III.1. ảnh hưởng đến tính chất vật lý đất
Việc đưa biochar vào đất có thể thay đổi thuộc tính vật lý đất như kết cấu, cấu trúc, phân bố, dung trọng và kích thước mao quản có ý nghĩa đối với chế độ không khí đất, khả năng giữ nước, tăng trưởng thực vật và khả năng làm đất.
III.1.1. Dung trọng
Biochar có dung trọng thấp hơn nhiều so với đất và có cấu trúc khá xốp, do đó, ứng dụng biohchar có thể làm giảm đáng kể dung trọng của đất của đất. Nếu 100t/ha biochar với dung trọng 0,4 g/cm3 được áp dụng cho 20cm trên cùng của đất có dung trọng là 1,3g/cm3, và các hạt biochar không lấp đầy các khoảng hổng trong đất, sau một thời gian các tầng đất mặt dày 20cm đó sẽ được dày thêm 2,5cm và có dung trọng giảm (giả sử trộn đồng nhất) là 0,1 g/cm3 xuống còn 1,2 g/cm3. Tuy nhiên, nếu biochar được áp dụng có một độ bền cơ học thấp và tương đối nhanh chóng tan rã thành các hạt nhỏ lấp đầy không gian các khoảng hổng trong đất, thì dung trọng của đất sẽ tăng lên.
Trong nông học, sự chênh lệch nhỏ dung trọng đất có thể mang đến những thay đổi tương đối quan trọng trong đất. Thông thường, khi bổ sung biochar, dung trọng giảm
kết hợp với lượng chất hữu cơ trong đất giúp đẩy nhanh quá trình giải phóng chất dinh dưỡng và duy trì chúng khỏi bị biến đổi hóa-lý-sinh (tiết kiệm phân bón), ngoài ra còn giúp giảm bớt độ nén hay làm tăng độ xốp của đất (dẫn đến cải tiến khả năng nảy mầm hạt giống và tiết kiệm chi phí cho làm đất và chăm sóc).
Độ chặt của đất liên quan chặt chẽ với độ lớn dung trọng đất. Soane (1990) đã xem xét tác động của chất hữu cơ trong đất mà không bao gồm biochar, về độ chặt của đất và đề xuất một số cơ chế mà chất hữu cơ trong đất có thể ảnh hưởng khả năng chống lại các tác động gây tăng độ chặt của đất, từ nhứng cơ chế đó chứng minh khả năng tăng cường cấu chúc đất của biochar khi được bón vào đất. Ông có nêu ra một số cơ chế chính:
- Tăng cường lực liên kết giữa hạt nhỏ (vô cơ, khoáng) và tập đoàn đất. Nhiều chuỗi phân tử hữu cơ dài có mặt trong chất và biochar có hiệu quả cao trong liên kết các hạt khoáng chất, tạo ra một ma trận liên kết phức tạp và bền vững giữa các axit mùn, biochar và vật chất vô cơ trong đất.
- Hiệu quả của hệ rễ thực vật, hệ sợi nấm và các sợi sinh học khác: Như đã biết rễ, nấm sợi và sợi sinh học khác có khả năng liên kết các hạt đất lại với nhau bằng cách lực kéo vật lý và các liên kết sinh học (cầu nối sinh học). Biochar có khả năng tăng cường sự phát triển của hệ rễ thực vật, sợi nấm (sẽ tìm hiểu chi tiết tại phần sau) qua đó tác động gián tiếp đến cấu trúc đất theo hướng có lợi cho canh tác.
- Ảnh hưởng về điện tích của các vật chất vô cơ trong đất: Các hợp chất hữu cơ có thể làm tăng độ dẫn thủy lực của khoáng sét bằng cách thay đổi điện tích về các hạt đất sét làm cho chúng di chuyển gần nhau hơn, chuyển chúng về trạng thái gell và co lại, kết quả là các vết nứt và tăng trung- vĩ mô- độ xốp. Phần tro của biochar có thể gây ra hiệu ứng tương tự.
- Ảnh hưởng về ma sát: Một lớp phủ hữu cơ trên các hạt và vật liệu hữu cơ giữa các hạt có khả năng tăng ma sát giữa các hạt tạo điều kiện thuận lợi cho chế độ nước, không khí đất.
Mặt khác, mạng lưới mao quản và các khoảng hổng của đất có thể bị ảnh hưởng bởi độ xốp vốn có của biochar cũng như các đặc tính khác của nó mang lại cho đất trong quá trình tác động bằng nhiều cơ chế khác nhau. Nhiều nghiên cứu đã cho ra các bằng chứng khẳng định việc ứng dụng biochar vào đất có thể làm tăng tổng diện tích bề mặt mạng lưới mao quản và diện tích khoảng hổng trong đất và do đó có thể cải thiện khả năng giữ nước của đất và tăng cường sự lưu thông giữa không khí đất với môi trường ngoài (Downie et al, 2009). Điều này cũng làm khu hệ sinh vật đất thêm phát triển.
Lợi ích nông học của biochar thường được quy cho cải thiện chế độ nước và lưu giữ chất dinh dưỡng. Các cơ chế của khả năng này của biochar là khá đơn giản. Thêm biochar cho đất có thể có tác động trực tiếp và gián tiếp về khả năng giữ nước của đất, quyết định thời gian tồn tại của nước có thể ngắn hoặc dài. Khả năng giữ nước của đất được quyết định bởi sự phân bố và kết nối các lỗ mao quản trong môi trường đất, chủ yếu là quy định của kích thước hạt đất (kết cấu), kết hợp với các đặc tính cấu trúc (kết hợp) và thành phần chất hữu cơ trong đất.
Các ảnh hưởng trực tiếp của ứng dụng biochar có liên quan đến diện tích bề mặt rất lớn, (tính cả bề mặt bên trong của biochar). Tseng (2006) phát hiện ra rằng biochar có trên 95% là micropores với đường kính <2 nm. Biochars chứa trong cấu trúc một loạt các lỗ hổng sẽ làm tăng khả năng giữ nước mao quản và nước trọng lực trong quá trình nước di chuyển. Kishimoto và Sugiura (1985) ước tính diện tích bề mặt bên trong của than được hình thành trong điều kiện nhiệt phân từ 400 - 1000°C khoảng 200-400 m2.g-1. Van Zwieten và cộng sự (2009) đo diện tích bề mặt của biochar có nguồn gốc từ chất thải nhà máy sản xuất giấy với sản xuất trong điều kiện nhiệt phân chậm là 115 m2.g-1.
Về những ảnh hưởng gián tiếp của ứng dụng biochar có giả thuyết đưa ra là biochar tăng khả năng giữ nước của đất liên quan đến sự kết hợp cải thiện hoặc cấu trúc. Biochar có thể ảnh hưởng đến cấu trúc do tương tác với chất hữu cơ trong đất, khoáng chất và vi sinh vật như đã trình bầy phần trên. Các đặc điểm của lớp điện tích bề mặt, và sự phát triển của nó theo thời gian, sẽ xác định các ảnh hưởng lâu dài tới kết cấu đất. Biochar nói chung có CEC cao đóng vai trò một tác nhân liên kết của chất hữu cơ và những khoáng chất.
Sự ổn định cơ học và tính trơ của biochar một khi được kết hợp trong đất sẽ quyết định tác động lâu dài đến khả năng giữ nước và cơ cấu đất. Điều này bị chi phối bởi loại nguyên liệu cho quá trình sản xuất biochar và quá trình hoạt động vật lý-hóa học phổ biến xác định bởi điều kiện thời tiết qua thời gian.
Glaser và cộng sự (2002) cho biết đất Anthrosols (đất được hình thành hoặc biến đổi sâu sắc qua thời gian dài bởi hoạt động của con người chẳng hạn như bổ sung chất hữu cơn, canh tác, trồng trọt, …) với một lớp đất bề mặt giàu than hơn ba lần so với các loại đất xung quanh đã tăng khả năng tích ẩm lên 18%. Tryon (1948) đã nghiên cứu tác dụng của biochar trên đất của các kết cấu khác nhau và có tỷ lệ phần trăm độ ẩm khác nhau. Trong đất cát sau khi thêm 45% khối lượng biochar thì độ ẩm tăng là 18%, trong khi không quan sát thấy thay đổi trong đất sét, và trong đất sét độ ẩm đất giảm cùng với việc bổ sung than ngày càng tăng. Do đó, cải thiện khả năng giữ nước của đất bằng cách bổ sung biochar được khuyến cáo trong đất thô, kết cấu rời, bở hoặc đất với
số lượng lớn lỗ phi mao quản, chứ không được khuyến cáo sử dụng cho đất có hàm lượng sét cao trong việc tăng khả năng giữ nước.
Một mặt lợi khác mà biochar mang lại qua khả năng nâng cao khả năng tích ẩm của đất chính là việc hạn chế chi phí cho thủy lợi và tưới tiêu, tiết kiệm tiền cho nông hộ.
H.10. Đường cong thể hiện tiềm năng tích trữ ẩm của đất
theo tiêu chuẩn của van Genuchten (1980) và khi đất được bổ sung Biochar
Một mặt lợi khác mà biochar khi bón vào đất tác động đến chế độ nước là ảnh hưởng của nó tới tính thấm của đất. Trong thực tế, phân bón, làm đất đất và sử dụng các HCBVTV (thuốc trừ sâu thuốc diệt cỏ,) chúng sẽ thẩm thấu qua phẫu diện đất vào nước ngầm tốn kém cho nông hộ và gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. Biochar khi được đưa vào đất, sẽ tăng cường khả năng giữ nước của đất qua đó làm giảm tốc độ thẩm thấu ngầm, mặt khác, trong quá trình cơ giới hóa bằng máy móc, các đại phân tử biochar bị vỡ vụn thành những vi phần tử, chúng sẽ di chuyển xuống lớp dưới (tấng tích tụ hoặc đế cày) và bịt lại những vi mao quản ở đó cản trở quá trình thẩm thấu trọng lực của nước và làm giảm tính thấm của đất.
III.1.3. CEC và pH
Khả năng trao đổi cation (CEC) của đất được hiểu nôm na là khả năng đất “giữ” chất dinh dưỡng bên mình như các cation, anion và thậm chí cả những phân tử hữu cơ và các vật chất lơ lửng khác, nó là khả năng hấp thụ và "ngăn chặn" sự thẩm thấu vào nước ngầm và nước mặt của những chất đó. Đó là tại các địa điểm tích điện trên bề
mặt của biochar (và đất sét và các chất hữu cơ), nơi các cation có liên kết tĩnh điện và trao đổi. CEC của biochar liên quan tới nhiệt độ của quá trình nhiệt phân và hình thức nhiệt phân. Như đã nói phần trên CEC của biochar tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ nung, tăng nhiệt độ nhiệt phân từ 380-800°C thì CEC tăng trong khoảng 80-250 (mmolc kg-1), nhiệt độ tối thích tổng hòa cho các thông số khác là khoảng 500°C ở nhiệt độ này CEC của biochar khoảng 170-180 (mmolc kg-1), đó là một giá trị CEC rất cao. Khi bổ sung biochar vào đất, với CEC cao biochar sẽ làm tăng tương đối giá trị CEC của đất lên và qua đó cải thiện khả năng duy trì và bảo vệ lượng cation, tránh việc chúng đị rửa trôi đặc biệt là các cation kim loại kiềm và kiềm thổ,…
Anion bị hập phụ rất kém của đất trung tính hoặc đất có pH kiềm, đó là một trong những lý do tại sao canh tác nông nghiệp chúng ta lại phải thường xuyên bón phân bổ sung các chất dinh dưỡng đặc biệt là dưới dạng anion (HPO42-,H2PO4-, NO3-, SO42-…). Chúng rất dễ bị rửa trôi vào môi trường nước ngầm hoặc nước mặt gây hiện tượng phú dưỡng. Cheng và cộng sự (2007) đã tìm thấy bằng chứng về khả năng trao đổi anion của biochar (ở pH 3,5) tại đất canh tác có tuổi canh tác cao (trên 70 năm) nơi mà khả năng này giảm xuống rất thấp (có khu vực đã không còn khả năng hấp phụ trao đổi anion). Tuy nhiên cơ chế của quá trình này ra sao thì vẫn chưa có câu trả lời thỏa đáng. Một giả thiết là lượng phytolit (Si vô định hình - tiền vật liệu điều chế zeonit) được làm giàu trong quá trình nhiệt phân tạo biochar đã hấp phụ các anion, điều này đã được nhiều nhà khoa học trên thế giời tìm hiểu, và đã chứng minh được khả năng hấp phụ chất hữu cơ của phytonit với các ion âm trong đó có các ion hữa cơ như humic, oxalat,… mặc dù bản than phytonit mang điện âm.
Giá trị pH của biochar thường ổn định trong khoảng pH trung tính và hơi kiềm nên rất tốt khi sử dụng để đưa vào đất chua. Một thử nghiệm đã được tiến hành trên đất trung bình, có pH=5.3; sau khi bổ sung thêm biochar thì giá trị pH của đất được tăng lên tới pH=6.3. Một thực nghiệm khác, biochar sản xuất từ phân gia cầm khi bổ sung vào đât chua nhẹ có pH=4.8, sau một thời gian cải tạo pH đã tăng lên 6.8. Các nhà khoa học cũng đồng ý rằng thay vì bón vôi để cải tạo độ chua ta nên sử dụng biochar vì những lợi ích bền vững của nó, mặt khác chi phí để chi cho sử dụng biochar là thấp hơn so với chi phí khi sử dụng vôi điều này rất có lợi về kinh tế cho các hộ gia đình.
III.2. Ảnh hưởng của biochar tới các quá trình trong đất
III.2.1. Sự hấp phụ các hợp chất hữu cơ kị nước
Sự tích lũy các hợp chất hữu cơ kị nước (ví dụ như PAHs là các hydrocacbon thơm đa vòng, polychlorinated biphenyl- PCBs là các hợp chất hữu cơ có từ 1 đến 10
nguyên tử Cl được gắn vào vòng biphenyl, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ) trong đất và trầm tích, thường được mô tả dựa trên sự tồn tại đồng thời 2 quá trình: sự hấp thụ (absorption) vào vật chất hữu cơ tự nhiên (vô định hình) (NOM) và hấp phụ (adsorption) trên vật liệu than (Cornelissen et al, 2005; Koelmans et al, 2006). Tương quan so sánh với sự hấp thụ vào các vật chất hữu cơ tự nhiên, thì than (bao gồm cả muội than) thường có khả năng hút thu bề mặt cao hơn 10-1000 lần (Chiou và Kile, năm 1998; Bucheli và Gustafsson, 2000, 2003). Người ta ước tính rằng carbon đen (BC) có thể chứa tới 80-90% tổng số hợp chất hữu cơ kị nước trong đất và trầm tích (Cornelissen et al., 2005), và có khả năng hấp phụ nhiều loại hợp chất hóa học khác nhau.
Một trong những ứng dụng của biochars, là dự kiến sẽ nâng cao tổng khả năng hút thu của đất, và từ đó có thể cố định, hay cản trở di chuyển của các chất gây ô nhiễm trong đất (có thể đã có sẵn hoặc sẽ được thêm vào đất), làm giảm độc tính của chúng. Một số nghiên cứu đã cho thấy biochar sản xuất từ dư lượng cây trồng (lúa mì và lúa nước) có thể giúp tăng cường khả năng hấp thụ của đất sét trộn bùn với diurin (thuốc diệt cỏ C9H10Cl2N2O) (Yang và Sheng, 2003), các anion khác (Hiller et al, 2007) và cation (Sheng et al., 2005). Tuy nhiên, trong khi tính khả thi để giảm tính linh động của các chất gây ô nhiễm trong đất có thể có lợi (xem Phần 4.3), nó cũng có thể dẫn đến sự tích lũy, với khả năng gây hại lên hệ động - thực vật địa phương nếu tại một số điểm các hợp chất đã được hấp thụ trở thành các hợp chất có sẵn cho sinh vật. Cần phải có bằng chứng thực nghiệm để xác minh điều này.
Mặc dù vậy vẫn còn ít kiến thức về các cơ chế kiểm soát sự hấp phụ của biochars trong đất và trầm tích, nhiều nhà khoa học cho rằng nó là thuyết cơ giới khác nhau từ mô hình sự hấp phụ của các hợp chất hữu cơ tự nhiên, đồng thời cũng là một quá trình không thuận nghịch. Trong khi sự hấp phụ tới bề mặt các hợp chất hữu cơ tự nhiên ít hoặc thậm chí là không có sự phụ thuộc vào nồng độ, nhưng sự hấp phụ tới biochars có sự phụ thuộc mạnh mẽ, với sự giảm ái lực khi tăng nồng độ chất tan (theo Cornellissen và cộng sự, 2006; Wang và cộng sự, 2006).
Những nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng hấp phụ tới bề mặt biochar chủ yếu chịu ảnh hưởng của các đặc tính cấu trúc và hóa học của các chất gây ô nhiễm (như trọng lượng phân tử, mặt phẳng, tính kị nước) (theo Cornelissen et al, 2004, 2005;. Zhu và Pignatello, năm 2005; Zhu et al. , 2005; Wang và cộng sự, 2006), cũng như phân bố, kích thước khoảng hổng, diện tích bề mặt và chức năng của than (ví dụ như Wang và cộng sự, 2006;.. Chen et al, 2007). Ví dụ, khả năng hấp phụ hợp chất tri-và tetra-benzenes (như trinitrotoluene, trichlorobenzene và tetramethilbenzene) của biochar sản xuất từ gỗ phong ở 400oC bị giới hạn về không gian, phát hiện khi so sánh
kích thước nhỏ hơn của benzene và toluene (Zhu và Pignatello, 2005). Trong hầu hết các lớp hợp chất hữu cơ thông thường, biochars đã cho thấy sự hấp phụ PAHs đặc biệt mạnh mẽ, với sự giải hấp phụ là “rất chậm” (hằng số tốc độ đối với “giải hấp” trong nước của 10-7-10-1 /h, và thậm chí thấp hơn trong trầm tích) (Jonker et al., 2005). Điều này có thể được lý giải là do các mặt phẳng của phân tử PAHs, cho phép tiếp cận không hạn chế vào các khoảng hổng nhỏ (Bucheli và Gustafsson, năm 2003;. Van Noort et al, 2004), và liên kết π-π mạnh giữa bề mặt biochars và phân tử vòng thơm ( ví dụ như Sander và Pignatello, 2005).
Mặc dù phần lớn bằng chứng hiện có thể hiện trên những đặc tính của các hợp chất hữu cơ kị nước gây ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của biochars, nhưng những đóng góp của các đặc tính của than cho quá trình này ít được đánh giá. Nó thường được