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.

يحسن الفحم الحيوي من خصوبة التربة عن طريق تقليل قوة شد التربة وزيادة تهوية التربة، فضلاً عن أنه يعتبر مصدرًا للكائنات الحية الدقيقة التي تحسن من جودة التربة.

بالإضافة إلى ذلك، يعمل الفحم الحيوي على زيادة مسامية التربة، مما يساعد على تحسين الاحتفاظ بالمواد الغذائية والمياه في التربة، وبالتالي يساهم في تحسين الكفاءة الزراعية وزيادة الغلة المحصول. ويمكن أيضًا استخدام الفحم الحيوي لتخفيف الانبعاثات البشرية المنشأة بنسبة تصل إلى 12٪ إذا استخدم بكامل طاقته.

وعلى الرغم من ذلك، تعترض التكاليف المرتبطة بالفحم الحيوي على نطاق واسع استخدام التكنولوجيا بالكامل، ولكن مبادرات استخدام الفحم الحيوي على نطاق صغير لها إمكانات أكبر من حيث الجدوى الاقتصادية. لكي تصبح مرافق الفحم الحيوي على نطاق واسع مجدية اقتصاديا وتوفر حلولا مستدامة، يحتاج الاقتصاد العالمي إلى اعتماد آليات تسعير الكربون، وتحتاج الصناعة إلى تحمل التكاليف مثل توليد الطاقة وتدهور التربة الزراعية. 

تتداخل القضايا العالمية مثل النمو السكاني وتغير المناخ وتدهور التربة واستنزاف الموارد والأمن الغذائي وتسعير الكربون، وتسلط الضوء على الحاجة إلى حلول قابلة للتطوير، ويعد الفحم الحيوي منتجا ناشئا في علوم التربة، ويمكن أن يساعد في التخفيف من هذه القضايا بطريقة مستدامة.

تُعرف مبادرة الفحم الحيوي الدولية بأنها الحصول على الفحم الحيوي كمادة صلبة من تحويل الكتلة الحيوية النباتية بدون توفر كمية كافية من الأكسجين، وتُسمى هذه العملية بالانحلال الحراري.

يتم حاليا إنتاج الفحم الحيوي لغرض محدد، إما لتخزين الكربون أو كتعديل للتربة أو كليهما، وهو مفهوم جديد نسبيا في استراتيجيات تخزين الكربون والزراعة الحديثة، على الرغم من 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.

على الرغم من التحديات التي يواجهها تسويق الفحم الحيوي، إلا أن استخدام الفحم الحيوي لتوفير حلول لمشكلات فقدان التربة وتدهور الأرض والأمن الغذائي وتغير المناخ يعد أمرًا مثيرًا للاهتمام للغاية.

تهدف هذه القضية المثارة إلى فهم تأثير الفحم الحيوي على بيئات التربة، وبالتالي تحديد إمكانية أن يكون الفحم الحيوي جزءا من حلا اقتصاديا قابلا للتطبيق في بعض القضايا العالمية الملحة. كشفت هذه القضية الخصائص الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية للفحم الحيوي وكيفية عمله كأداة لعزل الكربون وتحسين الإنتاجية الزراعية.

الخواص الكيميائية للفحم الحيوي وفوائده الزراعية

يحتوي الفحم الحيوي على تأثيرات مختلفة على التربة، وذلك يعتمد على درجة حرارة عملية التحلل الحراري ونوعية المادة الأولية، فعلى سبيل المثال، تؤدي درجات الحرارة العالية لعملية التحلل الحراري إلى زيادة درجة الحموضة في التربة.

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.

الخصائص الفيزيائية للفحم الحيوي وفوائدها الزراعية

عادة ما يكون للفحم الحيوي تأثير إيجابي ملموس على التربة. أظهرت دراسة عام 2007 أن استخدام أكثر من 50 طنا من الفحم الحيوي لكل هكتار يمكن أن يقلل من قوة شد التربة. حدث انخفاض في القوة الشد الإجمالية للتربة بسبب أن قوة الشد في الفحم الحيوي كانت أقل من التربة. وهذا يسمح للجذور بالنمو واختراق الأرض بسهولة أكبر. كما يساهم الفحم الحيوي في تحسين إنبات البذور ونمو الفطريات في التربة ذات القوة الشد المنخفضة.

والكثافة الظاهرية هي خاصية أخرى للتربة، تتأثر بإضافة الفحم الحيوي، والفحم الحيوي يتميز بكثافة سائبة منخفضة بسبب انتشار البكتيريا الصغيرة والكبيرة التي تحمل الهواء والماء، وهذا يعني أن جسيمات الفحم الحيوي لديها تركيب مسامي يتميز بمساحة سطح عالية إلى حد كبير، وتبين أن هذه المسام العديدة داخل الهيكل الداخلي للفحم الحيوي ضرورية 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 ذلك، تعتبر خصائص الاحتفاظ بالمياه لسطح الفحم الحيوي مثيرة للاهتمام بشكل خاص من حيث كفاءة استخدام المياه. فالمسام الموجودة في الفحم الحيوي وأسطح التربة المكونة من الركام توفر التهوية اللازمة للتنفس البيولوجي. وقد تم اكتشاف أن سطوح الفحم الحيوي تعتبر موطنا مهما للميكروبات الهوائية، حيث توفر هذه السطوح المتجمعة إمكانية الوصول إلى مواد عضوية إضافية والأكسجين والرطوبة. وهذا بدوره يؤدي إلى معدلات أعلى من التحلل العضوي، مما يوفر مزيدا من العناصر الغذائية للنباتات.

تحتاج خصائص احتفاظ المياه في الفحم الحيوي إلى مزيد من الدراسة، حيث يمكن أن يجفف التربة الجافة ويقتل الكائنات الحية الدقيقة المهمة لوظائف التربة والنباتات. يضمن الفحم الحيوي الاحتفاظ بالرطوبة واستمرار ترطيب الكائنات الحية الدقيقة، والتي يمكن أن تتأثر سلبا بالتربة الجافة. لذلك، الفحم الحيوي له إمكانيات كبيرة كتعديل للتربة في المناطق الجافة مثل كاليفورنيا.

تؤثر المواد الأولية المختلفة ودرجات حرارة الانحلال الحراري على هيكل مسامي مختلف يؤثر على إجمالي مساحة السطح، ويمكن أن تثير الخصائص المادية المتنوعة لمنتجات الفحم الحيوي المختلفة قضايا تتعلق بضمان الجودة في العمليات التجارية.

الخصائص البيولوجية للفحم الحيوي وفوائدها الزراعية

تؤثر الوظائف البيولوجية الصحية في التربة والخدمات البيئية الناتجة عنها على الخصائص الكيميائية والفيزيائية للتربة، مثل بنيتها واستقرارها وتهويتها وكفاءة استخدام المياه، وتم توضيح ذلك في الأقسام السابقة.

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.

أظهرت الدراسات أن التربة التي تحتوي على الفحم الحيوي تحتوي على تركيز أكبر من الكائنات الحية البكتيرية، حيث وجدت دراسة أن التنوع البكتيري في تربة Terra preta المعدلة بالفحم الحيوي كان أعلى بنسبة 25٪ في المقارنة مع التربة غير المعدلة.

وجدت دراسة أخرى أن هناك مستويات أعلى من البكتيريا في التربة التي تحتوي على الفحم الحيوي بمقدار أكثر من مرتين، مقارنة بالتربة التي لا تحتوي على الفحم الحيوي. وتزداد معدلات نمو البكتيريا وتكاثرها في التربة التي تم تعديلها باستخدام الفحم الحيوي.

في دراسة أخرى حول الفحم الحيوي، يمكن تحسين تكوين العقيدات من فطريات الجذور العصبية العضلية بمعدل 2.3 مرة، وتمتلك الفطريات الفطرية العضلية قدرة عالية على امتصاص الماء، ويمكنها تحويل معادن الفسفور إلى شكل يمكن استخدامه في النباتات، وتعتبر العلاقة التكافلية بين الميكوريزا وجذور النبات ضرورية لصحة النبات، وتحديدا في امتصاص العناصر الغذائية.

لا يزال تأثير الفحم الحيوي على حيوانات التربة الكبيرة موضع بحث، وهو مجال بحث هام لأن حيوانات التربة تعتبر جزءا أساسيا من شبكة الغذاء في التربة. قد يؤثر الفحم الحيوي على حيوانات التربة بطرق غير معروفة وقد يكون له تأثير سلبي بسبب المواد السامة غير المعروفة في الفحم الحيوي. لقد تم تأكيد أن الديدان تفضل التربة التي تحتوي على تعديلات من الفحم الحيوي، ولكن ذلك ينطبق فقط على بعض المواد الأولية للفحم الحيوي.