Influence of biochar on disperse and mineral-associated organic matterin sod-podzolic sandy loamy soil

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In a four-year field experiment, the effect of applying biochar at a dose of 20 t/ha on the content of total organic carbon (TOC), dispersed pool carbon, carbon of mineral-associated organic matter and carbon of the clay fraction of the soil (Cclay) was studied. The field experiment was carried out at the Agrophysical Station of the Menkovo Experimental Station (Leningrad Region). The agricultural plot is occupied by sod-podzolic sandy loamy soil, which differed in the degree of cultivation: medium cultivated (MC) and highly cultivated (HC). Experiment scheme: control (without biochar) and soil with biochar at a dose of 20 t/ha. The content of Corg was determined using the Tyurin method. Isolation of the dispersed pool (POM) and mineral-associated pool (MAOM) was carried out according to the following procedure. 30 ml of sodium hexametaphosphate solution (Na6P6O18) (5 g/l) was added to a soil sample weighing 10 g, passed through a sieve with 2 mm mesh, then shaken on a shaker for 15 hours (speed 180 rpm). The resulting suspension was passed through a sieve with a hole diameter of 0.053 mm. The POM fraction was collected on a sieve, and the MAOM fraction was collected under the sieve. Isolation of the clay fraction of the soil was carried out by sedimentation after treating the samples with ultrasound. As a result of a 4-year experiment, when biochar was added, there was an increase in Corg content in medium cultivated soil by 2.8%, in highly cultivated soil by 21.3%. An increase in the mass of POM in the variant with biochar of medium cultivated soil by 8% was observed; in highly cultivated soil with biochar, on the contrary, a decrease in the POM content by 4% was observed, compared to the control. Biochar contributed to increasing the carbon content of the dispersed pool. The carbon content in the dispersed pool of MC soil increased by 15%, and of HC soil by 20.8%, compared to the control. The addition of biochar led to a decrease in the mass of the MAOM pool in the 4th year of the study in medium cultivated soil by 17.6%, and an increase in its content in highly cultivated soil by 16.5%. Biochar contributed to a decrease in the carbon content in the MAOM pool in MC soil by 20.8%, and an increase in its content in HC soil by 25.5%, compared to the control option. Biochar contributed to an increase in the content Cclay in terms of soil weight in medium cultivated soil by 4%, in highly cultivated soil by 6.8%. In the fourth year of the experiment, the effect of biochar weakened.

Full Text

Restricted Access

About the authors

L. V. Boitsova

Agrophysical Research Institute

Author for correspondence.
Email: larisa30.05@mail.ru
Russian Federation, Grazhdansky prosp. 14, St. Petersburg 195220

Е. G. Zinchuk

Agrophysical Research Institute

Email: larisa30.05@mail.ru
Russian Federation, Grazhdansky prosp. 14, St. Petersburg 195220

References

  1. Chatterjee R., Sajjadi B., Chen W.-Y., Mattern D.L., Hammer N., Raman V., Dorris A. Effect of pyrolysis temperature on physics-chemical properties and acoustic-based amination of biochar for efficient CO2 adsorption // Front. Energy Res. 2020. V. 8. Art. 85. doi: 10.3389/fenrg.2020.00085
  2. Lavallee J.M., Soong J.L., Cotrufo M.F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century // Global Change Biol. 2020. V. 26 (1). P. 261–273. doi: 10.1111/gcb.14859
  3. Meng Yu. G., Tong J., Xiao Ri H., Jin Feng Y. Effects of applying biochar–based fertilizer and biochar on organic carbon fractions and contents of brown soil // J. Sci. Agricult. Sinica. 2018. V. 51. Iss. 11. P. 2126–2135. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.010
  4. Coopera J., Greenbergb I., Ludwigb B., Hippichb L., Fischerc D., Glaserc B., Kaisera M. Effect of biochar and compost on soil properties and organic matter in aggregate size fractions under field conditions // Agricult. Ecosyst. Environ. 2020. V. 295. 106882. doi: 10.1016/j.agee.2020.106882
  5. Shi S., Zhang Q., Lou Y., Du Z., Wang Q., Hu N., Wang Y., Gunina A., Song J. Soil organic and inorganic carbon sequestration by consecutive biochar application: results from a decade field experiment // Soil Use Manag. 2021. V. 37. P. 95–103.
  6. Zhang R., Qu Z., Liu L., Yang W., Wang L., Li J., Zhang D. Soil respiration and organic carbon response to biochar and their influencing factors // Atmosphere. 2022. V. 13. 2038. DOI: 10.3390/ atmos13122038
  7. Giannetta B., Plaza C., Galluzzi G., Benavente-Ferraces I., García-Gil J.C., Panettieri M., Gasco´ G., Zaccone C. Distribution of soil organic carbon between particulate and mineral-associated fractions as affected by biochar and its co-application with other amendments // Agricult. Ecosyst. Environ. 2024. V. 360. 108777. doi: 10.1016/j.agee.2023.108777
  8. Mavi M.S., Singh G., Singh B.P., Sekhon B.S., Choudhary O.P., Sagi S., Berry R. Interactive effects of rice–residue biochar and N-fertilizer on soil functions and crop biomass in contrasting soils // J. Soil Sci. Plant Nutr. 2018. V. 18. № 1. P. 41–59. http://dx.doi.org/10.4067/S0718-95162018005000201
  9. Demisie W., Liu Z., Zhang M. Effect of biochar on carbon fractions and enzyme activity of red soil // Catena. 2014. V. 121. P. 214–221.
  10. Tian J., Wanga J., Dippold M., Gao Y., Blagodatskaya E., Kuzyakov Ya. Biochar affects soil organic matter cycling and microbial functions but does not alter microbial community structure in a paddy soil // Sci. Total Environ. 2016. V. 556. P. 89–97. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.03.010
  11. Fernández-Ugalde O., Gartzia-Bengoetxea N., Arostegi J., Moragues L., Arias-González A. Storage and stability of biochar-derived carbon and total organic carbon in relation to minerals in an acid forest soil of the Spanish Atlantic area // Sci. Total Environ. 2017. V. 587–588. P. 204–213. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.02.121
  12. Cotrufo M.F., Ranalli M.G., Haddix M.L., Six J., Lugato E. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter // Nat. Geosci. 2019. V. 12. P. 989–994. doi: 10.1038/s41561-019-0484-6
  13. Kalu S., Seppänen A., Mganga K.Z., Sietiö O.-M., Glaser B., Karhu K. Biochar reduced the mineralization of native and added soil organic carbon: evidence of negative priming and enhanced microbial carbon use efciency // Biochar. 2024. V. 6. Art. 7. doi: 10.1007/s42773-023-00294-y
  14. Sun Q., Yang X., Bao Z., Gao J., Meng J., Han X., Lan Y., Liu Z., Chen W. Responses of microbial necromass carbon and microbial community structure to straw- and straw-derived biochar in brown earth soil of Northeast China // Front. Microbiol. 2022. V. 13. Art. 967746. doi: 10.3389/fmicb.2022.967746
  15. Qianjin C., Min L., Zhongsheng Z. Effects of biochar application on soil organic carbon in degraded saline-sodic wetlands of Songnen Plain, Northeast China // Chin. Geograph. Sci. 2021. V. 31(5). P. 877−887. DOI: 10.1007/ s11769-021-1232-6
  16. Jiang M., Li C., Gao W., Cai K., Tang Y., Cheng J. Comparison of long-term effects of biochar application on soil organic carbon and its fractions in two ecological sites in karst regions // Geoderma Region. 2022. V. 28. e00477. doi: 10.1016/j.geodrs.2021.e00477 URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235200942100122X
  17. Моисеев К.Г., Рижия Е.Я., Бойцова Л.В., Зинчук Е.Г., Гончаров В.Д. Корректировочные работы по крупномасштабному почвенному картографированию Меньковского филиала Агрофизического института Россельхозакадемии // Агрофизика. 2013. № 1. С. 30–36.
  18. Бойцова Л.В., Рижия Е.Я., Москвин М.А. Содержание минеральных форм азота в дерново-подзолис- той супесчаной почве разной степени окультуренности при внесении в нее биоугля // Агрохимия. 2021. № 11. С. 25–32.
  19. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1979. 419 с.
  20. Растворова О.Г., Андреев Д.П., Гагарина Э.И., Касаткина Г.А., Федорова Н.Н. Химический анализ почв. СПб.: СПбГУ, 1995.
  21. Cambardella C.A., Elliott E.T. particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1992. V. 56. № 3. P. 777–783. doi: 10.2136/sssaj1992.03615995005600030017x
  22. Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Лопес де Гереню В.О., Овсепян Л.А., Семенов М.В., Курганова И.Н. Пулы и фракции органического углерода в почве: структура, функции и методы определения // Почвы и окруж. среда. 2023. Т. 6(1). e199. doi: 10.31251/pos.v6i1.199
  23. Бойцова Л.В., Непримерова С.В., Зинчук Е.Г. Влияние минералогического состава почв на стабилизацию в них органического углерода // Агрофизика. 2019. № 4. С. 1–8. DOI: 10.25695/ AGRPH.2019.04.01
  24. Pokharel P., Ma Z., Chang S.X. Biochar increases soil microbial biomass with changes in extra- and intracellular enzyme activities: a global meta-analysis // Biochar. 2020. V. 2. P. 65–79. doi: 10.1007/s42773-020-00039-1
  25. Chen H.X., Du Z.L., Guo W., Zhang Q.Z. Effects of biochar amendment on cropland soil bulk density, cation exchange capacity, and particulate organic matter content in the North China Plain // Chinese. 2011. V. 22(11). 2930–4. PMID: 22303671 URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22303671/
  26. Akpinar D., Tian J., Shepherd E., Imhoff P.T. Impact of wood-derived biochar on the hydrologic performance of bioretention media: effects on aggregation, root growth, and water retention // J. Environ. Manage. 2023. V. 339. 117864. doi: 10.1016/j.jenvm.an.2023.117864
  27. Weng Z., Van Zwieten L., Singh B.P., Tavakkoli E., Joseph S., Macdonald L.M., Rose T.J., Rose M.T., Kimber S.W.L., Morris S., Cozzolino D., Araujo J.R, Archanjo B.S., Cowie A. Biochar built soil carbon over a decade by stabilizing rhizodeposits // Nat. Clim. Change. 2017. V. 7. P. 371–376. doi: 10.1038/nclimate3276
  28. Бойцова Л.В. Органическое вещество и его легкая фракция в профиле дерново-подзолистой супесчаной почвы // Агрофизика. 2015. № 3. С. 1–8.
  29. Zimmerman A.R., Gao B., Ahn M.-Y. Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils // Soil Biol. Biochem. 2011. V. 43. P. 1169–1179. doi: 10.1016/j.soilbio.2011.02.005
  30. Yu Z., Ling L., Singh B.P., Luo Y., Xu J. Gain in carbon: deciphering the abiotic and biotic mechanisms of biochar-induced negative priming effects in contrasting soils // Sci. Total Environ. 2020. V. 746. 141057. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.141057
  31. Bernard L., Basile-Doelsch I., Derrien D., Fanin N., Fontaine S., Guenet B., Karimi B., Marsden C., Maron P.-A. Advancing the mechanistic understanding of the priming effect on soil organic matter mineralization // Funct. Ecol. 2022. V. 36. P. 1355–1377. doi: 10.1111/1365-2435.14038

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Content: total organic carbon (Corg) – (a), carbon of dispersed organic matter (Crom) – (b), carbon of mineral-bound organic matter (Cmaom) – (c), carbon of the clay fraction (Sil) – (d) in sod-podzolic sandy loam soil; variants: with biochar – B and without biochar, control – K.

Download (54KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».