Биочар: характеристики, применение, влияние на почву и польза для растений

Содержание статьи:

1. Терминология с запахом дыма
2. Путешествие в Амазонию
3. Углерод и плодородие почвы
4. Влияние биоугля на физические свойства почвы
5. Связывание углерода в почве и стабильность биоугля
6. Урожайность и питание растений
7. Физические эффекты почвы
8. Недостатки биоугля

Биоуголь – это углеродистый продукт из биомассы, получаемый путем удаления воды и других летучих компонентов, подвергая тепловой обработке растительную или животную биомассу.

Это может происходить в присутствии кислорода (далее именуется сжиганием) или без кислорода (именуется пиролизом). Однако, биочар не одинаков, и характеристики биоугля в основном зависят от условий пиролиза и типов биомассы, из которой он был получен. С середины 2000-х годов начато исследование, как самого материала Biochar, так и его влияния на свойства почвы.

Терминология с запахом дыма

Биоуголь, также известный, как древесный уголь, черный углерод, сажа и полукокс, представляет собой широкий класс материалов, получаемых в результате неполного сгорания или пиролиза органических материалов, таких, как древесина, побочные продукты переработки древесины, растительные остатки, навоз, нефть и побочные продукты переработки нефти.

Из упомянутых терминов, древесный уголь является наиболее общим и просто подразумевает частицы пирогенного (образованного огнем) материала, в котором преобладает смесь однокольцевых и конденсированных ароматических углеродов с меньшим количеством алифатических углеродов, водорода, кислорода, азота и других элементов.

• Черный углерод подразумевает твердые частицы, встречающиеся в почвах и отложениях, которые напоминают древесный уголь, но не могут быть однозначно признаны пирогенными.

• Сажей называют частицы древесного угля, которые образуются в результате конденсации паров выхлопных газов при открытом горении или работе двигателя внутреннего сгорания.

• Древесный уголь – это уголь, который используется в качестве топлива для приготовления пищи или для получения тепла.

• А биоуголь это древесный уголь, который используется для экологических целей, главным образом для улучшения качества почвы, изготовления субстратов или очистки воды.

Путешествие в Амазонию

Biochar используется в качестве добавки к почве уже несколько тысяч лет. Обширные регионы почв Terra Preta de Indio в бассейне Амазонки представляют собой антропосоли, созданные доколумбовыми индейскими фермерами.

Помимо высокой концентрации биоугля, почвы Terra Preta содержат большое количество биогенных (образованных живыми организмами) гуминовых материалов и высокую концентрацию питательных веществ для растений, в частности фосфора, которого часто не хватает в оксисолях, из которых были созданы почвы Terra Preta.

Считается, что доколумбовые индейские фермеры Амазонии практиковали подсечно-огневую форму земледелия, при которой они производили и вносили большое количество биоугля вместе с рыбьими костями и различными органическими удобрениями в местные оксисоли, целенаправленно пытаясь улучшить качество почвы.

Почвы Терра Прета являются одними из самых продуктивных почв Амазонии и требуют меньшего количества питательных веществ для устойчивого сельскохозяйственного и садоводческого производства по сравнению с оксисолями, из которых они были сделаны.

Углерод и плодородие почвы

Biochar – это форма древесного угля, которая используется для экологических целей, главным образом в качестве добавки в плодородный грунт или улучшения свойств субстратов для выращивания растений. В субстрате для выращивания овощных культур VEGGIEPON от немецкого бренда LECHUZA, кроме цеолита, пемзы, кокосовой койры, удобрений и вулканической лавы, присутствует биоуголь.

Он образуется в результате неполного сгорания биомассы и представляет собой смесь однокольцевых и конденсированных ароматических углеродов с меньшим количеством алифатических углеродов, водорода, кислорода, азота и других элементов. Добавление биочара в грунт возвращает большую часть питательных веществ, которые уходят из почвы при сборе биомассы.

Влияние биоугля на физические свойства почвы

Биоуголь способен удерживать биодоступную воду и является очень сильным адсорбентом питательных веществ для растений и растворенных органических соединений. Он является эффективным почвенным кондиционером, который уменьшает насыпную плотность почвы и увеличивает способность почвы удерживать и поставлять питательные вещества и воду растениям.

Благодаря этому положительному влиянию на качество почвы, в большинстве исследований было отмечено усиление роста растений на грунтах, удобренных биочаром, однако следует соблюдать осторожность, поскольку качество углерода имеет решающее значение.

Некоторые виды биочара способны связывать питательные вещества либо путем иммобилизации, либо путем адсорбции питательных веществ, либо путем повышения pH почвы до такой степени, что питательные вещества перестают быть биодоступными.

Связывание углерода в почве и стабильность биоугля

Биоуголь является многоцелевой почвенной добавкой для решения двух ключевых глобальных проблем - деградации почвы и изменения климата. Уникальные свойства биоугля заключаются в природе его углеродной структуры, которая более устойчива в почве, чем структура органического вещества, не подвергшегося осаждению. При правильном изготовлении и применении биочар может сохраняться в грунте в течение сотен лет.

Эта характеристика дает биоуглю сравнительное преимущество перед альтернативными методами поглощения углерода в почве, как с точки зрения продолжительности хранения, так и с точки зрения совместимости с традиционными операциями по обработке почвы.

Параллельно с эффектом связывания углерода, применение биоугля способствует улучшению качества почвы и повышению продуктивности сельскохозяйственных культур. Исследования показывают, что биоуголь влияет на плодородие почвы через различные механизмы, включая повышение pH в кислых почвах, прямое снабжение растений питательными веществами и увеличение показателя удержания воды.

Также было обнаружено косвенное влияние на рост растений благодаря уникальным поверхностным свойствам биочара, которые способствуют накоплению в почве доступных для растений питательных веществ. Технология биоуглерода в основном находится на стадии исследований и пилотных проектов.

Для оперативного внедрения потребуются надежные и экономически эффективные методы оценки качества продукции и секвестрации углерода, лучшее понимание воздействия на почвенную биоту.

Урожайность и питание растений

Мета-анализ исследований показал, что в среднем добавление биоугля в почву повышает pH, урожайность, содержание углерода, азота и фосфора, а также концентрацию калия в тканях растений.

В другом мета-исследовании, проведенном в 2011 году, сообщалось о среднем увеличении урожайности на 20%, которое было более выраженным на сильно деградированных почвах, которые практически не получали удобрений.

Внесение биоугля напрямую способствует обеспечению растений питательными веществами, в частности, благодаря содержанию золы. Количество питательных веществ в биочаре зависит от сырья, из которого он изготовлен.

Например, biochar из птичьего помета содержит большое количество фосфора, а из соломы и травы - большое количество калия. Для производства биочара можно использовать богатое азотом сырье, такое, как птичий помет и биотвердые вещества, но значительная часть азота улетучивается во время пиролиза, а оставшийся азот нелегко минерализуется.

Более важным, чем содержание питательных веществ в биоугле, является его способность улавливать питательные вещества при смешивании с другими источниками питательных веществ.

Физические эффекты почвы

Biochar также может изменять физические свойства плодородной почвы, такие, как удержание воды и насыпная плотность. Он имеет низкую насыпную плотность от 0,2 до 1,0 г/см³, в зависимости от сырья, из которого он был изготовлен.

Таким образом, добавление биочара в минеральную почву (насыпная плотность которой обычно составляет 1,3 г/см³) может снизить общую плотность. Биоуголь представляет собой высокопористый материал, похожий на губку, и может адсорбировать воду во много раз больше своего веса. Это свойство может быть полезным для увеличения удержания воды в песчаных грунтах, особенно в условиях засухи.

В тяжелых глинистых почвах добавки биочара увеличивают стабильность макроагрегатов и помогают снизить механическую прочность и сопротивление проникновению в твердые почвы, что благоприятно для роста корней.

В садоводстве биочар успешно используется в высоких концентрациях (от 50% до 75%) в качестве замены торфа, который считается невозобновляемым ресурсом. Буоуголь похож на торф тем, что может удерживать большое количество воды, но имеет преимущество перед торфом в том, что он не сжимается при высыхании. Биоуголь - это черный материал, способный поглощать свет. Изменения в поглощении света влияют на альбедо поверхности.

Недостатки биоугля

В качестве недостатка биоуголь может быть источником загрязнения, принося полиароматические углеводороды (ПАУ), диоксины, ЛОС и тяжелые металлы в зависимости от его исходного сырья и условий производства. Однако биоуголь может иммобилизовать тяжелые металлы посредством сорбции, осаждения и реакций восстановления pH / окисления, и было показано, что он последовательно снижает концентрацию тяжелых металлов в растениях. 

Биоуголь может выступать в качестве источника ПАУ в почвах, однако наблюдаемые концентрации остаются ниже максимально допустимого предела. Биочар обладает способностью адсорбировать пестициды, что потенциально приводит к их накоплению в почвах, хотя они становятся менее доступными и также могут разлагаться биоуглем.