فوائد Biochar في الزراعة وكيفية إنتاجه

 

الجدارة العلمية لفوائد biochar كتعديل التربة تم اختباره لأكثر من ألف عام. أبرزها البرلمان الأسترالي ، إدارة الخدمات البرلمانية ، 10 سبتمبر 2009 ،  "أساسيات Biochar" ؛ biochar يتم إنتاجه بشكل أساسي باستخدام الانحلال الحراري على الكتلة الحيوية - وهي مادة نباتية ونفايات زراعية - ومن هنا جاء الاسم "biochar". الانحلال الحراري هو تسخين المواد العضوية في بيئة منخفضة الأكسجين أو خالية من الأكسجين. ما يميز biochar من الفحم الغرض منه ؛ يتم إنتاجه كمادة مضافة للتربة ، وذلك بشكل أساسي لتحسين الاحتفاظ بالمغذيات وتخزين الكربون. (المرجع: J Lehmann and S Joseph، eds، Biochar للإدارة البيئية ، إيرثسكان للنشر ، لندن ، 2009). تاريخ ال biochar يمتد آلاف السنين.

المصطلح 'biocharظهر لأول مرة في الأدبيات العلمية الحديثة في ورقة قدمها Harshavardhan Bapat و Stanley E. Manahan في الاجتماع الوطني 215 للجمعية الكيميائية الأمريكية في عام 1998. لقد فازوا بالجائزة الأولى لتلك الورقة من قسم الكيمياء البيئية ACS في الفئة من عروض الملصقات التقديمية: Bapat ، و Harshavardhan D. ، و Stanley E. Manahan ، "تحويل Chemchar إلى غاز للنفايات الخطرة والنفايات المختلطة على Biochar ماتريكس "الاجتماع الوطني للجمعية الكيميائية الأمريكية رقم 215 ، دالاس ، 29 مارس - 2 أبريل 1998. لقد كنت ممتنًا لإجراء بحثي للخريجين تحت إشراف الدكتور ماناهان من 1998 إلى 2002.

على الرغم من الدفعة العلمية الحديثة نسبيا لفهم فوائد biochar، أصول مفهوم biochar قديمة. (المرجع: EG Neves، RN Bartone، JB Petersen and MJ Heckenberger، توقيت تشكيل Terra Preta في وسط الأمازون: بيانات جديدة من ثلاثة مواقع في وسط الأمازون ، 2004 ، Springer: Berlin ، London.) في جميع أنحاء حوض الأمازون هناك هي مناطق - يصل عمقها إلى مترين - من "terra preta" ، وهو المصطلح البرتغالي لـ "الأرض المظلمة". هذه تربة شديدة الخصوبة ذات لون داكن دعمت على مدى قرون الاحتياجات الزراعية لسكان الأمازون. توجد هذه المناطق الخصبة فقط حيث احتل البشر المنطقة. كما هو مبين في الصورة (انظر الشكل 1) مقارنة التربة مع تيرا بريتا وبدون الأمازون ، فإن قدرة الذرة على النمو أفضل بشكل ملحوظ مع التربة المظلمة.  Biochar يساوي تيرا بريتا مع نفس الفوائد على الأرض.

الشكل 1. الصورة الائتمان لجولي ميجور وبرونو جليسر

 طول العمر من Biochar

طول العمر biochar، وهي مادة مسامية قائمة على الكربون ، أثبتت أنها توفر غلة أعلى للمحاصيل وتحسن صحة التربة وتحتفظ بالمغذيات في التربة وتمنع ارتشاحها في المياه الجوفية. هناك عدد من الفوائد biochar سيوفر تأثيرًا إيجابيًا في منع مكونات النيتروجين والفوسفور للأسمدة من التسرب إلى الروافد وإيجاد طريقها إلى خليج المكسيك وخلق منطقة ميتة من نقص الأكسجة (القليل من الأكسجين في الماء أو انعدامه):

• قدرة قوية على الاحتفاظ بالهيدروكربونات والمركبات العضوية الأخرى
• سعة تبادل عالية الكاتيون (CEC)
• قدرة امتصاص فيزيائية عالية داخل المسام الكبيرة (تصل إلى 10 ميكرون) إلى مسام دقيقة (نانومتر) (المرجع: موقع AIChE الإلكتروني https://aiche.confex.com/aiche/2015/webprogram/Paper425349.html ) - أرقام ارتباط مساحة السطح تقريبًا 500 m2 / g جافة
• قادرة على الحفاظ على الهيكل كشبكة شعرية مستقرة
• نسبة عالية من الكربون
• المحتوى العضوي العالي
• قادرة على تحسين احتباس الماء في التربة (المرجع: "Biochar بالإضافة إلى التربة الزراعية زاد امتصاص الميثان والقدرة على الاحتفاظ بالمياه - نتائج دراسة ميدانية تجريبية قصيرة الأجل "الزراعة والنظم الإيكولوجية والبيئة 4 (140) 2011-309)

• توفير بيئات قابلة للحياة للميكروبات المفيدة للنمو والتأثير إيجابيا على نمو النبات وكذلك إزالة المواد العضوية الضارة
• عزل الكربون في هيكل مستقر يمنع الكربون من التحول إلى ثاني أكسيد الكربون والمساهمة في غازات الدفيئة

مساحة السطح العالية وقدرة تبادل الكاتيون ممتازة biochar يوفر سطحًا فعالًا لربط الأمونيوم والأمونيا (المرجع: علاج السماد السائل باستخدام Biochar، هانز بيتر شميت ، مجلة إيثاكا ، المجلد 1 (2012) صفحات 273-276 ، ISSN 1663-0521).

تصنيع Biochar

تصنيع biochar يساهم في عزل الكربون ويوفر الوقود الحيوي القابل للاستخدام بالإضافة إلى إنشاء biochar. شاملة، biochar يعتبر التصنيع سلبي الكربون. هذا يعني أنه يتم إزالة الكربون من الغلاف الجوي أكثر مما كان سيتم إطلاقه في ظل الظروف العادية. باستخدام الانحلال الحراري ، تتم معالجة الكتلة الحيوية التي تم الحصول عليها بشكل مسؤول في بيئة أكسجين منخفضة أو بدون أكسجين في درجات حرارة عالية تتراوح من حوالي 400 إلى 800 درجة مئوية. غالبية المواد الأولية / الكتلة الحيوية المستخدمة في biochar يتم الحصول على التصنيع من النفايات أو المنتجات الثانوية من الحقول الزراعية ، مثل بقايا الذرة والعشب ، والأشجار المتساقطة أو المريضة التي تزيلها إدارات الغابات من الغابات. إذا تُركت هذه المواد الأولية لتتحلل بشكل طبيعي ، فإن نسبة عالية من محتواها من الكربون ستتحول إلى ثاني أكسيد الكربون وتنطلق في الغلاف الجوي. التحويل إلى biochar يحبس الكربون في شكل مستقر لا يتفاعل مع الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. يوضح الرسم البياني (انظر الشكل 2) الطريقة الأساسية للتحلل الحراري. في التصنيع ، هناك القدرة على إعادة تدوير الحرارة من الانحلال الحراري لتشغيل الماكينة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن توزيع الحرارة المنبعثة من الانحلال الحراري ككهرباء لاستخدام المستهلك. إذا كانت المادة الأولية رطبة جدًا وكان محتوى الرطوبة أكبر من المستويات المثلى للانحلال الحراري ، يمكن تحويل الحرارة الناتجة عن تفاعل الانحلال الحراري لتجفيف المادة الأولية قبل الدخول إلى خلية المفاعل. لذلك ، فإن تصنيع biochar لديها ميزة علمية إضافية للإشراف على بيئتنا والإيجابية تطبيق biochar على الأراضي الزراعية للاحتفاظ الأسمدة.

الشكل 2مخطط عملية التحلل الحراري - www.dynamotive.com

The Smart Group Inc ، تقرير بتاريخ مايو 2013 ، "Biochar ومعالجة الأراضي والمياه المضطربة - استعراض آثار Biochar عن الحد من تركيز الملوثات في التربة والمياه المضطربة "توفر الدعم من الدراسات الأكاديمية المتعددة التي تؤكد فعالية biochar للاحتفاظ بمركبات النيتروجين والفوسفور. (انظر الشكل 3)

الشكل 3. طالب جامعي - Biochar وفعالية النيتروجين والفوسفور

استنادًا إلى دراسة أجرتها جامعة بوردو بعنوان "بناء توصيات الأسمدة النيتروجينية للذرة الجديدة لولاية إنديانا - نتائج تجارب معدل النيتروجين لعام 2006" بقلم جيم كامبيراتو ، بوب نيلسن ، دان إميرت ، وبراد يورن ، https://www.agry.purdue.edu/ext/soilfertility/Nratetrials.asp ، نتج عن العائد الاقتصادي الأمثل 3.50 دولار لكل بوشل من الذرة عند 0.30 دولار لكل رطل من النيتروجين في 177 رطلاً من النيتروجين لكل فدان. مع انخفاض سعر الذرة وزيادة سعر النيتروجين يكون التأثير الاقتصادي 148 جنيها من النيتروجين للفدان. كان متوسط ​​المحصول 185 بوشل من الذرة لكل فدان. من بين أكثر من 150 رطلاً من النيتروجين لكل فدان ، قد يكون هناك ما يصل إلى 50 رطلاً من فقدان النيتروجين. كانت خسائر النيتروجين النموذجية من التربة الثقيلة في الشتاء والربيع في حدود 20 إلى 50 رطلاً من النيتروجين لكل فدان في دراسات تصريف البلاط في جامعة بوردو (Brouder et al. ، 2005 ، https://www.agry.purdue.edu /ext/corn/news/articles.08/floodingnitrogen-0613.html). لذلك ، مضيفا biochar إلى التربة سيحتاج إلى الاحتفاظ بما يقدر بنحو 50 رطلاً من النيتروجين. مزيج 5٪ من biochar في أعلى 5 بوصة من التربة ما يعادل 33.6 ياردة مكعب من biochar. يقدر بوزن 750 جنيها لكل ياردة مكعبة biochar يساوي إجمالي وزن 25,200 رطل من biochar للدونم الواحد. بناءً على هذا السيناريو ، فإن biochar سوف تضطر إلى استخدام أقل من 0.2٪ من كتلتها للاحتفاظ بـ biochar. القيم المماثلة تنطبق على الفوسفور. من المعقول أن نفترض أن biochar لديه فرصة كبيرة للاحتفاظ بالنيتروجين الذي لا تستخدمه المحاصيل أو لا يتم الاحتفاظ به في التربة بواسطة آليات أخرى.

الأمونيا (NH3) والأمونيوم (NH4 +) أيون ممتازة في الامتصاص مع biochar.  Biocharقدرة التبادل الكاتيوني ، والقدرة على biochar للاحتفاظ بالكاتيونات وتبادلها ، فهي مرتفعة لأسباب عديدة. أولاً ، هناك مسامية عالية لـ biocharسطح أثناء الانحلال الحراري. كما أن لديها كثافة شحن عالية على السطح. يعطي استخدام الانحلال الحراري عالي الحرارة بنية عطرية قوية ونسبة C: O أعلى من استخدام الانحلال الحراري بدرجة حرارة منخفضة. سيكون من أفضل الممارسات أن تكون الأنواع الأولية من النيتروجين المستخدمة في الأسمدة في شكل الأمونيا و / أو أيون الأمونيوم. الامتصاص على biochar السطح يرجع في المقام الأول إلى التفاعلات الكهروستاتيكية. فيما يتعلق بالأمونيا ، هناك العديد من الوثائق لدعمها biocharالقدرة على جعله متاحًا بيولوجيًا للمحاصيل. على وجه التحديد، biochar يؤثر على تحولات نيتروجين التربة وقدرتها على امتصاص الأمونيا معروفة جيدًا (المرجع: Taghizadeh-Toosi، A.، Clough، TJ، Sherlock، RR et al. Plant Soil (2012) 350: 57).

يعد استخدام الميكروبات المفيدة لزيادة امتصاص الأسمدة للمحاصيل واعدًا بنقل أكثر كفاءة للنيتروجين إلى المحاصيل. هذه الميكروبات هي جزء مهم من تحويل النيتروجين إلى نترات. الشكل القابل للاستخدام للنباتات. يسمح استخدام الأسمدة في مادة بدء تشغيل الأمونيا و / أو أيون الأمونيوم للميكروبات بتحويل النيتروجين إلى نترات تمتصه جذور النبات. إن التحكم في الميكروبات في معدل محادثة النيتروجين إلى النترات سيؤدي إلى زيادة كفاءة استخدام النيتروجين بواسطة المحاصيل. وهذا بدوره يمنع ارتشاح النترات في المياه الجوفية.

هل فوائد Biochar حجم

قابلية استخدام biochar في الحقول الزراعية لمنع النيتروجين من تحسين صحة التربة وزيادة غلة المحاصيل في الأراضي الزراعية في جميع أنحاء العالم. ستكون هناك سلسلة من الأحداث الإيجابية من استخدام biochar. أولاً ، سوف يستخدم المزارعون كميات أقل من المياه. ثم يتفاعلون مع اختبار التربة باستخدام كمية أقل من الأسمدة. ستوفر زيادة غلة المحاصيل قيمة مضافة لمزارعهم. هذه فكرة كبيرة لديها بالفعل قابلية التوسع في المكان.

تصنيع biochar تم إنجازه لأكثر من ألف عام. من خلال هذا الجدول الزمني ، يمكننا القول أنه حتى المقيم البسيط الذي لديه مزرعة كفاف صغيرة في بلد من دول العالم الثالث يمكنه كسب ما يكفي biochar لإفادة مجالهم. على الجانب الآخر من ذلك ، في دولنا الصناعية التي تواجه قضايا تنظيمية للملوثات البيئية ، هناك نمو قوي في الطاقة المتجددة والزراعة الذكية. إن استخدام وحدات التغويز والتحلل الحراري الموجودة في جميع أنحاء الولايات المتحدة والعالم ينتج بالفعل biochar كمنتج ثانوي. هذا المنتج الثانوي (biochar) له قيمة اقتصادية لاقتصاد أكبر. يقلل المزارعون من تكاليف التشغيل لأنهم سيحتاجون إلى كميات أقل من المياه والأسمدة بسبب biocharثبت قدرته على الاحتفاظ بها في التربة. سيؤدي التوافر البيولوجي المتزايد للنيتروجين للمحاصيل إلى زيادة الغلة وتوفير المزيد من الغذاء للعالم وأرباح أعلى للحفاظ على المزارعين (الكبار والصغار) في الأعمال التجارية. يمكن لشركات الطاقة التي تبحث عن مصادر الطاقة المتجددة تحسين الكتلة الحيوية كمنتج للطاقة ودمجها biochar في نموذج أعمالهم كمصدر للدخل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن شفاء الأنهار والمحيطات سيزيد من أعداد الأسماك ، وبالتالي صناعة صيد الأسماك. التأثير العالمي على نطاق واسع biochar الاستخدام في الأراضي الزراعية هو عزل الكربون وتقليل غازات الاحتباس الحراري ، مثل ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع. استخدام تقنيات محايدة الكربون مفيد للعالم ، ولكن biochar أدرجت في الأراضي الزراعية هو أفضل.  Biochar سالب الكربون. سيساعد على عكس كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عن طريق حبس الكربون في التربة!

من ملاحظة خاصة ، هناك الآن biochar مرافق التصنيع في جميع أنحاء الولايات المتحدة التي تتطلع إلى إنتاج biochar كمنتج رئيسي وليس منتج ثانوي لإنتاج الطاقة. ماذا يعني هذا؟ هذا يعني أن هناك اهتمامًا جادًا بإنتاج جودة biochar التي يمكن نقدها لدعم الموظفين ولديها سوق للاستهلاك.

Biochar لديها عوامل محددة تتضمن قابلية التوسع. هناك ثلاثة عوامل رئيسية للقياس biochar:

• المواد الأولية / الكتلة الحيوية للإنتاج biochar
• توافر الانحلال الحراري والتغويز والآلات الأخرى للإنتاج biochar
• وسيلة لنقل biochar للمزارعين

هذه المجالات الثلاثة يمكن إدارتها ، ولكنها تتطلب دعمًا من الصناعة والحكومة. هناك كمية كبيرة من المواد الخام المتاحة. يمكن أن تكون الكتلة الحيوية عبارة عن أشجار يتم إزالتها بمسؤولية من الغابة بواسطة إدارات الغابات. تم العثور على الكتلة الحيوية في حطب الذرة بعد حصاد المزارع والأعشاب من الحقول. يتم إنتاج الكتلة الحيوية باستمرار من قبل المزارعين الذين نطلب استخدامها biochar في مجالاتهم. المصادر الأخرى للكتلة الحيوية هي نفايات الغابات ، والنفايات البشرية المعالجة ، ومخلفات الصناعة. على سبيل المثال ، تقدر الكمية الإجمالية للأطنان الخضراء (الكتلة الحيوية) في ولاية أوريغون وشمال كاليفورنيا وحدهما بأكثر من 12 مليون طن فقط من التخفيف في الغابات (المرجع: http: // fingerlakesbiocharكوم / فضح-ال-biochar-إزالة الغابات- أسطورة /).

توافر الانحلال الحراري ، تغويز أو غيرها من التكنولوجيا المحسنة لإنتاج biochar يتحسن بسرعة. لقد ثبت أن أساس هذه الوحدات مع مرور الوقت وفعال في جعلها قابلة للاستخدام biochar. ليس من غير المعقول أن تنتج شركة متواضعة ما بين 10 إلى 100 طن من biochar يوم. عمليات على نطاق أوسع ممكنة أيضا.

فيما يتعلق بقضايا النقل لل biochar بالنسبة للأراضي الزراعية ، توجد أنظمة لوجستية حالية لإحضار بذور المزارعين والأسمدة والمواد الأخرى بكميات كبيرة. اعتمادًا على المزارع ، يمكنهم استخدام مرفق تخزين إقليمي لشراء وإحضار biochar الى الحقل. قد يكون لدى المزارع الكبيرة القدرة على تخزين biochar في الموقع للاستخدام في المستقبل. ال biochar يمكن تخزينها خارج في جميع المناخات في جميع أنحاء العام.  Biochar يرصد أن يكون في العناصر.

هناك إيجابيات قوية لتوسيع نطاق biochar. بمجرد أن يكون الحقل biochar دمجها في التربة biochar ستبقى هناك لسنوات قادمة. يمكن للمزارعين مراقبة صحة التربة الخاصة بهم وتحديد ما إذا كان هناك المزيد biochar مفيد بمرور الوقت. يمكن إنقاذ المزارعين الذين لديهم أرض غير قابلة للزراعة بسبب ظروف التربة السيئة biochar.  Biocharيمكن أن تكون قدرتها على زيادة الميكروبات المفيدة ، ومحتوى الكربون ، والتهوية ، واحتباس الماء ، وعلاج المواد العضوية والمعادن الضارة أداة لا تقدر بثمن للمزارع للاستفادة من الأراضي التي لم تكن قابلة للزراعة في السابق.

العلاقة بين إجمالي مساحة الأراضي الزراعية وكمية السماد المستخدمة على الأرض وكمية biochar اللازمة لعزل النيتروجين الزائد قابلة للتطوير ومتناسبة مع المزرعة. ما إذا كان المزارع يختار تطبيق نسب أصغر من biochar مع مرور الوقت لنشر التكاليف أو لديه الوسائل لتوظيف كل ما هو مطلوب biochar المطلوب في وقت واحد سوف لا تزال لها آثار إيجابية على احتباس النيتروجين.

المعدات الزراعية قادرة على الانتشار biochar كمكيف للتربة. هناك طرق متعددة للتقديم biochar في مجال. يمكن رميها من مؤخرة شاحنة ثم حرثها في حقل. ال biochar يمكن خلطها مع الأسمدة الجافة وانتشارها في تركيبة.  Biochar لديه القدرة على أن يكون حبيبات تمتزج جيدًا مع المواد الصلبة الأخرى. يمكن أيضًا تحويله إلى مسحوق ناعم يمكن خلطه بالمحلول ورشه من خلال فوهة. تملي أفضل الممارسات أن تكون الوسائط وطريقة التحكم في فقد النيتروجين في الحقول قابلة للتكيف مع الممارسات الزراعية الحالية.  Biochar لديه المرونة ليتم دمجها في العديد من طرق التسليم في التربة.

العرض مقابل الطلب

ستزيد المواد الأولية من خلال التنسيق مع المزارعين لمخلفات المحاصيل والصناعات الأخرى. يمكن أيضًا استخدام مرافق خدمة المزرعة الحالية التي تدعم حاليًا الأسمدة وتخزين البذور biochar تخزين. على سبيل المثال ، تحتوي مصانع الورق على نفايات هائلة من مادة السليلوز التي يمكن تحويلها إلى biochar. تحتوي صناعة الأخشاب على كميات كبيرة من نفايات الخشب التي يمكن تحويلها إلى biochar. بمجرد ملء الحقل بالمبلغ الموصى به biochar لن يكون لديك biochar مختلطة معها لسنوات عديدة. يمكن مراقبة صحة التربة لتلبية الاحتياجات المستقبلية.

مسألة التعامل والصحة عند استخدام biochar ذات صلة بقابلية التوسع. عندما يتم تصنيعها بطريقة مسؤولة ، biochar سوف تحصل على منتج بيولوجي معتمد من وزارة الزراعة الأمريكية. المنتج المصنّع آمن للتعامل مع الحد الأدنى من المشكلات. يتطلب التعامل معها كمسحوق ناعم معدات حماية شخصية مناسبة مماثلة لأي مناولة لمسحوق.  Biochar المصنوع للاستخدام الزراعي ليس المقصود منه أن يكون وقودًا ولكن يمكن أن يحترق في الظروف المناسبة.  Biochar ليس فحم. لا يحتوي على زيوت ومكونات أخرى تزيد من الإطلاق الحراري للطاقة. معظم biochar يتم نقله بكميات كبيرة مع محتوى رطوبة بين 30٪ و 50٪ ماء. الرطوبة تحافظ على الحبيبات من أن تأخذها الرياح بسهولة.