Biochar, fattori che influenzano la sua qualità ammendante

Transcript

1 ANALISI DELL UNIVERSITÀ DI TORINO SU BIOCHAR OTTENUTO DA DIVERSE MATRICI Biochar, fattori che influenzano la sua qualità ammendante di L. Petruzzelli, R. Subedi, C. Bertora, E. Remogna, C. Grignani Dal processo di combustione delle biomasse in assenza di ossigeno (pirolisi) è possibile ottenere un gas (il syngas) con un medio potere calorifico, che può essere utilizzato per la produzione di energia elettrica e calore, e un sottoprodotto solido, il biochar. L interesse per il biochar si è diffuso quando i processi legati alla produzione di energia rinnovabile hanno reso disponibili questi sottoprodotti aventi origine da una notevole varietà di materie. Quindi, esistono diverse tipologie di biochar che possono essere classificate in base alle diverse tecniche di combustione (pirolisi veloce, intermedia o lenta, gassificazione, con materiale più o meno umido) o al materiale in ingresso (residui legnosi, biomasse da colture energetiche, residui colturali, letami, effluenti zootecnici, compost, fanghi di depurazione). Impiego del biochar in agricoltura Aspetti positivi. Sebbene le caratteristiche di stabilità della sostanza organica del biochar e le conseguenti capacità di accumulare carbonio nel suolo fossero conosciute dai primi anni Ottanta, gli effetti della sua applicazione al suolo sono studiati solo dalla fine degli anni Novanta. Secondo studi recenti (Lehmann e Joseph, 2009), l applicazione al suolo presenta effetti positivi in termini di maggiore produttività delle colture e fertilità, con il miglioramento di caratteristiche quali permeabilità, porosità, aerazione, capacità di trattenere l umidità, e di riduzione delle emissioni di gas serra dai suoli attraverso il sequestro di carbonio. Il carbonio del biochar è però poco impiegato dai microorganismi e non rientra nel ciclo di produzione dell hu- Il biochar è un prodotto solido spesso usato come ammendante; le sue caratteristiche (contenuto in carbonio e azoto, ph, ecc.) dipendono dal processo di produzione energetica, di cui è sottoprodotto, e dalla materia prima utilizzata nello stesso mus (come invece fa la parte organica del compost). Infatti gran parte del carbonio del biochar rimane incorporato nel terreno per centinaia di anni fornendo un modo economico per ridurre le immissioni di CO 2 in atmosfera o addirittura permettendo un sequestro permanente del carbonio. Effetti negativi. Di contro, tra i possibili aspetti negativi legati al suo impiego in agricoltura, sono stati riportati da alcuni autori (Deenik et al., 2010) effetti fitotossici dovuti principalmente alla presenza di composti organici volatili tossici sulla superficie del biochar. Inoltre, il biochar ha problemi di natura fisica, essendo costituito da materiale molto friabile e polveroso, che ne rende difficile la distribuzione. Infine il biochar può avere caratteristiche molto variabili e gli studi su tale variabilità sono poco diffusi. Obiettivo delle analisi Sfruttando il caso di studio del progetto Fruitgas in corso in Piemonte (vedi approfondimento a pag. 25) si presentano in questo articolo le caratteristiche di alcuni biochar, analizzati dal Dipartimento di scienze agrarie forestali e alimentari dell Università degli studi di Torino, e della loro variabilità intrinseca. Dal momento che uno degli obiettivi del progetto Fruitgas è quello di studiare le proprietà fondamentali del biochar prodotto dai residui di potatura e di valutarne il suo utilizzo in Benefici dell utilizzo agronomico del biochar Per l atmosfera Sequestro di carbonio dall aria e fissazione nel suolo Ridotte emissioni di protossido di azoto dal suolo Ridotte emissioni di metano dal suolo Riduzione degli odori Per il suolo Riduzione della lisciviazione di azoto Aumento della sostanza organica nel suolo Aumento della fertilità del suolo Miglioramento della struttura del suolo 27/2014 supplemento a L Informatore Agrario 23

2 TABELLA 1 - Caratteristiche chimico-fisiche dei biochar ottenuti da diverse matrici e loro variazione in funzione della temperatura di pirolisi Matrice di origine Temperatura di pirolisi ( C) Carbonio totale Azoto totale Sostanze volatili Ceneri ph Area CSC (*) superficiale (cmol/kg) (m 2 /g) Pollina ,8 5,85 44,9 25,3 9,5 27,9 5, ,1 4,00 24,7 35,4 10,4 25,6 6,3 Liquame ,9 2,23 29,9 27,5 10,0 29,4 5,8 suino ,9 1,79 17,8 34,5 10,4 29,5 10,6 Residui circa di potatura ,3 0,27 15,3 7,8 11,0 28,9 178,3 (*) CSC: capacità di scambio cationico. Il contenuto di azoto risulta più elevato nel biochar derivante da pollina rispetto a quello prodotto da liquame suino, ma per entrambi diminuisce all aumentare della temperatura di pirolisi. Il biochar ottenuto da residui di potatura presenta invece il più elevato contenuto di carbonio. mg C (CO 2 )/kg suolo secco ( 2 ) campo agronomico, sono state misurate le principali caratteristiche fisico-chimiche del biochar prodotto e sono state effettuate prove in condizioni potenziali in vaso, in cella climatica e in campo per determinarne l effetto sulle dinamiche di mineralizzazione del carbonio organico, sul rilascio di nitrati e soprattutto sulle emissioni di anidride carbonica (CO 2 ) e protossido di azoto (N 2 O). Il biochar, infatti, modificando le proprietà fisiche, chimiche e biologiche del suolo, può interferire con i cicli del carbonio e dell azoto. Dal momento che esistono, come già evidenziato, biochar ottenuti da differenti matrici, le prove sperimentali sono state condotte non solo sul biochar da residui di potatura del progetto Fruitgas, ma per confronto anche su quelli derivanti da altre biomasse quali pollina e liquame suino prodotti con pirolisi a diverse temperature (400 e 600 C). Caratteristiche chimico-fisiche In tabella 1 sono riportate le caratteristiche chimico-fisiche di biochar prodotti da tre matrici differenti, pollina, liquame suino e residui di potatura. GRAFICO 1 - Emissioni di gas serra da suoli concimati con 170 kg N/ha di nitrato ammonico e ammendati con biochar ottenuti da differenti matrici a differenti temperature di pirolisi 1A - Emissioni di anidride carbonica (CO 2 ) 1B - Emissioni di protossido di azoto (N 2 O) μg N (N 2 O)/kg suolo secco ( 3 ) 0 Sabbioso Franco-limoso Sabbioso Franco-limoso Terreno Terreno Testimone ( 1 ) Pollina 400 C Pollina 600 C Liquame suino 400 C Liquame suino 600 C Residui potatura ( 1 ) Il testimone è il terreno che non ha ricevuto alcun biochar. ( 2 ) Peso del carbonio contenuto nella anidride carbonica emessa per kg di suolo secco. ( 3 ) Peso dell azoto contenuto nel protossido di azoto emesso per kg di suolo secco. Su entrambi le tipologie di terreno i biochar prodotti a temperature di pirolisi più elevate emettono meno, sia in termini di anidride carbonica (grafico 1A) sia di protossido di azoto (grafico 1B), di quelli prodotti con le stesse matrici a temperature più basse. Il biochar da residui di potatura si è dimostrato il più efficace nella riduzione delle emissioni rispetto a quelli ottenuti da altri matrici Come si può osservare dalla tabella, il contenuto di azoto (N), sostanze organiche volatili e ceneri risulta più elevato nel biochar derivante da pollina rispetto a quello prodotto dai residui di potatura, mentre andamento opposto è stato riscontrato per il contenuto di carbonio, probabilmente poiché i residui contengono un carbonio più stabile (lignina, cellulosa, emicellulosa, ecc.) con presenza di forti strutture aromatiche. Tutti i tipi di biochar hanno ph alcalino dovuto all abbondanza di carbonati e anioni organici oltre alla perdita di gruppi funzionali acidi (ad esempio i gruppi carbossilici). Questo aspetto è molto importante poiché lo rende idoneo a migliorare il ph di terreni acidi. Anche l area superficiale decisamente elevata del biochar da residui di potatura è in relazione a forti strutture aromatiche e a più alta porosità (Lee et al., 2010), il che spiega la maggior ritenzione di acqua e nutrienti e l assorbimento di molecole organiche e inorganiche. Influenza della temperatura di pirolisi. Anche la temperatura del processo di pirolisi porta a variazioni delle proprietà chimico-fisiche della stessa matrice (come si può vedere sempre dalla tabella 1). Ad esempio, il contenuto di azoto diminuisce all aumentare della temperatura di pirolisi e questo 24 supplemento a L Informatore Agrario 27/2014

3 IL PROGETTO FRUITGAS è probabilmente dovuto alla volatilizzazione di composti organici alle alte temperature. Riduzione di gas serra nei suoli ammendati Il progetto «Fruitgas - Energia dal frutteto», finanziato dall Unione Europea mediante il Piano di sviluppo rurale (Misura 124, Azione 1), mira alla creazione di una filiera «test» (primo esempio in Piemonte) per la produzione di energia rinnovabile tramite pirolisi dei residui di potatura e degli espianti delle principali colture frutticole dell areale cuneese. L obiettivo è quello di realizzare un processo che sia in grado, da un lato, di semplificare la gestione del materiale vegetale per l azienda frutticola, valorizzando un sottoprodotto altrimenti destinato ad essere bruciato per problemi fitopatologici, e dall altro di assicurare un mantenimento, o un incremento, della fertilità del suolo attraverso il ritorno al terreno del biochar. Il progetto Fruitgas vede la cooperazione di sei attori del mondo scientifico, agricolo e industriale il Dipartimento di scienze agrarie In riferimento alla presunta capacità del biochar di ridurre l emissione di gas serra, sono state condotte prove sperimentali in cella climatica, per quantificare l emissione di CO 2 e N 2 O da due tipi differenti di suolo (sabbioso e franco-limoso) ammendati con biochar prodotti da pollina, liquame suino e residui di potatura. Dal grafico 1 risulta evidente che il biochar da pollina a 400 C ha emesso in assoluto la maggiore quantità di CO 2 e N 2 O mentre al contrario il biochar da residui di potatura si è dimostrato il più efficace nella riduzione delle emissioni rispetto a tutti gli altri trattamenti studiati. I valori di emissione risultano anche ben correlati alle proprietà specifiche dei biochar, quali il contenuto in carbonio stabile, il ph e la capacità di scambio cationico (Ippolito et al., 2012). In generale, infatti, biochar prodotti a temperature di pirolisi più elevate emettono meno di quelle prodotte a temperature più basse e ciò è principalmente dovuto al fatto che, alle basse temperature e in particolar modo per biomasse quali letame e liquami, i biochar contengono una percentuale più elevata di carbonio labile, facilmente attaccabile dai microrganismi del suolo. Al contrario, le basse emissioni di CO 2 (grafico 1A) da suoli ammendati con biochar da residui di potatura, possono essere spiegate dal fatto che esso contiene una frazione di carbonio più stabile, maggiormente recalcitrante alla degradazione microbica e che può, quindi, rimanere nel terreno anche per diversi anni dopo l incorporazione (Kuzyakov et al., 2009). Inoltre, in generale, il suolo franco-limoso presenta emissioni di CO 2 più elevate rispetto a quello sabbioso in tutti i trattamenti a causa di una sua maggiore attività biologica. L elevata emissione di N 2 O (grafico 1B) dai due tipi di suolo ammendati con biochar derivante da pollina a 400 C è associata al suo alto contenuto di azoto che a bassa temperatura potrebbe essere stato velocemente mineralizzato dopo l incorporazione nel suolo con seguente denitrificazione, rafforzando in tal modo le emissioni dopo la fertilizzazione con nitrato ammonico. Al contrario, la bassa emissione di N 2 O dai suoli ammendati con biochar derivante da residui di potatura potrebbe essere dovuta all immobilizzazione di azoto tramite adsorbimento chimico-fisico sulle superfici del biochar con elevata area superficiale e maggiore porosità (Kuzyakov et al., 2009). È anche possibile che tale immobilizzazione di azoto avvenga nel momento in cui il biochar ad elevato rapporto C/N (carbonio/azoto) (per i residui di potatura il rapporto C/N è circa 330) viene aggiunto ad un suolo con basso rapporto C/N. Vantaggi del biochar da residui di potatura Il biochar (nel dettaglio) ottenuto dalla pirolisi di residui di potatura può essere utilizzato per incrementare la fertilità del suolo forestali e alimentari (Disafa) dell Università degli Studi di Torino, con le Sezioni di meccanica e agronomia; l azienda Agrindustria di Cuneo; op Ortofruit Italia di Saluzzo (Cuneo); due aziende agricole, Brunetti Paolo di Verzuolo (Cuneo) e Cascina Colonna di Olmo Michele di Costigliole Saluzzo (Cuneo). In generale, mettendo a confronto le diverse tipologie di biochar studiati, risulta che per i suoli ammendati con biochar derivante da pollina o liquami si hanno emissioni elevate di gas serra, mentre, al contrario, si ottiene una riduzione delle emissioni nel caso del biochar prodotto da residui di potatura, in quanto tale matrice organica contiene una frazione di carbonio più stabile. Quindi, sembra preferibile utilizzare biochar da residui di potatura in suoli poveri di carbonio per mantenerne la fertilità, essendo i residui di potatura anche più facilmente reperibili su scala commerciale rispetto agli altri sottoprodotti. Sono in corso le verifiche produttive sulle colture frutticole di aziende soggette alla sperimentazione citata che consentiranno di verificare tali effetti anche in termini agronomici. Laura Petruzzelli, Raghunath Subedi, Chiara Bertora, Emiliano Remogna, Carlo Grignani Dipartimento di scienze agrarie, forestali e alimentari, Università di Torino Gli autori ringraziano Stefano Dolzan del Settore fitosanitario della Regione Piemonte e le aziende agricole Brunetti Paolo e Cascina Colonna di Olmo Michele, che hanno consentito lo svolgimento delle prove sperimentali sui propri appezzamenti. GLOSSARIO. Per le definizioni dei vocaboli tecnici presenti in questo articolo si veda il Glossario pubblicato a pag. 27. Per commenti all articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a: redazione@informatoreagrario.it Per consultare gli approfondimenti e/o la bibliografi a: rdlia/14ia27_7563_web 27/2014 supplemento a L Informatore Agrario 25

4 ARTICOLO PUBBLICATO SUL SUPPLEMENTO A L INFORMATORE AGRARIO N. 27/2014 A PAG. 23 Biochar, fattori che influenzano la sua qualità ammendante BIBLIOGRAFIA Deenik, J.L., McClellan T., Uehara G., Antal M.J., Campbell S. (2010) - Charcoal volatile matter content influences plant growth and soil nitrogen transformation. Soil Science Society of America Journal, 74: Ippolito J.A., Liard D.A., Busscher W.J. (2012) - Environmental benefits of biochar. Journal of Environmental Quality, 41: Kuzyakov Y., Subbotina I., Chen H.Q., Bogomolova I., Xu X.L. (2009) - Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by C-14 labeling. Soil Biology and Biochemistry, 41: Lee J.W., Kidder M., Evans B.R., Paik S., Buchanan A.C., Garten C.T. (2010) - Characterization of biochars produced from corn stovers for soil amendment. Environmental Science and Technology, 44: Lehmann J., Joseph S. (2009) - Biochar for Environmental Management: science and technology. Earthscan publications Ltd., United Kingdom: 1-12.

5 Edizioni L Informatore Agrario Tutti i diritti riservati, a norma della Legge sul Diritto d Autore e le sue successive modificazioni. Ogni utilizzo di quest opera per usi diversi da quello personale e privato è tassativamente vietato. Edizioni L Informatore Agrario S.r.l. non potrà comunque essere ritenuta responsabile per eventuali malfunzionamenti e/o danni di qualsiasi natura connessi all uso dell opera.