نقش بیوچار در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: تأثیر عوامل شیمیایی و فیزیکی بر ذخیره‌سازی کربن و اکسید نیتروژن در خاک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، تهران، ایران.

2 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، تهران، ایران.

چکیده

این پژوهش تأثیر بیوچار بر انتشار گازهای گلخانه‌ای، به‌ویژه CO₂ و N₂O، را بررسی کرده است. بیوچار با تغییر ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک بر چرخه‌های زیست‌محیطی تأثیر می‌گذارد. نتایج نشان می‌دهد که بیوچار تولیدشده از بقایای کشاورزی در دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد بیشترین کاهش انتشار CO₂ (۲۴۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم) را داشت، اما افزایش دما به ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد تأثیر کاهشی آن را کاهش داده و انتشار N₂O را تا ۴۵ میلی‌گرم بر کیلوگرم افزایش داد. بیوچارهای با نسبت C:N بالا، مانند نمونه‌های گیاهی، در کاهش CO₂ مؤثرتر بودند، درحالی‌که بیوچارهای با نسبت C:N پایین، مانند بیوچار حاصل از کود حیوانی، در خاک‌های مرطوب انتشار N₂O را افزایش دادند. نوع ماده اولیه نیز نقش مهمی داشت، به‌طوری‌که بیوچار حاصل از پوست بادام‌زمینی در دمای بالا کمترین میزان انتشار CO₂ را نشان داد، درحالی‌که بیوچار کود خوکی بیشترین انتشار CO₂ و N₂O را ثبت کرد. اندازه ذرات نیز عامل کلیدی بود؛ بیوچارهای درشت‌تر (۵-۱۰ میلی‌متر) به دلیل پایداری بیشتر و تجزیه آهسته‌تر، نسبت به نمونه‌های ریزتر (۰/۵-۲ میلی‌متر) انتشار N₂O و CO₂ را به‌ترتیب ۴۱/۷٪ و ۳۹/۴٪ کاهش دادند. این اثرات به ترکیب شیمیایی بیوچار، ساختار متخلخل آن و اثراتش بر فعالیت‌های میکروبی خاک مرتبط بود. علاوه بر این، شرایط محیطی مانند رطوبت و دما نیز در عملکرد بیوچار و میزان انتشار گازها نقش مهمی داشتند. در مجموع، انتخاب بیوچار با دمای بهینه، نسبت C:N مناسب، ماده اولیه پایدار و اندازه ذرات مطلوب می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و بهبود کیفیت خاک کمک کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Role of Biochar in Reducing Greenhouse Gas Emissions: Effects of Chemical and Physical Factors on Carbon Sequestration and Nitrous Oxide Emissions in Soil

نویسندگان [English]

  • Samaneh Sardroudi Rad 1
  • Seyed-Mahdi Salar-Khorasani 2
1 Department of Soil Science and Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Tehran, Iran.
2 Department of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Tehran, Iran.
چکیده [English]

This study investigates the impact of biochar on greenhouse gas emissions, particularly CO₂ and N₂O. Biochar influences environmental cycles by altering the physical, chemical, and biological properties of soil. The results indicate that biochar produced from agricultural residues at 400°C achieved the highest reduction in CO₂ emissions (240 mg/kg); however, increasing the pyrolysis temperature to 600°C diminished its CO₂ reduction effect while increasing N₂O emissions to 45 mg/kg. Biochars with a high carbon-to-nitrogen (C:N) ratio, such as plant-derived biochars, were more effective in reducing CO₂ emissions, whereas biochars with a low C:N ratio, such as those derived from animal manure, increased N₂O emissions in moist soils. The feedstock type also played a crucial role, with peanut shell-derived biochar at high temperatures exhibiting the lowest CO₂ emissions, whereas swine manure biochar recorded the highest CO₂ (87 mg/kg) and N₂O (45 mg/kg) emissions. Particle size was another key factor; coarser biochars (5–10 mm), due to their greater stability and slower decomposition, reduced N₂O and CO₂ emissions by 41.7% and 39.4%, respectively, compared to finer biochars (0.5–2 mm). These effects were attributed to the biochar's chemical composition, porous structure, and its influence on soil microbial activity. Additionally, environmental factors such as moisture and temperature significantly affected biochar performance and gas emissions. Overall, selecting biochar with an optimal pyrolysis temperature, appropriate C:N ratio, stable feedstock, and suitable particle size can serve as an effective strategy for mitigating greenhouse gas emissions and enhancing soil quality.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biochar
  • Greenhouse Gas Emissions
  • Pyrolysis Temperature
  • Soil Carbon Sequestration
  • Nitrous Oxide (N₂O) Emission