טקסט זה הינו חלק מעבודת מחקר סמינריונית אותה ביצעתי השנה. עבורי היא ענתה על הרבה שאלות לגבי ביוצ’אר, וניפצה הרבה אמונות שווא. זהו חלק ב’. נקרא לו עליתו של הביוצ’אר. בחלק א’ סיפרתי על הטרה-פרטה, אותה פלא חקלאי ילידי ששימש השראה לביוצ’אר, בחלק ג’ אספר על המחקר שלי ומסקנות (מעניינות) שהסקתי ממנו, בעיקר עבור אנשי פרמקלצ’ר, ובחלק ד’ אספר לכם איך מכינים ביוצ’אר. נא להתאזר בסבלנות. אז נמשיך?… נמשיך.

ביוצ’אר?

המונח ביוצ’אר אוזכר לראשונה בשנת 1998, כמשקע מוצק כתוצאה מפירוליזה של ביומאסה (Spokas et al., 2012). באותם שנים, בעקבות הצורך ההולך וגובר למצוא טכניקות חדשות לקיבוע פחמן בקרקע, צמחה הפופולאריות העולמית של ה-ADE והשלכותיו אל מעבר לקהילה המדעית. העולם החל להתעניין בתחום המחקר הצעיר גם בקרב ארגונים לאומיים ורב-לאומיים שעוסקים באופן יזום במיתון פליטות הפחמן (Carbon Emission Mitigation), אם כמשימה סביבתית גלובאלית ואם בעקבות זיהוי השוק הצעיר יחסית של מסחר בפליטות פחמן כפוטנציאל כלכלי (Denevan & Woods, 2004). חברות מסחריות ומכוני מחקר החלו לחקור וליישם הנדסה הפוכה ליצירת “טרה-פרטה נובה”. באופן היסטורי, בתחום הפקת האנרגיה פחמן שחור הינו תוצר לוואי של התהליך הפירוליזה כשתשומת הלב התמקדה בנוזלים ובגזים כמקור לאנרגיה, ולא בביוצ’אר, בטח ובטח לא כטכניקה לקיבוע פחמן, זאת עד לשנות השמונים של המאה הקודמת (Spokas et al., 2012). כך, בשנים האחרונות, ביוצ’אר והטמעתו בקרקע הוצע כטכנולוגיה פשוטה לקיבוע פחמן בקרקע מחד, ולשיפור פוריות הקרקע מאידך (Graber et al., 2010; Gurwick, Moore, Kelly, & Elias, 2013; Kawa & Oyuela-Caycedo, 2008; Northup, 2013).

תהליך הפקת הביוצ’אר – הפירוליזה

כאמור, ביוצ’אר הינו תוצר של תהליך פירוק תרמוכימי בטמפרטורה גבוהה (בעירה) של חומר אורגני במצב של חוסר חמצן, ובמילה אחת פירוליזה. פירוליזה הינו תהליך מוכר לאדם מזה אלפי שנים, כשהמצרים מתועדים בשימוש בתוצרי הפירוליזה בתהליך החניטה (Spokas et al., 2012). הפירוליזה היא שם כללי לתהליך שעשוי להיעשות בטווח גדול של משתנים – טמפרטורות נמוכות (300°C) או גבוהות (800°C), זמנים קצרים (חצי שעה) או ארוכים (מספר שעות), ללא בקרה או בבקרה מלאה. בתהליך הפירוליזה כ-50% מהפחמן המקורי בביומאסה (בקירוב) נלכדים בביוצ’אר (Atkinson, Fitzgerald, & Hipps, 2010). הpH הסופי ואתו יכולת קיבול קטיונים החליפים (CEC, Cation Exchange Capacity) עולים ככל שטמפרטורת ההפקה גבוהה יותר, ביחס הפוך לתפוקת הביוצ’אר בסוף תהליך ההפקה. לפי נתונים אלו, ניתן לתחום את הטמפרטורה האופטימלית להפקה בין 450°C ל- 550°C. ככל הנראה, פירוליזה איטית מבוקרת הינה השיטה המוצלחת ביותר למיקסום הפקת ביוצ’אר. בתהליך הפירוליזה מתרחשים תהליכי פילמור שבסופם מתקבל מבנה פחמני ארומטי יציב טרמית. התהליך הינו אנדותרמי בטמפרטורות גבוהות ואקסותרמי בטמרפטורות נמוכות, ועל כן בעת ייצור אנרגיה מביומאסה התהליך מתבצע בטמפרטורות נמוכות (400°C – 450°C) (Lehmann, 2007). להרכב חומר הגלם יש גם חלק משמעותי בקביעת איכות הפירוליזה ותכונות שונות של הביוצ’אר כמו כמות האפר, צפיפות וקושי החומר. נראה כי ביוצ’אר שהופק מעשב וזבל בעלי חיים מכיל בתוכו כמות גבוהה יותר של נוטריינטים. בנוסף, נצפו תוצאות חיוביות על נביטה, נטרול אללופטיה, צימוח ראשוני וכמות היבול בביוצ’אר מעץ קשה שהופק בשיטה המסורתית ובטמפרטורות נמוכות (Rogovska, Laird, Cruse, Trabue, & Heaton, 2012; Spokas et al., 2012).

הביוצ’אר – מבנה ותפקוד

הביוצ’אר איננו הומוגני. טווח רחב של הרכבים כימיים ומבנים פיזיקלים מעיד על הקושי בלייצר הגדרה אחידה וסטנדרטיזציה, גם במעבדה אך בעיקר בשדה (Gurwick et al., 2013; Spokas et al., 2012). מחקר שערך אנליזה במגוון דגימות ביוצ’אר הראה שונות גבוהה בהרכב. למשל, הרכב הפחמן המקובע נע בין 6 ל-60% (Rogovska et al., 2012). המבנה הארומטי של הביוצ’אר מקנה לו יציבות פיסיקלית ועמידות כימית וביולוגית פוטנציאלית למאות שנים (Atkinson et al., 2010; Glaser, Haumaier, Guggenberger, & Zech, 2001; Lehmann, 2007), מספק מקלט למיקרואורגניזמים שונים, כגון מיקוריזה, וקושר יונים חיוניים כנוטריינטים שונים (חנקן, זרחן, אשלגן). לביוצ’אר ישנן השפעות נוספות שמשפיעות על תכונות הקרקע כגון העלאת ה-pH, הגדלת המוליכות החשמלית, עלייה ביכולת קיבול קטיונים חליפים בקרקע ועוד הרבה יש לגלות ולחקור. ה-pH הגבוה בביוצ’אר אינו מפתיע בהתחשב בתיעוד הרב במחקר בשימוש באפר עץ לשינוי הpH , ולהעלאת זמינות נוטריינטים, בעיקר אשלגן וזרחן (Atkinson et al., 2010; Rhodes, 2012).

ביוצ’אר כטכנולוגיה לקיבוע פחמן

על ידי גידול עצים וצורות נוספות של ביומאסה, CO2 נקלט על ידי פוטוסינתזה. אם הביומאסה הזו עוברת פירוליזה ומוטמעת בקרקע, אפשר לתאר את התהליך כיניקה איטית של פחמן מהאוויר והטמעתו בקרקע (Lehmann, 2007; Rhodes, 2012). חוקרים רבים דנים ביכולת של הביוצ’אר להשפיע על מיתון פליטות הפחמן הגלובאליות על ידי קיבוע פחמן בקרקע. למשל, מטוביק חישב כי פיחום וקבירה של 10% מהצימוח החדש בביומאסה הגלובאלית כל שנה יאזן את העלייה השנתית בפד”ח האטמוספרי. בפוטנציאל הבר-קיימא המקסימלי, ביוצ’אר עשוי להפחית פליטות הפחמן השנתיות (נכון להיום) ב12%, בהנחה שהפחמן נשאר יציב לאחר 100 שנים (Gurwick et al., 2013). חישוב אחר מציע כי ניתן לחסוך 40% מפליטות הפחמן (נכון להיום), אם הטכנולוגיה תיושם על פני כל השטח הזמין לעיבוד על פני כדוה”א. חוקרים אחדים מרחיקים לכת, וטוענים כי ייצור מיליוני טונות בשנה של ביוצ’אר, בקנה מידה עולמי, עשוי להפוך את סך פליטת הפחמן האנתרופוגני, ואולי אף את ההתחממות הגלובאלית. בנוסף, קיימת השערה כי היווצרות תפטירים על גבי מבנה הביוצ’אר עשוייה להיות אחראית לקיבוע סופי של פי חמישה יותר מהכמות שהתהליך הראשוני של יצור הביוצ’אר מקבע בקרקע (Rhodes, 2012). מן הצד השני, חוקרים אחדים מזהירים מהערכה אופטימית מדי אודות יכולת קיבוע הפחמן של הביוצ’אר, מארבע סיבות עיקריות:

1. מחקרית, עוד לא פותחו הכלים להערכת אורך החיים של הביוצ’אר באדמה, בהתייחס כמובן בכך שההערכה הזהירה טוענת לכל הפחות למאה שנים. נכון להיום, באופן היפותטי המחקרים הותיקים ביותר אינם עדיין בני יותר מעשרים ושש שנים, כיוון שלפני 1998 המושגים ביוצ’אר או טרה נובה פרטה עוד לא הוגדרו, ולכן עוד לא היה מה לחקור (Shackley & Sohi, n.d.; Spokas et al., 2012).
2. הטענות אודות היציבות של הביוצ’אר בקרקע נשענות על המצאות פחם בקרקעות אנתרופוגניות עתיקות. עצם המצאותו של הפחם ואפילו גילו המוערך, אינו מעיד על כמות הפחם שהייתה בקרקע מלכתחילה, ואפשר שכמות הביוצ’אר שהתקבעה בקרקע תלויה בהקשר האקלימי והקרקעי הספציפי. ניתן להניח כי על מנת להפיק קרקע בעלת פרופיל קרקע של טרה פרטה יש צורך בתהליך ביולוגי שיארך שנים לכל הפחות. כך או כך, קשה להסיק על בסיס דגימות פחם מאתרי ADE עתיקים על התפקוד של הביוצ’אר באופן כללי (Gurwick et al., 2013; Rhodes, 2012).
3. מחקרים שנעשו עד היום שניסו לקבוע את גיל ההשארות של הפחמן השחור בקרקע מציגים נתונים בעלי שונות של שלושה סדרי גודל, בין שנים בודדות ועד אלפי שנים, מה שמעיד על רמה גבוהה של אי ודאות ושונות אפשרית בשדה (Graber et al., 2010; Lehmann, 2007).
4. השונות הגדולה בתהליכי ההכנה, המגוון בחומרי הגלם לביוצ’אר, וההבדלים בין האקלימים השונים על התהליכים האקולוגיים בהם ואופי מעגלי החומרים, מקשה מאוד על היכולת לכמת מראש את כושר קיבוע הפחמן של הביוצ’אר (Gurwick et al., 2013; Lehmann, 2007).

ביוצ’אר בחקלאות

המנגנון המדויק בו ביוצ’אר תורם לרבות מהתכונות החקלאיות החיוביות שמיוחסות לו, כמו הגדלת צימוח ויבול, הקטנת אבדן נוטריינטים ושיפור לכידות הקרקע, עדיין מובן לנו בצורה חלקית בלבד. ועם זאת מאות ניסויים במעבדה ובשדה הוכיחו כי יישום הביוצ’אר במערכת חקלאית עשוי לתרום במגוון דרכים.

ביוצ’אר עשוי לשפר את פוריות הצמח על ידי הגברת יכולת אחזקת ושחרור הנוטריינטים ושיפור באחזקת הנוטריינטים הכללית של הקרקע; הגדלת קיבול הקטיונים החיוביים; שיפור בחומציות הקרקע; שיפור בתכונות הפיזיקליות של הקרקע, כולל אחזקת מים ושיפור ניקוז; הקטנת דחיסות הקרקע והשפעה חיובית על גודל האוכלוסיות המיקרוביולוגית של הקרקע והפעילות שלהן (Graber et al., 2010; Rogovska et al., 2012). יישום ביוצ’אר באדמות חומציות יכול להעלות את הpH של הקרקע לרמות בסיסיות, בעיקר אם יושמו כמויות גדולות של ביוצ’אר שבעקבותיהן התרחש שינוי משמעותי ביכולת קיבול קטיונים חליפים בקרקע (Solaiman, Murphy, & Abbott, 2012).

מחקרים חדשים מציעים קשר בין ביוצ’אר ושגשוג מיקרוביאלי באדמות טרה פרטה, בהן מיקוריזה משגשגת ומייצרת גלומאלין, וישנן הוכחות מוצקות לכך שהגליקופרוטאין דמוי הדבק אחראי בצורה משמעותית לאחזקת חומר אורגני בקרקע ולבריאות האדמה. אף ישנן הערכות מרחיקות לכת כי הגלומאלין הינו ה”סוד” של אדמות הטרה פרטה (Rhodes, 2012; Spokas et al., 2012). יחד עם זאת, כדאי לציין כי לרוב הביוצ’אר נחקר בסביבות בהן האדמה החקלאית התדלדלה או נפגעה, ובמערכות בעלות אדמה דלה מלכתחילה (Graber et al., 2010).

שימוש בביוצ’אר בחקלאות מציב מספר אתגרים טכניים משמעותיים כמו הובלה ויישום בשדה, ובמקביל גם אתגרים כלכליים כמו החזר השקעה ארוך-טווח. ככל הנראה, בתעשיית הגינון והמשתלות האתגרים הטכניים והחקלאיים יהיו זהים, אך אפשר לצפות שהחזר ההשקעה יהיה מהיר יותר, כך שהתמריץ הכלכלי ליישום ביוצ’אר בתעשייה זו גדול יותר, ויוצר יחד איתו אפשרות ערך משני של קיבוע פחמן.

ביוצ’אר במצעים מנותקים

על אף גילו הצעיר של התחום, ניתן למצוא מחקרים אודות ההשפעה של ביוצ’אר על מצעים מנותקים. בין ההשפעות החיוביות של הביוצ’אר ניתן לזהות השפעה על שיפור בצימוח, הקטנת נפח המרכיבים המחצביים של מצע השתילה, שיפור עמידות למחלות, והקטנת אבדן נוטריינטים ומינרלים (Northup, 2013). השפעות אלו, יחד עם הערך המתווסף של קיבוע פחמן, עשויים להפוך את הביוצ’אר למצע שתילה מהפכני. במחקר מקיף שמטרתו הייתה לבדוק את השפעת הביוצ’אר על צימוח תוך כדי נטרול כל השפעה נוספת, הוכח כי הוספת כמויות קטנות של ביוצ’אר (1%-5% משקלית) למצע מנותק, בדישון והשקייה אופטימלית לצמחי עגבניה ופלפל, מניבה השפעה חיובית על צימוח ובריאות הצמח, יחד עם עמידות גבוהה יותר למחלות עלוותיות, וככל הנראה עמידות למחלות בכלל. את התוצאות החיוביות הללו מסבירים במחקר באמצעות שתי היפותזות – דחיקה תחרותית מיקרוביאלית ופטרייתית, או הורמזיס (תופעה בה לכמות קטנה מרעלן, במקרה זה עטרן מן הביוצ’אר, יש השפעה חיובית על תהליכים ביולוגיים) (Graber et al., 2010).

עם זאת, המחקר עוד רחוק מלמצות את הפוטנציאל היישומי של הביוצ’אר. מחקרים ניסיוניים חדשים, בעיקר בחקלאות, מתפרסמים חדשות לבקרים על ידי חוקרים ממכוני מחקר ואוניברסיטאות מסביב לעולם. למשל, לאחרונה נמצא כי הטמעת ביוצ’אר בקרקע מפחיתה בצורה משמעותית את פליטת האמוניה מקרקעות שטופלו בזבל בהמות וכי האמוניה שנספגת בביוצ’אר הינה זמינה ביולוגית (Taghizadeh-Toosi, Clough, Sherlock, & Condron, 2012a, 2012b), הדגמה מרתקת למגוון היישומי שהביוצ’אר עשוי להציע.

חשוב לציין כי יש חוקרים המזהירים כי לביוצ’אר יכולה להיות השפעות שליליות על החקלאות, כמו שחרור איטי של מתכות כבדות שאחרת לא היו מוכרות לקרקע, הקטנת ההשפעה של קוטלי חרקים והשארות ארוכה של קוטלי חרקים ומזהמים אחרים בקרקע החקלאית תוך הקטנת החלחול למי התהום, כשפעולות אלו תלויות מאוד בתכונות הדגל של הביוצ’אר, ביניהן היכולת לקיבול קטיונים חליפים ולשיחרור חומרים בשחרור איטי (Gurwick et al., 2013; Rogovska et al., 2012). במילים אחרות, פחמן שחור אינו בהכרח מועיל לפוריות הקרקע וישנן עדויות להאטת צמיחה ולמהפך בהרכב הקרקע עד לאיבוד פוריות, כמו למשל באתרים של ייצור פחם (Spokas et al., 2012). סקירה מחקרית צרה אודות ההשפעה של הביוצ’אר על היבול החקלאי, הראתה כי בעוד 50% מהמחקרים הציגו השפעות חיוביות על היבול או הצימוח, 30% מהמחקרים לא הציגו הבדל משמעותי בתוצאות, ו20% מהמחקרים הציגו השפעה שלילית על הצימוח או היבול. זאת ועוד, מורכבות שעולה בעת ניסיון להגדיר איכות של דגימות ביוצ’אר שונות קשורה בהבנה כי התכונות שעושות דגימה מסויימת מתאימה לקיבוע פחמן, כמו למשל קצב הפירוק, לא בהכרח עומדות בהתאמה עם התכונות שעושות את הביוצ’אר מתאים לשימוש כתוסף קרקע חקלאי, כמו למשל אחזקת מים, ושחרור איטי של נוטריינטים. מורכבות זו נתמכת חלקית על ידי Lehmann (2007), שמסביר כי בפירוליזה בטמפרטורה נמוכה מאוד (מתחת 400°C), כמות הביוצ’אר בסוף התהליך אמנם גדולה יותר, אך הPh ויכולת קיבול קטיונים חליפים נמוכות, ערכים שמקטינים את היכולת של הביוצ’אר לשמש כתוסף קרקע משפר פוריות. עדיין נחוץ מחקר רב על מנת לקבוע את תהליך הפירוליזה האופטמלי לשימושים שונים ומשולבים.

הרוב המוחלט של המחקר היישומי בביוצ’אר עוסק בצימוח ויבול. מספר מועט של מחקרים עוסק בשלבים הראשונים של הצימוח כמו הנביטה והתפתחותו הראשונית של השתיל. ההשפעה של ביוצ’אר על נביטה נבדקה בעיקר בצמחי בר. מחקרים בצמחי תרבות חקלאיים הראו נביטה מוגברת בטיפול בביוצ’אר, אך גם תועדו מקרים בהם הנביטה והצימוח הראשוני לא הושפעו בהטמעת ביוצ’אר. ניתן לשער, עקב השונות הגבוהה בביוצ’אר בין יצרנים, חומרי גלם ואתרים שונים כי לא כל הרכב ביוצ’אר יתאים כתוסף קרקע, ובעיקר בכל הנוגע לנביטה שהינה שלב עדין בהרבה משלבי הצימוח הבוגרים של הצמח. הורמזיס נצפתה ביישום ביוצ’אר על סוגים שונים של זרעים בנביטה ובצימוח הראשוני, כאשר בריכוז של מעל 100 טון להקטר (> 100 t/Ha) נצפה עיכוב בנביטה עבור סוגים שונים של ביוצ’אר (Solaiman et al., 2012).

בבליוגרפיה

Atkinson, C. J., Fitzgerald, J. D., & Hipps, N. A. (2010). Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review. Plant and Soil, 337(1-2), 1–18.

Denevan, W. M., & Woods, W. I. (2004). Discovery and awareness of anthropogenic Amazonian Dark Earth (Terra Preta).

Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., & Zech, W. (2001). The “Terra Preta” phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics. Naturwissenschaften, 88(1), 37–41.

Graber, E. R., Meller Harel, Y., Kolton, M., Cytryn, E., Silber, A., Rav David, D., … Elad, Y. (2010). Biochar impact on development and productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media. Plant and Soil, 337(1-2), 481–496.

Gurwick, N. P., Moore, L. A., Kelly, C., & Elias, P. (2013). A Systematic Review of Biochar Research, with a Focus on Its Stability in situ and Its Promise as a Climate Mitigation Strategy. Plos One, 8(9), 1–10.

Kawa, N. C., & Oyuela-Caycedo, A. (2008). Amazonian Dark Earth: A Model of Sustainable Agriculture of thePast and Future? The International Journal Of Environmental, Cultural, Economic And Soical Sustainability, 4(3), 9–16.

Lehmann, J. (2007). Bio-energy in the black. Frontiers in Ecology and the Environment, 5(7), 381–387.

Northup, J. (2013). Biochar as a replacement for perlite in greenhouse soilless substrates. Graduate Theses and Dissertations, Iowa State University.

Rhodes, C. J. (2012). Biochar, and its potential contribution to improving soil quality and carbon capture. Science Progress, 95(3), 330–340.

Rogovska, N., Laird, D., Cruse, R. M., Trabue, S., & Heaton, E. (2012). Germination Tests for Assessing Biochar Quality. Journal of Environment Quality, 41(4), 1014.

Shackley, S., & Sohi, S. (n.d.). An Assessment of the benefits and issues associated with the application of Biochar to Soil. A report commissioned by the United Kingdom Department for Environment, Food and Rural Affairs, and Department of Energy and Climate Change, UK Biochar Research Centre.

Solaiman, Z. M., Murphy, D. V., & Abbott, L. K. (2012). Biochars influence seed germination and early growth of seedlings. Plant and Soil, 353(1-2), 273–287.

Spokas, K. A., Cantrell, K. B., Novak, J. M., Archer, D. W., Ippolito, J. A., Collins, H. P., … Nichols, K. A. (2012). Biochar: A Synthesis of Its Agronomic Impact beyond Carbon Sequestration. Journal of Environment Quality, 41(4), 973.

Taghizadeh-Toosi, A., Clough, T. J., Sherlock, R. R., & Condron, L. M. (2012a). A wood based low-temperature biochar captures NH3-N generated from ruminant urine-N, retaining its bioavailability. Plant and Soil, 353(1-2), 73–84.

Taghizadeh-Toosi, A., Clough, T. J., Sherlock, R. R., & Condron, L. M. (2012b). Biochar adsorbed ammonia is bioavailable. Plant and Soil, 350(1-2), 57–69.