«الفحم الحيوي» وفوائده الزراعية والاقتصادية والبيئية
روابط سريعة :-
إعداد أ.د.صبحي فهمي منصور
أستاذ الأراضي بمعهد بحوث الأراضي والمياه والبيئة بمركز البحوث الزراعية
يستخدم الفحم الحيوي لزيادة خصوبة التربة وتحسين خصائصها الفيزيائية والكيميائية وتوفير تكاليف مياه الري وإبطاء تغير المناخ، حيث يتم إنتاج الفحم الحيوي حاليا بهدف استخدامه لتخزين الكربون، أو في الزراعة كتعديل للتربة، أو كليهما، بالرغم من اعتباره مفهوم جديد نسبيا في استراتيجيات تخزين الكربون، وكتعديل زراعي في الزراعة الحديثة الا انه تم استخدامه منذ آلاف السنين، من قبل العديد من الحضارات حول العالم لتحسين خصوبة التربة.
تابعونا على صفحة الفلاح اليوم على فيس بوك
توصلت دراسة حديثة أجرتها جامعة رايس إلى أن إضافة الفحم الحيوي إلى التربة الرملية بشكل مكثف يوفر على المزارعين ما قد تصل نسبته إلى 50% من المياه التي يستخدمونها حالياً لري محاصيلهم، وهو ما يمثل ميزة اقتصادية للفحم الحيوي تضاف إلى فوائده البيئية المثبتة.
يتم استخدام الفحم الحيوي لرفع خصوبة التربة، وتحسين خصائصها الفيزيائية، وزيادة الإنتاج الزراعي، وحماية النباتات من بعض الأمراض الناجمة عن التربة. علاوة على ذلك، يعد الفحم الحجري مادة غنية بالكربون ويمكنه الصمود في التربة لآلاف السنين؛ مما يجعله وسيلة فعالة لاحتجاز الكربون، وبالتالي التخفيف من الاحتباس الحراري وتغير المناخ.
اقرأ المزيد: الفحم الحيوي وتطبيقاته.. الفوائد الزراعية والبيئية والاقتصادية
الفحم الحيوي لتوفير مياه الري
توصلت الدراسة إلى أن زيادة معدل إضافة الفحم الحيوي إلى التربة التي تحتوي نسبة عالية من الرمل تؤدي إلى ارتفاع قدرتها على الاحتفاظ بالماء. كما وجدت أن استخدام الفحم الحيوي ذي الحبيبات كبيرة الحجم – والناتج عن مادة أولية عشبية – يحقق مستويات أعلى من احتفاظ التربة بالماء، مقارنة بذلك الناتج عن الأخشاب والقش وقشور الثمار، حيث عند إضافة الفحم الحيوي إلى التربة الرملية التي تجري فيها المياه بسرعة كبيرة، فإن الفحم يعمل على تباطؤ حركة الماء بمعدل 92% أما عند إضافة الفحم إلى التربة الطينية التي تحتفظ عادة بالماء بشكل كبير، فإنه يعمل على زيادة حركة الماء بنسبة تزيد على 300%.
آلية عمل الفحم الحيوي
الفحم الحيوي هو الكتلة الحيوية التي تم تحويلها إلى فحم، من خلال عملية الانحلال الحراري، ويتم تطبيق الفحم الحيوي في التربة، لعزل الكربون، أو لتحسين خصوبة التربة، وروابط الكربون في الفحم الحيوي مستقرة للغاية، ولا تنكسر بسهولة مما يجعل الفحم الحيوي، محلول تخزين الكربون على المدى الطويل كما يحسن الهيكل المادي للفحم الحيوي وبالتالى خصوبة التربة من خلال تقليل قوة شد التربة وكثافتها.
كما يعمل الفحم الحيوي أيضا على تجميع حبيبات التربة ويوفر موطنا للكائنات الحية الدقيقة بالإضافة إلى ذلك، تعمل مسامية الفحم الحيوي على تحسين الاحتفاظ بالمغذيات، والمياه في التربة، وبالتالي تحسين الكفاءة الزراعية وزيادة الغلة، كما يمكن تخفيف ما يقدر بـ12٪ من الانبعاثات البشرية المنشأ، إذا تم استخدام الفحم الحيوي بكامل طاقته.
الخواص الكيميائية للفحم الحيوي وفوائده الزراعية
يحتوي الفحم الحيوي على مجموعة من التأثيرات على التربة اعتمادا على درجة حرارة عملية التحلل الحراري، ونوع المادة الأولية، على سبيل المثال، تؤدي درجات الحرارة العالية للانحلال الحراري، إلى ارتفاع درجة الحموضة، وتؤثر المواد الأولية، ودرجة الحرارة المستخدمة في الانحلال الحراري أيضا على قدرة التبادل الكاتيوني وكلما ارتفعت درجة حرارة التربة، زادت خصوبة التربة فالفحم الحيوي عبارة عن بالوعة مستقرة من الكربون في التربة، وهذا بسبب رائحة الكربون بعد الانحلال الحراري كما يحتوي الفحم الحيوي أيضا على معادن على شكل رماد موجود داخل المسام الصغيرة وهذه المعادن متاحة للامتصاص البيولوجي.
مع ذلك فإن مدى وصول هذه المعادن إلى النباتات، لا يزال غير مدروس كما ان الفحم الحيوي يعمل على تثبيت وتخزين العناصر الغذائية في جذور النباتات، مما يؤدّي إلى جذب بعض الأحياء الدقيقة التي تلعب دوراً مهماً في تحقيق التوازن البيولوجي داخل التربة، وزيادة خصوبتها من خلال عملية تحويل النيتروجين إلى مركبات نيتروجينة ذات فائدة للنبات في تكوين البروتين بفعل النشاط الميكروبي داخلها.
كما يساعد الفحم الحيوي على تهوية التربة بشكل كبير، ويزيد أيضاً من نسبة البوتاسيوم وبعض المواد العضوية فيها. فالفحم الحيوي يكون أكثر ثباتاً من المواد العضوية الأخرى التي تضاف للتربة لتحسين خصوبتها، الأمر الذي يؤدّي بالتالي إلى زيادة نمو النباتات كما أنه سيقلل من الاعتماد المفرط على الأسمدة الكيميائية والمخصبات التقليدية ذات التأثيرات الضارة على كافة النظم البيئية.
الخصائص الفيزيائية للفحم الحيوي وفوائدها الزراعية
أظهرت إحدى الدراسات التي جرت عام 2007م، أن مدخلات الفحم الحيوي التي تزيد عن 50 طنا للهكتار الواحد، يمكن أن تقلل من قوة شد التربة، حيث انخفضت قوة شد التربة الإجمالية، لأن قوة الشد في الفحم الحيوي المطبق كانت أقل من التربة (حيث تسمح قوة الشد المنخفضة في التربة للجذور، بالنمو واختراق الأرض بشكل أسهل) كما يتم تحسين إنبات البذور، ونمو الفطريات في التربة ذات الشد المنخفض
الكثافة الظاهرية هي خاصية مادية أخرى للتربة، تتأثر بإضافة الفحم الحيوي، ويتميز الفحم الحيوي بكثافة منخفضة، بسبب انتشار البكتيريا التي يمكنها حمل الهواء والماء كما ان التركيب المسامي لجسيمات الفحم الحيوي يدل على أن لديه مساحة سطح عالية إلى حد كبير كما وجد أن هذه المسام العديدة داخل الهيكل الداخلي للفحم الحيوي ، مهمة للعمليات البيولوجية.
كما يعمل الفحم الحيوي أيضا على تجميع حبيبات التربة، بمعنى أنه يقيس قدرة التربة على مقاومة التفكك (الاستقرار الكلى) وتشير المستويات العالية من الاستقرار الكلي، إلى مستويات صحية لمحتوى المواد العضوية، والنشاط البيولوجي ودورة المغذيات في التربة.
بالإضافة إلى أن خصائص الفحم الحيوي للاحتفاظ بالمياه الا ان المسام في الفحم الحيوي تسمح بالتهوية اللازمة للتنفس البيولوجي حيث تم العثور على أسطح الفحم الحيوي، كموائل مهمه للميكروبات الهوائية لأن هذه الأسطح المجمعة، توفر المزيد من الوصول إلى المواد العضوية، والأكسجين، والرطوبة وهذا يؤدي إلى معدلات أعلى من التحلل العضوي ، الذي يوفر المزيد من العناصر الغذائية للنباتات لذلك فإن الفحم الحيوي يتمتع بإمكانيات كبيرة كتعديل للتربة ، للمناطق المعرضة للجفاف
الخصائص البيولوجية للفحم الحيوي وفوائدها الزراعية
اثبتت الدراسات ثراء أكبر للكائنات الحية البكتيرية في التربة ، التي تحتوي على الفحم الحيوي (التربة المعدلة) كما وجدت إحدى الدراسات أن التنوع البكتيري في التربة المعدلة أعلى بنسبة 25٪ من التربة غير المعدلة.
تقنية قديمة
قد عرف الإنسان قديماً المبادئ الأساسية لعملية إنتاج الفحم الحيوي حيث كانت توضع الأخشاب وبقايا المخلفات النباتية في حفر عميقة يتراوح عمقها عدة أمتار، ثم تشعل فيها النيران حتى تتوهج كامل الكتلة الحيوية في الحفرة. وبعد ذلك، تتم تغطيتها مع إبقاء فتحة خاصة لخروج الدخان. أماً حديثاً، فقد تم تصميم أفران ثابتة أو متحركة بقياسات مختلفة لإنتاج هذا النوع من الفحم ذي الاستخدامات المتعدِّدة.
تعتمد طريقة إنتاج الفحم الحيوي على ما يعرف بعملية التحلل الحراري للمادة العضوية، إذ يتم تعريض هذه المواد إلى درجة حرارة تتراوح ما بين 200 إلى 300 درجة مئوية في ظروف لا هوائية.
في هذه العملية، يتم تبخير الماء من داخل الكتلة الحيوية عند درجة حرارة 70 درجة مئوية، ويبدأ تحلل المادة العضوية عند 160 درجة، فيتم طرد المواد المتطايرة. ومع استمرار عملية التسخين ورفع درجة الحرارة تتكون عدة غازات كالهيدروجين والنيتروجين وأول أكسيد الكربون وغيرها، ويمكن الاستفادة من هذه الغازات في إنتاج الغاز الحيوي.
تجدر الإشارة إلى أن استخدام أنواع مختلفة من المخلفات النباتية وحرقها بدرجات حرارة مختلفة، يؤدّي إلى ظهور أنواع مختلفة من الفحم الحيوي ذي الخصائص المتباينة
أهمية الغاز الناتج من المخلفات العضوية
يحظى الغاز الحيوي الذى يتم إنتاجه من المخلفات العضوية باهتمام كبير في عدد من دول العالم كمصدر للطاقة المتجددة، كما هو الحال في بعض المناطق الريفية في شبه القارة الهندية وشرق آسيا. ويستخدم هذا الغاز لأغراض الطهي والتدفئة، كما يستعمل في بعض الدول الأوروبية كالسويد وسويسرا وألمانيا كوقود لحافلات النقل وبعض أنواع السيارات.
في أمريكا يستخدم الغاز الحيوي المنتج من مخلفات الأبقار لتزويد عدد كبير من المنازل بالطاقة الكهربائية، كذلك اهتمت بريطانيا بالغاز الحيوي الذي أنتجته من مياه المجاري منذ عام 2010م. إذ تمت معالجة تلك المياه بالتخمير اللاهوائي، واستخدمتـه لتوليد الكهرباء، كما يستحوذ الغاز الحيوي حالياً على اهتمام عدد كبير من دول العالم.
يتكون الغاز الحيوي من خليط من عدة غازات بنسب متفاوتة ناتجة عن عملية التخمر للفضلات العضوية. إذ تتفكك تلك المواد المعقدة التركيب بفعل البكتيريا وفي غياب الأكسجين، أي في ظروف لا هوائية. وتعرف هذه بعملية الهضم اللاهوائي.
يمكن للمادة العضوية أن تكون من مخلفات نباتية أو حيوانية، وهي تنتج غازاً يتكون بشكل رئيس من الميثان وثاني أكسيد الكربون ومقادير ضئيلة من الأمونيا والنيتروجين والهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت. وبشكل عام، فإن كمية الميثان الذي يعرف باسم غاز المستنقعات، تتراوح بين 60 – 70%. وهذه العملية تنتج مخلفات تستعمل كمادة خام في بعض الصناعات وسماداً للتربة.
يمكن إنتاج شكل آخر من الغاز الحيوي من خلال عملية تفحيم الخشب والمخلفات النباتية المختلفة، ويتكون هذا الغاز الناتج من مجموعة من الغازات المختلفة، هي الهيدروجين والنيتروجين وأول أكسيد الكربون مع نسب قليلة من الميثان.
تتم عملية التحلل الحراري للأخشاب وللمخلفات النباتية على درجة حرارة تتراوح ما بين 400 – 500 درجة مئوية، وينجم عنها نحو برميل من الزيت لكل طن واحد من تلك المواد العضوية ونحو 80 كيلوجراماً من الفحم، بالإضافة إلى عدد من الغازات المهمة التي يمكن استخدامها كوقود. كما تجري حالياً تجارب موسعة لاستخدام الطحالب لكي تكون هي الكتلة الحيوية التي يمكن تحويلها إلى وقود وفحم.
من أهم مزايا عملية التحلل الحراري للمواد العضوية، أنها لا تتسبب في حدوث تأثيرات بيئية ضارة إذا تمت في ظروف محكمة. وبالتالي فإنها أكثر قبولاً في العالم من طريقة الحرق المباشر للخشب والمواد العضوية الأخرى. وهي تقدم في الوقت نفسه حلاً لمشكلة تراكم المخلفات العضوية وبقايا المزارع والأشجار والقش وغيرها من المخلفات التي تشكّل عبئاً على البيئة وتستهلك مساحات شاسعة من الأراضي التي يمكن استخدامها في الزراعة أو للتوسع العمراني.
لماذا الاهتمام المتزايد للفحم الحيوي؟
نتيجة لكل ما تقدم، تتعاظم اليوم الأهمية التي توليها دول العالم لاستخدام الفحم الحيوي في الحد من تدهور الأراضي الزراعية ومكافحة التصحر والتخفيف من آثار التغير المناخي. ففي الهند، يتم التوسع حالياً في إنتاج هذا الفحم للاستفادة من الغازات المرافقة لعملية إنتاجه لتوليد الطاقة، والاستفادة من الفحم لزيادة خصوبة التربة. وفي البرازيل ثمة مساعٍ حثيثة في إنتاج كميات كبيرة من الفحم الحيوي من خلال زراعة عشب “ناب الفيل” الذي يتميز بنموه السريع وإنتاجه الكبير للكتلة الحيوية، حيث يمكن استخدامه لإنتاج الوقود الحيوي والفحم.
أما في أستراليا فيتم حالياً الاهتمام بإنتاج الفحم الحيوي من حقول الأرز لاستخدامه في تحسين نوعية التربة الفقيرة في بعض المناطق في البلاد.
كما تسعى جزر المالديف لإنتاج الفحم الحيوي من مخلفات المحاصيل الزراعية التي سيتم خلطها مع نفايات الأسماك. ومن خلال عملية التحلل الحيوي سيتم إنتاج وقود حيوي وفحم سيستعمل لتحسين التربة من جهة أخرى، ازدادت مبيعات الفحم الحيوي في الولايات المتحدة الأمريكية بشكل كبير خلال السنوات القليلة الماضية.
قد تضاعفت عدة مرات في أعقاب نشر عدد من الدراسات التي بينت أهميته لتحسين التربة، ومنها تقرير للبنك الدولي نشر في عام 2014م، جاء فيه أن الفحم الحيوي يحمل فوائد كثيرة للمزارعين نظراً لتعزيزه لجودة التربة الزراعية، وأن الفحم الحيوي قد يكون عنصراً رئيساً من عناصر الزراعة الذكية مناخياً، التي ستساعد على التخفيف من آثار التغير المناخي والحد من انعكاساته الخطيرة.
بالاضافه الى استخدامه فى إزالة الملوثات، حيث يُعد الفحم الحيوي المصدر الرئيس لإنتاج الكربون النشط الذي يستخدم على نطاق واسع في كثير من العمليات الصناعية والكيميائية والطبية، ومنها تنقية مياه الشرب والري وتخليصها من الملوثات الكيميائية التي قد توجد فيها، وذلك بفعل امتلاكه لأسطح مسامية كبيـرة تسمـح للملوثـات بالالتصاق بها.
بينت التجارب التي أجريت على الفحم الحيوي في جامعتي فلوريدا وأريزونا في الولايات المتحدة الأمريكية إمكانية استخدامه لمعالجة المياه الملوثة وفصل بقايا الأدوية والمضادات الحيوية منها، كبديل عن استخدام الكربون المنشط الذي يستطيع القيام بذلك، إلا أن تكلفة إنتاجه العالية بسبب استهلاكه كثيراً من الطاقة تحدُّ من التوسع في استخدامه، ولذا كان الفحم الحيوي بديلاً اقتصادياً مناسباً.
حول فوائد الفحم الحيوي في تنظيف المياه الملوثة، يرجع الى إن جزيئات الفحم الحيوي تمتلك مساحة سطح كبيرة نسبياً، وهي قادرة على تأمين عدد هائل من المواقع القادرة على استقبال المواد الملوثة والارتباط بها. وسيكون لهذا النوع من المعالجة نفع كبير في الدول التي تفتقر لأنظمة معالجة المياه فيها”.
الفحم الحيوي يحمل فوائد كثيرة للمزارعين نظراً لتعزيزه لجودة التربة الزراعية، بينما قد يكون عنصراً رئيساً من عناصر الزراعة الذكية مناخياً التي ستساعد على التخفيف من آثار التغير المناخي والحد من انعكاساته الخطيرة
من جانب آخر، يمتلك الفحم الحيوي قدرة جيدة على تخليص المياه العادمة من بعض العناصر الثقيلة والأيونات الكيميائية الضارة كأيونات المنجنيز والحديد التي يشكل وجودها في المياه مشكلة بيئية، نظراً لمخاطرها على كافة الكائنات الحيَّة، حيث تتجمع هذه العناصر الضارة وتترسب في الأنسجة الحية وتتسبب في حدوث التسمم وإلحاق أضرار فادحة بالأجهزة الحيوية المختلفة.
اهتمت وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة وكذلك عدد من الوكالات الأمريكية بالفحم الحيوي بعد أن تبينت قدرته على الارتباط مع المعادن الثقيلة الموجودة في التربة، مما يمنع وصولها إلى جذور النباتات أو المياه، وهذا سيكون له منافع جمة في إعادة إحياء لللاراضي التي حفرت فيها مناجم تعدين، كما هو الحال في مدينة “آسبن” بولاية كولورادو، حيث ساعدت إضافة الفحم إلى التربة في عام 2010م في تخفيف آثار نفايات المناجم الموجودة في تلك المنطقة منذ عقود، وذلك بتحييد تأثيرات المعادن الثقيلة الموجودة.
وختاماً، وباختصار، نشير إلى أن الاهتمام العالمي بالفحم الحيوي آخذ في التزايد، لأنه حل ملائم لتراكم ملايين الأطنان من النفايات الناتجة من مدننا، وفي الوقت نفسه سيعزز من إنتاجية الأراضي الزراعية المنهكة التي تكابد لسد حاجات البشر المتزايدة من الغذاء والطعام، وعلى الرغم من أنه لن يصنع المعجزات فإنه سيكون ذا نفع كبير للأجيال المقبلة التي ستعيش على هذا الكوكب.
