Biochar soil amendments in southwestern Québec, Canada: an investigation of impact on crop yields, interaction with N fertilizer and characterization of the biochar volatilome

Biochar, produced from waste materials has shown promise for increasing crop yields while simultaneously sequestering atmospheric carbon into soils. When this project began, little data was available about biochar effects under temperate-zone field conditions. Therefore, the first goal of this project was to determine whether biochar can improve crop yields under Québec, Canada field conditions. The results of a three-year field experiment demonstrate that biochar produced from softwood chips, applied once to a loamy sand soil at 20 Mg ha-1, increases yield and grain N uptake of corn by 14.2 and 18.2 %, respectively, while yield and grain N uptake of soybean and switchgrass were not affected by biochar soil amendment. Biochar, applied once to a sandy clay loam at 20 Mg ha-1 increased soil organic carbon concentration under switchgrass and corn by more than the amount of carbon contributed by biochar. In order to further understand the mechanisms underlying the effects of biochar on corn yield and N uptake, two greenhouse experiments were conducted. In the first greenhouse experiment, biochar interactions with N fertilizer were examined to determine if biochar soil amendments improve N fertilizer recovery efficiency in temperate field soil. Corn was grown on soil amended with factorial combinations of biochar rate (0 and 20 Mg ha-1) and N fertilizer (0, 75, 150, 225 and 300 kg N ha-1). Plants were harvested at (1) the mid-vegetative stage for analysis of root structure, root and shoot biomass, plant N uptake and plant available N in soil and (2) at tasseling for analysis of root and shoot biomass, plant N uptake and plant available N in soil. Biochar increased soil available NH4-N, cation exchange capacity, root growth and root metabolic activity and N uptake at the R1 stage. Fertilizer recovery efficiency was increased in the presence of biochar when N fertilizer was applied at 75 and 150 kg N ha-1. Biochar stimulated early root development, allowing plants to take advantage of increased NH4-N retention concentration in soil by biochar thereby increasing FRE at the R1 stage at lower application rates.In the final chapter, biochar properties were linked to effects on plant growth using greenhouse and germination experiments along with redundancy analysis. Corn was grown in the greenhouse on soil amended with 26 Mg ha-1 softwood biochar produced at 500 ºC (PYR) or biosolids biochar produced at 270 ºC or 320 ºC (ALT and AHT, respectively). Plants were harvested at the V3 stage for analysis of root structure, root and shoot biomass, plant N uptake and plant available N in soil. A germination assay assessed the importance of biochar characteristics on germination, root and shoot development after four days. ALT negatively affected root development and biomass accumulation due to high N and volatile matter contents. AHT reduced root length due to a high H/C and volatile matter content but increased N mineralization in soil, biomass accumulation and N uptake in plants at the V3 growth stage. The high proportion of fixed C in PYR led to positive effects on root growth but did not alter biomass or N uptake. Results suggest that PYR increases plant resilience to drought and nutrient stresses while ALT and AHT provide fertilization value and increase N uptake at the V3 growth stage. Overall, this project determined (1) a suitable softwood biochar application rate to increase corn yields under Québec climate conditions, (2) that biochar can contribute to increased fertilizer recovery efficiency in corn production for temperate soils and (3) how biochar properties alter corn root development and N uptake. The benefits of this project include (1) increased corn yields in Québec, (2) improved fertilizer efficiency in Québec and (3) recycling of papermill and biosolid wastes; these aspects contribute to the economics of corn production and protection of the environment as a result of reduced N fertilizer application.Le biocharbon, a montré des résultats prometteurs pour augmenter les rendements des cultures. Lorsque ce projet a commencé, peu de données étaient disponibles sur les effets du biocharbon dans la zone climatique tempérée. Par conséquent, le premier objectif de ce projet était de déterminer si le biocharbon améliore les rendements des cultures au Québec, Canada. Les résultats d'un essai aux champs de trois ans démontrent que le biocharbon produit à partir de copeaux de bois, appliqué à 20 Mg ha-1, augmente le rendement et l'absorption de N du maïs de 14,2 et 18,2%, respectivement, tandis que le rendement et l'absorption de N du soja et le panic érigé ne sont pas affectés. Afin de comprendre les mécanismes sous-jacents aux effets du biocharbon, deux expériences en serre ont été menées.Dans la première expérience en serre, les interactions entre le biocharbon et l'engrais azoté ont été examinés afin de déterminer si l'addition du biocharbon au sol améliore l'efficacité de récupération de l'engrais azoté du maïs. Le maïs a été cultivé avec des combinaisons factorielles de taux de biocharbon (0 et 20 Mg ha-1) et d'engrais azoté. Les plantes ont été récoltées à (1) un stade végétatif pour l'analyse de la structure des racines, la biomasse sèche, l'absorption de l'azote par la plante et l'azote disponible dans le sol et (2) à l'étape de la formation des aigrettes pour l'analyse de la biomasse, l'absorption de l'azote par la plante et l'azote disponible dans le sol. Le biocharbon a augmenté le NH4-N disponible aux plantes dans le sol, la capacité d'échange des cations, la croissance et l'activité métabolique des racines et l'absorption de N. L'efficacité de récupération de l'engrais azoté a été augmentée en présence du biocharbon lorsque l'engrais azoté a été appliqué à 75 et 150 kg N ha-1. Le biocharbon a stimulé le développement des racines au stade végétatif, permettant aux plantes de profiter de la concentration plus élevée de NH4-N dans le sol, augmentant ainsi l'efficacité de la récupération de l'engrais azote.Dans le dernier chapitre, les propriétés du biocharbon ont été liées aux effets sur la croissance des plantes en utilisant des expériences en serre et de germination jumelées à une analyse de redondance. Le maïs a été cultivé en serre dans un sol avec 26 Mg ha-1 de biocharbon produit à partir de copeaux de bois (PYR) ou de biosolides produit à une température de 270 ou 320 °C (ALT et AHT, respectivement). Les plantes ont été récoltées à un stade végétatif pour l'analyse de la structure des racines, de la biomasse, de l'absorption de N dans les plantes et du N disponible dans les sols. Un test de germination a évalué l'importance des caractéristiques du biocharbon sur le développement des racines et des pousses après quatre jours. ALT a réduit le développement des racines et l'accumulation de la biomasse en raison de la teneur élevée en N et en matières volatiles. AHT a réduit la longueur des racines en raison d'une teneur élevée en matières volatiles et un ratio H:C élevé, mais a augmenté la minéralisation de N dans le sol, l'accumulation de biomasse et l'absorption de N dans les plantes à un stade végétatif. La haute teneur en C dans le PYR a augmenté la croissance des racines, mais n'a pas modifié la biomasse ou l'absorption de N au stade végétatif. En conclusion, ce projet a (1) identifié un taux approprié de biocharbon pour augmenter les rendements de maïs dans les conditions climatiques du Québec, (2) déterminé que le biocharbon peut contribuer à accroître l'efficacité de récupération d'engrais lors de la production de maïs et (3) déterminé que les composés organiques volatils et solubles dans l'eau du le biocharbon peuvent contribuer à augmenter l'absorption d'azote par le maïs. Ce projet aura contribué à identifier une approche pour: (1) augmenter les rendements du maïs au Québec, (2) augmenter l'efficacité des engrais azoté et (3) recycler des déchets de moulin à papier et de biosolides