السماد من الفحم الحيوي (بيوتشار): هل تم إثبات فعاليته؟

هل سمعت يومًا عن الفحم الحيوي (بيوتشار)؟ بالنسبة للعديد من المزارعين والبستانيين، هذا مصطلح جديد، كما هو الحال بالنسبة لي. صادفت مقالًا باللغة الإنجليزية حول بيوتشار، حيث تم وصفه كسماد معجزة يحول الصحاري إلى حدائق عدن. شعرت بالفضول. بحثت فورًا عن الدراسات العلمية التي تثبت فعاليته. لم أجد عددًا كبيرًا من الدراسات، لذا تمكنت من مراجعة كل ما يتعلق بتحسين التربة (مع استبعاد الأبحاث التي تتحدث عن دور بيوتشار في معالجة تغير المناخ من هذا الاستعراض).

ما هو الفحم الحيوي (بيوتشار)؟

هو نوع خاص من الفحم يُعد بطريقة معينة ويُضاف إلى التربة لتحسين خصوبتها. الفحم لطالما استُخدم في الزراعة من قِبل السكان الأصليين لغرب إفريقيا، ووفقًا لبعض المصادر غير المؤكدة، في غابات الأمازون المطيرة أيضًا. هنالك فرضية تشير إلى أن بيوتشار يمكنه زيادة إنتاجية التربة بشكل كبير وخفض كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض في الوقت ذاته.

كيف يحسن بيوتشار التربة؟

بإيجاز:

• إضافة الكربون الحيوي تحسن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة (رفع درجة الحموضة من 3.9 إلى 5.1، وسعة التبادل الكاتيوني من 7.41 إلى 10.8 سمول(+)كجم−1، ونسبة الكاتيونات من 6.40٪ إلى 26.0٪، وكتلة الكربون الميكروبي الحيوي (MBC) من 835 إلى 1262 ملغ/كجم−1).
• زيادة معدل القطر المتوسط الموزون (MWD) لتجمعات التربة من 2.6 سم إلى 4.0 سم.
• تقليل معدل التعرية بنسبة أقل من 50٪. هذه البيانات تم التوصل إليها عند إضافة 5٪ من بيوتشار من إجمالي كتلة التربة ( CATENA Soil Science ، الصين، 2013).

الهيكل البلوري للكربون الحيوي

هناك أدلة تشير إلى أن التربة المحسّنة من قِبل المزارعين قبل عصر كولومبوس في الأمازون ما زالت غنية وتحتوي على ما يصل إلى 35٪ من الكربون العضوي بشكل كربون حيوي (بيوتشار). التربة التي أُثريت صناعيًا بالكربون الحيوي قبل 2000 عام تحتوي على مزيد من المياه والعناصر الغذائية في شكل يسهل على النباتات امتصاصه. يُعتقد أن مكونات السماد في تربة الأمازون السوداء (تيرا بريتا) كانت كالتالي: الفحم + العظام + السماد العضوي. (للتعرف أكثر على تربة الأمازون وفحمها الحيوي قبل عصر كولومبوس، اضغط هنا ).

الفحم الحيوي - مادة فائقة المسامية يمكن مقارنتها بالبريطلايت من حيث فعاليتها في تخزين الماء. المسامات تصبح بيئة صحية للكائنات الحية الدقيقة في التربة. ويمكن أن يكون إدخالها أحد مراحل “التشكيل الأرضي”. الكربون في بيوتشار مستقر جدًا ويبقى في التربة لآلاف السنوات، رابطًا المعادن والعناصر الدقيقة ومانحًا إياها تدريجيًا لجذور النباتات بمساعدة البكتيريا التكافلية. في الأماكن ذات الأمطار الغزيرة، يعد هذا السلوك ميزة لا تقدر بثمن للسماد، إلى جانب الحماية من التعرية وتلوث المياه الجوفية.

كيف يتم إنتاج الفحم الحيوي؟

تعرف “المبادرة الدولية للفحم الحيوي” (International Biochar Initiative) الفحم الحيوي على أنه “تحويل النفايات الزراعية إلى مادة تعزز التربة”. ويمكن إنتاجه نتيجة حرائق طبيعية أو عبر عملية اصطناعية تُسمى التحلل الحراري:

“النفايات العضوية مثل نشارة الخشب والفروع والنواتج الثانوية الزراعية تُحرق في غرف خالية من الأكسجين، مما ينتج الزيت، الغاز الاصطناعي، وبقايا صلبة شبيهة بالفحم النباتي. هذا النوع من الفحم ذو المسامية العالية يعمل كمرشح يمتص المواد الكيميائية الضارة والسموم، ويحتفظ بالمغذيات المفيدة.” مدرسة ييل للغابات والدراسات البيئية

لمحة تاريخية عن الفحم الحيوي

لا يمكننا التطرق للموضوع دون أخذ جولة تاريخية. كان الفحم دائمًا العنصر الثاني الأكثر فعالية في تكوين التربة في غرب إفريقيا، بجانب السماد العضوي. وهذا تم تأكيده من خلال دراسات أنثروبولوجية واسعة النطاق في ليبيريا وغانا في تربة تعود إلى 700 عام ( 1 ).

كانت “الأراضي السوداء الإفريقية” تُنشأ صناعيًا عبر إضافة مخلفات المطبخ، العظام، الرماد، والسماد العضوي. بدون هذه المكونات، كان من المستحيل تحقيق زراعة مستدامة في معظم المناطق الغربية من إفريقيا. المثير للاهتمام أن سكان الأمازون وإفريقيا اكتشفوا الفحم كسماد بشكل مستقل عن بعضهم البعض - كان المزارعون في الأمازون يستخدمونه قبل نحو 2500 عام، بينما استخدمه الأفارقة منذ حوالي 700 عام. ربما، كان اللون الأسود وهيكل الفحم الحيوي يرمزان إلى منطق بسيط عند القدماء: “علاج الشيء بالشيء الشبيه به”…

بيانات الأبحاث العلمية حول الفحم الحيوي

الدراسات الميدانية عن الفحم الحيوي في النمسا

يُعتبر الفحم الحيوي حاليًا فكرة واعدة في مجال الهندسة الجيولوجية، ولذلك ترتبط الأبحاث واسعة النطاق بشكل أساسي بتعويض انبعاثات الغازات الدفيئة من خلال إنتاج الفحم الحيوي، بالإضافة إلى تحسين عملية التحلل الحراري أثناء صناعته. يُمكن استخدام الغازات والزيوت المنتجة خلال عملية الحرق كوقود لتشغيل التفاعل نفسه. ورغم ذلك، لا تزال التجارب الميدانية على مستوى نظم النباتات والتربة نادرة جدًا، حيث إن التفاعلات المتبادلة في تلك الأنظمة يصعب محاكاتها بالكامل في المختبر. لهذا السبب، يكاد تكون جميع البيانات ذات طابع نظري وقابل للمناقشة.

يشير المؤيدون لاستخدام الفحم الحيوي كسماد إلى ميزتين أساسيتين: قدرته على تخزين الكربون في صورة مستقرة، مما يمنع انبعاث ثاني أكسيد الكربون من المحتوى العضوي إلى الغلاف الجوي، وقدرته على تحسين خصوبة التربة. ومع ذلك، فإن هناك عددًا قليلًا من الدراسات الميدانية التي تؤكد هذه الميزة الثانية. ومع ذلك:

من المُسَلَّم به أن الفحم الحيوي يساهم في الاحتفاظ بالماء، يقلل من حموضة التربة، يُعزِّز توفُّر الأكسجين، ويُهيئ بيئة مثالية لكائنات التربة الدقيقة.

لكن، الدراسات التي توضح تأثير الفحم الحيوي على فقدان المواد المغذية من التربة تكاد تكون معدومة.

وقد ثبت أيضًا أن الفحم الحيوي يساعد في احتجاز ثاني أكسيد الكربون. إذ يبدو أن إنتاج الفحم الحيوي يُقلل من مستوى CO2 في الغلاف الجوي: عندما تتحلل النباتات، فإنها تُطلق ثاني أكسيد الكربون، الذي يتم امتصاصه لاحقًا من قبل نباتات أخرى، مما يُكمّل الدورة الطبيعية. الفحم يقوم بتثبيت المادة العضوية المتحللة وما يصاحبها من CO2، محافظًا عليه في التربة لعدة قرون أو حتى آلاف السنين. هذا المفهوم، الذي يُعتقد أنه يمتلك إمكانيات ضخمة في الحد من الاحترار العالمي، جذب الكثير من المناصرين لفكرة الفحم الحيوي (وفي المقابل عددًا من المنتقدين الذين يطالبون بإثبات فائدته الاقتصادية و"منفعته النسبية").

جميع النتائج الميدانية لا تزال ضبابية للغاية

كل نوع من التربة والبيئات المناخية يتطلب تركيزًا مُخصصًا لاستخدام الفحم الحيوي كسماد. في بعض الحالات، لا تكون فكرة استخدامه ضرورية على الإطلاق. علاوة على ذلك، يختلف التركيب الكيميائي للفحم الحيوي بشكل واسع تبعًا للمادة الخام المُستخدمة وشروط عملية التحلل الحراري. تم تسجيل زيادة في المحاصيل بالمناطق التي تُعد ذات تربة غير مناسبة للزراعة، ولكن بشرط إضافة الرماد أو المواد العضوية (!). أما بالنسبة للتربة الأكثر خصوبة، فالفوائد تكون قليلة جدًا. ولكي يكون للفحم الحيوي تأثير فعّال، يجب إضافة الفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) والكالسيوم (Ca) والمغنيسيوم (Mg) بواسطة الكومبوست وسماد الحيوانات (تم إنشاء أراضي “تيرا بريتا” من مخلفات متفحمة ممزوجة بمخلفات المستوطنات البشرية).

البيانات التجريبية شحيحة للغاية

فيما يلي بعض النتائج التي اعتبرتها مفيدة من الدراسات، تم إجراء دراسة على حقول الأرز في لاوس عام 2007؛ حيث لوحظ تحسُّن في نفاذية التربة للماء وزيادة الإنتاجية في ظروف نقص الفسفور، ولكن انخفضت قابلية التربة للنيتروجين، مما استدعى استخدام إضافي من الأسمدة النيتروجينية ( 2 ).

نُشر بحث ممتاز عن التآزر بين الكومبوست والفحم الحيوي من قِبل كيميائيين ألمان من معهد العلوم الزراعية والتغذية، قسم كيمياء التربة . يُقدّم هذا المقال معلومات قيّمة حول متانة الفحم الحيوي؛ فالهيكل المادي للمادة يتميز بمقاومته العالية للتحلل (مدة تصل إلى حوالي 3000 عامًا)، مما يلغي الحاجة إلى إضافته سنويًا للتربة مثل المحسِّنات الأخرى. كما يوضح الاختلافات في جودة الفحم الحيوي تبعًا لدرجات الحرارة التي أُنتج عندها والمادة الأولية المُستخدمة (فحم الأعشاب المُنتج عند درجات حرارة منخفضة 250-400°م يُعد أكثر كفاءة في تحويل الكربون مقارنةً بالفحم المُنتج من خشب صلب وعند درجات حرارة عالية).

مصدر الفحم الحيوي - الأعشاب

أكبر دراسة تحليلية شاملة حول الفحم الحيوي تحذر من التالي:

“معظم الادعاءات المتعلقة بالفحم الحيوي مُبالغ فيها. تُضخَّم الفوائد المحتملة سواءً على مستوى خصوبة التربة أو البيئة ككل.”

محاضرة على منصة TEDx من قِبل مهندس فضاء يدعم استخدام الفحم الحيوي.

وعود أم معايير؟

لحسن الحظ، القضايا المتعلقة بالتطبيق العالمي للفحم الحيوي ليست من ضمن اهتماماتنا المباشرة. هدفنا فقط هو تحسين خصوبة تربة حدائقنا كما الحال في أفريقيا. ومع ذلك، تظهر العديد من المشكلات في هذه المرحلة. حتى الآن، نحن لا نعرف:

• نسبة حموضة التربة (pH) الناتجة عنها؛
• الخصائص الكيميائية لأنواع الفحم الحيوي المختلفة بناءً على المادة الخام وطريقة التصنيع؛
• أفضل أنواع التربة لاستخدام كل نوع معين من الفحم الحيوي؛
• مدى استدامته في التربة (لدينا فقط بيانات نظرية وغير مباشرة)؛
• ما إذا كانت عملية إنتاج الفحم الحيوي تُسبب ضررًا للبيئة أكبر من فوائده المرجُوة؛
• والعديد من الأسئلة المماثلة الأخرى.

حتى الآن، لا نعرف ما هو الفحم الحيوي “الجيد”. الشركات التي تنتج الفحم الحيوي أصبحت تعد بالمئات في جميع أنحاء العالم، ولكن لا تزال المعايير غير موجودة. لهذا السبب، نجد أن الوعود المقدمة تكاد تكون مبالغًا فيها، والجرعات المكتوبة تعتمد فقط على خيال وجشع المصنعين. لم يتم حتى الآن تطوير إطار قانوني ولا معايير محددة (مثل معايير GOST) للفحم الحيوي. ولكي يتم تطوير هذه المعايير، من الضروري الاعتماد على أبحاث ميدانية ومخبرية موثوقة، والتي لا تزال محدودة. في جميع الدراسات المنشورة، يُصر العلماء على ضرورة إجراء المزيد من البحوث والتدقيق في البيانات.

بناءً على دراسة ما يقرب من 100 نموذج من الفحم الحيوي، الذي يختلف تبعًا لنوع المواد الخام المستخدمة وطريقة الإنتاج، تم اقتراح الحدود التالية لعناصر التركيب الكيميائي: نسبة O/C أقل من 0.4 ونسبة H/C أقل من 0.6 (Schimmelpfennig & Glaser, 2012). لا يتم استخدام خلط الفحم الحيوي مباشرة مع التربة دون إضافة مكونات عضوية، كما أنه يصبح بلا جدوى، لكن المصنعين لا يذكرون ذلك على عبوات منتجاتهم.

النتائج المستخلصة من التحليل الميتا نشرت في المجلة العلمية Plos One عام 2013:

• دراسة الفحم الحيوي لا تزال مجالاً حديثًا للغاية، وهو ما ينعكس في غياب المعايير وعدم التوازن في توزيع الدراسات على المجالات المختلفة.
• هناك حاجة لإجراء تجارب ميدانية لاختبار استقرار استخدام الفحم الحيوي كسماد، مع الأخذ في الاعتبار المناخ وتكوين التربة وطريقة إنتاج الفحم.
• لا نزال لا نعرف بالضبط كيف تؤثر عملية إنتاج ونقل وإضافة الفحم الحيوي على النظام البيئي بشكل عام.
• التوقعات المتفائلة حول فوائد الفحم الحيوي على البيئة تتناقض بوضوح مع الكمية المحدودة للأبحاث المتوفرة حول سلوكه وتأثيراته.
• هناك نقص في البيانات التجريبية التي تدعم الادعاءات بأن إدخال الفحم الحيوي إلى التربة يُخفف فعليًا من تغير المناخ أو أنه يُقدم فوائد بيئية شاملة بناءً على مجموعة كاملة من المؤشرات.

عيوب الفحم الحيوي التي أوضحها الأستاذ Johann Six من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ:

1. في بعض الحالات، قد تُقلل الإنتاجية الزراعية بسبب امتصاص الفحم الحيوي للماء والعناصر الغذائية، مما يقلل من توفر هذه الموارد للنباتات. كما أظهرت الدراسات أن الفحم الحيوي يمكن أن يُبطئ من عملية الإنبات.
2. امتصاص المبيدات العشبية والمبيدات الحشرية قد يؤدي إلى تقليل فعاليتها.
3. يمكن أن يكون الفحم الحيوي مصدرًا لبعض الملوثات، مثل المعادن الثقيلة، والمركبات العضوية الطيارة، والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، والكربون العضوي المذاب.
4. إزالة بقايا النباتات مثل السيقان والأوراق والكبسولات المستخدمة لإنتاج الفحم الحيوي قد يؤدي إلى تدهور التربة بشكل عام، من خلال تقليل أعداد الكائنات الدقيقة في التربة وتعطيل دورة المغذيات الأساسية.
5. زيادة قدرة التبادل الكاتيوني تعتمد على تكوين التربة. في التربة ذات النسبة العالية من الطين أو المواد العضوية، تكون زيادتها ضئيلة. لذلك، قد لا يكون لاستخدام الفحم الحيوي فائدة ملحوظة في هذه الأنواع من التربة.
6. في التربة ذات درجة حموضة مرتفعة (القلوية)، فإن زيادة الـ pH غير مرغوبة لأن النباتات الزراعية تنمو فقط ضمن نطاق محدد من نسبة الحموضة في التربة.

ليس لدي أي تحامل شخصي تجاه الفحم الحيوي. إذا أراد أحدهم، يمكنه إنتاجه بسهولة في باحة منزله:

قراءة إضافية

يمكنك الاطلاع على الأبحاث العلمية الأصلية من الروابط أدناه، والتي تحتوي على تصميم بحثي كامل مع الرسوم البيانية، الحسابات، والاستنتاجات:

Effect of biochar on soil physical properties in two contrasting soils: An Alfisol and an Andisol . Geoderma Volumes 209–210, November 2013, Pages 188-197.

Recent developments in biochar as an effective tool for agricultural soil management: a review . Journal of the Science of Food and Agriculture, 96(15), 4840–4849.

أحدث مراجعة عام 2018: Review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution .