Investigating the impacts of biochar on water fluxes in 2 tropical agriculture using stable isotopes

Abstract

Amending soils with biochar, a pyrolyzed organic material, is an emerging practice to potentially increase plant available water. However, it is not clear (1) to what extent biochar amendments increase soil water storage relative to non-amended soils and (2) whether plants grown in biochar amended soils access different pools of water compared to those grown in non-amended soils. To investigate these questions, we set up an upland rice field experiment in a tropical seasonally dry region in Costa Rica, with plots treated with two different biochar amendments and control plots, from where we collected hydrometric and isotopic data (δ18O and δ2H from rain, soil, groundwater and rice plants). Our results show that the soil water retention curves for biochar treated soils shifted, indicating that rice plants had 2 % to 7 % more water available throughout the growing season relative to the control plots. In addition, we observed a within treatment variability in the soil water retention curves which was in the same order of magnitude as one would expect from responses due to differences in biochar application rates or due to differences in biochar typologies. The stable water isotope composition of plant water showed that the rice plants across all plots preferentially utilized the more variable soil water from the top 20 cm of the soil instead of using the deeper and less variable sources of water. Our results indicated that rice plants in biochar amended soils could access larger stores of water more consistently and thus could withstand dry spells of seven extra days relative to rice grown in non-treated soils. Though supplemental irrigation was required to facilitate plant growth during extended dry periods. Therefore, biochar amendments can complement, but not necessarily replace, other water management strategies.

La modificación de los suelos con biocarbón, un material orgánico pirolizado, es una práctica emergente para aumentar potencialmente el agua disponible para las plantas. Sin embargo, no está claro (1) hasta qué punto las enmiendas de biocarbón aumentan el almacenamiento de agua del suelo en relación con los suelos no enmendados y (2) si las plantas que crecen en suelos enmendados con biocarbón acceden a diferentes piscinas de agua en comparación con las que crecen en suelos no enmendados. Para investigar estas preguntas, establecimos un experimento de campo de arroz de secano en una región tropical estacionalmente seca en Costa Rica, con parcelas tratadas con dos enmiendas de biocarbón diferentes y parcelas de control, de donde recolectamos datos hidrométricos e isotópicos (δ18O y δ2H de lluvia, suelo, agua subterránea y plantas de arroz). Nuestros resultados muestran que las curvas de retención de agua del suelo para suelos tratados con biocarbón cambiaron, lo que indica que las plantas de arroz tenían entre un 2% y un 7% más de agua disponible durante la temporada de crecimiento en relación con las parcelas de control. Además, observamos una variabilidad dentro del tratamiento en las curvas de retención de agua del suelo que estaba en el mismo orden de magnitud que uno esperaría de las respuestas debido a las diferencias en las tasas de aplicación de biocarbón o debido a las diferencias en las tipologías de biocarbón. La composición de isótopos de agua estable del agua de la planta mostró que las plantas de arroz en todas las parcelas utilizaron preferentemente el agua del suelo más variable de los 20 cm superiores del suelo en lugar de utilizar las fuentes de agua más profundas y menos variables. Nuestros resultados indicaron que las plantas de arroz en suelos modificados con biocarbón podrían acceder a mayores reservas de agua de manera más consistente y, por lo tanto, podrían resistir períodos de sequía de siete días adicionales en comparación con el arroz cultivado en suelos no tratados. Aunque se requirió riego suplementario para facilitar el crecimiento de las plantas durante períodos prolongados de sequía. Por lo tanto, las enmiendas de biocarbón pueden complementar, pero no necesariamente reemplazar, otras estrategias de gestión del agua.