Trong hầu hết các môi trường nhiệt ựới, nền nông nghiệp bền vững phải ựối mặt với một hạn chế lớn là hàm lượng dinh dưỡng thấp và tốc ựộ khoáng hóa nhanh của chất hữu cơ ựất [24]. Hậu quả là khả năng trao ựổi cation của ựất (hàm lượng cation thường thấp vì ựặc tắnh khoáng sét) giảm nhanh. Trong hoàn cảnh như vậy hiệu quả của phân khoáng là rất thấp. Hơn nữa nhiều nông dân không thể chịu ựược khoản ựầu tư cho mua phân khoáng theo ựúng khuyến cáọ Do ựó thiếu dinh dưỡng là rất phổ biến trong việc canh tác cây trồng ở vùng nhiệt ựớị Loại hình sử dụng ựất phổ biến trên vùng ựất dốc nhiệt ựới là canh tác nương rẫy với kỹ thuật ựốt nương làm rẫỵ Do ựốt tàn dư cây trồng nên dinh dưỡng bổ sung vào trong ựất rất nhanh. Lượng dinh dưỡng bổ sung này ựem lại hiệu quả tắch cực cho ựộ phì ựất chỉ trong một thời gian ngắn [20]; [21]. Hơn nữa việc ựốt tàn dư cây trồng thải ra một lượng
lớn khắ nhà kắnh CO2 và NOx nguyên nhân ựóng góp vào quá trình nóng lên
toàn cầu [13]. Việc rải tàn dư cây trồng, bón các loại phân ủ, phân chuồng cũng có tác dụng tăng ựộ phì nhiêu ựất. Tuy nhiên dưới ựiều kiện nhiệt ựới
chất hữu cơ bị khoáng hóa rất nhanh và chỉ một phần nhỏ của phân hữu cơ bón vào ựược tồn tại ổn ựịnh trong ựất trong thời gian dài nhưng lại thải vào
không khắ ở dạng CO2 [12] Cách khắc phục là phải sử dụng dạng carbon bền
vững như các vật liệu carbon hóa hoặc các chất carbon tự chiết xuất. Những nghiên cứu mới ựây của [17] và [18, 19] ựã chỉ ra rằng các vật liệu ựược carbon hóa từ việc ựốt cháy không hoàn toàn các chất hữu cơ (vắ dụ TSH, carbon ựen, carbon hun hay charcoal) có tác dụng rất tốt trong việc duy trì lượng dinh dưỡng dễ tiêu và chất hữu cơ cao trong một loại ựất cổ của vùng Amazon, Brazil. đất này ựược gọi là Terra Preta do Indio (Terra Preta) gắn liền với sự hình thành và ựịnh cư của nhóm người thuộc dân da ựỏ. Nó có khối lượng lớn C ựen và là nguồn bổ sung rất lớn và ổn ựịnh chất hữu cơ ựược carbon hóa vì ở ựây người ta chỉ sản xuất TSH phục vụ cho các lò sưởi và bón rất ắt TSH vào ựất, nguồn này chủ yếu là từ cháy rừng và canh tác nương rẫy [15]; [14].
Việc sử dụng TSH làm chất cải tạo ựất, nâng cao sức sản xuất của ựất
ựã xuất hiện ở vùng lưu vực sông Amazon (Lehmann et al., 2006 Ờ dẫn theo Vũ Thắng) và Nhật Bản từ nhiều thế kỷ trước ựây (Kishimoto, 1985 Ờ dẫn theo Vũ Thắng). Trong bối cảnh biến ựổi khắ hậu toàn cầu do sự tăng lên của
CO2, CH4 và các khắ nhà kắnh khác trong khắ quyển hiện nay, nghiên cứu
công nghệ sản xuất và ứng dụng TSH vào các lĩnh vực như sản xuất nông lâm nghiệp, năng lượng, môi trường ựang ựược ựặc biệt quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Nhật, Canada, Úc, Brazil, .... Sử dụng TSH ựể bảo tồn ựất rừng qua việc chuyển các cây bụi và các cây bị chết do bọ cánh cứng gây ra sang dạng TSH ựể giảm nguy cơ cháy rừng ựang ựược áp dụng ở Mỹ. Tận dụng các cây hay bộ phận cây rừng không có giá trị thương phẩm sản xuất thành TSH vừa ựể cải tạo ựất vừa biến các bể phát thải C trong rừng
hình ựược áp dụng ở nhiều quốc gia như Canaựa, Úc, Công-gô. Khai thác TSH làm vật liệu lọc các kim loại nặng tại những ựiểm ô nhiễm cũng ựang ựược triển khai ở Mỹ.
Công nghệ sản xuất TSH hiện nay ựang nhận ựược sự quan tâm ựặc biệt của các nhà nghiên cứu trên thế giớị Trong quá trình nhiệt phân các vật liệu hữu cơ ựể sản xuất than có khoảng 30-50% C ựược giữ lại trong than, phần C còn lại là ở dạng khắ và lỏng [12]. Nếu lượng C dạng khắ không thu lại ựược mà bay vào khắ quyển thì việc khuyển khắch sản xuất TSH có thể ựem lại những tác ựộng tiêu cực về mặt môi trường vì nó làm tăng nhanh lượng
CO2 phát thải vào khắ quyển. Do vậy ựể sản xuất TSH ựem lại hiệu quả cả về
mặt môi trường và kinh tế thì công nghệ sản xuất trước hết phải thu giữ ựược tối ựa các chất khắ và lỏng làm trong quá trình nhiệt phân và tận dụng ựược chúng làm nguồn nhiên liệu sinh học thay thế một phần cho nhiên liệu hóa thạch hiện naỵ
TSH ựược tạo ra trong quá trình nhiệt phân không phải là chất ựồng nhất [21] và các thành phần khác nhau của than có thể bị phân hủy với tốc ựộ khác nhau dưới ựiều môi trường ứng dụng khác nhaụ Nguồn nguyên liệu lớn nhất ựưa vào sản xuất TSH hiện nay là các cây bụi, cây tạp, cây chết, gỗ thải trong các khu chế biến, các phế phụ phẩm cây trồng trong trồng trọt, chế biến nông sản, chất thải ựộng vật trong chăn nuôi, rác thải hữu cơ. Trong qúa trình sản xuất TSH, nhiệt ựộ và loại vật liệu hữu cơ sử dụng khác nhau sẽ liên quan ựến khối lượng và tắnh chất sản phẩm tạo ra khác nhaụ Khi nhiệt ựộ nhiệt phân tăng thì tỷ lệ than, chất lỏng cô ựặc và nhựa ựường giảm dần (than ựược
tạo ra chiếm từ 30-50% trọng lượng vật liệu khi nhiệt phân ở nhiệt ựộ 280oC
và giảm dần xuống 20-30% khi nhiệt ựộ tăng lên 850oC) và ngược lại lượng
khắ tăng lên từ 20% ựến 80% [12]. Vấn ựề ựặt ra cho các nhà nghiên cứu hiện nay là loại vật liệu và công nghệ sản xuất như thế nào ựể tạo ra sản phẩm than
có hiệu quả trong việc cải tạo môi trường ựất và lưu chứa C với chi phắ sản phẩm có thể ựược thị trường chấp nhận. Yêu cầu quy trình công nghệ sản xuất than ựược phác thảo quạ
Carbon sinh học ựược sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như ựể
hấp thụ CO2 góp phần làm giảm khắ nhà kắnh, làm chậm sự biến ựổi khắ hậu
hoặc ựể sản xuất biofilter dùng lọc nước uống trong các gia ựình, hoặc dùng xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạtẦ nhưng trong nông nghiệp vẫn ựược dùng nhiều hơn. Theo (GS Lehmann, bộ môn địa Hoá học ựất, trường đại học Stanford, 2007 - dẫn theo Vũ Thắng, 2012), khi ựược sử dụng rộng rãi, thuật ngữ TSH (than sinh học) ựược hiểu là than từ bất kỳ sinh khối phế thải nàọ Trong bối cảnh rộng hơn, TSH có thể ựược hiểu là chất sử dụng ựể cải thiện chất lượng ựất. Những người ựam mê than sinh học nói chung ựồng ý rằng, nguyên than sinh học cần phải ựược xử lý thêm trước khi ựược bổ sung vào khu vườn hoặc ủ trộn với phân hữu cơ, thường ựược sử dụng ựể tạo vật chất mang các vi sinh vật và chất dinh dưỡng có lợị Than sinh học có diện tắch hoạt ựộng bề mặt cao hơn so với than khác và ngày càng có nhiều người quan tâm ựến ựặc ựiểm tiềm năng của than sinh học. Các hoạt ựộng của dự án than sinh học Thụy Sỹ ựã chứng minh tác dụng của than này ựối với ựất. Họ ựưa than sinh học thực nghiệm tại Terrigal (Australia) với các công thức thắ nghiệm: 1. đất ựồng bằng, 2. đất + NPK (Nitơ, Phospho và phân bón Kali), 3. đất + than sinh học, 4. đất + NPK + than sinh học, tỷ lệ ứng dụng than sinh học vào ngày 3 lô thử nghiệm là 50 tấn/hạ Sau 10 tuần, ở các lô thử nghiệm cho thấy ở các công thức thắ nghiệm có Biocarbon ựều cho kết quả tốt và hiệu ứng tương tự cũng ựược thấy trong nhiều loại ựất và các ựịa ựiểm khác trên thế giớị Than sinh học ựược sử dụng phổ biến trên các lĩnh vực nông nghiệp và tắch hợp vào các lớp trên của ựất bởi nó có nhiều lợi ắch, như làm tăng năng suất cây trồng ựáng kể trên ựất ựang trong tình trạng nghèo,
giúp ngăn chặn dòng chảy và mất mát phân bón, cho phép sử dụng phân bón ắt hơn và giảm bớt ô nhiễm môi trường xung quanh mà vẫn giữ ựược ựộ ẩm, giúp cây qua ựược các thời kỳ hạn hán dễ dàng hơn.
(Saibhaskar Nakka, 2007 - dẫn theo Vũ Thắng, 2012) còn cho rằng, than sinh học là than cần cho ựất, ựược sử dụng ựối với ựất cùng với các sửa ựổi khác ựể nâng cao ựộ phì nhiêu của ựất. Loại ựất ựen có hàng ngàn năm trước ựược tạo ra trong các vùng của lưu vực sông Amazon cho ựến khi có người Âu Châu ựến. Tại châu Á, giá trị của than sinh học ựã ựược biết ựến nhiều tại Ấn độ và ựược sử dụng như một thói quen truyền thống và văn hóa cho các mục ựắch khác nhau, vì vậy loại than này không bao giờ ựược coi là một loại vật liệu chất thảị Mặc dù việc bổ sung than cho các loại ựất ựược thực hiện như là một thói quen, nó vẫn là một phần của truyền thống canh tác tại Ấn độ, khi chúng ta khám phá và chứng minh rằng các nông dân ở ựây ựã sử dụng than củi từ hàng trăm năm ựể sản xuất nông nghiệp bền vững. Nhiều nghiên cứu cho thấy, than sinh học có một vai trò quan trọng trong việc giải quyết một số thách thức lớn nhất ựối với nhân loại ngày naỵ
Nhiều nhà nghiên cứu ựều cho rằng TSH là người bạn tốt nhất của ựất bởi có những lợi ắch như: tăng trưởng thực vật, giảm phát thải oxit nitơ (ước tắnh 50%), triệt khử nhiều sự phát thải mê-tan, giảm nhu cầu phân bón (ước tắnh 10%), giảm rửa trôi các chất dinh dưỡng, giảm ựộ chua của ựất, tăng pH ựất, lưu trữ carbon trong một bồn rửa ổn ựịnh lâu dài, tăng tập hợp ựất do sợi nấm tăng, giảm ựộc tắnh nhôm, cải thiện việc xử lý ựất nước, tăng mức ựất ở có sẵn ựể dùng Ca, Mg, P và K, tăng hô hấp của vi sinh vật ựất, tăng sinh khối vi sinh vật ựất, tăng nấm rễ Arbuscular mycorrhyzal, kắch thắch vi sinh vật cố ựịnh ựạm cộng sinh trong cây họ ựậu, tăng khả năng trao ựổi cation.
Kết quả nghiên cứu mới nhất cho thấy, sản lượng cây trồng ở các vùng ựất bón TSH ở Canada tăng lên từ 6-17% so với ựối chứng, thân cây cứng
hơn và bộ rễ phát triển nhiều hơn (ựến 68%). Hao hụt dưỡng chất phân bón do bị rửa trôi giảm rõ rệt, trong ựó hiện tượng mất lân giảm ựến 44%. Trong thực tế, lợi ắch của việc bón TSH ựã ựược quan trắc, kiểm nghiệm nhiều nơi ở Úc, Philippines, CongoẦ và nhiều nước ựã có chế ựộ khuyến khắch hay thưởng cho các nông hộ sử dụng loại than nàỵ Sử dụng than sinh học cộng với phân hóa học ựã làm tăng trưởng lúa mỳ mùa ựông và rau quả lên 25-50% so với chỉ bón phân hóa học. (TS N. Sai Bhaskar Ređy, 2008 - dẫn theo Vũ Thắng, 2012) ựã nghiên cứu ở ựậu tương cũng nhận xét rằng bón thêm Biocarbon vào ựất nền, tỷ lệ nảy mầm cao, hệ rễ phát triển mạnh, quang hợp tăng, hoạt ựộng của vi khuẩn cộng sinh cố ựịnh nitơ mạnh mẽ hơn so với ựối chứng (trên ựất nền).
Biocarbon còn có vai trò trong việc chống suy thoái ựất. (Johannes Lehmann, 2006 Ờ dẫn theo Vũ Thắng, 2012) cho rằng các kiến thức mà chúng ta có thể ựạt ựược từ nghiên cứu các loại ựất ựen ựược tìm thấy trên toàn khu vực sông Amazon không chỉ dạy chúng ta làm thế nào ựể khôi phục ựất bị suy thoái, sản lượng thu hoạch tăng gấp ba và hỗ trợ một mảng rộng các loại cây trồng trong vùng có ựất nông nghiệp nghèo mà còn có thể dẫn ựến các công nghệ ựể cô lập carbon trong ựất và ngăn chặn những thay ựổi quan trọng về khắ hậu thế giớiỢ. Mặt khác, theo (Elmer và cộng sự, 2009 Ờ dẫn theo Vũ Thắng, 2012) thì khi bón thêm than sinh học vào ựất sẽ có ựược giá trị sinh học ựặc biệt quan trọng vì nó sẽ hấp thụ các chất ô nhiễm như kim loại, ựặc biệt là kim loại nặng và thuốc trừ sâu ngấm vào ựất nên không gây ô nhiễm các nguồn cung cấp thực phẩm. Than sinh học có thể ựược thiết kế ựể có phẩm chất cụ thể phù hợp với tắnh chất riêng biệt của ựất. Bón thêm than sinh học ở mức 10% vào ựất có thể giảm ựược tới 80% mức ựộ gây ô nhiễm thuốc trừ sâu ựộc hại như chlordane, ĐX trong các cây trồng.
Ở Việt Nam, cha ông ta từ xa xưa ựã biết tận dụng tro bếp bón vào ựất ựể tăng năng suất cây trồng. Sử dụng tro bếp phần nào giống như sử dụng
TSH. Tuy nhiên, tro bếp là sản phẩm của quá trình ựốt trong ựiều kiện giàu
oxi, phần lớn lượng C ựã bị mất ở dạng CO2, do vậy hàm lượng C còn lại
không caọ Nếu ựốt các vật liệu hữu cơ với mục ựắch lấy tro cải tạo ựất hoặc ựốt nương làm rẫy thì chúng ta lại thải vào khắ quyển phần lớn lượng C từ vật liệu hữu cơ, làm gia tăng phát thải khắ nhà kắnh trong khắ quyển. Việt Nam là nước có sản xuất nông lâm nghiệp và chăn nuôi phát triển khá mạnh, nguồn vật liệu hữu cơ phát thải là rất lớn. điều kiện khắ hậu nóng ẩm rất thuận lợi
cho quá trình khoáng hóa các chất thải hữu cơ tạo ra CO2 và CH4. Nhiều nơi
sức sản xuất của ựất ựang suy giảm nhanh chóng do áp lực của sản xuất trồng trọt, ựặc biệt những nơi mà ựất có hàm lượng hữu cơ thấp như ựất cát và ựất xám bạc màụ Do vậy sử dụng TSH làm chất cải tạo ựất có thể thuận lợi và có ý nghĩa về mặt kinh tế và môi trường trong ựiều kiện sản xuất nông nghiệp của Việt Nam hiện naỵ
Gần ựây Báo Nông nghiệp, (21/12/2010) cũng ựã có bài viết ựề cập ựến việc sản xuất TSH từ vỏ trấu ựể cải tạo ựất. đồng bằng sông Cửu Long nổi tiếng với những dòng sông trấu trôi ra từ các nhà máy xay xát tập trung, việc sản xuất TSH nên ựược thực hiện ựể một mặt lấy nhiệt sản xuất ựiện năng, mặt khác thu hồi TSH thương phẩm ựể bán trong nước hay xuất khẩụ Theo tác giả bài viết, nhu cầu sử dụng TSH từ vỏ trấu trên ruộng vào khoảng 16 tấn/ha, tương ựương với khoảng tỷ lệ 1,4% trong lớp ựất mặt từ 0-0,1m. Hơn nữa, trong một xã hội mà sản xuất ựang trên ựà phát triển, ựời sống của người dân ựược nâng cao thì các hoạt ựộng của con người tác ựộng ựến môi trường sống cũng mạnh mẽ hơn, làm cho môi trường trở nên ô nhiễm nặng. Các chất thải từ sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, chất thải sinh hoạt, công nghiệp mắa ựường, chế biến gỗ, ựóng tàu thuyền, sản xuất giấy, tinh bột... ngày càng nhiều nhưng chúng ta chưa biết biến rác thành vàng như những nơi khác.
Nếu ở Nghệ An có sự ựầu tư vào việc xây dựng một số nhà máy ở những vùng trọng ựiểm (vùng công nghiệp, ựô thị...) hoặc trang bị các TSH
Reactor (loại cố ựịnh hay lưu ựộng) ựể thu gom phế thải, rác thải và biến nó thành nguyên liệu ựể sản xuất Biocarbon thì vừa có Biocacbon phục vụ sản xuất nông nghiệp bền vững và dùng cho các mục ựắch khác (như xử lý nước thải, xử lý nước sinh hoạt và nước uống trong mùa lũ lụt, giảm phát thải các
khắ nhà kắnh như CO2, CH4, CO2, CFC...), vừa giải quyết ựược vấn ựề ô
nhiễm môi trường nghiêm trọng như hiện nay Ộnguồn:
NGHEANDOST - số 5 2011Ộ.
Quá trình sản xuất TSH có thể tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị khác. Một số khắ thoát ra trong quá trình sản xuất TSH có thể ựược sử dụng ựể sản xuất ựiện năng, số khác có thể dùng ựể sản xuất dầu hỏa hay dược phẩm. TSH không chỉ cải tạo ựất mà còn ựược còn ựược dùng như một loại chất ựốt thay cho than ựá, dầu mỏ ựang có nguy cơ cạn kiệt. Ngoài ra, TSH còn làm vật liệu xử lý nước ô nhiễm, nước nhiễm kim loại nặng do TSH có thể loại bỏ nitrate và phosphate, giữ lại các hợp chất hữu cơ ựộc hại có trong nước. Tại Nhật Bản, TSH còn ựược cấy thêm vi sinh vật ựể xử lý chất thải nhà vệ sinh, bảo vệ