The effects of biochar on soil biota in temperate and boreal agricultural soils

Kiihtyvän ilmastonmuutoksen aikana on entistä tärkeämpää löytää tapoja vähentää päästöjä ja sitoa hiiltä. Biohiilen käyttö on yksi keino ilmastonmuutoksen hillitsemiseen, ja sillä on potentiaalia parantaa maatalouden satoja. Ennen kuin biohiilen käyttö voi yleistyä, sen mahdolliset ulkoisvaikutukset, kuten vaikutukset maaperän eliöstöön, on kuitenkin ensin selvitettävä. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin biohiilen käytön vaikutuksia mikrobien suhteelliseen runsauteen, kastematoyhteisöihin ja mikrobibiomassaan. Vain lauhkean ja boreaalisen vyöhykkeen kenttätutkimukset olivat osana tutkimusta. Biohiilen vaikutukset mikrobiryhmien suhteelliseen määrään selvitettiin kirjallisuuskatsauksella. Kirjallisuuskatsaus tehtiin myös selvittäessä biohiilen vaikutuksia kastematoihin. Biohiilen vaikutukset mikrobibiomassaan selvitettiin meta-analyysillä. Meta-analyysissä käytetyt tutkimukset luokiteltiin muuttujien, kuten biohiilen raaka-aineen, pyrolyysilämpötilan, maaperän pH:n, SOC:n, maaperän rakenteen ja biohiilen levitysmäärän perusteella. Tätä kautta voitiin selvittää, voisiko jokin näistä muuttujista selittää meta-analyysin tulokset. Mikrobien suhteellisen runsauden havaittiin muuttuvan biohiilen lisäyksen myötä, mutta reagoivat organismiryhmät vaihtelivat suuresti ja vaikutus yleensä haihtui ajan myötä. Biohiilen lisääminen ei vaikuttanut kastematoihin merkittävästi. Meta-analyysien tulokset viittaavat siihen, että biohiilellä ei myöskään ole merkittävää vaikutusta mikrobien kokonaisbiomassaan. Eri muuttujilla tehdyt meta-analyysit viittaavat siihen, että biohiilen lisäyksellä on positiivisin vaikutus mikrobien biomassaan happamissa maaperissä, joissa on karkea rakenne ja korkea SOC-pitoisuus, kun biohiiltä tuotetaan 500 °C–700 °C:ssa ja levitetään määrinä, jotka ovat suurempia tai yhtä suuri kuin 30 t ha-1. Biohiilen raaka-aineella ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta. Yhteenvetona voidaan todeta, että mikrobi- ja kastematoyhteisöt pysyvät yleensä vakaina biohiiltä käytettäessä. Tämä mahdollistaisi biohiilen käytön mm. hiilen sitomiseen ja maaperän hedelmällisyyden lisäämiseen maaperän eliöstöä vahingoittamatta. Lisätutkimusta kaivataan kuitenkin erityisesti boreaalisilla alueilla sekä biohiilen ja pääviljelykasvin mahdollisista vuorovaikutuksista. Tutkia kannattaisi myös mahdollisuuksia käyttää biohiiltä yhdessä muiden orgaanisten käsittelyjen, kuten lannan tai kompostin kanssa biologisen monimuotoisuuden ja sadon parantamiseksi.

In a time of accelerating climate change, it is all the more important to discover ways of decreasing emissions and sequestering carbon. The application of biochar is one proposed tool for climate change mitigation and holds potential for boosting yields when used in agriculture. However, before its use can become commonplace, its potential externalities, such as its effects on soil biota, must first be investigated. In this thesis, the effects of biochar application on the relative abundance of microbes, earthworm communities, and microbial biomass were investigated. Only field studies from temperate and boreal regions were considered. To see how the relative abundances of different microbial groups shifted upon biochar application, a literature review was conducted. Likewise, a literature review was conducted to determine the effects of biochar on earthworms. For microbial biomass, a meta-analysis was conducted. The studies were then classified based on variables like biochar feedstock, pyrolysis temperature, soil pH, SOC, soil texture, and biochar application rate to test if any of these variables could explain the results of the meta-analysis. Relative abundance of microbes was found to change upon biochar application, but the affected organism groups varied greatly, and the effect usually faded with time. Earthworms were not significantly affected by biochar application. The results of the meta-analyses suggest that biochar also has no significant effect on overall microbial biomass. Meta-analyses done with different variables suggest that biochar application has the most positive effect on microbial biomass in acidic soils with a coarse texture and high SOC content, when the biochar is produced between 500 °C and 700 °C and applied at rates higher than or equal to 30 t ha-1. Biochar feedstock was not found to have a significant effect. In conclusion, microbial and earthworm communities remain generally stable upon the application of biochar. This would allow biochar to be used for its other purposes, such as carbon sequestration and increasing soil fertility, without harm to soil biota. However, more studies, especially in the boreal regions and about the possible interplay between biochar and the main crop, should be conducted. The prospect of using biochar together with other organic treatments, such as manure or compost, to boost biodiversity and yields, also warrants further study.