Wind erosion of biochar-amended soil: a wind tunnel experiment

Abstract

Biochar application to soils has been reported in the scientific community as a possible means of improving agricultural productivity and, at the same time, as a powerful tool for carbon sequestration and climate change mitigation. However, current knowledge of biochar effects on soil functions and possible environmental threats is still not enough for a full-scale implementation. Erosion is one of the most serious and irreversible threats to soil and there is still no information if biochar may increase or decrease soil erosion rates. Soil erosion by wind is of particular interest for biochar, because of the low particle density and potential human exposure. The purpose of this study was to fill this knowledge gap by investigating the wind erosion potential of biochar-amended soil with a focus on the effect of soil moisture content, using a laboratory wind tunnel. Firstly, experimental tests were implemented in the DAO wind tunnel to define a robust wind erosion methodology in a facility only used for smoke studies. Sediment collecting methods, dust fraction analysis and wind velocity range were the main factors that required investigation. The erosion of biochar-amended soil (10% m m-1) and control soil (sandy soil) was simulated by positioning a tray divided in a sample area and an area for creeping particles, inside the test section of the wind tunnel. To determine the effect of soil moisture content on the erosion potential, four moisture contents were used: 0.2%, 1.7%, 4% and 8% (gravimetric). The wind tunnel simulations were performed with the duration of 15 minutes at a wind velocity of 7 m s-1. The samples of collected sediment were oven-dried and weighed to give the sediment loss as consequence of the erosion event. Results on the erosion simulations for control and biochar-amended soil with the wind flow velocity of 7 m s-1 (small erosion event) indicated that only biochar particles were displaced. Erosion of biochar-amended soil was similar for 0.2%, 1.7% and 4.0% and despite a sediment loss reduction of 50% from 4% MC to the higher MC, 8%, this latter was not identified as the threshold MC for the moment when erosion ceases to exist. As for mineral particles, after 4% MC there was no sediment collected indicating this MC as the threshold, even though a reduced mass of particles eroded for the smaller MCs. Further future tests are needed to build a more comprehensive understanding of wind erosion of biochar-amended soils. Relevant factors to include are: higher wind velocities representative of medium and high erosion events, as well as higher MCs to identify when erosion of biochar particles will stop completely. Secondly, based on the results found in the present study, other soil types and biochar types warrant further investigation. Studies like this contribute for the understanding of the effects of biochar application to soil functions, as well as the behaviour and fate of this material, which are indispensable for the development of adequate biochar regulations and policies.

A aplicação de biochar no solo tem sido referida na comunidade científica como um possível meio para melhorar a produtividade agrícola e, ao mesmo tempo, como um instrumento para sequestro de carbono e mitigação de alterações climáticas. Contudo, o conhecimento actual sobre os efeitos do biochar nas funções do solo e possíveis ameaças ambientais não é, ainda, suficiente para uma implementação em larga escala. A erosão é uma das mais sérias e irreversíveis ameaças ao solo e não existe, ainda, informação se o biochar pode aumentar ou reduzir os níveis de erosão. A erosão do solo pelo vento é de particular interesse para o biochar, devido à reduzida densidade das partículas e à potencial exposição humana. O objectivo deste trabalho foi preencher esta falha ao investigar o potencial de erosão do solo melhorado com biochar com enfoque no efeito do teor de humidade, usando um túnel de vento. Primeiramente, testes experimentais foram implementados no túnel de vento do DAO para definir uma metodologia robusta de erosão eólica numa estrutura, até então, apenas usada para estudos de dispersão de poluentes. A colecta do sedimento, análise de fracção de poeiras e a gama de velocidades foram os factores principais que necessitaram de investigação. A erosão de solo com biochar (10% m m-1) e de solo de controle (solo arenoso) foi simulada posicionando um tabuleiro dividido em área de amostra e área para partículas de rolamento, dentro da secção de teste do túnel de vento. Para determinar o efeito do teor de humidade do solo no potencial de erosão, quatro teores de humidade foram usados: 0.2%, 1.7%, 4% and 8% (gravimétricos). As simulações no túnel de vento foram realizadas com a duração de 15 minutos a uma velocidade do vento de 7 m s-1. As amostras de sedimento colectado foram secas e pesadas para fornecerem a perda de sedimento como consequência do evento de erosão. Os resultados das simulações de erosão para o controle e o solo melhorado com biochar, com a velocidade de 7 m s-1 (reduzido evento de erosão) indicaram que apenas partículas de biochar foram movidas. Erosão de solo com biochar foi semelhante para 0.2%, 1.7% and 4.0% e, apesar da redução da perda de sedimento em 50% do teor de 4% para para o teor mais alto, 8%, este último não foi identificado como sendo o limiar para o momento em que a erosão deixa de existir. Relativamente às partículas minerais, após o teor de 4% não houve sedimento colectado indicando este teor de humidade como o limiar, ainda que uma massa reduzida de partículas tenha sofrido erosão para teores mais reduzidos. Testes futuros são necessários para gerar um melhor conhecimento acerca de erosão de solo com biochar pelo vento. Factores relevantes a incluir são: maiores velocidades do vento, representativas de eventos de erosão médios e elevados, tal como maiores teores de humidade para identificar quando a erosão de partículas de biochar pára por completo. Em segundo lugar, com base nos resultados observados neste estudo, outro tipos de solo e biochar impõe mais investigação.Estudos como este contribuem para perceber os efeitos da aplicação de biochar nos solos, bem como o comportamento e destino deste material, que são indispensáveis para o desenvolvimento de regulamentos e políticas adequadas sobre biochar.