Effects of pyrolytic biochar on soil properties, Collembola, mites and seed performance

Abstract: Worldwide soils are degrading, reducing the suitable habitat for soil organisms. The loss of soil biodiversity in response adversely affects soil ecosystem functions and services which humans depend on. Pyrolytic biochar is produced by pyrolysis under oxygen-limited conditions, thereby converting biomass into a more degradation-resistant carbon. Its application to soils is intended to support environmental and soil management, while mitigating climate change through carbon sequestration. The present dissertation investigated the effects of a bio-activated, wood-based, pyrolytic biochar (BCa) on soil properties, soil mesofauna and early seed performance of plants. Therefore, I conducted one field experiment and three in the laboratory using soil and mesofauna from the fiele experiment test area (a temperate grassland in Germany). Key aspects and findings of this thesis – that mesofauna are an abundant and essential part of soil ecosystems, that they can affect soil properties and seed performance (e.g., increase the seed germination rate), that they can be affected by BCa, but themselves can also influence the effects of BCa (although their influence may depend on other factors such as soil moisture, plant species or the soil additive) - suggest a high relevance of the effects observed in this thesis for grassland ecosystems where BCa is applied, with consequences from the species level up to the community level. This thesis has also shown that the characteristics of the observed effects (presence, magnitude, direction) may depend on several other factors, that there is a potential for beneficial effects, but also for detrimental effects, and that effects of BCa on Collembola can change from positive to negative over time.

Zusammenfassung: Weltweit verschlechtert sich Bodenzustand, wodurch der für Bodenorganismen geeignete Lebensraum abnimmt. Der damit einhergehende Verlust der biologischen Vielfalt im Boden beeinträchtigt die Ökosystemfunktionen und -leistungen des Bodens, auf welche der Mensch angewiesen ist. Pyrolytische Pflanzenkohle wird unter Sauerstoff-limitierten Bedingungen durch Pyrolyse hergestellt, wobei Biomasse in einen abbauresistenteren Kohlenstoff umgewandelt wird. Ihre Anwendung im Boden soll das Umwelt- und Bodenmanagement unterstützen und zugleich den Klimawandel durch die Bindung von Kohlenstoff im Boden abschwächen. Die vorliegende Dissertation untersuchte die Effekte einer bio-aktivierten, holz-basierten, pyrolytischen Pflanzenkohle (BCa) auf Bodeneigenschaften, Bodenmesofauna und die Keimlingsentwicklung von Pflanzen. Hierzu führte ich ein Experiment im Feld und drei im Labor durch, mit dem Boden und der Mesofauna von dem Standort des Feldversuches (ein gemäßigtes Grünland in Deutschland).
Wichtige Aspekte und Erkenntnisse dieser Dissertation - dass die Mesofauna ein häufiger und wesentlicher Bestandteil von Bodenökosystemen ist, dass sie die Bodeneigenschaften und die Keimlingsentwicklung beeinflussen kann (z.B. Anstieg der Keimungsrate), dass sie zwar von BCa beeinflusst wird, aber auch selbst die Auswirkungen von BCa beeinflussen kann (wobei ihr Einfluss von anderen Faktoren wie Bodenfeuchtigkeit, Pflanzenart oder dem Bodenhilfsstoff abhängen kann) - deuten auf eine hohe Relevanz der in dieser Arbeit beobachteten Effekte für Grünlandökosysteme hin, in denen BCa eingesetzt wird; mit Konsequenzen von der Art- bis hin zur Gemeinschaftsebene. Diese Arbeit hat außerdem gezeigt, dass die Charakteristika der beobachteten Effekte (deren Vorhandensein, Größenordnung, Richtung) von mehreren anderen Faktoren abhängen können, dass es ein Potenzial für positive, aber auch für schädliche Wirkungen gibt und dass sich die Effekte von BCa auf Collembolen mit der Zeit von positiv zu negativ verändern können.