Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Một số biện pháp cải thiện độ chua của đất
1.3.2. Biochar giúp cải thiện tính chất đất
1.3.2.1. Biochar và một sốtính chất cơ bản
Than sinh học (biochar) được coi là “vàng đen” vì những tác dụng quý báu của nó đối với nơng nghiệp và mơi trường, là nhân tố chủ yếu tạo ra cuộc cách mạng xanh lần thứ 3. Than sinh học được dùng để vùi vào đất, sau chuyển hóa sẽ cho ra một loại phân bón hữu cơ, đây là một loại phân bón tốt và thân thiện môi trường với hàm lượng cacbon cao và đặc tính xốp giúp đất giữ nước, dưỡng chất và bảo vệ vi khuẩn có lợi cho đất, cịn đặc tính như một bể chứa cacbon tự nhiên, cơ lập và giữ khí CO2 trong đất [Nguyễn Đăng Nghĩa, 2014].
Than sinh học gần đây đã nhận được sự chú ý ngày càng tăng do nhiều lợi ích nông nghiệp. Than sinh học là một chất rắn dựa trên cacbon thu được bằng phương pháp nhiệt phân sinh khối. Thành phần nguyên tố của nó bao gồm C, N, H, K và Mg tất cả đều có thể đóng vai trị là chất dinh dưỡng chính trong sự phát triển của thực vật [Kavitha và cộng sự, 2018]. Một số tính chất khác của biochar (Hình 1.3).
Hình 1.3 cho thấy, sự biến đổi một số tính chất của biochar với các nhiệt độ nhiệt phân khác nhau với màu sắc biochar thay đổi từ nâu sáng đến đen khi nhiệt độ tăng đồng thời là hàm lượng C đen và độ tro tăng cao. Tuy nhiên, năng suất tạo thành biochar lại giảm cùng với hàm lượng H và O trong biochar nhưng giá trị pH của biochar tăng cao khi nhiệt độ tăng do sự phá vỡ các mạch thẳng và tái hình thành vịng thơm giải phóng các ion kim loại.
Hình 1.3. Biến đổi tính chất biochar với nhiệt độ nhiệt phân tăng
Nguồn: (Xiao và cộng sự, 2018)
Hàm lượng P khơng bền trong birochar có sự khác biệt so với nguyên liệu ban đầu. Khả năng dễ tiêu của P trong than sinh học thấp được sản xuất ở nhiệt độ cao có thể là do độ hịa tan của P trong than sinh học kém, điều này có thể được cho là sự hiện diện của pyrophosphate hình thành ở nhiệt độ cao hơn. Do đó, than sinh học được sản xuất ở nhiệt độ thấp với nồng độ C tương đối nhỏ dự kiến sẽ thể hiện khả năng phản ứng cao hơn trong đất và đóng góp nhiều hơn cho độ phì của đất so với sản xuất ở nhiệt độ cao [Li và cộng sự, 2019].
Than sinh học sản xuất ở nhiệt độ cao (800oC) có pH và EC cao, mất NO3-
trong khi ở nhiệt độ thấp (350oC) lấy ra P, NH4+và phenol. Diện tích bề mặt riêng và vi khoảng hổng của than sinh học tăng theo nhiệt độ. Mặc dù cùng nguyên liệu nhưng công nghệ sản xuất khác nhau sẽ cho ra các loại than sinh học khác nhau [Nguyễn Đăng Nghĩa, 2014]. Thiết kế sản xuất biochar với các đặc tính mong muốn để cải thiện năng suất cây trồng thì một nguyên liệu phù hợp cần được xác định bằng cách xem xét thành phần nguyên tố và các yếu tố bề mặt của biochar được nhắm mục tiêu.
Màu sắc Năng suất Tro Diện tích bề mặt Tính kỵ nước Tính phân cựu Vịng thơm Góc phản chiếu
Các điều kiện nhiệt phân phải được tối ưu hóa để thu được biochar cụ thể với các sửa đổi cấu trúc và hóa lý thích hợp để giảm thiểu hoặc tránh tạo thành các biochar khơng mong muốn hoặc tác động tiêu cực có thể đến sự phát triển của cây hoặc độ phì nhiêu của đất được thể hiện bằng các biện pháp tác động khác nhau (Hình 1.4).
Hình 1.4. Cải thiện tính chất bề mặt biochar bằng các phương pháp khác nhau
Nguồn:(El-Naggar và cộng sự, 2019)
Than sinh học sản xuất ở nhiệt độ thấp có khả năng trao đổi cation cao, trong khi than sinh học sản xuất ở nhiệt độ cao (cao trên 600oC) thì khả năng trao đổi cation rất ít hoặc khơng có [Nguyễn Đăng Nghĩa, 2014].
Theo Mai Thị Lan Anh (2008), nhiệt độ nhiệt phân có ảnh hưởng đến lượng biochar thu được, pH, CEC và lượng chất dinh dưỡng có trong biochar: Ở nhiệt độ nhiệt phân thấp (300-450oC) có năng suất cao nhất (46,98%) và giảm dần nhiệt độ nhiệt phân tăng cao. Giá trị pH, CEC cũng tăng theo nhiệt độ nhiệt phân. CEC cũng phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân thông qua sự tăng pH của than khi nhiệt độ nhiệt phân tăng. Khả năng hấp phụ của biochar từ tre (~77,6%) > CEC từ biochar gỗ keo lai (~ 70,4%) > CEC của biochar từ rơm rạ (67,2%). Trong các loại biochar sản xuất từ tre, rơm rạ, gỗ keo lai, thành phần các ngun tố có sự khác nhau nhưng nhìn chung
Nhiệt độ nhiệt phân
Thấp Cao Hỗn hợp Tính hoạt hóa Bề mặt Đồngphân
Năng suất cao
Nhiều nhóm chức Diện tích bề mặt lớn hơn pH cao hơn Khử nước Khử cacboxyl Bề mặt phong hóa Bể chứa chất dinh dưỡng Tăng độxốp Tăng diện tích bề mặt Xuất hiện nhóm chức bềmặtmới Giải phóng dinh dưỡng thấp Bề mặt BC giống như keo
ngăn hòa tan dinh dưỡng Tăng phản ứng bề mặt Giữ lại chất dinh dưỡng Kích thích hoạt động vi sinh vật Khoảng hổng Chất dinh dưỡng Chất hữu cơ
đều có chứa các nguyên tố C, O, N, P, Ca… Hàm lượng các chất dinh dưỡng (Nts, P2O5ts, K2Ots) trong biochar cũng phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân [Mai Thị Lan Anh và cộng sự, 2008].
1.3.2.2. Ảnh hưởng của biochar tới tính chất đất
Ảnh hưởng biochar đến các đặc tính sinh học của đất axit, bao gồm độ chua của đất (pH), độc tính Al, mức độ dễ tiêu của các chất dinh dưỡng, tính độc của các kim loại nặng và các hoạt động của vi sinh vật (q trình nitrat hóa).
Hình 1.5. Các ảnh hưởng của biochar đến tính chất đất
Nguồn : (Shaaban và cộng sự, 2018)
Do tính chất kiềm và khả năng đệm pH cao nên biochar được ứng dụng trong cải thiện độ chua của đất. Việc bổ sung biochar làm tăng độ pH của đất axit, vì độ pH của biochar hầu hết đều > 7,0, cao hơn ít nhất 1,5 đơn vị so với đất axit (pH <5,5). Tuy nhiên, với đất kiềm, than sinh học khơng có tác động tích cực đến việc tăng pH của đất, và thậm chí có thể làm giảm pH đất [Dai và cộng sự, 2017].
Đất
Sự trao đổi chất Sự phong phú Hệ enzym Hệ gen Sự đa dạng
Hệ vi sinh vật Cấu trúc đất Kết cấu đất Sự thống khí Giữ nước Hấp phụ Giải phóng Các kim loại nặng
Giảm độ chua của đất
Giảm tính độc của KLN Tăng tính đệm đất
Tăng dinh dưỡng cho cây trồng hấp
Khi biochar được thêm vào đất, các chất kiềm được giải phóng từ than sinh học có thể chống lại q trình axit hóa. Tiềm năng của than sinh học để cải thiện độ chua của đất có liên quan đến độ kiềm của than sinh học. Để xác định các tác động hạn chế của than sinh học, Yuan và Xu (2011) đã quan sát thấy rằng pH đất có mối tương quan dương với độ kiềm của than sinh học trong đất bổ sung than sinh học [Shaaban và cộng sự, 2018]. Tăng pH đất có thể ảnh hưởng đáng kể đến CEC và khả năng trao đổi anion (AEC) trong nhiều loại đất. Trong đất cát, sự tăng trưởng và phát triển của cây nói chung bị hạn chế bởi các chất dinh dưỡng và nước có thể giải quyết bằng than sinh học. Độ pH của hầu hết các loại than sinh học nằm trong khoảng từ trung tính đến kiềm và do đó việc sử dụng than sinh học rất phù hợp để tăng độ pH của đất, sau đó làm tăng CEC và khả năng giữ chất dinh dưỡng của đất. Sự phong phú của các nhóm carboxyl trên bề mặt than sinh học có thể làm tăng CEC đất và do đó làm giảm q trình lọc chất dinh dưỡng. Do đó, việc kết hợp than sinh học vào đất chua có thể làm tăng CEC và khả năng lưu giữ của Ca2+, Mg2+ và K+ [Shaaban và cộng sự, 2018].
Biochar là một chất có khả năng giữ lại các chất dinh dưỡng đa lượng trực tiếp. Than sinh học có thể hoạt động như một loại phân bón hữu cơ bằng cách cung cấp các chất đất có trong sinh khối tiền chất. Laghari và cộng sự (2015) đã bổ sung biochar vào đất cát có độ phì thấp làm cho C tổng số tăng lên 7-11%, K tăng 37-42%, P tăng 68-70% và Ca tăng 69-75% so với khơng áp dụng [El-Naggar và cộng sự, 2019].
Biochar cịn làm giảm khả năng linh động của Al3+trong đất axit và làm giảm độc tính của nó đối với sự phát triển của cây. Theo Alling (2014) nồng độ Al3+trong dung dịch đất bị rửa trôi đã giảm từ khoảng 2 mg/L xuống mức không thể phát hiện sau khi bổ sung than sinh học ở mức 5% trong đất Unza. Nồng độ Al3+hòa tan trong đất cũng giảm theo cấp số nhân khi tăng pH sau khi bổ sung biochar. Một số cơ chế mà sinh học làm giảm độc tính Al đó là Al3+bị kết tủa do phản ứng với các vật liệu kiềm trong than sinh học, Al3+được tạo phức với các nhóm chức hữu cơ hydroxyl và carboxyl trên bề mặt. Các nhóm chức carboxylic cung cấp các vị trí gắn kết bổ sung cho Al3+bên cạnh các thành phần vơ cơ và các nhóm oxy đặc biệt trong than sinh học. Ngồi ra, than sinh học có diện tích bề mặt và độ xốp cao được giả định để cung cấp nhiều vị trí hấp phụ hơn cho sự hấp phụ của Al linh động [Dai và cộng sự, 2017]. Biochar có thể làm tăng phốt pho dễ tiêu sinh học trong đất đến một mức độ nào đó. Liu và cộng sự (2017) đã chỉ ra biochar sản xuất từ trấu được bổ sung vào đất sét đỏ và đất kiềm với lượng 40 tấn/ha đã làm tăng mức độ dễ tiêu của phốt pho lên
52,63 và 33,37(%). Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã báo cáo rằng một số loại than sinh học như rơm lanh, rơm ngơ và thân cây liễu khơng có tác dụng đáng kể đối với phốt pho dễ tiêu trong đất. Các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng than sinh học thậm chí có thể làm giảm lượng phốt pho này trong đất. Biochar dễ dàng tương tác với các thành phần hữu cơ và vô cơ của đất như chất hữu cơ hoặc khoáng chất, gián tiếp ảnh hưởng đến khả năng dễ tiêu sinh học của phốt pho trong đất [Li và cộng sự, 2019].
1.3.2.3. Tiềm năng sản xuất biocharở Việt Nam
Nguyên liệu sản xuất than sinh học rất phong phú và đa dạng từ vỏ đậu tương, bã mía, vỏ dừa, vỏ ca cao cho đến cây tre, lau sậy, phế thải từ khai thác rừng, cùng rất nhiều các chất thải xanh khác. Ngoài ra, than sinh học cịn có thể được sản xuất từ vỏ trấu, một phế phẩm gần gũi với người nông dân Việt Nam.
Theo Nguyễn Tri Quang Hưng (2017), ở vùng huyện Gị Cơng Tây, Tiền Giang phát sinh khối lượng rơm rạ trung bình 233.190,72 tấn/năm. Lượng sinh khối rơm rạ có thành phần hữu cơ và nhiệt lượng cao, chiếm tỷ lệ 44,1% cacbon và 4.030 kcal/kg. Với khối lượng 100 kg củi rơm nguyên liệu đầu vào, sau 6 giờ đốt lượng than sinh học thu được tương ứng 48,25±2,25 kg (chiếm 48,25%). Lượng tro sinh ra và than sống có tỷ lệ khá thấp với lần lượt 0,75±0,13 kg và 3,95±1,33 kg [Nguyễn Tri Quang Hưng và cộng sự, 2017].
Ở Việt Nam phân bón hoặc các thành phần để sản xuất phân bón phần lớn được nhập khẩu từ nước ngoài, tạo nên áp lực nhập siêu lớn cho đất nước. Bên cạnh đó dân số vẫn cịn hơn 70% lao động trong lĩnh vực nông nghiệp. Các phụ phẩm nông nghiệp rất lớn với chi phí thấp. Việc áp dụng cơng nghệ sản xuất than sinh học ở Việt Nam sẽ giúp giải quyết được nhiều vấn đề mang lại lợi ích vơ cùng to lớn [Nguyễn Đăng Nghĩa, 2014].
Ở các vùng trồng cây có múi, việc đốn tỉa cành lá cam hàng năm tạo ra lượng tàn dư thực vật rất lớn. Tại huyện Cao Phong, tỉnh Hịa Bình, lượng cành tỉa (đường kính < 0,5 cm) hàng năm khoảng 5-10 kg/cây, tương đương 2,5-5,0 tấn/ha/năm; cành cây cam (1-5cm) được đốn tỉa là 15-50 tấn/ha/năm. Ở những vườn có độ tuổi càng lớn thì lượng đốn tỉa hàng năm tăng lên. Như vậy, tiềm năng sản xuất than sinh học từ cành lá đốn tỉa là rất lớn. Điều này vừa giúp tận dụng được tài nguyên sẵn có, vừa cải thiện được tính chất đất, giúp tăng hiệu quả kinh tế cho sản xuất cam tại huyện.