Biochar usage to reduce greenhouse gas emissions from northern peat soil fields

Abstract

Kasvihuonekaasut (KHK:t) ovat ilmakehässä kasvihuoneilmiötä aiheuttavia kaasuja, kuten hiilidioksidi, metaani ja dityppioksidi. KHK:n lisääntyminen ilmakehässä aiheuttaa ilmaston lämpenemistä ja sen myötä ilmaston muuttumista. Turvepellot ovat merkittävin KHK päästöjen lähde peltoviljelyssä pohjoisilla alueilla. Suomessa turvepellot aiheuttavat 98% peltoviljelyn KHK- päästöistä ja 16% koko suomen KHK-päästöistä. Viljeltyjen turvepeltojen KHK-päästöt muodostuvat pääasiassa turpeen hajoamisesta hiilidioksidiksi ja dityppioksidiksi, sekä joissain tapauksissa myös metaaniksi. Biohiili on orgaanisesta materiaalista korkeassa lämpötilassa ja rajallisella hapen saatavuudella pyrolyysillä tuotettu hiilituote, joka voi säilyä maaperässä vuosisatoja. Biohiilellä on yleisesti tunnettuja kykyjä parantaa maan kasvukuntoa ja kasvien edellytyksiä kasvaa ja tuottaa satoa. Vähemmän tunnettu ja tutkittu puoli on biohiilen kyky vaikuttaa maaperälähtöisiin KHK-päästöihin. Tässä työssä tarkastellaan biohiilen käytön tuomia mahdollisuuksia näiden päästöjen vähentämiseksi pohjoisilta turvepelloilta. Lisäksi työssä selvitetään, mistä raaka-aineesta ja millä tavoin biohiili tulisi valmistaa, jotta se toimii tehokkaimmin KHK-päästöjen vähentämiseen. Työ jakaantuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa tavoitteena on selvittää, mitkä ominaisuudet biohiilessä vaikuttavat maaperälähtöisiin KHK:hin, sekä mistä materiaalista ja millä tavoin biohiili tulisi valmistaa, jotta sen vaikutus KHK-päästöjen vähentämiseen olisi suurin. Toisessa osassa tarkastelu kohdennetaan pohjoisiin turvepeltoihin. Tässä osiossa paneudutaan pohjoisen turpeen erityispiirteisiin. Tavoitteena on myös selvittää tarkemmin biohiilen kykyä vaikuttaa Suomen mittakaavassa KHK-päästömääriin. Työtä tehdessä havaittiin, että biohiilen kykyä vaikuttaa maaperälähtöisiin KHK-päästöihin on tutkittu vaihtelevin tuloksin useilta muilta hiekkaisilta, silttisiltä ja savisilta maalajityypeiltä, joissa orgaanisen hiilen määrä itsessään on kohtalaisen pieni, korkeintaan muutaman prosentin luokkaa. Kuitenkin itsessään runsashiilinen ja runsaasti päästöjä aiheuttava turve on maalajina jäänyt lähes kokonaan pois näistä tutkimuksista ja vaatisi käytännön kokeellista työtä, jotta saataisiin luotettavaa tietoa biohiilen kyvyistä vaikuttaa näihin maalajityyppeihin. Lisäksi pohjoisilla alueilla on myös ilmaston tuomia erityispiirteitä, kuten talvi ja talvenaikainen routa, mikä kaventaa ennestäänkin suppeaa lähdemateriaalin kirjoa. Työssä onkin käytetty myös muilta maalajityypeiltä lähtöisin olevia tietoja turvepelloille soveltuvin osin ja tehty näiden pohjalta oletuksia biohiilen kyvyistä vaikuttaa turvepelloista lähtöisin oleviin KHK-päästöihin. Aiempien tutkimusten pohjalta pääteltiin biohiilen ominaisuudet, jotka ovat tärkeitä päästövähennysten saavuttamiseksi. Suurimmat päästövähennykset turvepelloilla saavutetaan aromaattisia rakenteita sisältävällä vähätyppisellä biohiilellä, joka on levitetty ja muokattu tasaisesti kasvukerrokseen. Lisäksi oikeantyyppisellä biohiilellä voidaan katsoa olevan suurin vaikutus dityppioksidipäästöihin. Vaikutus on usein ensimmäisenä vuonna suurin, jopa 70 % päästöjä vähentävä, jonka jälkeen se heikkenee, ollen muutaman vuoden jälkeen parhaimmillaan noin 50 %. Pidemmällä aikavälillä ja kymmenen vuoden käsittelyvälillä voidaan olettaa, että päästään noin 35 % dityppioksidipäästöjen laskuun vuositasolla. Päästömäärässä mitattuna merkittävin KHK myös turvepelloilta on hiilidioksidi. Biohiilen vaikutusta hiilidioksidipäästöihin muilta kuin turvepelloilta on tutkittu, mutta tutkimusten tuloksista ei ole nähtävissä selkeää linjaa vaikutusten suunnasta ja suuruudesta. Oikein valitulla biohiilellä voidaan olettaa saavutettavan 5 % päästövähenemä hiilidioksidipäästöjen osalta. Tämän työn perusteella voidaankin todeta, että biohiilen käytöllä on mahdollista saavuttaa noin 12 prosentin KHK-päästövähenemä pohjoisilla turvepelloilla. Yhdessä muiden päästöjen vähennykseen tähtäävien keinojen kanssa vaikutus voi olla huomattavasti suurempi.

Greenhouse gases (GHGs), such as carbon dioxide, methane, and nitrous oxide, are gases in the atmosphere that contribute to the greenhouse effect. The increase in GHGs in the atmosphere causes global warming and consequently leads to climate change. Peat soils are the most significant source of GHG emissions in agriculture in northern regions. In Finland, peat soils account for 98% of GHG emissions from fields used in farming and 16% of the country’s total greenhouse gas emissions. The GHG emissions from cultivated peat soils are primarily due to the decomposition of peat into carbon dioxide and nitrous oxide, and in some cases, methane. Biochar is a carbon product produced from organic material through pyrolysis at high temperatures in the absence of oxygen, and it can remain in the soil for centuries. Biochar is widely known for its capability to improve soil fertility and enhance plant growth and yield. Limited study has revealed biochar's capability to affect soil-derived GHG emissions. This study has examined the potential of using biochar to reduce these emissions from northern peat soils. Additionally, the study explores desired properties of produced biochar that could be the most effective in reducing GHG emissions. The study is divided into two parts. The first part has examined the properties of biochar that affect soil-derived GHGs and the pyrolysis conditions to produce biochar to maximize its impact on reducing GHG emissions. The second part focuses on northern peat soils, delving into the specific characteristics of northern peat and examining biochar's capability to impact GHG emissions on a national scale in Finland. It was found that biochar's capability to influence soil- derived GHG emissions has been studied with variety of results in various sandy, silty, and clayey soil types, where the organic carbon content itself is relatively low, at most a few percent. However, peat, which is rich in carbon and significantly contributes to emissions, has been almost entirely overlooked in these studies Thus, experimental work is required to obtain reliable information about biochar’s effects on these soil types. Moreover, northern regions have climatic peculiarities, such as winter and winter frost, which further narrows the limited range of source materials. Therefore, information from other soil types has been applied to peat soils if applicable, and assumptions have been made about biochar's potential to affect GHG emissions from peat soils based on these data. Previous research suggested the properties of biochar that are important for achieving emission reductions. In the peat soil fields the largest emission reductions are achieved with biochar containing aromatic structures and low nitrogen content, which is evenly spread and mixed into the growth layer. Additionally, it is noted that the right type of biochar can have the greatest impact on nitrous oxide emissions. The effect is often the greatest in the first year, reducing emissions by up to 70%, then becomes weakening, with a reduction being around 50% after a few years. Over a longer period and with a ten-year treatment interval, it can be assumed that the reduction of approximately 35% in nitrous oxide emissions can be achieved annually. In terms of emission volume, the most significant GHG from peat soils is also carbon dioxide. The impact of biochar on carbon dioxide emissions from soils other than peat has been studied, but the results do not show a clear trend regarding the direction and magnitude of the effects. With properly selected biochar, a 5% reduction in carbon dioxide emissions can be assumed. Based on this study, it can be concluded that the use of biochar can achieve an approximate 12% reduction in emissions from northern peat soils. By combining with other means aiming at emissions reduction, this impact could be significantly greater.