Επίδραση εισροών βιοεξανθρακωμάτων (biochar) στη δέσμευση του άνθρακα και σε φυσικές ιδιότητες δύο εδαφών διαφορετικής υφής

Abstract

Climate change and its impacts on the natural environment are scientifically indisputable. Increasing environmental concerns about anthropogenic CO2 emissions, global warming, and water eutrophication make it necessary to find new mitigation strategies. Sustainable soil resource management and soil fertility improvement are central issues, as they are directly linked to crop productivity and environmental protection. One of the options that has attracted the interest of the scientific community is the utilization of biochars derived from agricultural organic residues, which emerges as a promising strategy for improving soil quality and carbon sequestration. Biochar is produced through the pyrolysis of biomass under conditions of limited or complete absence of oxygen. This process creates a carbon-rich product that can remain in the soil for hundreds of years, contributing to long-term carbon sequestration. Additionally, biochar has the potential to improve the physical, chemical, and microbial properties of the soil, positively affecting soil quality.In this PhD study, a 1% (w/w) amendment of dry and pyrolyzed organic residues (biochar) was applied to investigate its effects on selected chemical, microbial, and physical properties of two agricultural soils with different textures during a 390-day incubation period. Dry materials and biochars produced at two pyrolysis temperatures (250 and 500 °C) from two different agricultural organic residues: wheat straw and vetch, were used. These organic materials were selected due to their different C/N ratios and their importance in Greek agriculture and industry. The results of the research showed that: •High-temperature pyrolysis biochars have greater resistance to decomposition, and the added carbon remains sequestered in the soil for a longer period. •The compounds of organic carbon that were sequestered in the soil did not contribute to the stability of the structure to the same extent as the organic compounds derived from the decomposition of non-pyrolyzed materials. •The addition of 1% biochar to the soil caused changes, mainly at the beginning of the incubation, in most of the properties studied. •The pyrolysis temperature affects the magnitude of the impact (the changes were greater with the addition of low-temperature pyrolysis biochar). •The soil texture affects the magnitude of the impact (the changes were greater and lasted longer in sandy soil).Overall, the addition of biochar appears to be a promising strategy for improving soil quality. However, soil parameters and the type of biochar must be considered for its effective use.

Η κλιματική αλλαγή και οι επιπτώσεις της στο φυσικό περιβάλλον είναι πλέον επιστημονικά αδιαμφισβήτητες. Οι αυξανόμενες περιβαλλοντικές ανησυχίες σχετικά με την ανθρωπογενή εκπομπή του CO2, την υπερθέρμανση του πλανήτη και τον ευτροφισμό των υδάτων καθιστούν αναγκαία την εύρεση νέων στρατηγικών για τον μετριασμό τους. Η αειφορική διαχείριση των εδαφικών πόρων και η βελτίωση της γονιμότητας των εδαφών αποτελούν κεντρικά ζητήματα, καθώς συνδέονται άμεσα με την παραγωγικότητα των καλλιεργειών και την περιβαλλοντική προστασία. Μία από τις επιλογές που έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας είναι η αξιοποίηση βιοεξανθρακωμάτων (biochars), που προέρχονται από αγροτικά οργανικά υπολείμματα, η οποία αναδεικνύεται ως μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για τη βελτίωση της ποιότητας των εδαφών και τη δέσμευση του άνθρακα.Το biochar παράγεται μέσω της πυρόλυσης της βιομάζας υπό συνθήκες περιορισμένης παρουσίας ή πλήρους απουσίας οξυγόνου. Η διαδικασία αυτή δημιουργεί ένα προϊόν πλούσιο σε άνθρακα που μπορεί να παραμείνει στο έδαφος για εκατοντάδες χρόνια, συμβάλλοντας στη μακροχρόνια δέσμευση του άνθρακα. Επιπλέον, το biochar έχει τη δυνατότητα να βελτιώνει τις φυσικές, χημικές και μικροβιακές ιδιότητες του εδάφους, επηρεάζοντας θετικά την ποιότητα του. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε προσθήκη σε ποσοστό 1% κ.β. ξηρών και εξανθρακωμένων οργανικών υπολειμμάτων (biochar) και διερευνήθηκε η επιδραση τους σε ορισμένες χημικές, μικροβιακές και φυσικές ιδιότητες δύο γεωργικών εδαφών διαφορετικής υφής κατά την διάρκεια 390 ημέρων επώασης. Χρησιμοποιήθηκε ξηρό υλικό και βιοεξανθρακώματα σε δύο θερμοκρασίες πυρόλυσης (250 και 500 0C) από δύο διαφορετικά αγροτικά οργανικά υπολείμματα: άχυρο σίτου και βίκο. Τα οργανικά υλικά, άχυρο και βίκος, επιλέχθηκαν λόγω του διαφορετικού λόγου C/N και της σημασίας τους στην ελληνική γεωργία και βιομηχανία. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι: •τα biochar υψηλής θερμοκρασίας πυρόλυσης έχουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στην αποικοδόμηση και ο προστιθέμενος άνθρακας παραμένει δεσμευμένος στο έδαφος για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. •οι ενώσεις του οργανικού C που δεσμεύθηκε στο έδαφος δεν συνέβαλαν στη σταθερότητα της δομής στον ίδιο βαθμό που συμβάλουν οι οργανικές ενώσεις που προέρχονται από την αποικοδόμηση των μη πυρολυμένων υλικών •η προσθήκη 1% biochar στο έδαφος προκάλεσε μεταβολές κυρίως στην αρχή της επώασης στις περισσότερες από τις ιδιότητες που μελετήθηκαν. •η θερμοκρασία πυρόλυσης επηρεάζει το μέγεθος της επίδρασης (οι μεταβολές ήταν μεγαλύτερες με τη προσθήκη biochar χαμηλής θερμοκρασίας πυρόλυσης) •η υφή του εδάφους επηρεάζει το μέγεθος της επίδρασης (οι μεταβολές ήταν μεγαλύτερες και διήρκησαν περισσότερο στο αμμώδες έδαφος). Συνολικά, η προσθήκη biochar αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για τη βελτίωση της ποιότητας του εδάφους. Ωστόσο, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν, τόσο ο τύπος του εδάφους όσο και ο τύπος του προστιθέμενου οργανικού υλικού.