Biochar-based phosphate fertilizers: solid-phase speciation and phosphorus solubility and potential as a support material for nitrogen

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A associação de matéria orgânica a fontes inorgânicas de P, para obtenção de fertilizantes à base de biochar (BBFs), tem sido sugerida para aumentar a eficiência de uso do P em solos tropicais ácidos e, adicionalmente, podem aumentar a eficiência de uso de N. Apesar da resposta da cultura a fertilização com BBFs já tenha sido investigada, é imperativo compreender as formas de P no fertilizante e as transformações de tais formas de P no solo após a fertilização. Com isso, superfosfato triplo (TSP) com e sem adição de MgO, e ácido fosfórico (H3PO4) com MgO foram pirolisados com cama de frango (PLB) para produzir fertilizantes fosfatados à base de biochar. Com o objetivo de avaliar a eficiência agronômica dos BBFs (PLB-TSP, PLB-TSP-Mg, PLB-H3PO4-Mg) em relação ao TSP e um fertilizante organomineral (OMF), foi conduzido um experimento em casa de vegetação com o cultivo de mudas de café por sete meses em Latossolo Argiloso. Os BBFs originais e as amostras de solo coletadas após o crescimento do cafeeiro foram analisados para P por fracionamento químico convencional e por especiação de absorção de raios-X perto da estrutura de borda (XANES). Os BBFs com MgO aumentaram a eficiência de uso do P em cafeeiros quando comparados com TSP e OMF. Os resultados do fracionamento sequencial em BBFs confirmaram a dominância do P associado ao Ca e ao Mg em compostos de baixa solubilidade, como a monetita e o pirofosfato identificados por XANES. Houve aumento das frações lábil e moderadamente lábil de P após o cultivo com PLB-TSP-Mg e PLB-H3PO4-Mg. Os resultados confirmam que os BBFs podem aumentar a eficiência de uso do P em um Latossolo no médio a longo prazo e promover um maior efeito residual da fertilização devido à presença de compostos orgânicos de maior estabilidade. Os BBFs também apresentam propriedades favoráveis para aumentar a eficiência de uso de N ao mesmo tempo que fornece P para as plantas. Nesse sentido, um segundo estudo foi realizado no qual PLB-H3PO4-Mg foi enriquecido com ureia na proporção 4:5 (BBF:ureia, p/p) com o objetivo de gerar um fertilizante 15-15 % NP de liberação lenta (PLB-N) para ser usado em uma única aplicação no solo. PLB-N foi caracterizado por pH, CE, conteúdo de nutrientes e solubilidade de P e analisado por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX). Foi conduzido um experimento em casa de vegetação com cultivo de feijão comum seguido de milho para avaliar a eficiência agronômica e o efeito residual da adubação com PLB-N em um Argissolo Amarelo. Seis tratamentos foram testados, incluindo quatro doses de N (100, 150, 200 e 250 mg kg-1) via PLB-N em aplicação única mais um controle com superfosfato triplo (TSP – aplicado de uma vez) e ureia (dividido 3 vezes) e um controle sem fertilização NP. Os poros e a superfície do BBF foram efetivamente carregados com ureia, mas não causaram sua liberação lenta, o que aumentou a salinidade do solo e reduziu temporariamente o pH do solo e afetou negativamente a produtividade do feijão comum quando comparado com a fertilização convencional (TSP + ureia). O maior efeito do PLB-N foi o residual da fertilização onde o milho apresentou uma resposta linear às doses de N aplicadas via PLB-N, mas não apresentou resposta à fertilização convencional com TSP + ureia. Portanto, o PLB-N preservou o N disponível (principalmente como NH4+) que foi perdido com a fertilização com N convencional. Biochar tem potencial como uma matriz de carregamento para preservar a disponibilidade de N e aumentar o efeito residual e a eficiência de uso do N pelas plantas. Os mecanismos que governam esse processo devem ser avaliados posteriormente para projetar fertilizantes de N com maior eficiência.

Abstract

The association of organic biomass and inorganic sources of phosphorus (P), to obtain biochar-based fertilizers (BBFs), has been suggested to increase the efficiency of use of P in acidic tropical soils and may, additionally, increase the efficiency of use of P nitrogen (N). Although the crop's response to fertilization with BBFs has already been investigated, it is imperative to understand the forms of P in the fertilizer and the transformations of such forms of P in the soil after fertilization. Therewith, triple superphosphate (TSP) with and without MgO, phosphoric acid (H3PO4) with MgO were pyrolyzed with chicken litter (PLB) to produce biochar-based phosphate fertilizers (BBFs). Aiming to evaluate the agronomic efficiency of BBFs (PLB-TSP, PLB-TSP-Mg, PLB-H3PO4-Mg) in relation to TSP and an organomineral fertilizer (OMF), an experiment was carried out in a greenhouse with the cultivation of coffee seedlings for seven months in Clay Oxisol. The original BBFs and soil samples collected after growing were analyzed for P by conventional chemical fractionation and by X-ray absorption speciation near the edge structure (XANES). BBFs with MgO increased the efficiency of the use of P in coffee trees when compared to TSP and OMF. The results of sequential fractionation in BBFs confirmed the dominance of P associated with Ca and Mg in low solubility compounds, such as monetite and pyrophosphate identified by XANES spectroscopy. There was an increase in the labile and moderately labile fractions of P after cultivation with PLB-TSP-Mg and PLB-H3PO4-Mg. The results confirm that BBFs can increase the efficiency of the use of P in an Oxisol in the medium to long term and promote a greater residual effect of fertilization due to the presence of higher organic compounds. BBFs also have suitable properties to increase the efficiency of N use while providing P for the plants. In this second work carried PLB-H3PO4-Mg was loaded with 4: 5 urea (BBF: urea, w/w) aiming to generate a 15-15% NP slow-release fertilizer (PLB -N) to be used in a single application to soil. PLB-N was characterized by pH, EC, nutrient content, and P solubility and analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray dispersive energy spectroscopy (EDX). A greenhouse experiment was carried out in carried out with cultivation of common bean followed by maize to evaluate the agronomic efficiency and the residual effect of fertilization with PLB-N in an Argissolo Amarelo (Ultisol). Six treatments were tested, including four doses of N (100, 150, 200, and 250 mg kg-1) via PLB-N in single application plus a control with triple superphosphate (TSP) and urea (splitted 3 times) and a control without N-P fertilization. The pores and surface of the BBF were effectively loaded with urea but did not cause its slow-release, which increased the soil salinity and temporarily reduced the soil pH and negatively affected the yield of common bean when compared with conventional fertilization (TSP + urea). The greatest effect of PLB-N was the residual effect of fertilization where maize showed a linear response to N doses applied via PLB-N, but showed no response to the conventional TSP + urea fertilization. Therefore, PLB-N preserved available N (mainly as NH4+) that has been lost through conventional N fertilization. Biochar has potential as a loading matrix to preserve N availability and increase residual effect and N use efficiency by plants. The mechanisms that govern this process should be further evaluated to design increased efficiency N fertilizers.

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BARBOSA, C. F. Biochar-based phosphate fertilizers: solid-phase speciation and phosphorus solubility and potential as a support material for nitrogen. 2021. 79 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.

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