Biochar-induced soil stability influences phosphorus retention in the agricultural field in Quebec

• Main Author: Sachdeva, Vanita
• Other Authors: Joann Karen Whalen (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Agriculture - Soil Science
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121318

Surface runoff from agricultural fields is the largest non-point source of phosphorus (P) that pollutes surface water in humid temperate regions. Best management practices have attempted to reduce P loading and improve P retention in agricultural soils but significant losses continue to occur, emphasizing the need for novel solutions. The objective of this research project was to determine whether biochar amendments in an agricultural soil could reduce P loss in surface runoff by increasing water infiltration or by improving soil stability. Experimental plots were established in St-Francois-Xavier-de-Brompton, Quebec, Canada on an agricultural field amended with three types of biochar (Dynamotive, Pyrovac, and Basques) applied at two application rates (5 and 10 t ha-1), and one unamended control plot. First, a 30-minute rainfall simulation was conducted using the Cornell Sprinkle Infiltrometer to assess runoff volume, time-until-ponding, infiltration rate, and water holding capacity (WHC), as well as P concentration and load in runoff. Second, soil samples from the experimental plots were fractionated using a wet-sieve method to determine the proportion of macro- and micro-aggregates. Each fraction was analyzed for total organic C and total P to locate biochar presence and determine whether additional P was retained in macro- or micro-aggregate fractions of biochar-amended soils. Water dynamics in the rainfall simulation showed no significant differences, however, runoff contained significantly less ortho-P in soil amended with Dynamotive biochar at 5 t ha-1 (p=0.048) and significantly less particulate P from soil amended with Pyrovac biochar at 5 t ha-1 (p=0.012) and Dynamotive and Basques biochars at 10 t ha-1 (p=0.024 and p=0.047, respectively). Soils amended with biochar at 5 t ha-1 and 10 t ha-1 also had significantly greater microaggregate stability (p=0.032 and p=0.046, respectively), which corresponded to significantly more organic C content (p=0.013 and p<0.01, respectively). Macroaggregates from biochar-amended soils also contained significantly higher organic C and total P concentrations (p<0.05 for both biochar rates) than the control soil. This suggests that the reduction in particulate P concentration in runoff is the result of biochar integration within the microaggregate structure, which indirectly promotes P retention in macroaggregates. === Les eaux de ruissellement associées aux champs agricoles sont la plus grande source de charges diffuses de phosphore (P) affectant l'eau de surface en régions tempérées. Les pratiques de gestions optimales tentent de réduire la charge en polluants phosphorés ainsi que d'améliorer la rétention de P dans les sols agricoles, mais malheureusement, des pertes significatives continues d'être recensées, accentuant le besoin pour de nouvelles solutions. L'objectif de cette recherche était de déterminer si des amendements de biocharbon dans les sols agricoles pourrait réduire la charge en phosphore par ruissellement en augmentant l'infiltration de l'eau dans les sols et en améliorant la stabilité des sols. Des parcelles expérimentales ont été établies à St-Francois-Xavier-de-Brompton, Québec, Canada dans un champ agricole amendé avec trois types de biocharbon (Dynamotive, Pyrovac, and Basques) utilisant deux différentes doses d'application (5 et 10 t ha-1), et un sans biocharbon. Premièrement une simulation de précipitation de pluie de 30 minutes a été effectuée à l'aide de Cornell Sprinkle Infiltromètre pour mesurer les niveaux de ruissellements, la durée avant le début du ruissellement, le taux d'infiltration, la capacité de rétention de l'eau, ainsi que la teneur et la charge total de P dans l'eau de ruissellement. Deuxièmement, des échantillons de sols des différentes parcelles on été fractionnées selon la technique de tamisage humide pour déterminer la proportion de macros et micros agrégats. Chacune des fractions a été analysé pour leur quantité de C organique ainsi que le niveau total de P afin de localiser la présence de biocharbon et afin de déterminer si plus de P a été retenu dans les fractions contenant les macro ou les micros agrégats de sols amendés avec du biocharbon. La dynamique de l'eau dans la simulation de précipitation a démontré aucune différence significative, cependant le contenue du ruissellement avait significativement moins d'orthophosphate dans le sol amendé avec le biocharbon Dynamotive à 5 t ha-1 (p=0.048) et il y avait significativement moins de P particulaire avec le sol amendé avec le biocharbon Pyrovac à 5 t ha-1 (p=0.012), le biocharbon Dynamotive et le biocharbon Basques à 10 t ha-¬1 (p=0.024 et p=0.047, respectivement). Les sols amendés avec du biocharbon à 5 t ha-1 et à 10 t ha-1 avaient aussi, de façon significative, des micros agrégats plus stables (p=0.032 et p=0.046, respectivement), ce qui correspond à une plus grande quantité de C organique (p=0.013 et p<0.01, respectivement). Les macros agrégats des sols amendés en biocharbon avaient des concentrations de C organique et P totales plus élevées (p<0.05 pour les deux concentrations de biocharbon) que le sol témoin. Cela suggère que la réduction de la concentration de P particulaire dans l'eau de ruissellement est la conséquence de l'intégration du biocharbon dans la structure des micros agrégats, ce qui encourage la rétention dans les macros agrégats.