فوائد استخدام الفحم الحيوي في الزراعة

ماهو الفحم الحيوي

الفحم الحيوي هو الكتلة الحيوية التي تم تحويلها إلى فحم ، من خلال عملية الانحلال الحراري ، ويتم تطبيق الفحم الحيوي في التربة ، لعزل الكربون ، أو لتحسين خصوبة التربة ، وروابط الكربون في الفحم الحيوي مستقرة للغاية ، ولا تنكسر بسهولة مما يجعل الفحم الحيوي ، محلول تخزين الكربون على المدى الطويل.

كما يحسن الهيكل المادي للفحم الحيوي ، خصوبة التربة من خلال تقليل قوة شد التربة وكثافتها ، كما يعمل الفحم الحيوي أيضًا كمجموع تربة ، يوفر موطنًا للكائنات الحية الدقيقة.

بالإضافة إلى ذلك ، تعمل مسامية الفحم الحيوي على تحسين الاحتفاظ بالمغذيات ، والمياه في التربة ، وبالتالي تحسين الكفاءة الزراعية وزيادة الغلة ، كما يمكن تخفيف ما يقدر بـ 12٪ من الانبعاثات البشرية المنشأ ، إذا تم استخدام الفحم الحيوي بكامل طاقته.

وبالرغم من ذلك ، فإن التكاليف المرتبطة بالفحم الحيوي على نطاق واسع ، تمنع استخدام التكنولوجيا بالكامل ، ومبادرات الفحم الحيوي على نطاق صغير لديها إمكانات أكبر من حيث الجدوى الاقتصادية ، ومن أجل أن تكون مرافق الفحم الحيوي واسعة النطاق مجدية اقتصاديًا ، مع توفير الحلول بطريقة مستدامة ، يحتاج الاقتصاد العالمي إلى اعتماد آليات تسعير الكربون ، وتحتاج الصناعة إلى استيعاب التكاليف ، مثل إنتاج الطاقة ، وفقدان التربة الزراعية.  [1]

تتلاقى القضايا العالمية مثل النمو السكاني ، وتغير المناخ ، وتدهور التربة ، واستنفاد الموارد ، والأمن الغذائي ، وتسعير الكربون ، وتسلط الضوء على الحاجة إلى حلول قابلة للتطوير ، والفحم الحيوي هو منتج ناشئ على حدود علوم التربة ، قد يساعد في التخفيف من هذه القضايا بطريقة مستدامة.

تعرف مبادرة الفحم الحيوي الدولية ، الفحم الحيوي كمادة صلبة ، يتم الحصول عليها من التحويل الحراري الكربوني ، للكتلة الحيوية في بيئة محدودة من الأكسجين ، وتسمى هذه العملية الانحلال الحراري.

ويتم إنتاج الفحم الحيوي حاليًا بهدف محدد لاستخدامه ، إما كطريقة لتخزين الكربون ، أو في الزراعة كتعديل للتربة ، أو كليهما ، وإنه مفهوم جديد نسبيًا في استراتيجيات تخزين الكربون ، وكتعديل زراعي في الزراعة الحديثة ، ولكن تم استخدامه منذ آلاف السنين ، من قبل العديد من الحضارات حول العالم ، لتحسين خصوبة التربة.

وقد تم العثور على بقايا الكربون الأسود البشري المنشأ ، في أفريقيا ، وآسيا ، وأمريكا الجنوبية ، ولا تزال الآثار الإيجابية للفحم الحيوي المستخدم ، في التربة القديمة ، لا سيما في حوض الأمازون ، واضحة اليوم وتسلط الضوء على قدرة كبيرة على تخزين الكربون ، ونتيجة لذلك ، فإن الكثير من الأبحاث حول الفحم الحيوي ، تنبع من هذه التربة الأمازونية التي تم تسميتها (Terra preta).

وقد أظهرت الدراسات أن الفحم الحيوي لديه القدرة على عزل الكربون ، وتحسين خصوبة التربة وإنتاج المحاصيل ، وهناك أيضًا إمكانية لاستخدام الفحم الحيوي في أسواق تعويض الكربون ، كما يمكن أن ينتج الفحم الحيوي أيضًا طاقة متجددة نظيفة ، ومع ذلك  فإن الفحم الحيوي معقد ، وله مجموعة من الآثار على النظم البيئية للتربة ، بناءً على طرق الإنتاج والمواد الأولية للكتلة الحيوية ، وعمليات التطبيق.

وعلى الرغم من القضايا التي يواجهها تسويق الفحم الحيوي ، فإن إمكانية استخدام الفحم الحيوي لتوفير حلول لفقدان التربة ، والتربة المتدهورة ، والأمن الغذائي ، وتغير المناخ مثيرة للغاية.

تهدف هذه القضية المثارة ، إلى فهم كيفية تأثير الفحم الحيوي على بيئات التربة ، ومن ثم تحديد إمكانية أن يصبح الفحم الحيوي جزءًا من حل قابل للتطبيق اقتصاديًا ، لبعض القضايا الأكثر إلحاحًا في العالم ، حيث  كشفت هذه القضية عن الخصائص الكيميائية ، والفيزيائية ، والبيولوجية للفحم الحيوي ، وكيف يعمل الفحم الحيوي ، كأداة لعزل الكربون ، ولتحسين الإنتاجية الزراعية.[2]

الخواص الكيميائية للفحم الحيوي وفوائده الزراعية

يحتوي الفحم الحيوي على مجموعة من التأثيرات على التربة ، اعتمادًا على درجة حرارة عملية التحلل الحراري ، ونوع المادة الأولية ، على سبيل المثال ، تؤدي درجات الحرارة العالية للانحلال الحراري ، إلى ارتفاع درجة الحموضة.

كما تحتوي المواد الأولية المختلفة مثل خشب البلوط ، ومخزن الذرة وفضلات الدواجن المصنوعة في الفحم الحيوي ، على مستويات مختلفة من الأس الهيدروجيني أيضًا ، وتؤثر المواد الأولية ، ودرجة الحرارة المستخدمة في الانحلال الحراري أيضًا ، على قدرة التبادل الكاتيوني ، وهو أمر مهم لخصوبة التربة.

وكلما ارتفعت درجة حرارة التربة ، زادت خصوبة التربة ، كما تم العثور على التربة التي تم تعديلها باستخدام الفحم الحيوي ، من قبل ثقافات الأمازون ما قبل التاريخ ، لتكون لديها قدرة تبادل كاتيوني عالية بشكل غير عادي ، هذه التربة الخصبة هي مثال على كيف يمكن للفحم الحيوي ، أن يفيد الصناعة الزراعية.

فالفحم الحيوي عبارة عن بالوعة مستقرة من الكربون في التربة ، وهذا بسبب رائحة الكربون بعد الانحلال الحراري ، فالعطرية العالية تعني أن الهياكل الجزيئية مستقرة للغاية ، ولا تتفكك بسهولة ، أو تتفاعل مع مواد أخرى ، كما يحتوي الفحم الحيوي أيضًا على معادن على شكل رماد موجود داخل المسام الصغيرة ، والهيكل الجزيئي العطري ، وهذه المعادن متاحة للامتصاص البيولوجي ، ومع ذلك فإن مدى وصول هذه المعادن إلى النباتات ، لا يزال غير مدروس.

وكما ذكرنا سابقًا فإن امتصاص العناصر الغذائية ، والمعادن المفيدة هي خصائص إيجابية للفحم الحيوي ، ومع ذلك ، تم الإبلاغ عن امتصاص المركبات السامة الضارة ، مثل كاتيكول في الفحم الحيوي ، في حال إذا زاد الفحم الحيوي من عمر المركبات السامة ، التي يمكن أن تتفكك بمعدل أسرع في بيئات أخرى ، فقد تكون مشكلة.[3]

الخصائص الفيزيائية للفحم الحيوي وفوائدها الزراعية

عادة ما يكون للفحم الحيوي تأثير مادي إيجابي على التربة ، فقد أظهرت إحدى الدراسات التي جرت عام 2007م ، أن مدخلات الفحم الحيوي التي تزيد عن 50 طنًا للهكتار الواحد ، يمكن أن تقلل من قوة شد التربة ، حيث انخفضت قوة شد التربة الإجمالية ، لأن قوة الشد في الفحم الحيوي المطبّق كانت أقل من التربة ، تسمح قوة الشد المنخفضة في التربة للجذور ، بالنمو واختراق الأرض بشكل أسهل ، كما يتم تحسين إنبات البذور ، ونمو الفطريات في تربة الشد المنخفضة.

والكثافة الظاهرية هي خاصية مادية أخرى للتربة ، تتأثر بإضافة الفحم الحيوي ، ويتميز الفحم الحيوي بكثافة سائبة منخفضة ، بسبب انتشار البكتيريا الصغيرة والكبيرة ، التي يمكنها حمل الهواء والماء ، يعني التركيب المسامي لجسيمات الفحم الحيوي ، أن لديها مساحة سطح عالية إلى حد كبير ، وجد أن هذه المسام العديدة داخل الهيكل الداخلي للفحم الحيوي ، مهمة للعمليات البيولوجية.

كما يمكن أن يعمل الفحم الحيوي أيضًا كمجموع تربة ، بمعنى أن يقيس الاستقرار الكلي قدرة التربة على مقاومة التفكك ، عندما تتلامس معها القوى التخريبية ، مثل حرث المحراث وتآكل المياه / الرياح ، وتشير المستويات العالية من الاستقرار الكلي ، إلى مستويات صحية لمحتوى المواد العضوية ، والنشاط البيولوجي ودورة المغذيات في التربة ، كما تشير الدراسات إلى أن الفحم الحيوي ، يمكن أن يوفر فوائد لها وظائف مشابهة للتربة ذات الاستقرار الكلي المرتفع ، مثل حماية المواد العضوية ، وموئل الكائنات الحية في التربة وكذلك الاحتفاظ بالمغذيات والمياه.

بالإضافة إلى أن خصائص الاحتفاظ بالمياه لسطح الفحم الحيوي ، هي جذابة بشكل خاص من منظور كفاءة استخدام المياه ، كما تسمح المسام في الفحم الحيوي ، وأسطح ركام التربة بالتهوية اللازمة للتنفس البيولوجي ، على هذا النحو ، وقد تم العثور على أسطح الفحم الحيوي ، كموئل مهم للميكروبات الهوائية ، لأن هذه الأسطح المجمعة ، توفر المزيد من الوصول إلى المواد العضوية ، والأكسجين ، والرطوبة ، وهذا يؤدي إلى معدلات أعلى من التحلل العضوي ، الذي يوفر المزيد من العناصر الغذائية للنباتات.

وتستحق خصائص الاحتفاظ بالمياه في الفحم الحيوي مزيدًا من الدراسة ، حيث يمكن أن يجفف التربة الجافة ، ويقتل الكائنات الحية الدقيقة التي تعتبر ضرورية لوظائف التربة والنبات ، كما يضمن الاحتفاظ بالرطوبة في الفحم الحيوي ، استمرار الترطيب للكائنات الحية الدقيقة ، التي قد تتعرض للتأثيرات الضارة للتربة الجافة ، لذلك فإن الفحم الحيوي يتمتع بإمكانيات كبيرة كتعديل للتربة ، للمناطق المعرضة للجفاف مثل كاليفورنيا.

كما تتسبب المواد الأولية المختلفة ودرجات حرارة الانحلال الحراري ، في هيكل مسامي مختلف يؤثر على إجمالي مساحة السطح ، يمكن أن تثير السمات المادية المتنوعة لمنتجات الفحم الحيوي المختلفة ، قضايا لضمان الجودة في العمليات التجارية.[4]

الخصائص البيولوجية للفحم الحيوي وفوائدها الزراعية

الوظائف البيولوجية الصحية في التربة ، وخدمات النظام البيئي الناتجة عنها التي توفرها هذه الوظائف ، لها آثار على الخصائص الكيميائية والفيزيائية للتربة ، مثل بنية التربة ، والاستقرار ، والتهوية وكفاءة استخدام المياه ، كما هو موضح في الأقسام أعلاه.

وقد تم العثور على التنوع البيولوجي ، ووفرة الكائنات الحية التربة من المكونات الحاسمة ، للوظائف البيولوجية الصحية في التربة ، وتم اقتراح تعديلات عضوية على التربة ، كوسيلة مهمة لإدارة التنوع البيولوجي ، ووفرة كائنات التربة ، كما يمكن اعتبار الفحم الحيوي بمثابة تعديل عضوي للتربة.

وقد قامت الدراسات الحديثة بتحليل التربة في منطقة الأمازون البرازيلية ، حيث تتميز بعض أنواع التربة باختلافات شديدة الوضوح في الكربون الأسود ، ولكن مستويات المعادن المتجانسة ، أدت إلى ارتفاع مستويات الكربون الأسود بسبب المواد العضوية المحروقة بشكل غير كامل ، بمعنى الفحم الحيوي.

وقد وجدت الدراسات ثراء أكبر للكائنات الحية البكتيرية في التربة ، التي تحتوي على الفحم الحيوي ، وجدت إحدى الدراسات أن التنوع البكتيري في تربة Terra preta المعدلة ، في الفحم الحيوي كان أعلى بنسبة 25٪ من التربة غير المعدلة.

كما وجدت دراسة أخرى مستويات أعلى من البكتيريا بأكثر من أمرين ، من حيث الحجم في التربة التي تحتوي على الفحم الحيوي ، مقارنة بالتربة التي لا تحتوي على الفحم الحيوي ، وعلاوة على ذلك ، وجد أن معدلات نمو البكتيريا ، والتكاثر تزداد في التربة المعدلة باستخدام الفحم الحيوي.

وفي دراسة أخرى عن الفحم الحيوي يمكن أن يحسن ، تكوين العقيدات من فطريات الجذور العصبية العضلية بمقدار 2.3 مرة ، وتمتلك الفطريات الفطرية العضلية قدرة امتصاص عالية للماء ، كما يمكنها تحويل معادن الفسفور ، إلى شكل يمكن استخدامه في النباتات ، وتعتبر العلاقة التكافلية بين الميكوريزا ، وجذور النبات ضرورية لصحة النبات ، على وجه التحديد ، في امتصاص العناصر الغذائية.

ولا يزال تأثير الفحم الحيوي على حيوانات التربة الكبيرة قيد البحث ، ويعد هذا مجالًا مهمًا للبحث ، لأن حيوانات التربة جزء مهم من شبكة الغذاء في التربة ، ويمكن أن تعدل الفحم الحيوي بطرق غير معروفة ، وقد تتأثر سلبًا بمكونات سامة غير معروفة في الفحم الحيوي ، وقد ثبت أن ديدان الأرض ، تفضل التربة مع تعديلات الفحم الحيوي ، ولكن فقط في بعض المواد الأولية للفحم الحيوي.