Engineering soils with biochar to maximise soil water and combat desertification (WATERDESERT) | Optimização de solos com biocarvão para maximizar a retenção de água e combater a desertificação (WATERDESERT)

Sustainable Development Goal 15 of the 2030 agenda aims to “combat desertification, restore degraded land and soil, including land affected by desertification, drought and floods, and strive to achieve a land degradation - neutral world”. In response, biochar application as a sustainable soil amendment has garnered attention globally for its potential to enhance water storage (SDG 6) and mitigate climate change (SDG 13) challenges such as soil erosion and land degradation. This abstract presents findings from a global meta -analysis (first on the topic) and three controlled, outdoor box lysimeter studies (18 months, 12 months, and 8 months) under natural rainfall conditions. This was to explore the mechanisms and investigate the effect of biochar, with/without vegetation cover, on the soil sponge function and soil erodibility under Mediterranean conditions. While the global meta-analysis investigated all land uses, experimental studies focused on two land uses exposure to land degradation and desertification under relevant climate change scenarios, and of socioeconomic importance for all regions of Portugal, i.e. vineyards and pastures. The global meta-analysis of 30 independent studies showed that biochar application to soil significantly reduced runoff by 25% and erosion by 16%. It also showed that biochar in experiments with vegetation reduced soil erosion more than twice as much as in bare soil experiments, i.e. 27% vs 12%. The meta-analysis suggested that soil infiltration, canopy interception, and soil cohesion mechanisms may have synergistic effects. The study provided valuable insights into the potential of biochar to address critical environmental challenges on land degradation. In the first experiment, a randomised box lysimeter approach (6 lysimeters) was selected using bare vineyard sandy loam soil (acidic) in an area (ESAC, Coimbra, Portugal) with annual average precipitation (AAP) of 914 mm, and annual average temperature (AAT) of 14.9°C. Applying woody feedstock biochar enhanced the soil sponge function by 73% while reducing runoff by 44% and soil erosion by 53%, affected significantly by rainfall intensity. Biochar application increased infiltration rate by 28%, and improved soil bulk density by 7%, which enhanced soil moisture contents, particularly during dry periods. Four erosion processes were monitored, i.e. splash erosion, fine-earth erosion, coarse fragment erosion (including rock fragments in gravel size), and soil organic matter erosion. The stronger runoff and soil erosion reductions, in comparison with the meta-analysis grand mean values, may be explained by two main reasons: i) different approaches, i.e. short duration rainfall simulations without considering antecedent soil moisture content; and ii) different materials, i.e. fine r texture soil s and smaller biochar particle size in the meta-analysis . The second experiment used the same soil and biochar as the first experiment in a similar random -block design box lysimeter approach (6 lysimeters) at the Lysimeter Park facility of CESAM (Aveiro University campus, Portugal) with an AAP of 1 ,064 mm and an AAT of 15.6°C, but now with the inclusion of vegetation, soil chemical -physical -hydrological properties were improved , i.e. BD decreased by 12%, water storage increased by 59%, and the soil pH improved to neutral conditions. These improvements increased above -ground biomass (vegetation cover) and total biomass yield by 235% and 198%, respectively. Subsequently, runoff and erosion were reduced by 50% and 58%, respectively, i.e. slightly greater than in the bare soil experiment. However, the infiltration rate was 1.7 times greater than in the bare soil experiment, which was probably due to the lower BD caused by root development. The study suggested biochar as a nature-based strategy in Mediterranean vineyards, highlighting its potential value for infertile, acidic, and vulnerable temperate soils. The last experiment followed the objectives of the second experiment, but now with 3 contrasting soils in a random-block design box lysimeter approach (18 lysimeters). Three pasture soils were collected along a climatic gradient in Portugal and installed side-by-side in the Lysimeter Park research facility of CESAM on the campus in Aveiro. These soils had varying soil organic matter (SOM) contents and textures - i.e. “SL” (sandy loam) with 4.3% SOM and 900 mm AAP and 12.6°C AAT, “SLL” (sandy loam) with lower SOM (2.9%) and 550 mm AAP and 17°C AAT, and “SCL” (sandy clay loam) with 5.3% SOM and 700 mm AAP and 16.5°C AAT. To further our understanding of the soil mechanisms, other variables were added to the event-based monitoring such as soil hardness by penetration resistance (using separate destructive sampling boxes), and evaporation rate. Regardless of reducing soil erosion by 16%, reducing bulk density by 15%, and promoting vegetation growth by 29% in SL pasture soil, biochar did not significantly affect infiltration and increased soil hardness in all three soils, highlighting the need for proper use of biochar based on soil type and application method and time. This thesis highlights the urgent need for sustainable biochar application as an effective soil management strategy, aligning with SDG 15, which focuses on protecting soil ecosystems, combating desertification, and addressing land degradation. Biochar can play a crucial role in restoring soil health and promoting sustainable agriculture globally. By supporting equitable adaptation and mitigation efforts, particularly in response to water scarcity, biochar can significantly reduce vulnerability and enhance climate resilience, in line with the goals of SDGs 6 and 13.

O Objectivo de Desenvolvimento Sustentável 15 da agenda de 2030 tem como objetivo “combater a desertificação, restaurar a terra e o solo degradados, incluindo as terras afetadas pela desertificação, secas e inundações, e esforçam-se por alcançar um mundo neutro de degradação da terra”. Em resposta, a aplicação de biocarvão como uma alteração sustentável do solo tem obtido a atenção a nível global pelo seu potencial para aumentar os desafios de armazenamento de água (SDG 6) e mitigar os desafios das alterações climáticas (SDG 13), como a erosão do solo e a degradação do terreno. Este resumo apresenta resultados de uma meta-análise global (a primeira sobre o tema) e de três estudos controlados de lisímetros de caixa ao ar livre (18 meses, 12 meses e 8 meses) em condições naturais de chuva. O objetivo foi explorar os mecanismos e investigar o efeito do biocarvão, com/sem cobertura vegetal, na função da esponja do solo e na erodibilidade do solo em condições mediterrânicas. Enquanto a meta-análise global investigou todos os usos do solo, os estudos experimentais centraram-se em dois usos do solo expostos à degradação do solo e à desertificação em cenários de alterações climáticas relevantes e de importância socioeconómica para todas as regiões de Portugal, ou seja, vinhas e pastagens. A meta-análise global de 30 estudos independentes mostrou que a aplicação de biocarvão no solo reduziu significativamente o escoamento superficial em 25% e a erosão em 16%. Mostrou também que o biocarvão em experiências com vegetação reduziu a erosão do solo mais do dobro do que nas experiências com solo descoberto, ou seja, 27% vs 12%. A meta-análise sugeriu que a infiltração do solo, a interceção da copa e os mecanismos de coesão do solo podem ter efeitos sinérgicos. O estudo forneceu informações valiosas sobre o potencial do biocarvão para enfrentar desafios ambientais críticos na degradação da terra. Na primeira experiência foi selecionada uma abordagem de lisímetro de caixa aleatória (6 lisímetros) utilizando solo franco-arenoso de vinha nua (ácido) numa área (ESAC, Coimbra, Portugal) com precipitação média anual (AAP) de 914 mm e temperatura média anual. A aplicação de biocarvão lenhoso melhorou a função da esponja do solo em 73%, ao mesmo tempo que reduziu o escoamento superficial em 44% e a erosão do solo em 53%, afetada significativamente pela intensidade das chuvas. A aplicação de biocarvão aumentou a taxa de infiltração em 28% e melhorou a densidade do solo (DAS) em 7%, o que melhorou o teor de humidade do solo, especialmente durante os períodos de seca. Foram monitorizados quatro processos de erosão, nomeadamente, erosão por salpico, erosão de terras finas, erosão de fragmentos grosseiros (incluindo fragmentos de rocha do tamanho de cascalho) e erosão da matéria orgânica do solo. As reduções mais fortes do escoamento superficial e da erosão do solo, em comparação com os valores médios gerais da meta-análise, podem ser explicadas por duas razões principais: i) abordagens diferentes, ou seja, simulações de precipitação de curta duração sem considerar o conteúdo antecedente de humidade do solo; e ii) materiais diferentes, nomeadamente, solos de textura mais fina e menor tamanho de partícula de biocarvão na metaanálise. A segunda experiência utilizou o mesmo solo e biocarvão que a primeira experiência numa abordagem de lisímetro de caixa de desenho de blocos aleatórios semelhante (6 lisímetros) nas instalações do Lysimeter Park do CESAM (campus da Universidade de Aveiro, Portugal) com um AAP de 1.064 mm e um AAT de 15,6°C, mas agora com inclusão de vegetação. as propriedades químico-físicas-hidrológicas do solo foram melhoradas, ou seja, a DAS diminuiu 12%, o armazenamento de água aumentou 59% e o pH do solo aumentou para condições neutras. Estas melhorias aumentaram a biomassa acima do solo (cobertura vegetal) e o rendimento total de biomassa em 235% e 198%, respetivamente. Posteriormente, o escoamento superficial e a erosão foram reduzidos em 50% e 58%, respetivamente, ou seja, um pouco mais do que na experiência de solo descoberto. No entanto, a taxa de infiltração foi 1,7 vezes superior à da experiência com solo descoberto, o que se deveu provavelmente à menor DAS provocada pelo desenvolvimento radicular. O estudo sugeriu o biocarvão como uma estratégia baseada na natureza nas vinhas mediterrânicas, destacando o seu valor potencial para solos temperados inférteis, ácidos e vulneráveis. A última experiência seguiu os objetivos da segunda experiência, mas agora com 3 solos contrastantes numa abordagem de lisímetro caixa de desenho aleatório (18 lisímetros). Três solos de pastagens foram recolhidos ao longo de um gradiente climático em Portugal e instalados lado a lado no centro de investigação Parque Lisimétrico do CESAM, no campus de Aveiro. Estes solos apresentavam teores e texturas variados de matéria orgânica do solo (MOS) - i.e., “SL” (argiloso arenoso) com 4,3% MOS e 900 mm AAP e 12,6°C AAT, “SLL” (argiloso arenoso) com menor MOS (2,9%) e 550 mm AAP e 17°C AAT , e “SCL” (argiloso arenoso) com 5,3% MOS e 700 mm AAP e 16,5°C AAT . Para aprofundar a nossa compreensão dos mecanismos do solo, outras variáveis foram adicionadas à monitorização baseada em eventos, como a dureza do solo por resistência à penetração (utilizando caixas de amostragem destrutivas separadas) e a taxa de evaporação. Apesar de reduzir a erosão do solo em 16%, reduzir a densidade do solo em 15% e promover o crescimento da vegetação em 29% no solo de pastagem SL, o biocarvão não afetou significativamente a infiltração e aumentou a dureza do solo em todos os três solos, realçando a necessidade do uso adequado do biocarvão com base no tipo de solo e método e época de aplicação. Esta tese destaca a necessidade urgente de aplicação sustentável do biocarvão como uma estratégia eficaz de gestão do solo, alinhando com o ODS 15, que se centra na proteção dos ecossistemas do solo, no combate à desertificação e na abordagem da degradação da terra. O biocarvão pode desempenhar um papel crucial na restauração da saúde do solo e na promoção da agricultura sustentável em todo o mundo. Ao apoiar esforços equitativos de adaptação e mitigação, especialmente em resposta à escassez de água, o biocarvão pode reduzir significativamente a vulnerabilidade e aumentar a resiliência climática, em linha com os objectivos dos ODS 6 e 13.

Programa Doutoral em Ciências e Engenharia do Ambiente