Effect of biochar amended soils on infiltration processes

Abstract

Der Klimawandel stellt die landwirtschaftlichen Praktiken vor neue Herausforderungen, da sich die Umweltbedingungen extrem und schnell ändern. Die Bodenerhaltung wird vor allem aufgrund ihrer Bedeutung für die Förderung der landwirtschaftlichen Nachhaltigkeit und der Ernährungssicherheit zu einer Aufgabe. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Simulation der Auswirkung von Pflanzenkohleänderungen auf die Bodenwasserdynamik. Im Mikromaßstab wird die Infiltration am Oberboden analysiert; In einer Makroskala wird ihre Auswirkung auf die Einzugsgebietshydrologie bewertet. Eine Analyse der wichtigsten Bodenparameter, die von den Änderungen der Pflanzenkohle betroffen sind, wird vorgestellt. Die Rolle der chemischen Eigenschaften der Biokohle für die Bodenveränderungen und die Wirkung der Dosierung der Biokohle in Abhängigkeit vom Bodentyp werden offengelegt. Die Auswirkung von Pflanzenkohle auf zwei verschiedene Bodenmaterialien wird im Hinblick auf die Auswirkungen der wichtigsten physikalischen und hydraulischen Eigenschaften des Bodens analysiert. Die Simulation intensiver und sich wiederholender extremer Klimabedingungen (durch Benetzung und Trocknung) wird als kritischer Umweltparameter angesehen, der die Dynamik der Bodenaggregatbildung im Mutterboden beeinflusst. Die Auswirkung von Änderungen der Pflanzenkohle auf die Bodenwasserhaushaltsgleichung berücksichtigt den Infiltrationsprozess als Schlüsselfaktor für die Oberflächenabflussbildung. Die Reaktion der Änderungen auf die Wasserinfiltration wird anhand herkömmlicher Infiltrationsgleichungen und eines statistischen Regressionsmodells getestet, um die wichtigsten Parameter und Mechanismen für den Wassertransport an der Oberfläche und in der Bodenmatrix zu bestimmen. Es werden verschiedene Szenarien zur Komplexität des Zusatzes von Biokohle als Bodenschutzmanagementoption auf makroskaliger Ebene bewertet. In diesem Fall werden alle Parameter des Bodenwasserhaushalts berücksichtigt, und die Abflussmengen zeigen, dass Pflanzenkohle als Quelle für organischen Kohlenstoff die Bodenaggregation und die Poreneigenschaften verändert, wodurch die Fähigkeit der Bodenmatrix zur Wasserleitung verbessert oder verringert wird. und diese Massenänderungen sind eine Funktion intensiver Perioden des Benetzens und Trocknens. Es wird gezeigt, dass die Anwendung von Pflanzenkohle als Ergänzung zur Bodenschonung und Wasserbewirtschaftung einen komplexen Zusammenhang zwischen Biomassezusammensetzung, Anwendungsdosis, Bodentyp und Umweltbedingungen aufweist.Climate change imposes new challenges on agricultural practices due to extreme and rapid changes in the environmental conditions. Soil conservation becomes a primarily task due to its importance for supporting agricultural sustainability and food security. This thesis deals with the analysis and simulation of the effect of biochar amendments on soil water dynamics. In a microscale, infiltration at the topsoil is analyzed; in a macroscale, its impact in catchment hydrology is assessed. An analysis of the main soil parameters affected by the biochar amendments is presented. The role of the biochar chemical characteristics on the soil amendments and the effect of the biochar dosage as a function of the soil type are exposed. The impact of biochar of two different soil materials is analyzed in terms of the effect of the main soil physical and hydraulic properties. Simulation of intense and repetitive extreme climate conditions (by means of wetting and drying periods) are considered as a critical environmental parameter influencing the dynamics of soil aggregate formation in the topsoil. The effect of biochar amendments on the soil water balance equation considers the infiltration process as a key factor on the surface runoff formation. The water infiltration response by the amendments is tested by conventional infiltration equations and a statistical regression model in order to determine the main parameters and mechanisms that deals with the transport of water at the surface and in the soil matrix. Several scenarios of the complexity of the addition of biochar, as a soil conservation management option, at a macroscale level are evaluated. In this case, all the soil water balance parameters are included and the discharge outputs reveal that biochar as a source of organic carbon alters soil aggregation and pore characteristics enhancing or reducing the capacity of the soil matrix to conduct water; and these bulk changes are a function of intense periods of wetting and drying. It is shown that application of biochar as amendment as an option for soil conservation and water management has a complex relation of the biomass composition, application dosage, soil type and environmental conditions