Удобрение из биоугля биочар: доказана ли эффективность?

Вы что-нибудь слышали о биочаре? Для большинства садоводов это новый термин, для меня в том числе. На глаза попалась англоязычная статья о биоугле Biochar, в которой это удобрение было описано как чудо, превращающее пустыню в сады Эдема. Зацепило. Тут же пошла искать исследования биочара с доказательствами эффективности. Исследований оказалось не много, так что я смогла просмотреть буквально все, касающиеся улучшения почв (про борьбу биоугля с последствиями глобального потепления не стала включать в этот обзор).

Что такое биочар?

Это приготовленный особым образом древесный уголь, который добавляют в почву для улучшения плодородия. Уголь в сельском хозяйстве традиционно используют коренные народы Западной Африки и, по некоторым недостоверным данным, в тропических лесах Амазонки. Есть гипотеза, что биочар способен значительно повысить урожайность почвы и одновременно понизить количество углекислого газа в атмосфере планеты.

Как биочар улучшает почву?

Если кратко:

• Внесение биоуглерода улучшает физико-химические свойства почвы (повышение рН с 3,9 до 5,1, катионообменной емкости с 7.41 to 10.8 cmol(+)kg−1, процентное содержание катионов с 6,40 до 26,0%, и биомассы (МВС) от 835 до 1262 мг/кг-1 .
• Увеличение средневзвешенного диаметра (MWD) почвенных агрегатов с 2,6 см до 4,0 см);
• Скорость эрозии снижается на <50%. Данные получены при внесении 5% биочара от общей массы земли ( CATENA Soil Science , China, 2013)

Кристаллическая решетка биоугля

Есть свидетельства, что улучшенные еще доколумбовыми фермерами почвы Амазонии все еще плодородны и содержат до 35% своего органического углерода в форме биоугля. Искусственно обогащенные биоуглеродом 2000 лет назад грунты содержат больше воды и питательных веществ в легкодоступной для растений форме. Состав удобрения в амазонских черноземах terra preta был предположительно таким: уголь+кости+навоз ( Про амазонские почвы и их доколумбовый биочар можно подробнее узнать здесь ).

Биоуголь - сверхпористый материал, который можно поставить в один ряд с перлитом по эффективности удержания воды. Его поры становятся здоровой средой обитания для почвенной биоты, и его внесение может быть одним из этапов “терраформирования”. Углерод в биочаре очень стабилен и остается в почве в тысячи лет, связывая и удерживая микроэлементы и минералы, пока не отдаст их корням растений с помощью симбиотических бактерий. В местах с проливными дождями это бесценное свойство для удобрения, наряду с препятствием эрозии и загрязнению подземных вод.

Как производится биоуголь?

Организация, обеспечивающая экологические стандарты для биоугля International Biochar Initiative, называет процесс его производства “превращением сельскохозяйственных отходов в усилитель почвы”. Биочар так же создается в результате естественных пожаров, или искусственно созданным пиролизом:

“Органические отходы, такие как щепа и ветки, побочные продукты сельского хозяйства, сжигаются в бескислородных камерах, образуя масло, синтетический газ и твердый остаток, напоминающий древесный уголь. Высокопористый вид древесного угля, действующий в качестве фильтра для поглощения вредных химических веществ и соединений, пропускающий полезные питательные вещества.” The Yale School of Forestry & Environmental Studies

Краткая история биоугля

Без экскурса в историю не обойтись. Уголь для западноафриканских земель всегда был вторым эффективным почвообразующим элементом, наряду с навозом. Это стало понятно после масштабных антропологических исследований в Либерии и Гане на грунтах семисотлетней давности ( 1 ) .

“Африканские темные земли” создавались искусственно, путем внесения кухонных отходов, костей, золы и навоза. Без этих составляющих сельское хозяйство в большинстве западноафриканских районов было бы невозможно. Интересно, что жители Амазонии и Африки открыли для себя уголь в качестве удобрения совершенно независимо - амазонские фермеры уже 2500 лет назад вносили его в почву, африканцы же около 700 лет. Возможно, черный цвет и структура биочара работали на простую логику древнего человека - “лечить подобное подобным”…

Данные научных исследований по биоуглю

Полевые исследования биочара в Австрии

Сейчас биочар считают перспективной геоинженерной идеей, поэтому крупномасштабные исследования связаны больше с компенсацией выбросов парниковых газов посредством производства биоугля, а так же совершенствованием процесса пиролиза при его производстве: выделяемые при сжигании газ и масла могут фактически использоваться в качестве топлива для запуска реакции пиролиза. Но все еще отсутствуют эксперименты на уровне растительно-почвенных экосистем, обратные связи в которых нельзя полностью имитировать в лаборатории. Поэтому почти все данные носят довольно спекулятивный характер.

Сторонники удобрения указывают преимущественно на 2 плюса: способность хранить углерод в стабильной форме, препятствуя выходу CO2 из органики в атмосферу и обогащение почвы. Вот со вторым преимуществом связано не так много хороших полевых исследований. Тем не менее:

не оспаривается, что биоуголь удерживает воду, уменьшает кислотность почвы, улучшает доступность кислорода и обеспечивает идеальные условия для обитания почвенных микроорганизмов.

Практически отсутствуют полевые исследования, в которых изучается влияние биоугля на потерю питательных веществ.

Удержание углекислого газа тоже доказано. Производство биочара, по-видимому, снижает содержание СО2 в атмосфере: когда растения разлагаются, они выделяют СО2, который в конечном итоге поглощают другие растения, и цикл продолжается. Уголь стабилизирует это разлагающееся вещество и сопровождающий его СО2 и консервирует его в почве на сотни или даже тысячи лет. Эта идея, обладающая предположительно огромным потенциалом, помогающим замедлить глобальное потепление, привлекла внушительный ряд сторонников биочара (да и противников тоже, так как экономический потенциал и “относительную полезность” еще нужно доказывать).

Все полевые исследования имеют слишком “размытые” выводы. Для каждого вида почв и климатических условий нужна индивидуальная концентрация угольного удобрения. В некоторых случаях он не нужен вовсе. Химический состав широко варьируется, в зависимости от исходного сырья и условий пиролиза. Повышение урожайности отмечалось в непригодных для с/х местах, при условии внесения золы и органических добавок (!). Чем лучше почва, тем скромнее результаты. Чтобы биочар работал, необходимо вносить P, K, Ca и Mg, путем добавления компоста и навоза (земли Terra Preta были созданы из обуглившихся остатков в смеси с отходами человеческих поселений).

Эмпирических данных неприлично мало. Приведу результаты нескольких исследований на полях, которые показались мне полезными. Биочар изучался на рисовых полях Лаоса в 2007 году: улучшилась гидропроводимость почвы, повысилась урожайность в условиях низкодоступного фосфора, но снизилась доступность азота, что привело к необходимости дополнительного внесения азотных удобрений ( 2 ).

Прекрасная публикация о синергии компоста и биочара есть у немецких биохимиков из Institute of Agricultural and Nutritional Sciences, Soil Biogeochemistry . В статье особенно полезны сведения о долговечности черного удобрения - основная структура материала обладает высокой устойчивостью к деградации (около 3000 лет), что позволяет не вносить его в грунт ежегодно, как другие улучшители почв. Также, указывается на различия в качестве биочаров в зависимости от температуры получения и исходного сырья (биоуголь из трав, получаемый при низких температурах 250-400°С лучше минерализует углерод, чем из твердых сортов дерева и высокотемпературной обработки).

Источник биочара - травы

В самом масштабном метаанализе исследований по биочару есть предостережение:

Большинство заявлений о биоугле чрезмерно восторженные. Сознательно завышаются потенциальные преимущества удобрения как для почвообразования, так и для окружающей среды в целом.

Выступление на TEDx аэрокосмического инженера, пропагандирующего использование биоугля.

Обещания или стандарты?

К счастью, проблемы глобального внедрения биочара нас не касаются. Нам бы, как в Африке, просто поднять плодородность садовых почв. И на этом этапе возникают проблемы. Мы пока не знаем:

• Какой рН получим в итоге;
• Химические свойства отдельных видов биочара в зависимости от сырья и способа приготовления;
• На каких почвах лучше использовать конкретный продукт;
• На сколько он стабилен в почве (есть только теоретические и косвенные данные);
• Не наносит ли производство биоуглерода больший вред окружающей среде, чем возможную пользу и еще немало подобных вопросов.

Мы пока не знаем, что такое ХОРОШИЙ биоуголь.

Компаний, производящих биочар, уже несколько сотен по всему миру, но стандартов все еще нет. Именно поэтому обещают нам буквально золотые россыпи, а дозировки пишут, ограничиваясь только фантазией и жадностью производителя. Пока не разработано ни нормативно-правовой базы, ни ГОСТов для биоугля. Чтобы такие стандарты разработать, их нужно обосновать нормальными полевыми и лабораторными исследованиями, которых очень мало, и во всех опубликованных испытаниях ученые настаивают на дальнейшем изучении и уточнении данных.

Исходя из примерно 100 образцов биоугля, различающегося по сырью и процессу производства, были предложены следующие пороговые значения элементов: O/C <0,4 и H/C <0,6 (Schimmelpfennig & Glaser, 2012). Смешивание биочара непосредственно с почвой, без внесения органических добавок, не применяется и не имеет смысла, но об этом не пишут производители на упаковках биоугля.

Выводы, сформированные на основе метаанализа в научном журнале Plos One 2013 г.:

• Изучение биочара еще очень молодая область, что отражается в отсутствии стандартов и неравномерном распределении исследований по тематическим областям.
• Необходимы полевые испытания стабильности удобрения в зависимости от климата, состава почв и способа производства угля.
• Мы все еще не знаем, как производство, транспортировка, и внесение биочара влияют на экосистему в целом.
• Оптимистичные заявления о пользе биочара для окружающей среды резко контрастируют с ограниченным количеством исследований его поведения и воздействия.
• Недостаточно эмпирических данных, подтверждающих утверждения о том, что внесение биоуглерода в почву значительно смягчает изменение климата или что оно обеспечивает общие экологические выгоды при оценке по полному набору показателей.

Недостатки биочара, озвученные проф. Johan Six, Швейцарская высшая техническая школа Цюриха:

1. В некоторых случаях урожайность может снижаться из-за сорбции воды и питательных веществ биоуглем, что снижает доступность этих ресурсов для сельскохозяйственных культур. Было также показано, что Biochar замедляет прорастание.
2. Абсорбция пестицидов и гербицидов может снизить их эффективность.
3. Некоторые биоугли могут выступать в качестве источника загрязнений, таких как тяжелые металлы, летучие органические соединения, полициклические ароматические углеводороды и растворенный органический углерод.
4. Удаление растительных остатков, таких как стебли, листья и семенные коробочки, которые будут использоваться для производства биочара, может ухудшить общее состояние почвы, уменьшив количество почвенных микроорганизмов и нарушив круговорот внутренних питательных веществ.
5. Увеличение емкости катионного обмена зависит от состава почвы: оно минимально в почвах с высоким содержанием глины или органических веществ. Для нормальной земли применение биоуглерода не имеет большого смысла.
6. В грунтах с высоким pH (щелочными) повышение pH нежелательно, поскольку сельскохозяйственные культуры переносят только определенный диапазон pH почвы.

Никаких личных предубеждений по поводу биоугля не имею. При желании, его можно создать на заднем дворе:

Дополнительная литература

По ссылкам ниже вы можете ознакомиться с оригинальными научными работами, в которых присутствует полный дизайн исследования с графиками, расчетами и выводами.

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.

Новейший обзор 2018 Review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution .