Oletko kuullut mitään biohiilestä? Useimmille puutarhureille tämä termi on uusi, myös minulle. Silmiini osui englanninkielinen artikkeli biohiilestä (Biochar), jossa tätä lannoitetta kuvattiin ihmeaineena, joka muuttaa autiomaan Eedenin puutarhoiksi. Herätti kiinnostukseni. Menin heti etsimään tutkimuksia biohiilen tehokkuudesta. Tutkimuksia ei ollut paljon, joten ehdin käydä läpi käytännössä kaikki maaperän parantamiseen liittyvät (en ottanut tähän katsaukseen mukaan tutkimuksia biohiilen vaikutuksesta ilmastonmuutoksen torjuntaan).
Mitä on biohiili?
Biohiili on erityisesti käsiteltyä puuhiiltä, jota lisätään maaperään sen hedelmällisyyden parantamiseksi. Hiiltä on perinteisesti käytetty maataloudessa Länsi-Afrikan alkuperäiskansojen toimesta ja joidenkin epävarmojen tietojen mukaan myös Amazonin sademetsissä. On olemassa hypoteesi, jonka mukaan biohiili voi merkittävästi parantaa maaperän satoisuutta ja samanaikaisesti vähentää hiilidioksidipitoisuutta ilmakehässä.
Miten biohiili parantaa maaperää?
Lyhyesti:
- Biohiilen lisääminen parantaa maaperän fysiokemiallisia ominaisuuksia (pH nousee 3,9:stä 5,1:een, kationinvaihtokapasiteetti 7,41:stä 10,8 cmol(+)kg−1, kationien prosentuaalinen osuus 6,40:stä 26,0 %:iin ja biomassan (MVS) määrä 835:stä 1262 mg/kg-1).
- Kasvattaa maaperäpartikkelien keskimääräistä halkaisijaa (MWD) 2,6 cm:stä 4,0 cm:iin.
- Eroosion vauhti vähenee alle 50 %. Tiedot saatiin lisäämällä maaperään 5 % biohiiltä sen kokonaismassasta ( CATENA Soil Science , Kiina, 2013).
Biohiilen kiderakenne
On todisteita siitä, että Amazonin sademetsissä jo esikolumbiaanisten viljelijöiden parantama maaperä on edelleen hedelmällistä ja sisältää jopa 35 % orgaanisesta hiilestään biohiilen muodossa. Keinotekoisesti biohiilellä rikastetut, 2000 vuotta vanhat maaperät sisältävät enemmän vettä ja ravinteita kasveille helposti saatavassa muodossa. Amazonin mustamullan terra preta -lannoitteen sisältö oli oletettavasti seuraava: hiili + luut + lanta (Lisätietoa Amazonin maaperistä ja niiden esikolumbialaisesta biohiilestä täällä ).
Biohiili on erittäin huokoista materiaalia, joka on vaikutukseltaan verrattavissa perliittiin vedenpidätyskyvyssä. Sen huokoset luovat terveellisen elinympäristön maaperän mikrobeille, ja sen lisääminen voi olla yksi vaihe “terraformoinnissa”. Biohiilen hiili on hyvin pysyvää ja säilyy maaperässä tuhansia vuosia, sitoen ja säilyttäen ravinteita sekä mineraaleja, kunnes se vapauttaa ne kasvien juurille symbioottisten bakteerien avulla. Alueilla, joilla on rankkasateita, tämä on korvaamaton ominaisuus lannoitteelle, sillä se ehkäisee eroosiota ja pohjavesien saastumista.
Miten biohiili valmistetaan?
Biohiilen ekologisia standardeja ylläpitävä järjestö International Biochar Initiative kuvaa sen valmistusprosessia “maatalouden jätteiden muuntamiseksi maaperän tehosteeksi”. Biohiiltä syntyy luonnollisten metsäpalojen yhteydessä tai keinotekoisesti pyrolyysin avulla:
“Orgaaniset jätteet, kuten puulastut ja oksat, maatalouden sivutuotteet, poltetaan hapettomissa kammioissa, jolloin syntyy öljyä, synteettistä kaasua ja hiilimäistä kiinteää ainetta. Tämä erittäin huokoinen puuhiili toimii suodattimena, joka imee haitallisia kemiallisia yhdisteitä ja päästää läpi hyödyllisiä ravinteita.” The Yale School of Forestry & Environmental Studies
Lyhyt katsaus biohiilen historiaan
Historiaa ei voi ohittaa. Hiili on ollut Länsi-Afrikan maaperille perinteisesti toinen tehokas maaperänparannuselementti lannan lisäksi. Tämä kävi selväksi laajojen antropologisten tutkimusten yhteydessä Liberian ja Ghanan 700 vuotta vanhoilla maaperillä ( 1 ).
“Afrikan tummat maat” luotiin keinotekoisesti lisäämällä keittiöjätettä, luita, tuhkaa ja lantaa. Ilman näitä elementtejä maatalous suurimmassa osassa Länsi-Afrikkaa olisi ollut mahdotonta. On mielenkiintoista, että Amazonin ja Afrikan asukkaat löysivät itsenäisesti hiilen käytön lannoitteena - Amazonin viljelijät lisäsivät sitä maaperään jo 2500 vuotta sitten, kun taas Afrikkalaiset noin 700 vuotta sitten. Ehkäpä biohiilen musta väri ja rakenne vastasivat yksinkertaista logiikkaa, jota muinaiset ihmiset noudattivat - “parantaa samanlaisella”…
Tieteelliset tutkimustiedot biohiilestä
Kenttätutkimukset biohiilestä Itävallassa
Tällä hetkellä biohiiltä pidetään lupaavana geoinsinööritaitteena, joten suurimittaiset tutkimukset liittyvät enemmän kasvihuonekaasupäästöjen kompensointiin biohiilen tuotannon kautta sekä pyrolyysiprosessin parantamiseen sen tuotannossa: polton aikana vapautuva kaasu ja öljyt voivat tosiasiallisesti toimia pyrolyysin käynnistämiseen tarvittavana polttoaineena. Kasvi- ja maaperäekosysteemeissä kuitenkaan ei vielä ole riittävästi tehty kokeita, joiden palautemekanismeja ei voi täysin simuloida laboratoriossa. Näin ollen lähes kaikki tiedot ovat melko spekulatiivisia.
Lannoituksen puolestapuhujat nostavat esiin pääasiassa kaksi etua: kyvyn sitoa hiiltä vakaassa muodossa, mikä estää hiilidioksidin (CO2) vapautumisen orgaanisesta aineksesta ilmakehään ja maaperän rikastamisen. Jälkimmäiseen liittyen on kuitenkin vähän hyviä kenttätutkimuksia. Siitä huolimatta:
on kiistatonta, että biohiili pidättää vettä, vähentää maaperän happamuutta, parantaa hapen saatavuutta ja tarjoaa ihanteelliset olosuhteet maaperän pieneliöstölle.
Kenttätutkimuksia, jotka tutkivat biohiilen vaikutusta ravinteiden häviämiseen, on lähes olemattomasti.
Hiilidioksidin sitomiskyky on myös todistettu. Biohiilen tuotanto näyttää vähentävän CO2:n määrää ilmakehässä: kun kasvit hajoavat, ne vapauttavat CO2:ta, jonka muut kasvit lopulta absorboivat, ja tämä sykli jatkuu. Hiili stabiloi tätä hajoavaa materiaalia ja siihen liittyvää CO2:ta, säilöen sen maaperään sadoiksi tai jopa tuhansiksi vuosiksi. Tämä oletettavasti valtavaa potentiaalia omaava idea, joka voi hidastaa ilmaston lämpenemistä, on houkutellut huomattavan joukon biohiilen kannattajia (sekä vastustajia, koska taloudellinen potentiaali ja “suhteellinen hyöty” on vielä todistettava).
Kaikilla kenttätutkimuksilla on liian epämääräiset johtopäätökset. Jokaiselle maaperä- ja ilmastotyypille tarvitaan yksilöllinen määrä hiililannoitetta. Joissain tapauksissa sitä ei tarvita lainkaan. Kemiallinen koostumus vaihtelee laajasti riippuen alkuperäisestä raaka-aineesta ja pyrolyysiolosuhteista. Sadonlisäystä on havaittu maataloudelle sopimattomilla alueilla, jos mukana käytettiin tuhkaa ja orgaanisia lisäaineita (!). Mitä parempi maaperä, sitä maltillisemmat tulokset. Jotta biohiili toimisi, täytyy lisätä fosforia (P), kaliumia (K), kalsiumia (Ca) ja magnesiumia (Mg) kompostin ja lannan muodossa (Terra Pretan maaperät on luotu poltettujen jätteiden jäänteistä ja sekoitettu ihmisasutusten jäteaineiden kanssa).
Empiirisiä tietoja on hävettävän vähän. Tässä joitakin kenttätutkimustuloksia, jotka ovat vaikuttaneet hyödyllisiltä. Biohiiltä tutkittiin riisipelloilla Laosissa vuonna 2007: maaperän vedenjohtavuus parani, sadonkasvu lisääntyi matalan fosforinsaannin olosuhteissa, mutta typen saanti heikkeni, mikä johti tarpeeseen lisätä typpilannoitteita ( 2 ).
Saksalaisten biokemistien Institute of Agricultural and Nutritional Sciences, Soil Biogeochemistry -julkaisussa käsitellään biohiilen ja kompostin synergiaa. Artikkelissa on erityisen hyödyllistä tietoa mustan lannoitteen kestävyydestä – materiaalin perusrakenne on erittäin hajoamiskestävä (noin 3000 vuotta), mikä tekee mahdolliseksi sen, ettei sitä tarvitse levittää vuosittain, kuten muita maaparannusaineita. Lisäksi artikkelissa viitataan biohiilen laatueroihin, jotka riippuvat valmistuslämpötilasta ja alkuperäisestä raaka-aineesta (matalalämpötilassa 250–400 °C ruohoista tuotettu hiili mineralisoi hiiltä paremmin kuin kovapuusta ja korkeissa lämpötiloissa tuotettu).
Biohiilen lähde – ruoho
Kattavimmassa meta-analyysissä biohiiletutkimuksista varoitetaan:
Suurin osa biohiilestä esitettyjen väittämien on liioiteltuja. Lannoitteen mahdollisia hyötyjä sekä maaperän muodostumisen että ympäristön kannalta liioitellaan tietoisesti.
TEDx-puheenvuoro ilmailu- ja avaruusinsinööriltä, joka edistää biohiilen käyttöä.
Lupauksia vai standardeja?
Onneksi biohiilen maailmanlaajuisen käyttöönoton ongelmat eivät koske meitä. Meidän olisi kuin Afrikassa vain parannettava puutarhamaiden hedelmällisyyttä. Tässä vaiheessa kuitenkin ilmenee ongelmia. Emme vielä tiedä:
- Mikä pH saadaan lopulta;
- Yksittäisten biohiilityyppien kemialliset ominaisuudet, jotka riippuvat raaka-aineesta ja valmistustavasta;
- Millaisille maaperille tietty tuote sopii parhaiten;
- Kuinka stabiili se on maaperässä (vain teoreettisia ja epäsuoria tietoja on saatavilla);
- Onko biohiilen tuotanto haitallisempaa ympäristölle kuin se mahdollisesti on hyödyllistä, ja monia muita vastaavia kysymyksiä.
Emme vielä tiedä, mitä hyvä biohiili on. Maailmassa on jo satoja biohiiltä tuottavia yrityksiä, mutta standardeja ei ole vielä kehitetty. Tästä syystä meille luvataan kirjaimellisesti kultakaivoksia, ja annostukset ilmoitetaan pelkästään valmistajan mielikuvituksen ja ahneuden mukaan. Toistaiseksi biohiilelle ei ole laadittu oikeudellista kehystä tai standardeja. Jotta tällaisia standardeja voitaisiin kehittää, niitä on perusteltava kattavilla kenttä- ja laboratoriotutkimuksilla, joita on hyvin vähän. Kaikissa julkaistuissa tutkimuksissa tutkijat painottavat lisätutkimusten ja tietojen tarkentamisen tarvetta.
Noin 100 biohiilinäytteen perusteella, jotka eroavat raaka-aineen ja valmistusprosessin osalta, on ehdotettu seuraavia alkuaineiden kynnysarvoja: O/C < 0,4 ja H/C < 0,6 (Schimmelpfennig & Glaser, 2012). Biohiilen sekoittamista suoraan maaperään ilman orgaanisten lisäaineiden lisäämistä ei käytetä eikä sillä ole merkitystä, mutta tätä eivät biohiilen valmistajat mainitse pakkauksissaan.
Plos One -tiedelehdessä vuonna 2013 julkaistuun meta-analyysiin perustuvat johtopäätökset:
- Biohiilen tutkimus on vielä hyvin nuori ala, mikä näkyy standardien puutteena ja tutkimusten epätasaisena jakautumisena eri aihealueisiin.
- Tarvitaan kenttätestejä, joissa tutkitaan lannoitteen stabiilisuutta ilmaston, maaperän koostumuksen ja hiilen valmistustavan mukaan.
- Emme vieläkään tiedä, kuinka biohiilen tuotanto, kuljetus ja käyttö vaikuttavat koko ekosysteemiin.
- Optimistiset väittämät biohiilen hyödyistä ympäristölle ovat jyrkässä ristiriidassa sen tutkimisen ja vaikutusten arvioinnin rajallisuuden kanssa.
- Ei ole riittävästi empiiristä tietoa, joka vahvistaisi väitteet siitä, että biohiilen levittäminen maaperään huomattavasti lieventäisi ilmastonmuutosta tai toisi merkittäviä ympäristöhyötyjä, kun arvioidaan kaikkia mittareita kokonaisuudessaan.
Biohiilen haitat, kuten on esittänyt prof. Johan Six, Sveitsin liittovaltion teknillinen instituutti Zürichissä:
- Joissain tapauksissa sato voi vähentyä, koska biohiili sitoo vettä ja ravinteita, mikä vähentää viljelykasvien käytettävissä olevien resurssien saatavuutta. On myös havaittu, että biohiili hidastaa siementen itämistä.
- Torjunta-aineiden ja rikkakasvien torjunta-aineiden imeytyminen voi vähentää niiden tehokkuutta.
- Jotkut biohiiletyypit voivat toimia saasteiden lähteinä, kuten raskasmetallit, haihtuvat orgaaniset yhdisteet, polysykliset aromaattiset hiilivedyt ja liukeneva orgaaninen hiili.
- Kasvijätteiden, kuten varsien, lehtien ja siemenkottien poistaminen, joita käytettäisiin biohiilen tuotannossa, voi heikentää maaperän yleistä kuntoa vähentämällä maaperän mikro-organismien määrää ja häiritsemällä sisäistä ravinteiden kiertoa.
- Kationinvaihtokapasiteetin kasvu riippuu maaperän koostumuksesta: se on vähäinen savipitoisissa tai orgaanista ainetta sisältävissä maaperissä. Tavallisessa maaperässä biohiilen käytöllä ei ole suurta merkitystä.
- Korkean pH:n maaperissä (emäksinen maaperä) pH:n nousu ei ole toivottavaa, koska viljelykasvit sietävät vain tietyn maaperän pH-alueen.
Minulla ei ole henkilökohtaisia ennakkoluuloja biohiiltä kohtaan. Halutessasi voit valmistaa sitä omalla takapihallasi:
Lisäkirjallisuus
Alla olevien linkkien kautta voit tutustua alkuperäisiin tieteellisiin artikkeleihin, jotka sisältävät täydellisen tutkimussuunnittelun, kaaviot, laskelmat ja johtopäätökset.
Effect of biochar on soil physical properties in two contrasting soils: An Alfisol and an Andisol . Geoderma Volumes 209–210, marraskuu 2013, Sivut 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.
Uusin katsaus vuodelta 2018 Review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution .
