Fonte: Rivista "Fertilizzanti"
articolo a cura di Giambattista Sorrenti
Dip. di Scienze Agrarie, Università di Bologna
Biochar: sintesi di un triennio di sperimentazione
L'assodato aumento della concentrazione di anidride carbonica (CO2) in atmosfera, legato alle attività antropiche, è quanto mai di interesse attuale per le ripercussioni sui cambiamenti climatici, la salute umana, l'agricoltura e la biodiversità. In tale contesto, l'interramento nei suoli agricoli di biochar, sostanza carboniosa ottenuta dal processo di pirolisi di matrici organiche (biomasse), viene annoverata tra le strategie più efficaci per incrementare il sequestro di carbonio a lungo termine.
Il biochar è un prodotto eterogeneo, composto fino al 90% da carbonio. La matrice carboniosa comprende una frazione labile (più facilmente degradabile) e una altamente resistente (costituita da anelli aromatici recalcitranti) alla decomposizione biologica, fino a oltre 1.000 volte rispetto alle forme di sostanza organica "tradizionalmente" rinvenibili nel suolo. Il biochar ha una struttura amorfa, parzialmente cristallina, le cui particelle sono distribuite a strati disposti disordinatamente che gli conferiscono un'elevata porosità. Quest'ultima, la cui morfologia riprende quella della biomassa di partenza (cfr. Fig. 1), è responsabile dell'elevata superficie specifica del biochar alla quale sembrano legati molti degli effetti agronomici osservati in conseguenza dell'applicazione di biochar nei suoi agricoli.
Le biomasse originate dal processo fotosintetico possono, quindi, essere valorizzate sia come fonte energetica (produzione di syngas) sia per il sequestro di carbonio nel suolo. Oltre che per le finalità ambientali sopradescritte, l'interramento del biochar può incrementare la sostanza organica, la capacità di ritenzione idrica e migliorare la qualità dei terreni agricoli.
Ancora carente la sperimentazione
Alla luce della recente inclusione legislativa del biochar tra gli ammendanti ammessi in agricoltura (G.U. 186 del 12 agosto 2015), i produttori italiani sono quindi ora autorizzati, rispettando le specifiche di legge, a commercializzare il biochar e gli agricoltori a usarlo per migliorare la qualità dei terreni, aumentare le rese e ridurre i fabbisogni idrici delle colture.
Tuttavia, le evidenze sperimentali circa l'impiego del biochar quale ammendante nei suoli tipici del bacino del Mediterraneo sono ancora limitate, per cui la risposta a tale pratica potrebbe, in alcune condizioni, non sempre rispondere alle attese o riprodurre effetti osservati in altri ambienti.
La maggior parte delle sperimentazioni finora documentate, infatti, sono state condotte in ambienti tropicali e subtropicali e i risultati si riferiscono a poche stagioni successive all'interramento del carbone agricolo. I benefici principali sono stati verificati su colture irrigate e allevate su suoli acidi e sciolti, mentre effetti più contenuti sono emersi in altre condizioni.
Inoltre, allo stato attuale delle conoscenze non è ancora chiaro quale sia la dose ottimale e quella massima di biochar che può essere incorporata senza compromettere altre funzioni del suolo o incorrere in ripercussioni ambientali indesiderate. È bene ricordare, inoltre, che alcune esperienze riportano effetti negativi conseguenti all'uso di biochar, suggerendo che il risultato di questa pratica agronomica dipende, oltre che dalla dose, dalla coltura e dalle interazioni con l'ambiente.
In definitiva, sebbene le prospettive d'impiego del biochar in agricoltura appaiono senz'altro interessanti, è auspicabile che la (recente) sperimentazione continui e che chiarisca ulteriormente l'effettiva convenienza agronomica e ambientale della tecnica (anche nel lungo periodo), prima che questa si diffonda su grande scala. In quest'ottica, la presente nota intende riassumere i risultati di un triennio di sperimentazioni volte a stimare il contributo del biochar quale fonte di nutrienti per le piante, le possibili interazioni con i minerali del suolo e le potenziali sinergie con altri ammendanti (es. compost).
Tabella 1. Composizione elementare di alcune tipologie di biochar in funzione della biomassa e delle condizioni di pirolizzazione (nd: non disponibile)
Biomassa | pH | C | N | P | K | C/N | Condizioni di produzione |
g Kg-1 | |||||||
Legno | nd | 708 | 10.9 | 6.8 | 0.9 | 65 | empirico |
Scarti verdi | 6.2 | 680 | 1.7 | 0.2 | 1 | 400 | 450° C |
Pollina | 9.9 | 380 | 20 | 25.2 | 22.1 | 19 | 450° C |
Fanghi di depurazione | nd | 470 | 64 | 56 | 7 | 450° C | |
Lettiera di pollame | nd | 258 | 7.5 | 48 | 30 | 34 | 700° C e flusso di vapore |
Corteccia (A. mangium) | 7.4 | 398 | 10.4 | nd | nd | 38 | 260° - 360° C |
Paglia di riso | nd | 490 | 13.2 | nd | nd | 37 | 500° C |
Scarti della canna da zucchero | nd | 710 | 17.7 | nd | nd | 40 | 500° C |
Gusci di noci di cocco | nd | 690 | 9.4 | nd | nd | 73 | 500° C |
Residui di Eucalipto | 8.4 | 340 | 12 | 7.0 | 7.0 | 28 | metodo "Moki" |
Sansa di soia | nd | 590 | 78.2 | nd | nd | 7.5 | 550° C |
Eucaliptus deglupa | 7.0 | 824 | 5.73 | nd | nd | 144 | 350° C |
Legno di potatura fruttiferi | 9.8 | 778 | 9.1 | 23.3 | 14.0 | 85.5 | 550° C |
Effetto nutrizionale diretto e indiretto del biochar
Al fine di quantificare l'effetto nutrizionale diretto del biochar è stata valutata, in condizioni di laboratorio, l'entità del rilascio di azoto (nitrato e ammonio), potassio, fosforo, magnesio, ferro, manganese, rame e zinco in soluzione di un biochar ottenuto dalla pirolisi (550° C) di un miscuglio di residui di potatura di fruttiferi.
Parallelamente, è stato verificato il potenziale della stessa matrice pirolizzata nel ritenere/sequestrare i nutrienti elencati. Il rilascio delle frazioni minerali azotate da parte del biochar è risultato pressoché nullo (sebbene sia stato osservato un leggero aumento dello ione NH4), poiché all'aumento della dose di biochar, la concentrazione per i due ioni in soluzione è rimasta simile a quella dell'acqua deionizzata (cfr. Fig. 2A e 2B).
Figura 2 - Effetto della dose di biochar sul potenziale di rilascio (linea rossa) e di ritenzione (linea verde) di NO3-N (A) e NH4-N (B) (Avg. ± SE, n = 5). La concentrazione di NO3-N dell'acqua pura (DI-H2O) e della soluzione arricchita con NO3-N era di 0.047 ± 0.002 e 9.74 ± 0.013 mg L-1, rispettivamente. La concentrazione di NH4-N dell'acqua pura (DI-H2O) e nella soluzione arricchita con NH4-N era di 0.0183 ± 0.07 e 10.83 ± 0.01 mg L-1, rispettivamente.
Tale risposta sembra riconducibile alla ridotta concentrazione dell'elemento rinvenibile nella maggior parte dei biochar (cfr. Tab. 1) ma, principalmente, alla loro struttura altamente stabile, che ne impedisce il rilascio (cfr. Tab. 1).
Al contrario, il biochar ha rilasciato potassio, fosforo e magnesio in soluzione, con trend linearmente correlati alla dose (cfr. Fig. 3).
Durante i processi di degradazione termica delle biomasse, elementi come cloro e azoto vaporizzano e si disperdono già a temperature relativamente basse mentre calcio, magnesio, fosforo, zolfo e silicio resistono fino a temperature più elevate, rimanendo intrappolati nel residuo solido carbonioso. Questi ultimi, quindi, rappresentano i minerali maggiormente apportati al suolo a seguito dell'interramento del biochar.
Rispettando le dinamiche di rilascio osservate nei test di laboratorio e assumendo una dose di applicazione pari a 30 t ha-1, si stima che l'apporto del biochar (nelle condizioni sperimentali adottate) potrebbe aver fornito 25.6, 2.7 e 1.0 kg ha-1 di potassio, fosforo e magnesio, rispettivamente. Benché apporti superiori sono plausibili al variare della natura del biochar impiegato e della dose di applicazione, è intuibile che difficilmente i quantitativi di nutrienti apportati con il biochar possano soddisfare le esigenze della maggior parte delle colture agrarie, anche di una sola stagione.
D'altronde, nonostante le dosi di biochar somministrate possano essere talvolta ingenti (anche > 70-80 t ha-1) la quantità di nutrienti conseguentemente apportati direttamente non sembra giustificare i benefici osservati in termini produttivi (biomassa prodotta) osservati sulle piante. Ciò conferma il concetto per cui i meccanismi responsabili dei benefici indotti sulle piante a seguito dell'interramento del biochar vanno ricercati nel miglioramento delle condizioni generali del suolo (es. aerazione, ritenzione idrica, biomassa microbica) e non esclusivamente alla componente nutrizionale.
D'altra parte è utile sottolineare come prove condotte da Lehmann et al. (2003), riportano che l'interramento di biochar a dosi di 68 e 135 t C ha-1 hanno indotto un incremento di produttività del 17% e del 43% su riso e fagiolino, rispettivamente e che gli autori hanno attribuito tali aumenti all'apporto diretto di potassio, fosforo e, in parte rame, fornito con l'applicazione di un biochar particolarmente ricco di ceneri.
Mentre il biochar non ha contribuito a ritenere nitrato in soluzione (cfr. Fig. 2A), l'effetto è emerso chiaramente per lo ione ammonio, indicando la possibilità di impiegare tale strategia per limitare le perdite per lisciviazione della frazione ammoniacale presente nei suoli.
Tale risposta è stata confermata anche in condizioni di campo. Infatti, l'interramento di biochar in un pescheto commerciale adulto (cfr. Fig. 4) allevato in Romagna, già alla dose di 5 t ha-1, ha ridotto significativamente le perdite per lisciviazione dello ione ammonio (NH4) nello strato di suolo 0-25 cm di profondità (cfr. Fig. 5), suggerendo una maggiore disponibilità della forma azotata per le piante (Sorrenti et al., 2016 a).
Tuttavia, nei 3 anni di sperimentazione, nello stesso pescheto non sono stati osservati benefici (né tanto-meno effetti deleteri) indotti dal biochar sulla fertilità del suolo, sullo stato nutrizionale, sulla produttività degli alberi e la qualità dei frutti, indicando che in condizioni ottimali di coltivazione, qualora non vengano identificati fattori limitanti, l'interramento del biochar può risultare agronomicamente ininfluente.
Nelle prove condotte, il biochar non si è rivelato una fonte di micronutrienti (dati non mostrati). Tuttavia, il biochar ha mostrato un'elevata affinità elettrochimica per tutti i micronutrienti, riuscendo a trattenere/rimuovere gran parte dei metalli in soluzione. Tale risposta è riconducibile alla reattività delle superfici del biochar stesso, ricche di gruppi funzionali, in grado di attrarre e trattenere le specie cationiche.
In particolare, l'affinità più elevata è stata riscontrata nei confronti del ferro con il quale il biochar ha promosso una serie di reazioni redox, funzionando da trasportatore di elettroni (carrier) tra la specie ossidante (acqua) e quella riducente (Fe). Quest'ultima evidenza sperimentale può contribuire a giustificare gli accentuati sintomi di clorosi ferrica emersi su piante di actinidia allevate su suolo fortemente calcareo e ammendato con biochar rispetto allo stesso suolo non ammendato.
La già deficitaria nutrizione ferrica delle piante (in conseguenza dell'elevato tenore di calcare attivo del suolo utilizzato) è stata quindi ulteriormente ostacolata dalla presenza del biochar, che ha ridotto la disponibilità dell'elemento per l'assorbimento radicale (Sorrenti et al., 2016 b). Ciò suggerisce che in alcune condizioni pedologiche, l'interramento del biochar può ridurre la disponibilità dei micronutrienti per le piante e che la pratica della fertilizzazione deve essere necessariamente adattata.
In una prova condotta in lisimetro, l'interramento del biochar ha aumentato le perdite annuali di fosforo e potassio per lisciviazione, a testimonianza del rilascio netto di questi elementi da parte della matrice. Al contempo, non ha contribuito a ridurre le perdite per la maggior parte degli elementi di interesse agrario rispetto al suolo non ammendato. Nello stesso esperimento, quando il biochar è stato addizionato a un suolo già ammendato con compost, è stato osservato un effetto sinergico sulla quantità di nutrienti persi per lisciviazione, superiore all'effetto indotto dai due ammendanti interrati separatamente.
In particolare, l'effetto additivo è stato misurato per carbonio, azoto, fosforo e potassio, suggerendo che l'apporto di biochar ha promosso la mineralizzazione della biomassa compostata.
In conclusione, nelle condizioni sperimentali adottate, l'effetto nutrizionale diretto e indiretto del biochar si è rivelato contenuto. Tuttavia, le potenzialità legate al suo impiego in agricoltura appaiono promettenti. È comunque auspicabile che la diffusione su scala commerciale del biochar in agricoltura sia preceduta da ulteriori evidenze sperimentali, accompagnate da attente valutazioni, che considerino le implicazioni che il suo interramento può indurre nel sistema pianta-suolo-ambiente, anche nel medio-lungo periodo.