Environmental benefits of using biochar as an amendment in pineapple cultivation in Costa Rica: soil physicochemical and biological effects and interaction with agrochemicals

Abstract

Pineapple production is an important economic activity in Costa Rica as shown by the increase in its cropped area in the last two decades. It involves a high generation of agro-wastes as well as an intensive application of pesticides, including the herbicides bromacil, and diuron. Their use is associated with problems of environmental, health and economic concern, because it has been detected in both surface water and groundwater. However, there is still scarce information about the environmental fate of these herbicides in tropical soils. The transformation of this agro-waste surplus by pyrolysis into biochar, a carbonaceous material, followed by its addition to soil as an amendment, has been suggested as a useful waste management practice. This is because it may improve the soil quality and carbon sequestration and potentially mitigate the mobility of pesticides. The aim of this thesis was to evaluate the benefits and unexpected effects of biochar addition to a Costa Rican agricultural soil cropped to pineapple, concurrently considering the effects on bromacil and diuron fate and efficiency as well as non-target soil ecotoxicological effects. For this purpose, pineapple stubble (PS), oil palm fiber (PF) and coffee hulls (CH) were pyrolyzed at 300 or 600 °C for one hour and then physically and chemically characterized. Mixtures of the charred materials (CM) with soil were prepared at application rates equivalent to 10 and 20 t ha- 1. Sorption, degradation, and biodegradation of both pesticides were evaluated in the laboratory, and the results were used to predict their environmental risk with the Pesticide Impact Rating Index. In addition, lettuce emergence and growth (Lactuca sativa), invertebrates performance (collembolan Folsomia candida; enchytraeid Enchytraeus crypticus), and microorganism functional diversity (Microresp™) were used to test the effects of CM on the herbicides’ efficiency and on the non-target soil biological groups CM pyrolyzed...

Español: La producción de piña es una actividad económica importante en Costa Rica que ha aumentado significativamente su área cultivada en las dos últimas décadas, con una alta generación de residuos agroindustriales y un uso intensivo de plaguicidas, incluidos los herbicidas bromacil y diurón. Ambos se han detectado en aguas superficiales y subterráneas, lo que ha causado problemas ambientales, de salud y económicos, aunque aún existe poca información sobre su destino ambiental en los suelos tropicales. La transformación de residuos agroindustriales en biocarbón (biochar) mediante pirólisis y su adición al suelo como enmienda, se ha propuesto como una práctica útil de gestión de residuos capaz de mejorar la calidad del suelo, el secuestro de carbono y que podría mitigar la movilidad de los plaguicidas. El objetivo de la tesis fue evaluar los beneficios y eventuales efectos no deseados de la adición de biocarbón a un suelo costarricense cultivado con piña en combinación con bromacil o diuron, considerando tanto sus efectos ecotoxicológicos como en su destino y eficiencia. Los materiales carbonizados (MC) se obtuvieron pirolizando a 300 o 600 °C durante una hora rastrojo de piña (PS), pinzote de palma aceitera (PF) y cascarilla de café (CH), se caracterizaron física y químicamente y se mezclaron con suelo en dosis de aplicación equivalentes a 10 y 20 t ha-1. Se evaluaron la sorción, la degradación y la biodegradación de ambos plaguicidas en condiciones de laboratorio con lo que se predijo su riesgo ambiental con el Índice de Clasificación de Impacto de Plaguicidas. Además, se midió la emergencia y el crecimiento de la lechuga (Lactuca sativa), el desarrollo de invertebrados (colémbolo Folsomia candida; enquitréido Enchytraeus crypticus) y la diversidad funcional de los microorganismos (Microresp™) para probar los efectos de los MC en la eficiencia de los herbicidas y sobre organismos terrestres no diana. Los MC a 300 °C...

Catalán: La producció de pinya tropical és una activitat econòmica important a Costa Rica, l’àrea de cultiu de la qual ha augmentat significativament en les dues darreres dècades, i amb una significativa generació de residus agroindustrials i ús intensiu de plaguicides com els herbicides bromacil i diuron. Tots dos han estat detectats en aigües superficials i subterrànies, causant problemes ambientals, de salut i econòmics, malgrat que hi ha poca informació sobre el seu destí ambiental en sòls tropicals. La transformació de residus agroindustrials en biocarbó (biochar) mitjançant piròlisi i la seva adició al sòl com a esmena han estat proposats com una pràctica útil per a la gestió de residus que permet la millora de la qualitat del sòl, el segrestament de carboni i una possible mitigació de la mobilitat de plaguicides. L’objectiu de la tesi fou avaluar els beneficis i eventuals efectes no desitjats de l’adició de biocarbó a un sòl costa-riqueny cultivat amb pinya en combinació amb bromacil o diuron, considerant tant els seus efectes en el destí i eficiència com els ecotoxicològics. Els materials carbonitzats (MC) s’obtingueren per piròlisi a 300 o 600 ºC durant una hora, utilitzant com a materials de partida rostoll (rastrojo) de pinya tropical (PS), raquis de raïm de palmera d’oli (pinzote) (PF) i l’endocarp del fruit de café (cascarilla) (CH), que es van caracteritzar fisicoquímicament i es van aplicar al sòl a dosis d’aplicació de 10 i 20 t ha-1. S’avaluà la sorció, la degradació i la biodegradació dels plaguicides en condicions de laboratori, permetent la predicció del seu risc ambiental amb l’índex de classificació d’impacte de plaguicides. Addicionalment, es van avaluar efectes en l’emergència i creixement de d’enciam (Lactuca sativa), el desenvolupament d’invertebrats (el col·lèmbol Folsomia candid i l’enquitreid Enchytraeus crypticus) i la diversitat funcional de la comunitat dels...