Soil Research

Mặc dù gần đây có sự quan tâm đến biochars như một loại vật liệu cải tạo đất để nâng cao chất lượng đất và tăng cường lưu giữ carbon trong đất, nhưng vẫn còn thiếu hiểu biết về các thuộc tính cải tạo đất của các vật liệu này được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau và dưới các điều kiện nhiệt phân khác nhau. Điều này đặc biệt đúng đối với biochars được sản xuất từ nguồn động vật. Hai loại biochar được sản xuất từ phân gia cầm dưới các điều kiện khác nhau đã được thử nghiệm trong một thí nghiệm chậu bằng cách đánh giá sản lượng củ cải (Raphanus sativus var. Long Scarlet) cũng như chất lượng đất của một loại đất Chromosol cứng (Alfisol). Bốn mức biochar (0, 10, 25 và 50 t/ha), có và không có việc bón đạm (100 kg N/ha) đã được nghiên cứu. Cả hai loại biochar, không có phân bón đạm, đều tạo ra sự gia tăng tương tự về sản lượng khô của củ cải, có thể phát hiện ngay từ tỷ lệ áp dụng thấp nhất, 10 t/ha. Sự gia tăng sản lượng (%), so với nhóm chứng không được cải tạo tăng từ 42% ở mức 10 t/ha lên 96% ở mức 50 t/ha khi áp dụng biochar. Sự gia tăng sản lượng này chủ yếu có thể được quy cho khả năng của các biochar này trong việc tăng cường độ khả dụng của N. Sự gia tăng sản lượng đáng kể bổ sung, vượt quá so với sự ảnh hưởng của phân bón N đơn thuần, đã được quan sát khi phân bón N được bón cùng với biochars, làm nổi bật các tác động có lợi khác của các biochars này. Ở khía cạnh này, biochar từ phân gia cầm chưa được kích hoạt sản xuất ở nhiệt độ thấp hơn (450°C) hiệu quả hơn so với biochar đã được kích hoạt sản xuất ở nhiệt độ cao hơn (550°C), có thể do hàm lượng P khả dụng cao hơn. Việc thêm biochar vào đất cứng đã dẫn đến những thay đổi đáng kể nhưng khác biệt trong các thuộc tính hóa học và vật lý của đất, bao gồm sự gia tăng về C, N, pH và P khả dụng, nhưng giảm sức mạnh của đất. Những tác động khác nhau của hai loại biochar khác nhau có thể liên quan đến các đặc điểm khác nhau của chúng. Những thay đổi khác biệt rõ rệt trong sinh học đất về khối lượng sinh khối vi sinh vật và các thuộc tính ưa thích của giun đất cũng đã được quan sát giữa hai loại biochar, nhưng cơ chế tiềm ẩn cần được nghiên cứu thêm. Nghiên cứu của chúng tôi nhấn mạnh tầm quan trọng của nguyên liệu đầu vào và điều kiện quy trình trong quá trình nhiệt phân đối với các thuộc tính và, do đó, là giá trị cải tạo đất của biochars.

Sự tương tác giữa biochar, đất, vi sinh vật và rễ cây có thể xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn sau khi được áp dụng vào đất. Tuy nhiên, mức độ, tốc độ và những hệ quả của những tương tác này vẫn còn xa lạ với chúng ta. Bài tổng quan này mô tả các đặc tính của biochar và gợi ý các phản ứng có thể xảy ra sau khi thêm biochar vào đất. Những phản ứng này bao gồm hòa tan–kết tủa, hấp phụ–giải hấp, acid–bazơ, và phản ứng oxi hóa khử. Sự chú ý được dành cho các phản ứng xảy ra trong các lỗ rỗng, và tương tác với rễ cây, vi sinh vật và động vật đất. Việc xem xét các mẫu biochar (từ phân gà, chất thải xanh, và bùn nhà máy giấy) đã trải qua thời gian 1 và 2 năm trong một loại đất Ferrosol ở Úc cung cấp bằng chứng cho một số cơ chế được mô tả trong bài tổng quan này và mang lại cái nhìn về các phản ứng ở quy mô phân tử. Những tương tác này là riêng biệt cho từng loại biochar và địa điểm. Do đó, cần thiết phải có các thử nghiệm thực nghiệm phù hợp - kết hợp các loại biochar với các điều kiện đất khí hậu khác nhau - để xác định mức độ mà những phản ứng này ảnh hưởng đến tiềm năng của biochar như một chất cải tiến đất và công cụ để lưu giữ carbon.

Các đặc tính của biochar có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi nguồn nguyên liệu và điều kiện nhiệt phân; điều này yêu cầu phải có sự đặc trưng chi tiết của biochar cho ứng dụng của chúng trong việc cải thiện độ màu mỡ của đất và lưu trữ carbon. Chúng tôi đã đặc trưng 11 mẫu biochar, được sản xuất từ 5 nguồn nguyên liệu [gỗ Eucalyptus saligna (tại 400°C và 550°C, cả có và không có hoạt hóa bằng hơi nước); lá E. saligna (tại 400°C và 550°C với hoạt hóa); bùn nhà máy giấy (tại 550°C với hoạt hóa); phân gà và phân bò (mỗi loại tại 400°C không có hoạt hóa và tại 550°C có hoạt hóa)] bằng các phương pháp hóa học tiêu chuẩn hoặc được điều chỉnh của đất. Giá trị pH của biochar thay đổi từ gần trung tính đến kiềm mạnh. Nhìn chung, biochar từ gỗ có tổng lượng C cao hơn, hàm lượng tro thấp hơn, tổng lượng N, P, K, S, Ca, Mg, Al, Na, và Cu thấp hơn, và khả năng trao đổi cation tiềm năng (CEC) và cation trao đổi thấp hơn so với biochar từ phân, trong khi biochar từ lá thường nằm ở giữa. Biochar từ bùn nhà máy giấy có tổng lượng Ca và cation trao đổi cao nhất, tương đương CaCO3, tổng lượng Cu cao nhất và CEC tiềm năng cao nhất, và tổng lượng K và cation trao đổi thấp nhất. Hàm lượng muối hòa tan trong nước cao hơn ở biochar từ phân, tiếp theo là biochar từ lá, bùn nhà máy giấy, và biochar từ gỗ. Tổng lượng As, Cd, Pb, và hidrocarbon thơm đa vòng trong các mẫu biochar rất thấp hoặc dưới giới hạn phát hiện. Nhìn chung, sự gia tăng nhiệt độ nhiệt phân làm tăng hàm lượng tro, giá trị pH, và tính bazơ bề mặt và giảm độ acid bề mặt. Điều trị hoạt hóa có tác động rất ít đến hầu hết các đặc tính của biochar. Phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy sự hiện diện của whewellite trong biochar E. saligna được sản xuất tại 400°C, và whewellite đã được chuyển đổi thành calcite trong biochar hình thành ở 550°C. Biochar từ bùn nhà máy giấy chứa lượng calcite lớn nhất. Muối hòa tan trong nước và calcite đã gây cản trở trong việc đo lường điện tích bề mặt và cần được loại bỏ trước khi thực hiện phép đo điện tích bề mặt của biochar. Các mẫu biochar được sử dụng trong nghiên cứu này có thể có đặc tính từ giàu C đến giàu dinh dưỡng đến giàu vôi, và những đặc tính này có thể được tối ưu hóa thông qua việc bố trí nguồn nguyên liệu và nhiệt độ nhiệt phân cho mục đích ứng dụng đất cụ thể.

Độ nhạy của các phép đo carbon hữu cơ trong đất (Corg) và carbon vi sinh vật (Cmic), cũng như tỷ lệ Cm~,/Co,, trong việc phản ánh khí hậu, thảm thực vật, lịch sử trồng trọt và quản lý đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng nhiều mẫu đất bề mặt ở New Zealand. Cmic thường chiếm từ 1-4% Corg, trong đó tỷ lệ này thường cao hơn dưới đồng cỏ so với các loại đất tương ứng dưới rừng bản địa, rừng ngoại lai hay trồng trọt. Tuy nhiên, các giá trị tuyệt đối giữa các loại đất khác nhau rất rõ ràng và bị ảnh hưởng lớn bởi kết cấu, khoáng vật và hàm lượng Corg. Cmic phục hồi nhanh hơn Corg khi quay lại đồng cỏ sau khi trồng trọt. Có một hàm lượng Corg cao hơn trong những loại đất từ những khu vực có lượng mưa cao hơn, nhưng tỷ lệ lượng mưa-bốc hơi được đề xuất bởi Insam et al. (Soil Biol. Biochem. 1989, 21, 211-21) để dự đoán mối quan hệ giữa Cmic và Corg đã đánh giá quá thấp hàm lượng Cmic của đất New Zealand và có quá nhiều sự phân tán trong dữ liệu để xác định một công thức hồi quy mới. Chỉ số Cmic và tỷ lệ Cmic/Cor, là các biện pháp hữu ích để theo dõi chất hữu cơ trong đất và cả hai cung cấp một chỉ số nhạy cảm hơn so với COrg đo riêng lẻ. Tuy nhiên, dưới các điều kiện khí hậu và sử dụng đất điển hình tại New Zealand, các giá trị này dường như không dễ dàng chuyển nhượng giữa các loại đất. Để xác định xem một loại đất đã đạt được trạng thái cân bằng về chất hữu cơ hay chưa, sẽ cần thiết phải thiết lập các giá trị tham chiếu mà một mẫu đất được thử nghiệm có thể được so sánh.

Một phương pháp định lượng đơn giản để phân tách vật chất hữu cơ dạng hạt tự do và bị bao bọc đã được phát triển và áp dụng cho năm loại đất nguyên sinh. Vật chất hữu cơ tự do được tách ra bằng cách lơ lửng mẫu đất trong dung dịch natri polytungstate (d = 1.6 Mg m-3) và lắng đọng vật chất nhẹ. Đất còn lại được phân tán bằng siêu âm để giải phóng vật chất hữu cơ bị bao bọc. Phân đoạn nhẹ tự do bao gồm các mảnh rễ và thực vật lớn, chưa phân hủy hoặc phân hủy một phần. Phân đoạn này chiếm 0.59-4.34% trọng lượng khô của đất và chiếm 6.9-31.3% và 5.9-22.1% tổng lượng carbon và nitơ trong đất tương ứng. Các thành phần có thể nhận diện của phân đoạn bị bao bọc là các hạt nhỏ của chất hữu cơ phân hủy không hoàn toàn, hạt phấn, các hạt của mô thực vật như cuộn lignin và phytoliths. Phân đoạn này chiếm 0.69-1.81% trọng lượng khô của đất và đại diện cho 9.2-17.5% và 6.2-14.1% tổng lượng carbon và nitơ trong đất. Tỷ lệ carbon hữu cơ trong đất được thu hồi như phân đoạn bị bao bọc cao trong đất có hàm lượng đất sét cao. Thành phần hóa học của vật chất hữu cơ bị bao bọc và tự do đã được nghiên cứu bằng quang phổ NMR 13C CP/MAS ở trạng thái rắn. Mặc dù có sự khác biệt giữa các loại đất, điều kiện môi trường và thảm thực vật, cấu trúc hữu cơ của phân đoạn nhẹ tự do tương tự trong bốn trên năm loại đất. Phân đoạn này bao gồm 55-63% C-alkyl O, 18-25% C-alkyl, 14-18% C-aromatic và 5-7% C-carbonyl. Trong loại đất còn lại, phân đoạn này cho thấy tỷ lệ C-alkyl cao hơn (31%) và C-alkyl O thấp hơn (46%). Hầu hết các sự khác biệt giữa các loại đất liên quan đến vật chất hữu cơ có trong phân đoạn nhẹ bị bao bọc. Sự khác biệt trong cấu trúc hóa học giữa phân đoạn nhẹ bị bao bọc và các phân đoạn nhẹ tự do tương tự nhau ở tất cả các loại đất được nghiên cứu. Dữ liệu NMR cho thấy tỷ lệ C-alkyl O thấp hơn và C-alkyl cao hơn trong các phân đoạn nhẹ bị bao bọc so với các phân đoạn nhẹ tự do. Tỷ lệ carbon aromatic và carbonyl cao hơn trong các phân đoạn bị bao bọc của ba loại đất trong khi tỷ lệ của hai loại carbon này không thay đổi ở hai loại đất còn lại. Người ta cho rằng vật chất hữu cơ bị bao bọc là một nguồn carbon cổ mà đã được tích tụ bên trong các khối kết trong suốt nhiều thập kỷ tăng trưởng rễ và chính nguồn đó đã bị mất do canh tác.

Tăng nồng độ khí nhà kính, bao gồm carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O) và halocarbon trong khí quyển do hoạt động của con người có liên quan đến sự thay đổi khí hậu toàn cầu. Nồng độ N2O đã tăng 16% kể từ năm 1750. Mặc dù nồng độ N2O trong khí quyển (314 ppb vào năm 1998) thấp hơn nhiều so với CO2 (365 ppm), nhưng tiềm năng làm ấm toàn cầu của nó (sự tác động bức xạ tích tụ) lại cao gấp 296 lần so với CO2 trong khoảng thời gian 100 năm. Hiện tại, nó đóng góp khoảng 6% vào tổng hiệu ứng nóng lên toàn cầu, nhưng tỷ lệ đóng góp từ khu vực nông nghiệp lại chiếm khoảng 16%. Trong số đó, gần 80% lượng N2O được phát thải từ đất nông nghiệp của Australia, xuất phát từ phân bón N (32%), sự làm xáo trộn đất (38%) và chất thải động vật (30%). Nitrous oxide chủ yếu được sản xuất trong đất do hoạt động của vi sinh vật trong quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Tỷ lệ sản xuất N2O so với N2 phụ thuộc vào nguồn cung oxy hoặc không gian lỗ rỗng chứa nước, carbon hữu cơ có thể phân hủy, nguồn cung chất nền N, nhiệt độ, pH và độ mặn. Sản xuất N2O từ đất là không đồng nhất cả về thời gian và không gian, do đó, việc mở rộng đo lường phát thải N2O từ một vị trí và thời gian nhất định lên quy mô khu vực và quốc gia là một thách thức. Ước tính về phát thải N2O từ các hệ thống nông nghiệp khác nhau rất khác nhau. Ví dụ, ở ruộng lúa bị ngập nước tại Riverina Plains, phát thải N2O nằm trong khoảng từ 0.02% đến 1.4% của lượng N phân bón đã áp dụng, trong khi ở các cây mía tưới tiêu, 15.4% phân bón bị mất trong vòng 4 ngày. Phát thải nitrous oxide từ đất cỏ sữa đã được bón phân ở Victoria nằm trong khoảng từ 6 đến 11 kg N2O-N/ha, trong khi ở các vụ cây ngũ cốc, phát thải N2O nằm trong khoảng <0.01% đến 9.9% của lượng phân bón N đã áp dụng. Phát thải nitrous oxide từ nitrit và nitrát trong đất do phân bón thừa và cây họ đậu tạo ra thường hiếm khi được nghiên cứu nhưng có thể vượt quá số lượng phát thải từ phân bón, do chu kỳ ẩm ướt và khô kéo dài qua một khoảng thời gian lâu hơn và diện tích lớn hơn. Trong các hệ thống trồng trọt luân canh, có thể xảy ra mất mát N2O đáng kể từ sự tích tụ chủ yếu là nitrate-N, sau khi phân hủy N hữu cơ từ các đồng cỏ gốc cây họ đậu. Các đồng cỏ chăn thả rộng lớn và đất chăn nuôi góp phần khoảng 0.2 kg N/ha như N2O (93 kg/ha mỗi năm tương đương với CO2). Các savanna nhiệt đới có thể đóng góp nhiều hơn một bậc, bao gồm cả do những đám cháy thường xuyên. Các hệ thống rừng không bón phân có thể phát thải ít hơn, nhưng các đồn điền đã bón phân phát thải nhiều N2O hơn so với những đồng cỏ chăn thả rộng lớn. Tuy nhiên, hiện tại có rất ít dữ liệu để định lượng sự mất mát N2O trong các hệ thống trồng trọt luân canh, savanna nhiệt đới và rừng ở Australia. Tổng thể, cần xem xét lại các yếu tố phát thải được sử dụng trong việc ước tính phát thải N2O quốc gia; ví dụ, 1.25% của phân bón hoặc N thải từ động vật xuất hiện dưới dạng N2O (IPCC 1996). Yếu tố chính để giảm thiểu phát thải N2O từ các đất nông nghiệp là phải phù hợp cung cấp N khoáng (từ các ứng dụng phân bón, N cố định từ cây họ đậu, vật chất hữu cơ hoặc phân) với nhu cầu không gian và thời gian của cây trồng/đồng cỏ/cây xanh. Do đó, khi thích hợp, cung cấp N khoáng nên được điều chỉnh thông qua việc phun phân chậm (chất ức chế urease và/hoặc nitrat hóa, lớp phủ vật lý, hoặc các chất liệu có tỷ lệ C/N cao) hoặc ứng dụng phân bón chia nhỏ. Ngoài ra, việc sử dụng N có thể được tối đa hóa bằng cách cân bằng các nguồn dinh dưỡng khác cho cây. Hơn nữa, cây phủ không phải cây họ đậu có thể được sử dụng để hấp thụ N khoáng còn lại sau các cây trồng chính được bón N hoặc N khoáng tích tụ sau các chu kỳ cây họ đậu. Đối với quản lý phân bón, thực hành hiệu quả nhất là ứng dụng sớm và hòa trộn phân vào đất ngay lập tức để giảm thiểu phát thải N2O trực tiếp cũng như các phát thải thứ cấp từ việc lắng đọng ammonia bị bay hơi từ phân và nước tiểu. Các mô hình hiện tại như DNDC và DAYCENT có thể được sử dụng để mô phỏng sản xuất N2O từ đất sau khi được tham số hóa với dữ liệu địa phương, cùng với việc chỉnh sửa và xác minh thích hợp dựa trên các phát thải N2O đã đo ở các thực hành quản lý khác nhau. Tóm lại, ước tính cải thiện về phát thải N2O từ đất nông nghiệp và phương án giảm thiểu có thể đạt được thông qua một chương trình nghiên cứu quốc gia hướng đến mục tiêu, có مدار thời gian dài đáng kể, bao gồm các mùa thu hoạch và khí hậu, và kết hợp nhiều kỹ thuật (chụp và khí tượng vi mô) sử dụng thiết bị phân tích độ chính cao và mô hình mô phỏng, dưới một loạt các hoạt động chiến lược trong lĩnh vực nông nghiệp.

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C trong trạng thái rắn (NMR) đã trở thành một công cụ quan trọng để kiểm tra cấu trúc hóa học của các vật liệu hữu cơ tự nhiên và những thay đổi hóa học liên quan đến quá trình phân hủy. Trong bài báo này, dữ liệu NMR 13C ở trạng thái rắn liên quan đến những thay đổi trong thành phần hóa học của một loạt các vật liệu hữu cơ tự nhiên, bao gồm gỗ, than bùn, phân ủ, lớp mùn rừng và các vật liệu hữu cơ trong các lớp bề mặt của đất khoáng, đã được tổng hợp với mục tiêu rút ra một chỉ số về mức độ phân hủy của những vật liệu hữu cơ này dựa trên những thay đổi trong thành phần hóa học. Những thay đổi hóa học liên quan đến sự phân hủy của gỗ có sự khác biệt đáng kể và phụ thuộc vào sự tương tác mạnh mẽ giữa các loài gỗ được khảo sát và thành phần loài của cộng đồng vi sinh vật phân hủy, khiến cho việc rút ra một chỉ số chung áp dụng cho phân hủy gỗ trở nên khó khăn. Đối với các dạng vật liệu hữu cơ tự nhiên còn lại, quá trình phân hủy gần như luôn liên quan đến việc tăng cường hàm lượng carbon alkyl (C) và giảm hàm lượng carbon O-alkyl (C). Sự tăng và giảm đồng thời trong hàm lượng carbon alkyl và O-alkyl cho thấy tỷ lệ carbon alkyl so với carbon O-alkyl (tỷ lệ A/O-A) có thể cung cấp một chỉ số nhạy cảm về mức độ phân hủy. Trái ngược với quan điểm truyền thống rằng các chất humic có lõi thơm tích tụ khi quá trình phân hủy diễn ra, những thay đổi trong vùng thơm là biến động và cho thấy mối quan hệ với hoạt động của nấm phân hủy lignin. Tỷ lệ A/O-A dường như cung cấp một chỉ số nhạy cảm về mức độ phân hủy, miễn là việc sử dụng nó được giới hạn ở những trường hợp mà các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ chung một loại chất. Ngoài ra, tiềm năng hấp phụ của các vật liệu phân hủy cao trên bề mặt đất khoáng và những ảnh hưởng mà sự hấp phụ này có thể gây ra đối với khả năng sinh khả dụng cần được xem xét khi sử dụng tỷ lệ A/O-A để đánh giá mức độ phân hủy của các vật liệu hữu cơ tìm thấy trong các loại đất khoáng.

Việc bổ sung chất hữu cơ (OM) vào đất có khả năng hấp phụ nhanh chóng phân bón photpho (P) đã được báo cáo là làm tăng độ sẵn có của P đối với cây trồng. Hiệu ứng này thường được cho là do sự cạnh tranh giữa các sản phẩm phân hủy của OM và P cho các vị trí hấp phụ trong đất, dẫn đến tăng nồng độ P trong dung dịch đất. Bằng chứng cho việc ức chế cạnh tranh hấp phụ P bởi các hợp chất carbon hữu cơ hòa tan, được sinh ra từ sự phân hủy của OM, bao gồm các nghiên cứu về sự cạnh tranh giữa P và (i) các axit hữu cơ khối lượng phân tử thấp (LOAs), (ii) các axit humic và fulvic, và (iii) nước rỉ của OM trong các loại đất có khả năng hấp phụ P cao. Tuy nhiên, những nghiên cứu này thường sử dụng LOAs với nồng độ 1-100 mm, cao hơn nhiều so với nồng độ trong đất (thường <0.05 mm). Tính tạm thời của LOAs trong các loại đất có hoạt tính sinh học hơn nữa cho thấy rằng cả nồng độ và độ bền của chúng đều không có lợi ích thực tiễn trong việc tăng cường sự sẵn có của P cho cây trồng. Các hợp chất có khối lượng phân tử cao như axit humic và fulvic cũng ức chế cạnh tranh hấp phụ P; tuy nhiên, ít được xem xét đến khả năng của các hợp chất này trong việc tăng lượng P bị hấp phụ thông qua các liên kết kim loại-chelate. Chúng tôi cho rằng độ lớn của sự ức chế hấp phụ P bởi các sản phẩm phân hủy từ nước rỉ OM là không đáng kể ở các tỷ lệ tương đương với những gì OM được áp dụng trên thực địa. Việc ủ OM trong đất cũng thường được báo cáo là làm giảm sự hấp phụ P trong đất. Tuy nhiên, chúng tôi cho rằng sự giảm sút được báo cáo trong khả năng hấp phụ P (được đo bằng P trong dung dịch đất) không liên quan đến sự cạnh tranh từ các sản phẩm phân hủy của OM, mà là kết quả của việc giải phóng P từ OM mà không được tính đến khi tính toán sự giảm sút trong hấp phụ P.

Phương pháp trao đổi cưỡng bức để đo lường khả năng trao đổi cation và anion của đất, như được mô tả bởi Gillman và sau đó được Hiệp hội Khoa học Nông nghiệp Hoa Kỳ khuyến nghị cho đất acid, đã được sửa đổi để đạt được sự đơn giản hơn. Mặc dù ban đầu được thiết kế cho việc đo lường các loại đất bị phong hóa mạnh, phương pháp này đã được mở rộng cho các loại đất calci và không calci có tính mặn, cũng như để đo lường sự thay đổi khả năng trao đổi với pH.