Biochar-based fertilizers as technology to improve nutrient use efficiency in tropical soils | Fertilizantes à base de biocarvão como tecnologia para melhorar a eficiência de uso de nutrientes em solos tropicais

Highly weathered soils under natural conditions have low macro and micronutrient availability and very low efficiency for most soluble fertilizers used to overcome this issue. Therefore, we sought to develop new fertilizers technologies to increase the nutrient use efficiency, such as phosphorus (P), copper (Cu), and zinc (Zn) in tropical soils. Two studies were carried out, the first with P and the second with micronutrients (Cu and Zn). It is known the incorporation of phosphorus (P) into an organic matrix may be an effective strategy to increase plant P use efficiency in high P-fixing soils. Therefore, the objective of the first study was to evaluate the effect of biochar-based fertilizers (BBFs), produced from poultry litter (PLB) and coffee husk (CHB) enriched with phosphoric acid and magnesium oxide, in combination with triple superphosphate (TSP) on plant growth and soil P transformations. Treatments were prepared as: TSP, CHB, PLB, CHB + TSP [1:1], CHB + TSP [3:1], PLB + TSP [1:1] and PLB + TSP [3:1]; with numbers in brackets representing the proportion of BBF and TSP on a weight basis. Cultivations were: Mombasa grass, maize, and common bean interspersed with fallow periods. After cultivations, a sequential extraction procedure was employed to determine P distribution among different P pools. A kinetic study was performed and revealed that TSP released approximately 90% of total P, and BBFs less than 10% in the first hour. BBF alone or in combination with TSP presented higher or similar biomass yields, relative agronomic effectiveness, and P uptake when compared with TSP. As for the soil, BBFs increased non-labile P fractions, which can be due to pyrophosphate formed during pyrolysis. According to these results, BBFs could totally or partially replace conventional soluble P fertilizers without compromising crop yield either in the short and long-term. In the second study the effect of poultry litter biochar-graphene oxide composite (PLB-GO) as a novel adsorbent for copper (Cu) and zinc (Zn) was evaluated, as well as fertilizing effects on plant growth, nutrient use efficiency and soil fertility. In order to do so, poultry litter biochar (PLB) and PLB-GO were produced, characterized and evaluated by isotherm adsorption and kinetics to evaluate their Cu and Zn sorption and desorption properties. Cu and Zn loaded to PLB and PLB-GO as biochar-based fertilizers (BBF) were researched. PLB-GO showed higher adsorption capacity for Cu (16.2%) and Zn (17.7%) than pristine PLB and in both cases < 0.5% of the sorbed metal content was released in water. Plant effects on growth, nutrient uptake and nutrient use efficiency were, in general, as shown in the following order both for Cu and Zn: PLB-GO ≥ PLB ≥ Sulfates. PLB increased Cu availability while PLB-GO increased Zn availability after cultivation, even after increasing nutrient uptake and being little soluble in water. Addition of small amounts (≤ 0.5%) of graphene oxide in biochar has potential to increase its properties to retain micronutrients and enhance fertilizer use effectiveness in highly weathered soils. In general, both biochar-based fertilizers studied showed promising results when applied to highly weathered soils with high fixation capacity. The use of these materials increased the nutrient use efficiency by plants, showing that they have the potential for use in agriculture.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Solos altamente intemperizados em condições naturais têm baixa disponibilidade de macro e micronutrientes. Fertilizantes solúveis usados para superar esse problema, em geral, apresentam baixa eficiência de uso dos seus nutrientes. Portanto, buscou-se desenvolver novas tecnologias de fertilizantes para aumentar a eficiência do uso de nutrientes, como fósforo (P), cobre (Cu) e zinco (Zn) em solos tropicais. Foram realizados dois estudos, o primeiro com P e o segundo com micronutrientes (Cu e Zn). Sabe-se que a incorporação de P em uma matriz orgânica pode ser uma estratégia eficaz para aumentar a eficiência do uso de P pelas plantas em solos de alta fixação de P. Portanto, o objetivo do primeiro estudo foi avaliar o efeito de fertilizantes à base de biocarvão (BBF), produzidos a partir de cama de frango (BCF) e casca de café (BCC) enriquecidos com ácido fosfórico e óxido de magnésio, em combinação com superfosfato triplo (SFT) no crescimento das plantas e nas transformações do P do solo. Os tratamentos foram preparados como: SFT, BCC, PLB, BCC + SFT [1:1], BCC + SFT [3:1], BCF + SFT [1:1] e BCF + SFT [3:1]; com números entre parênteses representando a proporção de BBF e SFT com base em peso. Os cultivos foram: capim Mombaça, milho e feijão-comum intercalados com períodos de pousio. Após os cultivos, um procedimento de extração sequencial foi empregado para determinar a distribuição de P entre diferentes frações de P. Um estudo cinético foi realizado e revelou que SFT liberou aproximadamente 90% do P total, e BCF e BCC menos de 10% na primeira hora. BBF sozinho ou em combinação com SFT apresentou rendimentos de biomassa maiores ou semelhantes, eficácia agronômica relativa e absorção de P quando comparados com SFT. Quanto ao solo, os BBFs aumentaram as frações de P não lábeis, o que pode ser devido ao pirofosfato formado durante a pirólise. De acordo com esses resultados, os BBFs podem substituir total ou parcialmente os fertilizantes fosfatados solúvel convencional sem comprometer a produtividade da cultura a curto e longo prazo. No segundo estudo, avaliou-se o efeito do composto de biocarvão de cama de frango e óxido de grafeno (BCF-OG) como um novo adsorvente para cobre (Cu) e zinco (Zn), bem como os efeitos da fertilização no crescimento das plantas, eficiência no uso de nutrientes e fertilidade do solo. Para tanto, foram produzidos biocarvão de cama de frango (BCF) e BCF-OG, caracterizados e avaliados por meio de isotermas e cinética de adsorção para avaliar suas propriedades de sorção e dessorção de Cu e Zn. BCF e BCF-OG adsorvidos com Cu e Zn foram avaliados como fertilizantes à base de biocarvão (BBF). BCF-OG apresentou maior capacidade de adsorção de Cu (16,2%) e Zn (17,7%) do que BCF puro e em ambos os casos < 0,5% do teor de metal sorvido foi liberado em água. Os efeitos no crescimento das plantas, absorção de nutrientes e eficiência de uso de nutrientes foram, em geral, na seguinte ordem tanto para Cu como Zn: BCF-OG ≥ BCF ≥ Sulfatos. O BCF aumentou a disponibilidade de Cu enquanto o BCF-OG aumentou a disponibilidade de Zn após o cultivo, mesmo após aumentar a absorção de nutrientes e ser pouco solúvel em água. A adição de pequenas quantidades (≤ 0,5%) de óxido de grafeno no biochar tem potencial para aumentar suas propriedades de retenção de micronutrientes e aumentar a eficácia do uso de fertilizantes em solos altamente intemperizados. Em geral, ambos os fertilizantes à base de biocarvão estudados apresentaram resultados promissores quando aplicados em solos altamente intemperizados e com alta capacidade de fixação. O uso desses materiais aumentou a eficiência do uso de nutrientes pelas plantas, mostrando que eles têm potencial para uso na agricultura.