آیا تا به حال چیزی درباره بیوچار شنیده‌اید؟ برای اکثر باغبانان این یک اصطلاح جدید است، برای من نیز همین‌طور. به یک مقاله انگلیسی در مورد بیوچار برخورد کردم که در آن این کود به عنوان یک معجزه توصیف شده بود که بیابان را به باغ عدن تبدیل می‌کند. موضوع برایم جالب شد. بلافاصله شروع به جستجوی تحقیقات درباره بیوچار با شواهد علمی از کارایی آن کردم. تحقیقات زیادی پیدا نشد، بنابراین توانستم تقریباً تمام تحقیقات مربوط به بهبود خاک‌ها را مرور کنم (تحقیقاتی که به مقابله بیوچار با پیامدهای گرمایش جهانی مربوط می‌شد، در این بررسی ذکر نشده‌اند).
بیوچار چیست؟
بیوچار نوعی زغال ویژه است که به طور خاص تهیه می‌شود و به خاک اضافه می‌شود تا حاصلخیزی آن را بهبود بخشد. زغال در کشاورزی به طور سنتی توسط بومیان غرب آفریقا و طبق برخی شواهد غیرمعتبر، در جنگل‌های استوایی آمازون استفاده می‌شود. یک نظریه وجود دارد که بیوچار می‌تواند به طور قابل توجهی بازدهی خاک را افزایش داده و در عین حال میزان گاز دی‌اکسید کربن موجود در جو زمین را کاهش دهد.
بیوچار چگونه خاک را بهبود می‌بخشد؟
به طور خلاصه:
- افزودن کربن زیستی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک را بهبود می‌بخشد (افزایش pH خاک از ۳.۹ به ۵.۱، ظرفیت تبادل کاتیونی از ۷.۴۱ به ۱۰.۸ cmol(+)kg-1، درصد کاتیون‌ها از ۶.۴۰ به ۲۶.۰٪، و MBC از ۸۳۵ به ۱۲۶۲ mg/kg-1).
- افزایش قطر متوسط وزنی (MWD) اجزاء خاک از ۲.۶ سانتی‌متر به ۴.۰ سانتی‌متر؛
- کاهش میزان فرسایش کمتر از ۵۰٪. این داده‌ها با افزودن ۵٪ بیوچار از کل وزن خاک جمع‌آوری شده‌اند ( CATENA Soil Science ، چین، ۲۰۱۳).
شبکه کریستالی زغال زیستی
شواهدی وجود دارد که خاک‌هایی که توسط کشاورزان پیشاکلمبی در آمازون بهبود داده شده‌اند همچنان حاصلخیزی خود را حفظ کرده و تا ۳۵٪ از کربن آلی خود را در قالب بیوچار دارند. خاک‌هایی که ۲۰۰۰ سال پیش به صورت مصنوعی با بیوچار غنی شده‌اند، آب و مواد مغذی بیشتری را در قالبی قابل دسترس برای گیاهان نگه می‌دارند. ترکیب کود موجود در خاک‌های سیاه آمازونی terra preta احتمالاً شامل زغال + استخوان + کود حیوانی بوده است (درباره خاک‌های آمازون و بیوچار پیشاکلمبی آنها می‌توانید اینجا بیشتر بخوانید).
بیوچار ماده‌ای فوق‌العاده متخلخل است که می‌توان آن را در کنار پرلیت از نظر کارایی در نگهداری آب مقایسه کرد. ساختار متخلخل آن محیطی سالم برای زیست بوم خاک ایجاد می‌کند و افزودن آن می‌تواند یکی از مراحل “زمین‌شکنی” باشد. کربن موجود در بیوچار بسیار پایدار است و هزاران سال در خاک باقی می‌ماند و عناصر میکرو و مواد معدنی را به خود جذب کرده و حفظ می‌کند تا آنها را با کمک باکتری‌های همزیست به ریشه گیاهان منتقل کند. در مناطقی با باران‌های سیل‌آسا، این ویژگی برای کوددهی بسیار ارزشمند است، همراه با جلوگیری از فرسایش و آلودگی آب‌های زیرزمینی.
زغال زیستی چگونه تولید می‌شود؟
سازمانی که استانداردهای زیست‌محیطی برای بیوچار را تعیین می‌کند، به نام “ابتکار جهانی بیوچار” (International Biochar Initiative)، فرآیند تولید آن را این‌گونه تعریف می‌کند: “تبدیل پسماندهای کشاورزی به تقویت‌کننده خاک.” بیوچار همچنین می‌تواند از طریق آتش‌سوزی‌های طبیعی یا ایجاد مصنوعی با فرآیند پیرولیز تولید شود:
“پسماندهای آلی، مانند تکه‌های چوب و شاخه‌ها، محصولات جانبی کشاورزی، در محفظه‌های بدون اکسیژن سوزانده می‌شوند و روغن، گاز سنتزی و باقیمانده جامدی تولید می‌کنند که شبیه به زغال چوب است. زغالی با قابلیت جذب بالای مواد شیمیایی مضر که مواد مغذی مفید را عبور می‌دهد.” The Yale School of Forestry & Environmental Studies
مروری بر تاریخچه بیوچار
بدون بازگشتی به تاریخ نمی‌توان موضوع را کامل بررسی کرد. زغال برای خاک‌های غرب آفریقا همیشه به عنوان دومین عنصر موثر در تشکیل خاک، پس از کود حیوانی، بوده است. این امر پس از تحقیقات گسترده انسان‌شناسی در لیبریا و غنا روی خاک‌های ۷۰۰ سال پیش مشخص شد ( 1 ).
“خاک‌های سیاه آفریقایی” به طور مصنوعی ایجاد شده‌اند، با استفاده از پسماندهای آشپزخانه، استخوان‌ها، خاکستر و کود حیوانی. بدون این مواد، کشاورزی در بیشتر مناطق غرب آفریقا ممکن نبود. جالب اینجاست که مردم آمازون و آفریقا به طور کاملاً مستقل زغال را به عنوان کود کشف کردند - کشاورزان آمازون حدود ۲۵۰۰ سال پیش آن را در خاک به کار می‌بردند، در حالی که آفریقایی‌ها حدود ۷۰۰ سال پیش. ممکن است رنگ سیاه و ساختار بیوچار منطقی ساده برای انسان باستان بوده است - “درمان مشابه با مشابه”…
داده‌های تحقیقات علمی پیرامون زیست‌چار (بیوچار)
تحقیقات میدانی بر روی زیست‌چار در اتریش
در حال حاضر زیست‌چار به‌عنوان یک ایده نویدبخش برای مهندسی زمین تلقی می‌شود. به همین دلیل، عمده تحقیقات در مقیاس بزرگ به جبران انتشار گازهای گلخانه‌ای از طریق تولید زیست‌چار و همچنین بهبود فرآیند پیرولیز در طی تولید آن متمرکز است. در این فرآیند، گازها و روغن‌های آزادشده در حین سوختن می‌توانند برای راه‌اندازی واکنش پیرولیز به‌کار گرفته شوند. اما هنوز آزمایش‌های کافی در سطح اکوسیستم‌های گیاهی-خاکی وجود ندارد، جایی که بازخوردهای آن نمی‌توانند به‌طور کامل در آزمایشگاه شبیه‌سازی شوند. بنابراین، تقریباً تمام داده‌ها ماهیتی نسبتاً فرضی و تئوریک دارند.
حامیان استفاده از زیست‌چار به دو مزیت اصلی اشاره می‌کنند: توانایی ذخیره کربن در فرم پایدار که مانع انتشار CO2 از مواد آلی به جو می‌شود و غنی‌سازی خاک. اما در رابطه با مزیت دوم، تحقیقات میدانی خوبی اندک هستند. با این وجود:
کسی انکار نمی‌کند که زیست‌چار توانایی نگهداری آب را دارد، اسیدیته خاک را کاهش می‌دهد، دسترسی به اکسیژن را بهبود می‌بخشد و شرایط ایده‌آلی برای موجودات کوچک خاکزی فراهم می‌کند.
تحقیقات میدانی در مورد تأثیر زیست‌چار بر کاهش هدررفت مواد مغذی نیز تقریباً نادیده گرفته شده است.
توانایی زیست‌چار در نگهداری دی‌اکسیدکربن نیز ثابت شده است. به نظر می‌رسد تولید زیست‌چار باعث کاهش CO2 در جو می‌شود: هنگام تجزیه گیاهان، کربن‌دی‌اکسید آزاد شده و دیگر گیاهان آن را جذب می‌کنند و این چرخه ادامه می‌یابد. زیست‌چار ماده تجزیه‌شونده و CO2 همراه با آن را تثبیت کرده و آن را برای صدها یا حتی هزاران سال در خاک ذخیره می‌کند. این ایده که به‌طور فرضی پتانسیل عظیمی برای کاهش گرمایش جهانی دارد، طرفداران زیادی را به خود جذب کرده است (و مخالفانی هم دارد، چراکه پتانسیل اقتصادی و “مفید بودن نسبی” آن همچنان نیازمند اثبات است).
جمع‌بندی‌های مبهم تحقیقات میدانی
تمام تحقیقات میدانی نتایج مبهمی دارند. برای هر نوع خاک و شرایط اقلیمی، غلظت متفاوت زیست‌چار مورد نیاز است، و گاهی اوقات نیازی اصلاً به آن نیست. ترکیب شیمیایی آن به شدت متغیر است و به ماده اولیه و شرایط پیرولیز بستگی دارد. افزایش بازدهی محصولات بیشتر در مناطقی که برای کشاورزی نامناسب هستند مشاهده شده است، آن هم به شرط اضافه کردن خاکستر و مواد آلی (!). هرچه کیفیت خاک بهتر باشد، نتیجه کار با زیست‌چار نیز کمتر قابل مشاهده است. برای اینکه زیست‌چار کارایی داشته باشد، باید کمپوست و کودهای غنی از P، K، Ca و Mg به خاک اضافه شوند (زمین‌های “ترا پرتا” از ترکیب زغال‌مانده‌ها و زباله‌های سکونتگاه‌های بشری ایجاد شده‌اند).
کمبود داده‌های تجربی
داده‌های تجربی بسیار کمی وجود دارد. در اینجا نتایج چند مطالعه میدانی، که به نظر من مفید بودند، را بیاورم. زیست‌چار در مزارع برنج لائوس در سال 2007 مورد بررسی قرار گرفت که نشان داد نفوذپذیری خاک بهبود یافت، بازدهی در شرایط کمبود فسفر افزایش یافت، اما کاهش در دسترسی به نیتروژن گزارش شد که نیاز به اضافه‌کردن کودهای نیتروژنی پیدا کرد ( 2 ).
مقاله‌ای فوق‌العاده درباره هم‌افزایی میان کمپوست و زیست‌چار توسط بیوشیمی‌دانان آلمانی از Institute of Agricultural and Nutritional Sciences, Soil Biogeochemistry منتشر شده است. این مقاله اطلاعات مفیدی درباره دوام زیست‌چار ارائه می‌دهد: ساختار اصلی ماده به شدت در برابر تخریب مقاوم است (حدود 3000 سال)، که باعث می‌شود نیازی به افزودن سالانه آن به خاک، مانند دیگر بهبود‌دهنده‌های خاک، نباشد. همچنین، تفاوت کیفیت زیست‌چارها بسته به دمای تولید و ماده اولیه مورد بررسی قرار گرفته است (زیست‌چار حاصل از علف‌ها که در دماهای پایین 250-400 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود، کربن را بهتر معدنی‌سازی می‌کند نسبت به زیست‌چار حاصل از چوب سخت و دمای بالا).
منبع زیست‌چار - علف‌ها
در یک متا آنالیز جامع درباره تحقیقات زیست‌چار، این هشدار داده شده است:
اکثر ادعاها درباره زیست‌چار بیش از حد خوش‌بینانه هستند. مزایای بالقوه این ماده، چه در ارتقای خاک و چه در محافظت محیط زیست، عمداً اغراق شده‌اند.
سخنرانی در TEDx توسط یک مهندس هوافضا که استفاده از زیست‌چار را ترویج می‌دهد.
وعده‌ها یا استانداردها؟
خوشبختانه، مشکلات مربوط به اجرای جهانی زیست‌چار به ما ربطی ندارد. برای ما، مثل آفریقا، کافی است که حاصلخیزی خاک باغ‌ها را افزایش دهیم. اما حتی در این گام نیز مشکلاتی پیش می‌آید. فعلاً نمی‌دانیم:
- در نهایت به چه pH می‌رسیم؛
- خواص شیمیایی انواع مختلف زیست‌چار بسته به ماده اولیه و روش تهیه؛
- در چه خاک‌هایی بهتر است از این محصول استفاده شود؛
- پایداری آن در خاک چقدر است (فقط داده‌های تئوریک و غیرمستقیم داریم)؛
- آیا تولید زیست‌چار آسیب بیشتری به محیط زیست وارد می‌کند نسبت به منافع بالقوه، و بسیاری سوالات مشابه دیگر.
ما هنوز نمی‌دانیم “زیست‌چار خوب” چیست. شرکت‌های تولیدکننده بیوچار در حال حاضر چند صد عدد در سراسر جهان هستند، اما استانداردهای مشخصی هنوز تدوین نشده است. به همین دلیل به مصرف‌کنندگان وعده‌های اغواکننده داده می‌شود و دوز مصرفی را تنها بر اساس تخیلات و طمع تولیدکننده تعیین می‌کنند. هنوز هیچ چارچوب حقوقی یا استاندارد رسمی (نظیر استانداردهای دولتی) برای بیوچار ایجاد نشده است. برای تدوین چنین استانداردهایی، باید تحقیقات میدانی و آزمایشگاهی جامع‌تری انجام شود که در حال حاضر تعداد آنها بسیار کم است. در تمامی مطالعات منتشرشده، دانشمندان بر لزوم انجام تحقیقات بیشتر و اصلاح داده‌ها تأکید می‌کنند.
بر اساس مطالعه‌ای که حدود 100 نمونه بیوچار با مواد اولیه و فرآیندهای تولید مختلف را بررسی کرده است، مقادیر آستانه‌ای زیر برای عناصر پیشنهاد شده‌اند: O/C < 0.4 و H/C < 0.6 (بر اساس Schimmelpfennig & Glaser، 2012). مخلوط کردن بیوچار به‌طور مستقیم با خاک، بدون اضافه کردن افزودنی‌های آلی، کاربرد خاصی ندارد و این موضوع معمولاً از سوی تولیدکنندگان بر روی بسته‌بندی محصولات ذکر نمی‌شود.
نتایج به‌دست آمده از متاآنالیزی که در ژورنال علمی Plos One در سال 2013 منتشر شد:
- تحقیق درباره بیوچار هنوز حوزه‌ای بسیار جدید و نوپا است، که این امر خود را در نبود استانداردها و پراکندگی غیرهمگن تحقیقات در زمینه‌های مختلف نشان می‌دهد.
- انجام آزمایش‌های میدانی برای بررسی پایداری بهینه کود بیوچار بر اساس شرایط اقلیمی، ترکیب خاک و فرآیند تولید ضروری است.
- هنوز به‌طور کامل نمی‌دانیم که تولید، حمل‌ونقل و استفاده از بیوچار چه تأثیری بر اکوسیستم به‌طور کلی خواهند داشت.
- ادعاهای خوش‌بینانه درباره فواید بیوچار برای محیط‌زیست به‌طور چشمگیری با تعداد بسیار کم مطالعات موجود درباره رفتار و آثار آن در تضاد هستند.
- داده‌های تجربی کافی برای تأیید ادعاهایی نظیر اینکه افزودن کربن زیستی به خاک تأثیر چشمگیری بر کاهش تغییرات اقلیمی دارد یا از مزایای زیست‌محیطی کلی برخوردار است، وجود ندارد.
نقاط ضعف بیوچار، که توسط پروفسور Johan Six از موسسه فناوری سوئیس (ETH Zurich) مطرح شده است:
- در برخی موارد بیوچار می‌تواند باعث کاهش محصول کشاورزی شود. این امر به‌دلیل جذب آب و مواد مغذی توسط بیوچار رخ می‌دهد که ممکن است دسترسی این منابع برای محصولات زراعی را محدود کند. همچنین مشخص شده است که بیوچار می‌تواند جوانه‌زنی را کند نماید.
- جذب آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌ها ممکن است کارآیی آنها را کاهش دهد.
- برخی از انواع بیوچار ممکن است به‌عنوان منبع آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین، ترکیبات آلی فرار، هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای و کربن آلی محلول عمل کنند.
- حذف بقایای گیاهی مانند ساقه‌ها، برگ‌ها و پوسته‌هایی که قرار است به‌عنوان ماده اولیه برای تولید بیوچار استفاده شوند، ممکن است وضعیت کلی خاک را بدتر کرده و از تعداد میکروارگانیسم‌های خاک بکاهد یا چرخه مواد مغذی خاک را مختل کند.
- افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی به ترکیب خاک وابسته است: این افزایش در خاک‌های رسی یا دارای مواد آلی زیاد حداقل خواهد بود. در خاک‌هایی که وضعیت معمولی دارند، کاربرد بیوچار چندان معنایی ندارد.
- در خاک‌های با pH بالا (قلیایی)، افزایش pH نامطلوب است، چرا که محصولات کشاورزی فقط محدوده مشخصی از pH خاک را تحمل می‌کنند.
نظر شخصی
هیچ پیش‌داوری شخصی نسبت به بیوچار ندارم. در صورت تمایل، می‌توانید آن را در حیاط خلوت خود تهیه کنید:
منابع بیشتر
از طریق لینک‌های زیر می‌توانید به تحقیقات علمی اصلی دسترسی پیدا کنید که طراحی کامل مطالعات به همراه نمودارها، محاسبات و نتایج در آنها ارائه شده است:
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.
مرور جدیدتر 2018: Review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution .
