Characterization of biochars derived from different animal manures and crop residues and their use in grain crops

In near future the disposal of organic wastes may be a serious problem in Southern Brazil as the region has plentiful amounts of animal farms and crop production. Preparing biochar can be a strategy to dispose off these organic wastes in a suitable way by getting benefits in agriculture soils. So, according to the availability of the materials, we proposed a study to prepare biochars from swine (SMB), poultry (PMB) and cattle (CMB) manures and from rice (RSB), soybean (SSB) and corn (CSB) straws and I) to characterize on the basis of their chemical and degradation characteristics, and carbon (C) mineralization when incorporated in soil and II) to increase soil pH and reduce Al concentration in soil III) to evaluate the influence of biochars application on wheat in combination with nitrogen fertilizer ((NH4)2SO3) and their residual effect on soybean crop under no tillage system. Biochars were prepared at 450 °C in muffle furnace for 1 h with 10 °C increase in temperature min-1. All biochars were alkaline in nature with pH >9.5. Overall C content and CEC were higher in crop straw biochars than in animal manures biochars. On the other hand, for nutrient contents (N, P, K, Ca, Mg and micronutrients) animal manures biochars presented higher concentration as compared to the crop straw biochars. The Fourier- Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) spectroscopy of biochars presented the assurance of the less nutrient loss from the materials during pyrolysis condition at low temperatures. The addition of biochars in soil emitted a small amount of CO2 enhancing the C sequestration in soil. The addition of biochar in soil at rate of 0, 5, 10 and 20 Mg ha-1 increased soil pH and reduced the exchangeable Al up to a certain extent, that confirms that the addition of low temperature biochars can be an appropriate technique to enhance soil pH and decline exchangeable Al contents in acidic soils. The addition of 0, 10 and 20 Mg ha-1 of biochars in undisturbed soil along with ammonium fertilizer increased plant height, and dry mass of wheat grown up to florescence, while the addition of biochars without N showed a slight increase in comparison to control (without biochar and without N). The residual effects of biochars on soybean also presented same behavior to previous crop (wheat), where the previous N application enhanced the soybean plant height and crop straw as well. After the experiments, stratified samples (0-5, 5-10, 10-15, 15-25 cm) were analyzed for NO3 -, NH4 +, P, K, Ca, Mg, pH and exchangeable Al contents. We found that in soil top 5 cm the NO3 -, NH4 +, and P contents were influenced with biochar doses and with application of N but in deeper layers there were no significant differences among biochars, doses as well as N application. Soil pH and exchangeable Al were also affected directly up to 5 cm depth, while with the increase in depth decreases soil pH and increases exchangeable Al contents. Hence, it can be concluded that the biochars prepared from crop straws at low temperature are rich in C contents, have more CEC, presented less C mineralization, and promote soil pH increase and exchangeable Al decrease, when incorporated in soil under incubation conditions, while in greenhouse conditions all biochars were comparatively equal to each other even at different doses. The increase in biochars rate increased the nutrients retention in soil, while no difference occurred between animal manure and crop straw derived biochars. Thus, biochars can be considered a suitable alternative for organic waste disposal, while promoting C sequestration and enhancing soil fertility.Em um futuro próximo, o descarte de resíduos orgânicos pode ser um problema sério no Sul do Brasil, visto que a região possui grande quantidade de fazendas com criação animal e produção vegetal. O preparo de biocarvão pode ser uma estratégia para o descarte destes resíduos orgânicos de maneira adequada, obtendo benefícios para os solos agrícolas. Assim, de acordo com a disponibilidade de materiais, propusemos um estudo com o intuito de preparar biocarvões a partir de dejetos de suínos (SMB), de aves (PMB) e de bovinos (CMB) e da palha de arroz (RSB), de soja (SSB) e de milho (CSB) e: I) realizar sua caracterização com base em suas características químicas e de degradação e pela mineralização do carbono (C) quando incorporados ao solo; II) aumentar o pH do solo e reduzir a concentração de Al no solo; e III) avaliar a influência da aplicação de biocarvões no trigo em combinação com fertilizante nitrogenado ((NH4)2SO3) e seu efeito residual na cultura da soja sob sistema plantio direto. Os biocarvões foram preparados a 450 °C em forno mufla com aumento da temperatura em 10 °C min-1 por 1 h. Todos os biocarvões apresentaram natureza alcalina, tendo pH>9,5. De modo geral, os teores de C e a CTC foram maiores nos biocarvões de resíduos vegetais em relação aos biocarvões de dejetos animais. Por outro lado, para os teores de nutrientes (N, P, K, Ca, Mg e micronutrientes), os biocarvões de dejetos animais apresentaram maior concentração em relação aos provenientes de resíduos vegetais. A espectroscopia FTIR dos biocarvões demonstrou a garantia da menor perda de nutrientes dos materiais durante o processo de pirólise sob baixas temperaturas. A adição de biocarvão ao solo emitiu uma pequena quantidade de CO2, aumentando o sequestro de C no solo. A adição de biocarvão no solo nas doses de 0, 5, 10 e 20 Mg ha-1 aumentou o pH do solo e reduziu o Al trocável até certo ponto, o que confirma que a adição de biocarvões produzidos sob baixa temperatura pode ser uma técnica apropriada para melhorar o pH do solo e reduzir os teores de Al trocáveis em solos ácidos. A adição de 0, 10 e 20 Mg ha-1 de biocarvão em solo não perturbado, juntamente com o fertilizante amoniacal, aumentou a altura das plantas e a massa seca do trigo até o florescimento, enquanto que a adição de biocarvões sem N apresentou um leve aumento em relação ao controle (sem biocarvão e sem N). Os efeitos residuais do biocarvão na soja também apresentaram comportamento semelhante ao do cultivo anterior (trigo), onde a adição prévia de N aumentou a altura da planta de soja, bem como a produção de palha da cultura. Após os experimentos, amostras de solo estratificadas (0-5, 5-10, 10-15 e 15-25 cm) foram analisadas para determinação dos valores de pH e dos teores de NO3 -, NH4 +, P, K Ca, Mg e Al trocável. Foi possível verificar que nos 5 cm superficiais do solo os teores de NO3 -, NH4 + e P foram influenciados com as doses de biocarvão e com a aplicação de N. Contudo, nas camadas mais profundas não houve diferenças significativas entre os biocarvões, bem como para a aplicação de N. O pH e o Al trocável do solo também foram diretamente afetados até 5 cm de profundidade, enquanto que com o aumento da profundidade o pH do solo diminui e o teor de Al trocável aumenta. Assim, pode-se concluir que os biocarvões preparados a partir de resíduos vegetais sob baixa temperatura são ricos em C, têm maior CTC, apresentam menor mineralização de C e promovem o aumento do pH do solo e a diminuição de Al trocável quando incorporados ao solo sob condições de incubação, enquanto que em condições de casa de vegetação todos os biocarvões foram comparativamente iguais entre si, mesmo em doses diferentes. O aumento na dose de biocarvão aumentou a retenção de nutrientes no solo, enquanto não houve diferença entre os biocarvões derivados de dejetos animais e de resíduos vegetais. Deste modo, o biocarvão pode ser considerado uma alternativa adequada para o descarte de resíduos orgânicos, promovendo o sequestro de C e o aumento da fertilidade do solo