Biochar amendment as a strategy to reduce hydric stress in Eucalyptus

Abstract

Atmospheric CO2 concentrations are higher than any time in the last decades, resulting in global warming along with general climactic changes. Drought stress is one of the most important effect of climactic alterations and directly disrupts water and carbon fluxes, with effects on primary production and terrestrial ecosystems equilibrium. It affects plants at different levels depending on intensity, duration and progression of drought, leading to responses at physiological, biochemical and molecular levels. The biochar application to the soils as a mitigation agent, by enhancing water and nutrient availability, has been well documented. Assuming the economic importance of Eucalyptus globulus in Portugal and the rising demand of dry periods in mediterranic region, the main goal of this study was to evaluate the ability of biochar to reduce the stress effects in Eucalyptus globulus plants, under water limiting conditions. We also evaluate the application of fertilizers in plant performance and the conjugation of both. For this propose, 136 plants of Eucalyptus globulus were subjected to a 6 weeks period assay, divided by 2 groups (well watered – 80% of field capacity and water stress - 30% of field capacity), which one with 4 treatments: without biochar, with biochar (6%), without biochar+fertilizer and with biochar+fertilizer. At the end of the experimental period, the plants were evaluated at morphological, physiological and biochemical levels. Our results showed a significant decrease in most of analysed parameters with water limitation, as gas exchanges, hydric potential, height, transpiration, lateral branches, leaf area and number of leaves, photosynthesis (except WSb), above ground biomass (fresh and dry) and weight of roots, suggesting that the water limitations severely affect plants performance. Biochar application improve leaf area and photosynthesis rates along with decreases the total soluble sugars content and slight higher values of water potential, suggesting that in water stress conditions it is beneficial to applied biochar into soils to enhance their ability to store and use water, reducing overall stress levels in the plants. In well watered conditions, the biochar showed wilting signals In well watered conditions the use of biochar promoted lower photosynthetic rates and lower values of all morphological parameters as above ground biomass, number of lateral branches and leaf area when compared with nutrients application, along with apical wilting signals suggesting that in in well water conditions, the use of biochar is not a better option. The results of conjugation of both biochar and fertilizers were contradictory. In well water conditions we found a higher values of Fv/Fm along with chlorophylls and lower values of number of leaves, leaf area, photosynthesis and TSS. Otherwise, in water stress conditions and besides the lower performance in all gas exchanges parameters, we noticed higher above ground biomass, when compared with biochar and fertilizer applied alone. In conclusion, our results shows that biochar amend water limitation conditions in E.globulus, but is not a main value for plant performance in well water conditions or when applied together with fertilizer. In either case, further studies are needed.

As concentrações de CO2 atmosférico têm atingido níveis alarmantes nas últimas décadas resultando no aquecimento global em conjunto com alterações climatéricas generalizadas. O stress hídrico é uma das maiores consequências destas alterações, constituindo um disruptor direto dos fluxos hídricos e de carbono com efeitos na produção primária e equilíbrio de ecossistemas terrestres. Afeta as plantas a diferentes níveis dependendo da intensidade, duração e níveis de progressão, conduzindo a respostas a níveis fisiológicos, bioquímicos e moleculares. Estudos recentes, suportam a aplicação de biochar nos solos como estratégia de mitigação, visando promover a retenção de água e nutrientes. Assumindo a importância económica da espécie Eucalyptus globulus em Portugal e o crescente aumento de períodos de seca na região mediterrânica, o objetivo deste estudo foi avaliar o efeito de mitigação do biochar em Eucalyptus globulus sujeitos a limitação hídrica. Comparamos também o seu efeito com a utilização de fertilizantes sintéticos e da conjugação da utilização de ambos. Deste modo, 136 plantas de E.globulus foram sujeitas a um período experimental de 6 semanas, divididas por 2 grupos (sem limitação de água – 80% de capacidade de campo e com limitação de água – 30% de capacidade de campo), cada um constituído por 4 tratamentos: sem biochar, com biochar (6%), sem biochar+ fertilizante e com biochar+fertilizante. No final do ensaio, as plantas foram avaliadas ao nível morfológico, fisiológico e bioquímico. Os resultados deste estudo indicam um decréscimo na maioria dos parâmetros analisados em condições de limitação de água, nomeadamente ao nível das trocas gasosas, potencial hídrico, altura, níveis de transpiração, fotossíntese, número de folhas, área das folhas, peso de biomassa aérea e peso das raízes, o que sugere que a limitação de água afeta severamente a performance da planta. A aplicação do biochar promove o aumento de área das folhas e níveis fotossintéticos, juntamente com uma diminuição no conteúdo de açucares totais (TSS) e um ligeiro aumento dos valores de potencial hídrico, sugerindo que em condições limitantes de água, a aplicação de biochar a 6% promove a habilidade de retenção de água pelos solos, reduzindo os efeitos gerais de stress nas plantas. Em condições de controlo, sem limitação de água, as plantas sujeitas a aplicação de biochar apresentaram sinais atípicos de murchidão apical, bem como baixos níveis de fotossíntese e morfológicos gerais, quando comparados com a utilização de fertilizantes, nas mesmas condições, sugerindo que em condições de rega abundante a aplicação de fertilizante é preferível ao biochar. Os resultados da conjugação do biochar+ fertilizantes mostraram baixa performance da planta, comparativamente à aplicação em separado, nomeadamente ao nível da área folear, número de folhas, peso das raízes, fotossíntese, trocas gasosas e carotenoides, em condições de limitação de água. Em conclusão, os nossos resultados indicam que o biochar tem um efeito mitigante em condições de limitação de água para E.globulus, no entanto a sua aplicação não representa uma mais valia em condições de rega abundante ou quando aplicado em conjugação com fertilizantes.