση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ξηρό βάρος του καλαμποκιού αυξήθηκε σημαντικά και στα δύο εδάφη. Η εφαρμογή του BC-Σ αύξησε σημαντικά το ξηρό βάρος των υπέργειων φυτικών ιστών (155%), σε σύγκριση με τον μάρτυρα, στο SL έδαφος, ενώ στο L έδαφος η σημαντική αύξηση προήλθε από το BC-ΦΡ+κόμποστ (436%). Η προσθήκη BC-Σ+κόμποστ αύξησε σημαντικά τη συγκέντρωση Ρ των υπέργειων και υπόγειων φυτικών ιστών μόνο στο πηλώδες έδαφος. Η συγκέντρωση Κ στους υπέργειους και υπόγειους φυτικούς ιστούς αυξήθηκε σχεδόν από όλα τα βιοεξανθρακώματα με ή χωρίς κόμποστ, ενώ η μεγαλύτερη αύξηση προήλθε από την προσθήκη BC-Σ+κόμποστ στο SL έδαφος, ενώ στο L έδαφος η συγκέντρωση Κ αυξήθηκε μόνο στους υπόγειους φυτικούς ιστούς με τη μεγαλύτερη αύξηση να εμφανίζεται από την προσθήκη BC-Σ. Η συγκέντρωση του Ca αυξήθηκε σημαντικά κυρίως στους υπόγειους φυτικούς ιστούς στο L έδαφος, ενώ η συγκέντρωση του Mg στους υπόγειους φυτικούς ιστούς επηρεάστηκε θετικά από τις μεταχειρίσεις BC-Σ και BC-Σ+κόμποστ στο L και SL έδαφος, αντίστοιχα. Η συγκέντρωση Fe, αυξήθηκε στους υπέργειους φυτικούς ιστούς από την προσθήκη του BC-Σ+κόμποστ και στα δύο εδάφη. Η συγκέντρωση Mn στους υπέργειους και υπόγειους φυτικούς ιστούς επηρεάστηκε σημαντικά από τη μεταχείριση BC-Σ+κόμποστ μόνο στο SL έδαφος. Η συγκέντρωση Zn στους υπόγειους φυτικούς ιστούς επηρεάστηκε θετικά στις μεταχειρίσεις που περιείχαν κόμποστ στο SL έδαφος. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής, μελετήθηκε η επίδραση βιοεξανθρακωμάτων προερχόμενα από εξαντλημένους σπόρους κριθαριού (BC-ΣΚ) και πλεονάζουσα μαγιά (BC-Μ) λαμβάνοντας ανόργανη αζωτούχα λίπανση (Λ) ή χωρίς καθόλου ανόργανη αζωτούχα λίπανση (ΧΛ), στο Zea Mays L. σε ένα πηλώδες (L) έδαφος. Η θερμοκρασία πυρόλυσης των βιοεξανθρακωμάτων ήταν 300°C και η συνολική δόση εφαρμογής βιοεξανθρακώματος ήταν 2% κ.β. (BC-ΣΚ-2%; BC-Μ-2%) και 5% κ.β. (BC-ΣΚ-5%; BC-Μ-5%) για κάθε είδος βιοεξανθρακώματος και μίγματος (BC-ΣΚ+Μ-1%+1%; BC-ΣΚ+Μ-2.5%+2.5%) αποτελούμενο και από τα δύο είδη βιοεξανθρακωμάτων. Αξιολογήθηκε η επίδραση των βιοεξανθρακωμάτων στο ξηρό βάρος και στα μορφολογικά χαρακτηριστικά του φυτού, στις συγκέντρωσεις μακροθρεπτικών και μικροθρεπτικών στοιχείων στους υπέργειους και υπόγειους φυτικούς ιστούς και στις ιδιότητες του εδάφους, συμπεριλαμβανομένων των θρεπτικών συστατικών και του pΗ, σε ένα πείραμα 30 ημερών μετά την εμφάνιση των σποροφύτων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν ότι η προσθήκη βιοεξανθρακωμάτων με ανόργανη λίπανση αύξησε σημαντικά το ξηρό βάρος του καλαμποκιού στο υπέργειο μέρος του φυτού (46-157%), σε σύγκριση με τον μάρτυρα, ενώ κατά 59-186% χωρίς ανόργανη λίπανση. Η μεγαλύτερη αύξηση προήλθε από τα βιοεξανθρακώματα είτε μεμονωμένα είτε συνδυαστικά σε δόση 5% κ.β. Η προσθήκη των βιοεξανθρακωμάτων είτε μεμονωμένα είτε συνδυαστικά και κυρίως σε δόση 5% κ.β. αύξησε σημαντικά τη συγκέντρωση Ρ των υπέργειων και υπόγειων φυτικών ιστών με ή χωρίς ανόργανη λίπανση. Τα βιοεξανθράκωματα μαγιάς (BC-M-2% και BC-M-5%), καθώς και του συνδυασμού βιοεξανθρακωμάτων, σε συνολική δόση 5% αύξησαν τη συγκέντρωση Κ στους υπέργειους φυτικούς ιστούς χωρίς ανόργανη λίπανση. Η συγκέντρωση του Ca στους υπόγειους φυτικούς ιστούς επηρεάστηκε θετικά μόνο από το BC-ΣΚ-2% χωρίς ανόργανη λίπανση. Η συγκέντρωση του Mg στους υπέργειους φυτικούς ιστούς επηρεάστηκε θετικά από τις μεταχειρίσεις BC-ΣΚ-5% και BC-ΣΚ+Μ-2.5%+2.5%, χωρίς ανόργανη λίπανση. Συμπερασματικά, η προσθήκη βιοεξανθρακώματος αυξάνει την απόδοση των φυτών, ωστόσο οι εδαφικές παράμετροι, το είδος βιοεξανθρακώματος, η δόση εφαρμογής και η πρόσθετη λίπανση πρέπει να λαμβάνονται υπόψην, προκειμένου να αποτελέσει το βιοεξανθράκωμα ένα εργαλείο διαχείρισης των γεωργικών υπολειμμάτων και της ολοκληρωμένης γεωργίας.