1. Роль углерода в почве
2. Biochar - Электрическая Углеродная Губка
3. Хорошо выдержанный сыр
4. Кикстартовый компост с Biochar
5. 1. Биочар сохраняет компост влажным и газированным, способствуя повышению биологической активности.
6. 2. Биочар увеличивает задержку азота
7. 3. Biochar улучшает зрелость компоста и содержание гуминов
8. 4. Биочар компост улучшает рост растений
9. Как мы можем использовать биочар для работы в почве?

Впервые биочар получил широкое общественное признание на примере Амазонки, где гипотеза заключается в том, что жители Амазонки в течение столетий добавляли биочар вместе с другими органическими и бытовыми отходами, чтобы преобразовать поверхностный горизонт почвы в высокопродуктивную и плодородную почву под названием Terra Preta, которая находится в прямом контрасте с типичными выветрившимися оксизольными почвами в непосредственной близости. Biochar волнует многих людей из-за его роли в таких процессах почвообразования. Те, кто использовал биочар в течение нескольких лет, могут получить ощутимые положительные результаты, но они могут не иметь четких представлений и теорий о том, как он работает. Биочар является неоднородным и химически сложным материалом, и его действия в почве трудно разделить и объяснить механически.

В этой статье я опишу некоторые из наиболее надежных теорий о том, как биоуголь работает в почвах, объясняя эти механизмы на общем языке. Я начинаю с изучения роли углерода в почве в целом, а затем углубляюсь до «нано-масштаба», рассматривая химические, электрические, физические и биологические процессы, которые биочар стимулирует. Хотя в настоящее время проводятся многолетние полевые исследования, в которых показано влияние биочара на разные культуры, из этих исследований трудно сделать общие выводы, поскольку в них используются разные виды биочара в разных типах почв с разными культурами. Чтобы действительно понять биочар, возможно, более полезно сначала взглянуть на некоторые общие функции и свойства биочара. Затем я смотрю на его поведение в компосте, который похож на экспериментальный инкубатор, где ускоряются многие почвенные процессы. Я рассмотрю несколько недавних исследований биочара в компосте, чтобы предварительно объяснить, что на самом деле делает биочар, когда вступает в контакт с органическим веществом и минералами - основными составляющими почв.

Роль углерода в почве

Чтобы понять биочар, мы должны сначала оценить роль углерода в почве. Углерод в почве бывает разных форм. Существует два основных пула углерода: органический и неорганический. Органические формы могут быть далее разделены на «непокорный углерод» или устойчивый к распаду, такой как гумус, и «лабильный углерод», где углерод является как биодоступным (в форме легко разлагаемых соединений, таких как масла, сахара и спирты), так и физически доступным. микробам (не связанным с минералами). В пул органического углерода входят как живые, так и мертвые, разлагающиеся тела бактерий, грибков, насекомых и червей, а также растительный мусор и навоз. Неорганический углерод состоит из карбонат-ионов, которые обычно встречаются в виде солей, таких как карбонат кальция, и доломитовых минералов, в основном в форме камней и песка. Однако главное отличие пула неорганического углерода состоит в том, что он не обеспечивает микробов энергией для подпитки реакций строительства почвы.

Эволюция почвы показывает, как работает процесс строительства почвы. До того, как фотосинтетические бактерии трансформировали атмосферу Земли, наполняя ее кислородом, почва была не чем иным, как минеральной смесью бескислородной зеленой глины. После поступления кислорода в атмосферу минералы начали реагировать с кислородом, и в почве появились красные оксиды железа. Хорошие органические, богатые, продуктивные почвы развивались медленно только после того, как водоросли и членистоногие выползли из моря на сушу и укоренились растения (Fortey, 1999). Жизнь колонизировала землю и начала сбрасывать ее истощенные, израсходованные и выброшенные части на землю, где они образовали богатый углеродом банкет, который позволял новой жизни питаться и расти, используя фотосинтез для накачки еще большего количества энергии в систему.

Создание почвы является продуктом самоусиливающейся, положительной обратной связи. Но уменьшение почвы также является самоусиливающейся петлей, которая может привести к катастрофическим потерям почвы. Большинство форм сельского хозяйства, как правило, истощают углерод в почве, уменьшая количество естественных органических веществ, поступающих от листопадов и плодов, а также от древесного мусора, который обнаружен в природных экосистемах. Тем не менее, современное сельское хозяйство, основанное на химии, значительно сокращает содержание углерода в почве. Азотные удобрения в сочетании с обработкой почвы ускоряют микробное дыхание, сжигая углерод в почве быстрее, чем его заменяют. Из-за утраты резервуаров с органическим углеродом многие почвы стали почти безжизненными субстратами, которые должны постоянно питаться поливной водой, минеральными питательными веществами и пестицидами для получения урожая. Несмотря на продуктивность в краткосрочной перспективе, эта практика не является устойчивой. Почвовед Раттан Лал (2010) подсчитал, что «большинство сельскохозяйственных почв потеряли от 25% до 75% своего первоначального запаса органического углерода в почве (SOC)».

Возможно ли, что biochar может заменить часть этого недостающего углерода в почве? Некоторые из наиболее продуктивных и устойчивых почв в мире содержат значительные количества «естественного» биоугля. Природа производит мегатонны биочара в процессе естественных лесных пожаров в лесах (Goldberg, 1985). Прерийные пожары также могут генерировать много биочара (Old, 1965). Высокие травы горят быстро и жарко, однако, близко к земле, где начинаются корни, воздух исключается, поэтому основание трав будет пиролизоваться, а не гореть. Этот вид природного угля присутствует в некоторых наиболее ценных сельскохозяйственных почвах в мире: богатых углеродом черноземах российской степи и молизолях прерий Среднего Запада США (Skjemstad et al, 2002; Glaser & Amelung, 2003) , Недавно ученые (Мао и др., 2012) более внимательно изучили моллизолы и обнаружили, что они содержат древесный уголь, который «структурно сопоставим с углем в почвах Терра-Преты и гораздо более распространен, чем считалось ранее (40–50% органических C) «.

Biochar - Электрическая Углеродная Губка

Углерод существует во многих формах, и терминология, используемая для его описания, может сбивать с толку. Органический углерод относится к углероду в соединениях, которые содержатся в живых или некогда живых существах. Эти соединения включают водород и кислород в форме углеводородов и углеводов. Неорганический углерод включает карбонаты, такие как известняк, и хотя некоторые формы жизни используют карбонаты для создания своих раковин или скелетов, эти соединения все еще называют «неорганическими». Минеральный углерод относится к твердым частицам углерода, таким как алмаз и графит, а также к газам углерода (CO2, CO и многие другие). Кроме того, существует множество способов размещения атома углерода в твердом теле, что приводит к различным физическим структурам, которые называются аллотропами. Аллотропы минерального углерода включают алмаз, графит, графен, бакиболлы и углеродные нанотрубки (рис. 1).

Рисунок 1. Восемь аллотропов углерода: а) алмаз, б) графит, в) лонсдейлит, г) C60 (Buckminsterfullerene или бакибол), е) C540, f) C70, g) аморфный углерод и h) одностенная углеродная нанотрубка. или бакитуб. Дизайн, созданный Майклом Стрек От: en.wikipedia.org - Allotropes_of_carbon

Так что же такое биочар? Органический или минеральный углерод? На самом деле биочар представляет собой смесь того и другого, в зависимости от условий образования. Но давайте сначала посмотрим, как производится биочар. Биочар изготавливается путем нагревания биомассы при исключении воздуха. Этот процесс называется пиролизом, который включает сушку биомассы и последующее выделение легковоспламеняющихся паров. Технически это можно сделать разными способами. Некоторые методы используют реторту, которая представляет собой закрытый сосуд, который нагревается снаружи. Тепло передается через металлический сосуд, и пары выходят из вентиляционного отверстия, где они могут быть сожжены и помогают нагревать реторту. Газификация - это еще один метод, который обеспечивает достаточное количество воздуха для сжигания паров, но предотвращает полное сгорание материала биомассы, исключая воздух из зоны древесного угля, тем самым сохраняя биоуголь. Существует много других методов производства древесного угля, которые варьируются от простых печей до многомиллионных машин, производящих энергию в виде газа или жидкости из паров.

Получающийся уголь напоминает почерневшую, сжатую версию оригинальной биомассы. Но сейчас в нем очень мало водорода и кислорода. Микроскопически он наследует большую часть структуры исходной биомассы. Единственное отличие состоит в том, что материал теперь был преобразован из лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы во многие из аллотропов углерода, показанных выше (рисунок 1); тем не менее, вы не найдете никаких алмазов в biochar! То, что вы найдете, - это коллекция разрозненных графитовых кристаллов на основе углеродных колец гексагональной формы с небольшим количеством оставшегося водорода и кислорода, а также минералов (золы), которые были в исходном сырье. Эти гексагональные углеродные соединения представляют собой конденсированные углеродные кольца. Сплавленные углеродные кольца также называют «ароматическим» углеродом (еще один запутанный химический термин - это не означает, что соединение обладает сильным ароматом, хотя некоторые из них, например, бензол, обладают). Они очень устойчивы, и микробам требуется много времени, чтобы разрушить их. Чем больше вы нагреваете биомассу, тем больше создается этих конденсированных углеродных колец (Keiluweit et al, 2010). Кольца соединяются друг с другом, образуя слои и слои прерывистых, смятых листов - кристаллов графита. Однослойный лист называется графен. Перемешивание биочара с углеродными кристаллитами является важным источником его пористости - представьте себе все крошечные промежутки в складках между листами.

Biochar начинается как органический и становится более минеральным с нагревом. Эта минеральная трансформация создает скелетную структуру, которая выглядит как угольная губка (рис. 2). В то время как минеральная структура с конденсированным углеродным кольцом едва ли способна к биологическому разложению, конденсированные пары, которые могут быть обнаружены в порах и на его поверхности, менее ароматичны и более биоразлагаемы, и поэтому их можно считать органическими фазами биочара.

Рисунок 2. Скелетная структура биочара выглядит как угольная губка.

Сплавленные углеродные кольца также ответственны за электрическую активацию биоуглеродной углеродной губки. Сплавленные углеродные кольца образуют особую связь друг с другом, которая позволяет электронам перемещаться вокруг молекулы (рис. 3), создавая электрические свойства, подобные тем, которые обнаруживаются в инженерных углеродных материалах, таких как листы графена и углеродные нанотрубки. В зависимости от температуры пиролиза и конечного расположения атомов, биочар может быть изолятором, полупроводником или проводником электричества. Электрически активные конденсированные углеродные кольца также поддерживают окислительно-восстановительные или окислительно-восстановительные реакции, которые важны для биохимии почвы, действуя как источник и сток электронов. В почвах микроорганизмы используют ароматический углерод как в качестве донора электронов, так и в качестве акцептора электронов во время метаболических химических реакций (Lovley et al, 1996). Биочар, по-видимому, не только служит электронным буфером для окислительно-восстановительных реакций (Klupfel et al, 2014), но также помогает бактериям обменивать электроны между собой, улучшая их метаболическую эффективность как микробного сообщества (Kappler et al, 2014; Chen et al, 2014).

Рисунок 3. Специальная связь конденсированных углеродных колец, примером которой является молекула бензола. Электроны в 6-орбитали делокализованы вокруг гексагонального углеродного кольца. Creative Commons CC-BY-SA: http://en.wikipedia.org/wiki/Conjugated_system

Благодаря своим порам и электрическим зарядам биочар способен как к поглощению, так и к адсорбции. Абсорбция (AB-сорбция) является функцией объема пор. Большие поры поглощают воду, воздух и растворимые питательные вещества, как обычная губка. Адсорбция (AD-сорбция) зависит от площади поверхности и заряда. Поверхности биочара, как внутренние, так и внешние, адсорбируют материалы с помощью электрохимических связей, работая как электрическая губка.

Пористость проявляется во многих масштабах: от относительно крупных сосудистых и клеточных структур, сохранившихся от исходной биомассы, до нанопор, образованных крошечными молекулярными дислокациями. Количество пористости зависит в основном от исходного материала, размера частиц и самой высокой температуры обработки (HTT) (Brewer et al, 2014). Температура определяет, сколько летучих компонентов (водород и кислородсодержащие соединения) будет удалено и сколько образуется чистого углеродного графита. Как правило, пористость увеличивается при удалении большего количества летучих веществ, что очищает поры, хотя они могут повторно закупориваться, когда пары не полностью удаляются и конденсируются на образующихся поверхностях биочара. Кроме того, при температурах, приближающихся к 1000 градусов Цельсия, поры начинают разрушаться или таять. По этой причине HTT является ключевой переменной, которую необходимо знать при указании биочара для конкретной цели. Пористость также будет зависеть от исходного сырья, так как сырье с высоким содержанием золы, например трава, реагирует на нагрев совершенно иначе, чем сырье с низким содержанием золы, такое как древесина или бамбук. Для древесного сырья пористость обычно достигает пика при HTT около 750 градусов C (Downie et al, 2009).

Когда несколько ароматических углеродных колец цепляются вместе с небольшим количеством водорода на их внешних сторонах, они называются полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). Эти соединения состоят только из углерода и водорода (рис. 4). В большинстве случаев, чем они длиннее, тем стабильнее они. Тем не менее, 16 (идентифицировано EPA США) молекул ПАУ подтверждены или предположительно опасны для окружающей среды и здоровья человека. Эти ПАУ в основном содержатся в саже и смоле и образуются при всевозможных пожарах или термическом разложении биомассы и ископаемого топлива. Они также производятся, когда производится биочар; однако большинство из них отгоняется с парами, так как их температура кипения ниже обычной температуры пиролиза. Если условия пиролиза и разделения твердого биочара и паров не оптимизированы (как в некоторых газификаторах), полученные химические вещества могут стать проблемным загрязнением биочара и потенциально опасными для окружающей среды и пользователя (Hilber et al, 2012; Hale et al, 2012). По этой причине Международная инициатива по биочарам (IBI, 2012) и Европейский сертификат по биочарам (EBC, 2012) разработали аналитические протоколы для качественных биочаров, гарантируя, что никакие опасные вещества не попадают в экосистемы в критических количествах.

Рисунок 4. Представление ПАУ в виде шарика и клюшки. По часовой стрелке сверху слева: бенз (е) ацефенантрилен, пирен и дибенз (ах) антрацен. Разработано: Денис Богдан, Creative Commons CC-BY-SA: https://en.wikipedia.org/wiki/Polycyclic_aromatic_hydrocarbon

Интересно, что биочар также эффективен в качестве адсорбента ПАУ и может быть использован для очистки ПАУ и других веществ от почвы (Chen & Chen, 2009). Биочары, сертифицированные IBI и EBC, с низкой измеримой концентрацией ПАУ могут потенциально уменьшить количество выщелачиваемых ПАУ, уже существующих в почвах, за счет адсорбции на биочар. Независимо от этого факта необходимо контролировать содержание ПАУ в биочаре, так как в противном случае хорошая идея может легко превратиться в противоположность. Проблемным в этом отношении является то, что анализы на ПАУ являются дорогостоящими и в большинстве стран еще не доступны. Чтобы проверить биочар в отсутствие сложного анализа, вы можете просто понюхать его и потрогать. Если он пахнет чем-то, не используйте его. Потрите немного на своей коже. Если он кажется жирным и требует удаления мыла или моющего средства, не используйте его без дальнейшего тестирования. Этот простой полевой тест работает довольно хорошо, потому что ПАУ налипают на биочар в значительных количествах только в том случае, если конденсаты из паровой фазы адсорбируются в процессе производства - в этом случае многие другие соединения, оставляющие запах или вкус, также прилипают к поверхности биочара.

Хорошо выдержанный сыр

Биочар не почва. Углеродная электрическая губка - это только ингредиент минерального и органического рагу, из которого состоит почва. Блюдо, как правило, паштет, состоит из того, что обеспечивают местные геология и биология. Однако почвы Terra Preta разные. Плодородие этих черных, богатых гумусом почв во много раз больше, чем окружающих, сильно выщелоченных красных почв. Возможно, они были преднамеренно созданы на протяжении веков людьми, живущими на плотно обустроенных высоких утесах вдоль реки Амазонки. Считается, что ингредиенты включали в себя древесный уголь, пепел, пищевые отходы и человеческие экскременты, но как они на самом деле объединяются в Terra Preta, неизвестно. Объяснение формирования Terra Preta похоже на определение рецепта хорошего сыра камамбер. Вы можете проанализировать все ингредиенты и при этом не иметь ни малейшего представления, как их приготовить, если не научитесь этому у ремесленников.

Одна вещь, которая становится очевидной после десятилетия научных исследований в области биочаров и первых результатов многолетних полевых испытаний, заключается в том, что, как и в случае с хорошим сыром, измерение времени имеет решающее значение. С того момента, когда биоуголь извлекается из печи, его поверхности начинают окисляться и образовывать новые соединения. Эти изменения приводят к различным молекулам, прикрепленным к поверхности, называемым «функциональными группами», состоящими в основном из кислорода, водорода и углерода. Эти функциональные группы способны связываться с питательными веществами и минералами, в то время как конденсированные углеродные кольца поддерживают окислительно-восстановительные реакции и челночные электроны вокруг микробного сообщества, прикрепленного к поверхности биоугля, потенциально усиливая микробный метаболизм и круговорот питательных веществ. Конечным результатом этого брожения может быть любой из «терруарных» ароматов Terra Preta, в зависимости от того, какая почва, органическое вещество, минералы, вода и формы жизни вступают в контакт с биочаром, и сколько времени это должно созревают. Но если вы попробуете сыр до того, как он созреет, это просто кислое молоко.

Необработанный биоуголь, помещенный в почву до того, как он сможет собрать заряд питательных веществ, может фактически снизить урожайность, потому что 1) он уменьшает доступность питательных веществ для растений путем их связывания и иммобилизации и / или 2) он может добавлять летучие органические соединения (лабильный углерод ) которые питаются цветением микробов, которые поглощают азот в почве, лишая растения. Эти проблемы легко исправить, добавив удобрение в древесный уголь, чтобы компенсировать этот эффект. Как только лабильная углеродная фракция израсходована, биоуголь вступает в новую фазу - глубокое измерение во времени, когда его углеродная матрица стабильна в течение сотен и тысяч лет и может стать ядром гуминовых веществ, которые кристаллизуются вокруг мелких частиц биочара (Kluepfel et al. , 2014); по крайней мере, это то, что предполагает существование древних плодородных черноземных почв.

Фактически, биочар, созданный естественным или искусственным путем, может быть основой многих гуминовых материалов, обнаруженных в почвах (Hayes, 2013). Очень мало гумуса естественным образом образуется в тропических почвах, где высокие температуры и влажность ускоряют микробное разложение, однако в почвах Terra Preta высокое содержание гумуса. Чтобы понять почему, Лян и др. (2010) добавили новое органическое вещество как в почву Terra Preta, так и в прилегающую бедную естественную почву. Они обнаружили, что больше органического вещества сохраняется в виде стабильного гумуса в почве Terra Preta. Совокупность факторов может привести к этому результату. Поверхности Biochar адсорбируют углерод и удерживают его в соединениях с минералами, поддерживая в то же время большое микробное сообщество, которое потенциально более эффективно использует органический мусор, содержащий углерод и другие питательные вещества. Существование этого механизма повышает вероятность того, что почвы Terra Preta, таким образом, способны накапливать дополнительный углерод более эффективно, чем прилегающие почвы.

Если для производства гумуса в тропических почвах нужен биочар, как насчет компоста? Хорошо сбалансированный компост с оптимальным соотношением C: N будет содержать много гумуса. Однако, если недостаточно стабильного углерода (из дерева, соломы или других источников лигнина), то легко разлагаемые сахара, жиры и белки будут полностью потребляться микробами, оставляя очень мало субстрата. Это то, что происходит в тропических почвах, где высокая температура, влажность и высокая микробная активность разлагают упавший лист почти сразу, как только он падает на землю, позволяя сформироваться очень небольшому количеству почвы.

Ряд исследований показал, что биочар имеет ценность как компонент в компосте, который может помочь в сборе питательных веществ и образовании гумуса. В следующем разделе мы рассмотрим некоторые из этих результатов и объясним, почему биочар полезен в компосте. Ответы также расскажут нам многое о том, как биоуголь ведет себя в почве, потому что компост ускоряет многие процессы, происходящие в здоровой почве.

Кикстартовый компост с Biochar

Если вы посмотрите на список того, что biochar должен делать в почве, вы обнаружите, что он очень похож на списки, которые вы видите для компоста. Говорят, что и биочар, и компост обеспечивают эти преимущества, взятые из различных заявлений производителей биочара и компоста:

• Улучшает уклон и уменьшает насыпную плотность почвы
• Увеличивает влагоемкость почвы
• Становится более стабильным в сочетании с глинистыми минералами
• Увеличивает емкость катионного обмена (CEC - способность удерживать и переносить питательные катионы: аммоний, кальций, магний и калий)
• Улучшает использование удобрений, уменьшая выщелачивание из корневой зоны
• Сохраняет минералы в доступной форме растений
• Поддерживает микробную жизнь и биоразнообразие почвы
• Помогает растениям противостоять болезням и патогенам
• Помогает растениям расти лучше в условиях высокой концентрации соли
• Добавляет гумусовый углерод в углеродный пул почвы, уменьшая углеродный пул в атмосфере

Если компост действительно может делать все эти вещи, зачем нам нужен биочар? Ответ двоякий:
Во-первых, в отличие от биочара компост быстро разрушается под воздействием микробов в почве в течение нескольких месяцев, самое большее, десятилетий, в зависимости главным образом от климата. Биочар длится как минимум в десять раз дольше на большинстве почв. Недавно я позвонил агенту по расширению сельского хозяйства в Калифорнии с вопросом о добавлении компоста в поля для улучшения способности удерживать воду. Мне сказали, что из-за жаркого климата необходимо, как минимум, два применения в год, чтобы поддерживать достаточное количество органического вещества в почве для изменения способности удерживать воду. Помимо затрат на применение такого большого количества компоста, компоста просто недостаточно для поддержки таких высоких показателей применения.
Во-вторых, биочар имеет важные синергетические эффекты при добавлении в компост. Исследователи считают, что биочар дает более быстрый, более богатый питательными веществами, более биологически разнообразный и более увлажненный, стабильный компост. Ниже я рассматриваю некоторые из наиболее важных эффектов биочара и обобщаю некоторые недавние результаты исследований.

1. Биочар сохраняет компост влажным и газированным, способствуя повышению биологической активности.

Процесс компостирования регулируется различными физическими параметрами, которые могут быть изменены путем добавления биоуглеродных материалов в качестве наполнителей. Некоторые из параметров, которые больше всего влияют на компост: аэрация, влажность, температура, объемная плотность, pH, буферность электронов и сорбционная способность наполнителей. Вода и воздух удерживаются в поровых пространствах и пустотах биоразряда, а также в пространствах между частицами. Влага также является средством для приведения растворенного органического углерода, азота и других растительных питательных веществ в контакт с поверхностями биочара, где они могут быть захвачены. Стабильная углеродная матрица Biochar принимает электроны от разложения органических соединений, буферизуя электрические заряды, которые в противном случае могли бы ухудшить микробную активность и быть ответственными за производство парниковых газов, таких как метан и сероводород.

Все эти свойства биочара способствуют микробной активности в компосте. Например, Steiner и соавторы (2011) протестировали добавление 5% и 20% биочара из кедра в компост из птичьего помета и обнаружили, что добавление 20% биочара приводило к тому, что микробное дыхание (измеряемое как выбросы CO2) достигало пика раньше и при более высоком уровень, чем 5% или 0% биологической обработки.

2. Биочар увеличивает задержку азота

Когда азотсодержащие материалы биомассы разлагаются, они могут выделять большое количество аммиака. Аммоний (NH4 +) - водный ион аммиака. Аммоний генерируется микробными процессами и питательными каскадами, которые преобразуют азот из органических форм, обнаруживаемых в основном в белках и нуклеиновых кислотах, в минеральные формы (аммоний, нитрат и нитрит), которые могут периодически превращаться нитрифицирующими и денитрифицирующими микробами в газообразные выбросы, которые включают летучий газообразный аммиак (NH3), газообразный азот (N2), закись азота (N2O) и другие химически активные газы азота (амины и индолы). При нейтральном pH водный аммоний (NH4 +) и газообразный аммиак (NH3) находятся в равновесии. Более высокий pH заставляет больше водного аммония в газовую фазу, которая может выйти в атмосферу.

Многочисленные исследования показали, что биочар эффективен для удержания азота в почвах (Steiner et al, 2008; Clough et al, 2013). Несколько исследований также показали, что биоуголь увеличивает удержание азота в компосте, сокращая выбросы аммиака и увеличивая общее удержание азота на целых 65% (Steiner et al, 2010; Chen et al, 2010; Huang et al, 2014). Способность биоуглерода удерживать аммиак может улучшиться в процессе компостирования. Добавляя 9% бамбукового древесного угля в компост осадка сточных вод, Hua et al (2009) проверили сорбцию аммиака на биочаре во время компостирования и обнаружили, что, хотя удержание аммиака коррелирует с насыщением мест связывания в биочаре свежего бамбука, это не относится к компостированному биочару бамбука. , Во время компостирования биочар подвергается ускоренному процессу старения. Это означает, что поверхности биочара окисляются и обогащаются карбоновыми (кислотными) функциональными группами. Последний более чем удвоился в конце периода компостирования, улучшая способность обменивать катионы, такие как аммиак.

3. Biochar улучшает зрелость компоста и содержание гуминов

Несколько исследований изучали влияние биочара на время и результаты созревания компоста и обнаружили, что добавление биочара к компосту снижает количество растворенного органического углерода (лабильного углерода) в зрелом компосте, в то же время увеличивая долю стабильных гуминовых материалов (стабильного углерода). После добавления 2% биоуглерода к компосту, Jindo et al (2012) зафиксировали 10-процентное увеличение углерода, захваченного извлечением гуминовых веществ, и 30-процентное снижение растворимого в воде, легко разлагаемого углерода. Они также обнаружили увеличение видового разнообразия грибов в зрелом компосте биочара по сравнению с контролем и предположили, что эти грибы ответственны за усиление гумификации. Другое исследование, проведенное Zhang et al (2013), показало, что в сточных водах, компостированных с древесным биочаром, содержание гуминовых веществ на 30% больше, чем в контроле.

4. Биочар компост улучшает рост растений

Биочар, кажется, улучшает процесс компостирования, но как растениям нравятся эти биочар-компосты? Несколько исследователей экспериментировали с различными комбинациями компоста и биочара, добавленными в виде отдельных поправок (Fisher & Glaser, 2012; Liu et al, 2012). Эти исследования показали улучшение реакции роста растений при добавлении биочара в почву вместе с компостом. Исследование 2013 года в Германии вместо этого рассматривало биочар, компостированный вместе с другими материалами. Schulz и др. (2013) протестировали шесть различных количеств биочара в компосте, от 0 до 50% по весу, а также три разных нормы внесения каждого типа компоста. Используя овес в тепличных горшках на двух разных субстратах (песчаная и суглинистая почва), они обнаружили, что рост растений увеличивался с увеличением нормы внесения каждого типа компоста из биочара, что неудивительно, поскольку количество доставляемых питательных веществ было увеличено, по крайней мере, на фракция компоста. Однако они также обнаружили, что рост растений увеличивался по мере увеличения количества биочара в компосте. Биочар может либо улучшать удержание питательных веществ в процессе компостирования с последующим улучшением доставки питательных веществ к растениям, либо стимулировать рост растений с помощью какого-либо другого механизма. Тем не менее, исследователи подтвердили, что синергетический эффект может быть достигнут путем добавления биочара в компосты.

Как мы можем использовать биочар для работы в почве?

Один из основных принципов хорошего производства компоста заключается в том, что чем шире ассортимент используемых вами материалов, тем лучше компост. Бруно Глейзер и его коллеги, которые изучали почвы компоста Terra Preta и биочар в компосте, предложили современную схему управления материальными потоками, показанную ниже (рис. 5), для производства компоста высокого качества с максимальной секвестрацией углерода и балансом питательных веществ, чтобы помочь удовлетворить растущий потребность в пополнении углерода, питательных веществ и полезных микробов в сельскохозяйственных почвах (Fischer & Glaser, 2012).

Эта идеальная система компостирования биочара основана на умозрительной реконструкции почв Terra Preta. Согласно этой модели, эти области начинались как мусорные свалки, где накапливались пищевые отходы, пепел и навоз. Однако, по мере роста населения, вполне возможно, что они начали понимать, что места для отходов превращаются в очень плодородные и продуктивные районы. Возможно, они начали сознательно управлять материальными потоками растительной биомассы, костей млекопитающих и рыб, золы, биочара и человеческих экскрементов, что, вероятно, привело к появлению почв Terra Preta, которые мы видим сегодня.

Рисунок 5. Устойчивое управление природными ресурсами путем сочетания биоугля с органическими и неорганическими отходами при переработке компоста (воспроизведено из Fischer & Glaser, 2012). OM обозначает «органическое вещество», CEC обозначает «емкость катионного обмена», а WHC обозначает «емкость удержания воды».

Для максимальной экономии ресурсов важно помнить еще один принцип: используйте менее разлагаемые источники углерода, такие как биочар, чтобы помочь сохранить более легко разлагаемые, но насыщенные питательными веществами источники, такие как навоз и пищевые отходы. Я полагаю, что впереди еще много интересной работы по определению оптимальных рецептов для органических компостов и ферментов на основе биоуглеводородов, изучающих влияние различных видов биочаров в сочетании с другими ингредиентами компоста.

Из прошлых и продолжающихся исследований мы понимаем, что биочар имеет множество возможных механизмов его действия в почвах, которые могут встречаться в различных масштабах. Но если результаты недавних исследований биокомпонентного компоста окажутся непротиворечивыми, у нас теперь есть начало книги рецептов суперкомпоста, обогащенного биочаром, который может дать старт процессу возврата углерода в почву сегодня. Наше промышленное наследие оставило нас с быстро ухудшающимся климатом и почвами, которые умирают и разрушаются. Биочар, как форма непокорного углерода, может быть тем лекарством, которое необходимо для деградированных и непродуктивных почв.

Пожалуйста, скачайте список литературы здесь

Что для вас стоит, что эта статья существует? Все наши статьи имеют открытый исходный код, основанный на опыте и научных исследованиях, рецензируемых известными учеными, независимые и не содержащие рекламы. Пожалуйста, помогите финансировать нашу работу с помощью подписки или пожертвования на журнал Biochar. подпишитесь здесь

Похожие

Комментарии