Biochar 2 (Terra preta)

  An introduction to Biochar

  A substance that few people know much about!
  In Engish & French

One of the best introductions to Biochar is found at:
http://ngm.nationalgeographic.com/2008/09/soil/mann-text

Saving The Planet

If practiced on a truly large scale, the carbonization of soil in the tropics and subtropics can not only solve, but might even reverse the problem of global warming.
That is quite a sweeping statement, but it is true, as we will see. To understand how this is possible, you need first to understand the biospheric carbon cycle.

This is a very simplified version, so please, if you are a scientist or other academic, don't write me to correct the details. The intent of the following explanation is only to outline the carbon cycle in its very broadest dimensions, so that non-technical readers can understand my explanation of why soil carbonization could have a major, beneficial impact on global warming.

The carbon cycle begins with atmospheric carbon dioxide, the greenhouse gas we all know and are growing to hate. It is a natural part of the atmosphere, however, and prior to the widescale use of fossil fuel in industry, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere was roughly 260 parts per million by volume. Digging up carbon-based fuels out of the ground and burning them, adds to atmospheric carbon dioxide, since carbon dioxide and water vapor are the primary combustion products of burning fossil fuels. A century and a half of burning (oxidizing) fossil fuels, most of which consists of carbon, has raised the concentration of carbon dioxide in our atmosphere to roughly 360 parts per million. We are burning fossil fuels at such a rate that this value is increasing at roughly 10 parts per million per year. This does not sound like a lot, but carbon dioxide is extremely efficient at trapping heat in the atmosphere, and that is why its influence is all out of proportion to its concentration, and that is why increasing its concentration even a little bit matters a whole lot.

As you may recall from your high-school science classes, plants breathe in this carbon dioxide (which is all the same, regardless of whether it is natural in origin or comes from human activity), and through photosynthesis, combine it with water and turn it into the carbohydrates that make up the plant - the sugars, cellulose, lignin and other materials. When the plant dies, this carbon, which was sequestered (locked up) temporarily in the plant's tissue, is oxidized by decay organisms and is released back into the atmosphere in the form of carbon dioxide. The cycle is complete - the carbon dioxide becomes available for another plant to absorb. The theory of planting trees to slow global warming is that trees sequester this carbon in their plant tissues - wood - for centuries. But of course, they eventually will all die and rot away, and so the carbon dioxide they are supposed to sequester will eventually be released back into the atmosphere anyway. Other schemes have been suggested for sequestering carbon dioxide - usually by liquifying carbon dioxide and dumping it on the ocean floor (with unknown and unpredictable consequences for ocean ecology) or pumping it into abandoned natural-gas wells (again with unknown and unpredictable ecological consequences). But all these schemes are expensive and produce no economically useful outputs, so implementing them is problematic at best - it would have to be done by a government program, because there is no economic incentive for the private sector to do it.

There is another way to sequester the carbon and one that does indeed have a private-sector incentive associated with it. Charcoal consists almost entirely of carbon - by weight, carbon makes up between about 70 and 98 percent of charcoal. And charcoal is chemically stable - it does not react readily with either water or atmospheric oxygen at ordinary temperatures, so once it is well mixed into the soil, it will remain there for geological time scales. Indeed, scientists routinely find charcoal from forest fires in sediments laid down during the age of the dinosaurs and before. So once added to soil, carbon in the form of charcoal will remain there until it is physically separated out or oxidized in the interior of the earth. This process of geological consumption simply does not happen on any kind of time scale with which we need to concern ourselves. Charcoal is also easy to make - simply heat up any solid biological product to a temperature of about 470 degrees Farenheit, and volatile organic compounds come off as smoke, leaving behind charcoal. The carbon atoms simply reattach themselves to each other, and what we have left is elemental carbon - in the form of charcoal. And as we have seen, if farmers knew what it could do for them, they would have a major financial incentive to create charcoal from their farm wastes and add it to their soil, sequestering it not for decades or even centuries, but effectively permanently.

So how can this possibly have a measurable effect on the atmosphere? After all, the atmosphere of this planet is really big - a hundred miles deep and covering millions and millions of square miles of surface area. Even at the small fraction of the atmosphere that is carbon dioxide, that amounts to a truly staggering amount of carbon that we are swimming in - billions of tons. How could a bunch of farmers, carbonizing their farm waste and plowing the charcoal under, possibly have that much of an effect? The answer is numbers. Millions of farmers, all doing this together, could have an enormous impact, bringing atmospheric carbon dioxide right back to its pre-industrial levels. Here are the back-of-the-envelope calculations that show how this is plausible and even feasible:

The weight of all the air above the earth's surface amounts to 14.7 pounds per square inch at sea level - that is the same as atmospheric pressure. This means that every square inch of earth's surface (at sea level anyway), has 14.7 pounds of air resting on it. For the sake of convenience of understanding what is happening and visualizing that in our minds, let's convert that to weight per square foot. There are 144 square inches in a square foot, so that means that the weight of the earth's atmosphere at sea level is 2116.8 pounds, or a little over a ton per square foot (we don't feel that pressure, because we are immersed in the air, which presses up as well as down, and from the inside as well as the outside on us, cancelling out the pressure). We know that the volume of that air is composed of carbon dioxide to the extent of about 360 parts per million, but since carbon dioxide weighs more than air, for the purposes of these calculationswe need to convert that composition by volume to a corresponding composition by weight. It turns out that at equal temperature and pressure, carbon dioxide is 54% heavier than air, so if we multiply our 360 parts per million by 1.54, it turns out that the composition of the atmosphere is currently 556 parts per million carbon dioxide by weight. It follows then, that of the 2116.8 pounds that the atmosphere weighs per square foot on the earth's surface at sea level, 556 parts per million of that weight is carbon dioxide. Divide the 2116.8 by a million and multiply the result by 556, and you will have the weight of the carbon dioxide only, per square foot, that is bearing down on the earth's surface. The result is 1.17 pounds. But carbon dioxide includes a lot of oxygen, and if we want to know how much charcoal that would represent, we need to get rid of the oxygen in the carbon dioxide. Well, it turns out that 37% of the weight, roughly, of carbon dioxide is actually carbon (the rest is the oxygen), so we need to multiply the 1.17 pounds by 37% to get the weight of the carbon only. Turns out to be 0.43 pounds, or 6.92 ounces. If you turned all the carbon dioxide in a column of air of one foot square and as high as the top of the atmosphere into carbon (or charcoal), that is what the resulting carbon would weigh - 6.92 ounces.

Obviously, since atmospheric carbon dioxide is a vital, even critical part of our biosphere, we don't want to get rid of it all. We want only to get rid of the part that mankind has added to the atmosphere since the Industrial Revolution began. So if we calculate what percentage of current atmospheric carbon dioxide has been added by man, the percentage works out to 44%. So of our 6.92 ounces per square foot, the Industrial Revolution is guilty of adding a hair over 3 ounces per square foot.

The rub here is that farmers, to have a significant impact on global warming by adding charcoal to their soil, will have to add this amount for all the planet's surface area, land and ocean alike, not just the area of the planet's surface under cultivation. So we need to know how much of the planet's surface area is under cultivation in tropical and subtropical areas to determine how much they would need to add to save our skins. Turns out, according to United Nations Food and Agriculture Organization and from other sources, that pretty close to 1.6 percent of the surface area of the planet is given over to agriculture in tropical and subtropical regions. To reset the composition of the atmosphere to pre-industrial levels, the farmers in those regions are going to have to add to their soil, charcoal equal to three ounces divided by 1.6% - or in other words, 190 ounces per square foot of cultivated area.

This amounts to 11.8 pounds of charcoal per square foot of cultivated area. Depending on the density of the charcoal and the density of the soil, this is roughly the amount needed to get the optimum 30% by volume to a depth of about three feet. Just perfect! Just what the farmers need to do! And just what the planet needs to give us a second chance! So if every farmer in the tropics and subtropics got on the ball with this program, we could completely undo all the damage that we have done to our atmosphere with our fossil fuel addiction and put things right.

As it turns out, we need not rely just on tropical farmers, who stand to benefit the most from this soil carbonization. Recent work by Cornell University has shown that agriculture in temperate and even subarctic regions can benefit from soil carbonization as well. In the temperate agricultural zones, soil carbonization can greatly assist in improving soil texture as well as considerably improving a soil's fertilizer absorption and retention - making application of fertilizers far less frequently necessary. Since this is one of a temperate-zone farmer's largest costs, it can be of great benefit to a temperate-zone farmer seeking to improve his profitability. Since temperate-zone farmers can benefit too, if even a third of the world's farmers were to carbonize their soils, the entire problem of anthropogenic global warming would simply go away. Finally, a few people are beginning to recognize this in the academic community, and new proposals are coming out to include soil carbonization as a scheme to be subsidized under the Kyoto Protocol.

Part of
http://www.bidstrup.com/carbon.htm

Biochar, une innovation revolutionnaire pour la restauration de la fertilité des sols
Écrit par chrisb
Mercredi, 30 Avril 2008 09:42
LE BIOCHAR
Motivation et Objectifs
Le secteur agricole (agriculture, élevage, foresterie et pêche) constitue la principale activité économique de la plupart des pays Africains. La faible modernisation qu'il a connue ces dernières décennies, ainsi que les conditions climatiques précaires ont mené à une baisse de la productivité accompagnée d'une pression sur les ressources naturelles. Cette évolution a eu de sérieux impacts sur le niveau de vie des habitants qui dépendent de l'agriculture pour satisafire leurs besoins vitaux (alimentation quotidienne des familles et nourriture du bétail) et pour créer du revenu (par la vente de leurs produits sur le marché local).

Les paysans ne possèdent en général pas les connaissances et le capital nécessaires pour modifier leurs pratiques agricoles traditionnelles comme la déforestation sauvage illégale ou l'"overgrazing" (une méthode autorisant le bétail à consommer les plantes de manière si intensive qu'elles n'ont plus le temps de repousser). Il en résulte un sol dégradé dans lequel les cultures ne trouvent plus les nutriments essentiels dont elles ont besoin et qui contribue ainsi d'autant plus à la paupérisation des familles rurales Africaines.

La technique du biochar cherche à remédier à cette situation alarmante en proposant une nouvelle méthode de fertilisation du sol consistant à y ajouter directment du charbon de bois (appelé dans ce cas "biochar"). Cette méthode a déjà mené, dans de nombreuses régions du monde, à une augmentation significative et durable de la productivité du sol, même si celui-ci était fortement dégradé. Cette approche peut être adaptée à la plupart des pays Africains et notre objectif est donc ici de présenter un modèle général d'enrichissement du sol par le biochar, applicable à grande échelle dans toutes les régions présentant des situations socio-économiques et environnementales similaires.

Les Fondements du Biochar 
L'utilisation de charbon de bois pour enrichir le sol (on parle alors de "biochar"), s'inspire de la découverte, en Amazonie, de larges zones recouvertes d'une terre très sombre (appelée "Terra Preta do Indio") d'une fertilité remarquable, créée il y a plusieurs milliers d'années et dont la surface totale pourrait être plus du double de celle de la Grande Bretagne. Tandis que les recherches scientifiques se poursuivent actuellement pour déterminer plus présicément l'origine de ces sols, on suppose désormais qu'ils ont été formés par l'homme grâce à une technique appelée "slash and char" mise en oeuvre par les Indiens des civilisations pré-colombiennes il y a plus de 5,000 ans [Ste04].

La composition unique du Terra Preta (très différente de celle des sols pauvres qu'on trouve traditionnellement das ces régions) montre que l'intervention d'origine humaine a principalement consisté en un ajout de charbon de bios (responsable de la couleur très sombre) ainsi que de déchets organiques variés comme des ossements, du lisier d'animaux ou des débris de poteries.

Ces traitements ont mené à la formation d'un sol de composition très stable augmentant considérablement la productivité et la qualité des plantes y étant cultivées. Ces effets positifs s'observent encore aujourd'hui sur les sols de Terra Preta que les autochtones continuent d'extraire pour les utiliser dans l'agriculture et l'horticulture et les vendre sur le marché. Une telle productivité explique l'effort actuel pour mieux comprendre la formation de ces terres et pour reproduire ce phénomène artificiellement sur des sols traditionnels.

Résultats existants de tests au biochar
Au cours des dernières décennies, la méthode de fertilisation du sol par le biochar a été appliquée dans de nombreuses expériences aux quatre coins du monde. Ces tests ont eu lieu sur des sols très variés, avec du biochar obtenu à partir de techniques et de biomasses très différentes, et avec de nombreux types de fertilisants complémentaires, tels que du lisier de volailles, des microbes ou des mycorhizes.

Partout, ces tests ont eu des résultats très positifs et ont confirmé que l'enrichissement du sol par le biochar permet de reproduire avec beaucoup de fidelité un sol de Terra Preta. En effet dans de nombreux cas la productivité observée était deux fois plus importante que celle des cultures voisines obtenues sur un sol dépourvu d'enrichissement au biochar.

Ces tests ont également montré que les effets positifs de l'enrichissement au biochar sont uniquement obtenus lorsqu'un fertilisant complémentaire est ajouté, et que sinon le biochar seul ne permet pas d'amélioration significative sur le fertilité du sol et la croissance des plantes. En outre, on observe parfois une période de latence avant que les bénéfices du biochar deviennent effectifs. Mais dans tous les cas, la quasi-totalité des scientifiques travaillant dans ce domaine s'accordent aujourd'hui à dire qu'un enrichissement au biochar améliore considérablement les effets d'un fertilisant conventionnel sur les cultures.

Ce phénomène, en plus de son effet positif direct sur la productivité du sol, permet de réduire les fuites de nitrates dans le sol et représente un gain économique et environnemental pour les ménages qui peuvent réduire leur consommation de fertilisants conventionnels sans pour autant diminuer la quantité ou la qualité de leurs récoltes.

Conclusions scientifiques
Bénéfices pour l'agriculture
Afin de mieux comprendre ces résultats expérimentaux, des groupes de recherche se sont mis à étudier le biochar pour tenter de comprendre les raisons de sa contribution positive évidente à la fertilité du sol [Gla06]. Il a ainsi été prouvé que la porosité et la structure "intriquée" du charbon de bois (qui est une forme amorphe de carbone pur), permettent de retenir l'eau et les nutriments du sol, comme une éponge. Ce phénomène crée un milieu de vie parfaitement adapté aux microorganismes tels que les mycorhizes, connus depuis longtemps pour leurs effets bénéfiques sur les cultures. Par conséquent, un sol enrichi au biochar possède un CEC (Capacité d'Echange de Cations) plus important, cette valeur reflétant la fertilité d'un sol, sa capacité à retenir les nutriments et donc aussi sa capacité à protéger les nappes phréatiques de la contamination chimique. Des analyses de ces sols ont aussi révélé qu'ils pouvaient contenir 3 fois plus de phosphore et d'azote que les sols non traités, avec une proportion de charbon de bois de 9%, sachant que la proportion moyenne de charbon de bois dans un sol traditionnel est de l'ordre de 0,5% [Woo99].

Toutes ces recherches montrent que si le biochar seul n'augmente certes pas directement la fertilité du sol, il permet de créer un environnement idéal pour les nutriments qui, eux, ont une action bénéfique sur le sol et induisent ainsi une meilleure croissance et vigueur des plantes qui y sont cultivées. La formation de ce riche environnement et son peuplement par les microorganismes demande un peu de temps, ce qui explique la période de latence observée avant que l'effet fertilisant devienne visible (c'est à dire avant que le biochar soit saturé de nutriments).

Autres bénéfices
Certains scientifiques ont aussi observé des conséquences plus secondaires d'un enrichissement du sol par le biochar : une réduction des émissions d'oxyde nitreux (un gaz à effet de serre (GES) 310 fois plus puissant que le CO2) de 50 à 80% [Ron05, IP96] ainsi qu'une réduction drastique des émissions de méthane (un GES 21 fois plus puissant que le CO2). De plus, la très grande quantité de biochar retenue dans le sol fait de ce dernier un puits de carbone durable capable de stocker le carbone qui sinon aurait été libéré sous forme de GES dans l'atmosphère.

Ainsi, tandis que les méthodes habituelles pour combattre les changements climatiques, telles que l'utilisation de biocarburants, sont typiquement "neutres en carbone" (tout le carbone libéré dans l'atmosphère est de nouveau capturé lors de la croissance de la biomasse), la technique du biochar est quant à elle "négative en carbone" puisqu'elle retire de l'atmosphère davantage de carbone qu'elle n'en libère [Leh07]. Cela se produit cependant uniquement si le biochar est appliqué à suffisamment grande échelle et si la sélection de la biomasse (qui doit être renouvelable), son transport et sa transformation (donc la chaîne de fabrication du biochar), ainsi que l'application du fertilisant complémentaire, ne libèrent pas trop de GES et ne compromettent donc pas le bilan précédemment énoncé.

Ces conditions seront effectivement satisfaites dans notre projet grâce notamment au recours à des méthodes de carbonisation propres et efficaces comme le four Flanastove ou le pyrolyseur Pyro, ainsi que l'utilisation exclusive de biomasse renouvelable (résidus agricoles, plantes invasives...) pour la production de biochar.

Cette approche s'avère ainsi extrêmement profitable pour les ménages qui peuvent acheter le charbon de biomasse à très bas prix et en dédier une partie à l'enrichissement de leurs terres cultivées plutôt que de tout brûler comme combustible domestique. Ces pratiques agricoles permettront ainsi d'éviter la progression de la dégradation du sol et d'avoir un effet très positif à long terme sur sa qualité, en plus d'augmenter directement la productivité des plantes qui y sont cultivées.

Limites
Malgré tout, davantage de recherches scientifiques sont toujours requises et seront mises en oeuvre dans le cadre de notre projet en parallèle à la conduite de tests en plein champs. Cela est particulièrement demandé pour pouvoir déterminer de manière plus précise la durée de la stabilité du biochar dans le sol (c'est à dire sa demi-vie), paramètre qui reste encore une question ouverte aujourd'hui, bien que les recherches actuelles tendent à prouver que cette séquestration pourrait s'étaler sur des centaines voire des milliers d'années [Kru06], justifiant ainsi d'autant plus l'inclusion de cette technique dans notre projet.

Références
[Gla06] Glaser, 2006, Prehistorically modified soils of central Amazonia: a model for sustainable agriculture in the twenty-first century
[IP96] IPCC’s Second Assessment Report, 2001 http://www.eia.doe.gov/oiaf/1605/gwp.html
[Kru06] Krull & al., 2006
[Leh07] Lehmann, 2007, Bio-energy in the black
[Ron05] Rondon, 2005, Charcoal additions reduce net emissions of greenhouse gases to the atmosphere.
[Som03] Sombroek & al., 2003, Amazonian Dark Earths as carbon stores and sinks
[Ste04] Steiner & al., 2004
[Woo99] Woods, 1999, Yearbook Conf. Latin Am. Geogr. Vol. 25
 
Mis à jour ( Mardi, 06 Mai 2008 21:45 )
 
http://www.climat-evolution.com/article-18535329.html