Characterization of wood and high-ash biochars and their effects on the fertility of tropical soils

Biochars presents itself as an emerging technology and has demonstrated great use versatility. In addition to being an alternative for the management of agricultural biomass, the addition of biochars can contribute in different ways to the improvement of soil fertility status. Due to the high content of pyrogenic C, the application of biochar in weathered soils is strongly desirable, since these soils present, due to climatic conditions, low levels of organic matter (OM) and, consequently, low capacity to retain nutrient – low CEC. By combining biomass with pyrolysis temperatures, it is possible to obtain a series of charred matrices with properties capable to change soil properties. The aims of this study were: (i) to characterize chemically and physically the biochars produced from five biomasses massively found in Brazil in in different pyrolysis temperatures, (ii) to evaluate the fertility of soils of contrasting texture and organic matter (OM) amended with contrasting biochar samples and incubated during 1 year; (iii) to investigate the effectiveness of biochars in changing soil properties considering the dynamics of soil fertility attributes; (iv) to evaluate the CEC of soils with contrasting textures and OM and treated with increasing rates of wood and high-derived biochars. Fifteen biochars originated from five biomasses (chicken manure, eucalyptus sawdust, coffee husks, sugarcane bagasse and pinus bark) pyrolyzed at three different temperatures (350, 450 and 750 ºC) were characterized by proximate analysis, elemental composition, X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), pH, electrical conductivity (EC), CEC, soluble carbon and liming value. The Ca and K content of the biomasses, the high pH and liming value as well as the presence of carbonates in the biochars of coffee husk and chicken manure indicate the potential of these charred matrices to act as liming materials and to supply nutrients (K and P) in tropical acidic soils. Biochars derived from wood and sugarcane have greater potential for improving C storage in tropical soils tha high-nutrient derived biochars due to a higher aromatic character of lignified biochars. In the second experiment, pH, CEC, available P and K and exchangeable Al were determined in Latosol and Neosol treated with coffee bark and pine bark biochars at a rate of 2% (w/w). High-ash biochar, such as coffee husk, reduced the acidity of the soils and increased the availability of K excessively at the beginning and during the one-year basis soil-biochar incubation. The effect of the coffee husk on the availability of P was dependent on the pyrolysis temperature employed during high-nutrient biochars. Biochars from pinus bark, rich in condensed and aromatic C, was not effective in changing the soil fertility status, but was very effective in increased the C stored in soils. Finally, it was investigated the effect of increasing rates twelve biochars (derived from chicken manure, eucalyptus sawdust, coffee husks and sugarcane bagasse and pyrolysed at 350, 450 and 750 ºC) on the changes of CEC of contrasting textural and OM tropical soils. CH and CM biochars are very effective in change soil CEC, but increased in negative charge density is soil-dependent. In fact, increase in soil CEC rely on the biomass, pyrolysis temperature, biochar CEC, changes in soil pH of soil biochar treated soil and also depends on the soil investigated and its interaction with the biochar applied. The positive effects of biochar on soil CEC was predominantly affected by high CEC-biochar and its capacity do neutralize soil acidity, which are positively linked to high-ash biochars produced at low-temperatures (350 ºC).

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Biocarvão se apresenta como uma tecnologia emergente e tem demonstrado grande versatilidade de uso. Além de ser uma alternativa para o gerenciamento de resíduos de biomassas agrícolas, a adição do biocarvão pode contribuir de diferentes maneiras para a melhoria da fertilidade dos solos. Em função de seu elevado teor de carbono (C) pirogênico, a aplicação de biocarvão em solos intemperizados é fortemente desejável, visto que estes solos apresentam, devido às condições climáticas, baixos teores de matéria orgânica (MO) e, consequentemente, baixa capacidade de troca de cátions (CTC). Combinando biomassas com temperaturas de pirólise é possível obter uma série de materiais com propriedades distintas e capacidades diferenciadas de uso. Os objetivos foram: (i) caracterizar química e fisicamente os biocarvões produzidos a partir das diferentes biomassas e temperaturas de pirólise, (ii) avaliar a fertilidade de solos com texturas contrastantes após a aplicação de diferentes biocarvões, (iii) avaliar a efetividade dos biocarvões quanto à duração de seus efeitos nos solos, e (iv) avaliar a CTC de solos com texturas contrastantes tratados com doses de diferentes biocarvões. Quinze biocarvões originados após a pirólise de cinco biomassas (esterco de galinha, serragem de eucalipto, casca de café, bagaço de cana-de-açúcar e casca de pinus) em três diferentes temperaturas (350, 450 e 750 ºC) foram caracterizados por análise imediata, análise elementar, difração de raios-X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, pH, condutividade elétrica, CTC, carbono solúvel e poder alcalinizante. O teor de Ca e K das biomassas, o elevado pH e poder alcalinizante, bem como a presença de carbonatos nos biocarvões de casca de café e esterco de galinha indicam o potencial destes biocarvões como fontes de nutrientes e corretivo de acidez. Biocarvões derivados de madeira e bagaço de canade-açúcar possuem potencial para elevar o estoque de C em solos tropicais devido aos parâmetros que indicam maior aromaticidade. Na segunda etapa, no decorrer de 1 ano, pH, CTC, P e K disponível e Al trocável foram determinados em Latossolo e Neossolo tratados com dose de 2% de biocarvões de casca de café e casca de pinus. Biocarvão rico em cinzas, tal como a casca de café, reduziu a acidez dos solos e elevou excessivamente a disponibilidade de K, sendo estes resultados observados desde o início da incubação. O efeito da casca de café na disponibilidade de P se mostrou dependente da temperatura de pirólise. Biocarvão de casca de pinus, rico em C, não foi efetivo em alterar a fertilidade dos solos. Por último, testou-se o efeito de doses de doze biocarvões (esterco de galinha, serragem de eucalipto, casca de café e bagaço de cana pirolisados a 350, 450 e 750 ºC) como materiais para o aumento da CTC de solos com texturas contrastantes. A CTC dos solos foi positivamente afetada pelo alto valor de CTC dos biocarvões e pelo efeito indireto desses no pH dos solos, os quais foram associados aos biocarvões ricos em cinza (casca de café e esterco de galinha) produzidos a 350 ºC.