Abstract Amending soil with biochar (pyrolized biomass) is suggested as a globally applicable approach to address climate change and soil degradation by carbon sequestration, reducing soil-borne greenhouse-gas emissions and increasing soil nutrient retention. Biochar was shown to promote plant growth, especially when combined with nutrient-rich organic matter, e.g., co-composted biochar. Plant growth promotion was explained by slow release of nutrients, although a mechanistic understanding of nutrient storage in biochar is missing. Here we identify a complex, nutrient-rich organic coating on co-composted biochar that covers the outer and inner (pore) surfaces of biochar particles using high-resolution spectro(micro)scopy and mass spectrometry. Fast field cycling nuclear magnetic resonance, electrochemical analysis and gas adsorption demonstrated that this coating adds hydrophilicity, redox-active moieties, and additional mesoporosity, which strengthens biochar-water interactions and thus enhances nutrient retention. This implies that the functioning of biochar in soil is determined by the formation of an organic coating, rather than biochar surface oxidation, as previously suggested.

Soil amendment with pyrogenic carbon (biochar) is discussed as strategy to improve soil fertility to enable economic plus environmental benefits. In temperate soils, however, the use of pure biochar mostly has moderately-negative to -positive yield effects. Here we demonstrate that co-composting considerably promoted biochars' positive effects, largely by nitrate (nutrient) capture and delivery. In a full-factorial growth study with Chenopodium quinoa, biomass yield increased up to 305% in a sandy-poor soil amended with 2% (w/w) co-composted biochar (BC(comp)). Conversely, addition of 2% (w/w) untreated biochar (BC(pure)) decreased the biomass to 60% of the control. Growth-promoting (BC(comp)) as well as growth-reducing (BC(pure)) effects were more pronounced at lower nutrient-supply levels. Electro-ultra filtration and sequential biochar-particle washing revealed that co-composted biochar was nutrient-enriched, particularly with the anions nitrate and phosphate. The captured nitrate in BC(comp) was (1) only partly detectable with standard methods, (2) largely protected against leaching, (3) partly plant-available, and (4) did not stimulate N2O emissions. We hypothesize that surface ageing plus non-conventional ion-water bonding in micro- and nano-pores promoted nitrate capture in biochar particles. Amending (N-rich) bio-waste with biochar may enhance its agronomic value and reduce nutrient losses from bio-wastes and agricultural soils.

ABSTRACT Rill erosion is a significant problem worldwide as it determines relevant amounts of soil loss on hillslopes. Although, in the last few years, many studies have focused on rill erosion and biochar as soil amendment, their influence on soil hydrological properties and relevance on soil conservation strategies is still uncertain. In this paper, the effects of rill formation and biochar addition on the physical and hydraulic properties of a clay‐loam soil were assessed by laboratory measurements (water retention, hydraulic conductivity, minidisk infiltrometer data and 1 H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry with the fast field cycling (FFC) setup) and field tests (rill formation tests at the plot scale). The rilled and non‐rilled soils did not show any difference in the volume of pores with a diameter ( d ) > 300 μm, but the former showed a smaller volume for the pores in the size range between 300 and 0.2 μm. As compared with an untreated rilled soil, the addition of 5% (w w −1 ) biochar in the soil in which the rill is incised did not change the volume of pores with d > 300 μm, while there were more pores of both 30 ≤ d ≤ 300 μm and 0.2 ≤ d ≤ 30 μm. Moreover, there were less pores with d < 0.2 μm. Shaping the rill did not influence the hydraulic conductivity of the nearly saturated soil (pressure head, h = −1 cm), while it determined a significant decrease of the soil ability to transmit water in more unsaturated conditions ( h ≤ −3 cm). The addition of biochar to the soil improved, in general, the soil aptitude to transmit water, regardless of the pore size. However, this improvement was statistically irrelevant in the case of a transport process governed by larger pores. The hydrological measurements also demonstrated that the addition of a large amount of biochar (5%) impedes soil characteristics alteration as the changes due to rilling are balanced by adding biochar in the soil. NMR was also used to measure the structural and functional connectivity of the original soil, the biochar and a mixture with three biochar concentrations (i.e., BC = 1%, 3% and 5% w w −1 ) traditionally applied in agronomical activity. These measurements revealed that the mixture of soil and biochar was characterised by longitudinal relaxation time ( T 1 ) values, which are related to pore sizes, longer than those measured for the soil. In addition, the soil empirical cumulative frequency distribution of T 1 was always skewed towards shorter T 1 values, thereby suggesting that the macro‐pore component (i.e., the largest T 1 values) was never dominant while biochar addition increased the size of mesopores and micropores. Biochar concentrations larger than 3% (w w −1 ) did not produce appreciable changes in the pore distribution inside the mixture. The biochar component improved the structural connectivity up to BC = 5%, while decreased the functional connectivity up to BC = 3%. A relationship between the water volume contained in soil pores and the NMR data were established for the micropores ( d ≤ 0.2 μm). The biochar‐amended soil was characterised by fewer small pores, but these micropores were greater than those in non‐treated soil.

In this study, the metabolome of different types of tea (i.e., black, green and earl grey) is explored by means of HRMAS