Trong những năm gần đây, than sinh học (TSH) ngày càng nhận được sự chú ý như là một vật liệu thân thiện với môi trường, đặc biệt trong chiến lược giảm nhẹ biến đổi khí hậu. TSH hay còn gọi là Charcoal hoặc Biochar, được định nghĩa là vật liệu giàu các bon, cấp hạt mịn, xốp, được sản xuất bằng cách nhiệt phân từ sinh khối hữu cơ trong điều kiện oxy hạn chế và ở nhiệt độ tương đối thấp (<700oC). TSH giàu các bon, có cấu trúc xốp với diện tích bề mặt riêng cao, với cấu trúc đặc biệt này đã được chứng mình là có khả năng tăng lên trong nước và có khả năng giữ dinh dưỡng trong đất. Nhiều nhà khoa học trên thế giới khuyến khích bổ sung TSH cho đất bởi vì nó không chỉ có thể giảm thiểu biến đổi khí hậu bằng cách cô lập các bon từ không khí vào đất mà còn cải thiện tính chất của đất và nâng cao độ phì đất bằng cách cải thiện độ ẩm và duy trì chất dinh dưỡng và tăng sự hoạt động của vi khuẩn do đó làm tăng năng suất cây trồng. Một số loại sinh khối là nguồn nguyên liệu cho sản xuất TSH như dăm gỗ, phân động vật, phế thải từ cây trồng như rơm rạ, trấu,... Những tiềm năng lợi ích đa dạng này kết hợp với việc TSH có thể sản xuất từ ​​một loạt các sinh khối nên nó có thể coi là một công cụ có thể mang lại hiệu quả cả về chi phí và hiệu quả xử lý môi trường.

Việc sản xuất TSH cũng khá đơn giản, người dân có thể tự sản xuất ở quy mô nhỏ. Tại Việt Nam, người dân đã có kinh nghiệm sản xuất than củi để nấu, nướng, sưởi ấm và sản xuất trấu hun để làm giá thể trồng rau,... Đối với hình thức sản xuất quy mô lớn, một thống kê năm 2020, trên toàn cầu có hàng nghìn nhà máy sản xuất và cung ứng sản phẩm TSH, trong đó nước Mỹ có 135 nhà máy, sản xuất ra 45.000 tấn TSH/năm, Trung Quốc 110 nhà máy, sản xuất ra 200.000 tấn/năm. Tại Việt Nam có khoảng hơn 100 công ty hiện đang áp dụng công nghệ nhiệt phân để sản xuất sản phẩm TSH phục vụ xuất khẩu hoặc sản xuất phân bón. Bên cạnh đó, chiếm tỷ lệ không nhỏ là các cơ sở sản xuất/công ty đang sử dụng công nghệ khí hóa sinh khối để phục vụ sấy nông sản, lâm sản…cũng tạo ra một lượng lớn sản phẩm phụ đó chính là TSH. Mặc dù có thể TSH, sản phẩm phụ được tạo ra từ quá trình khí hóa sinh khối có chất lượng không cao bằng TSH tạo ra từ công nghệ nhiệt phân, song nó vẫn chứa một hàm lượng đáng kể các bon và rất có giá trị trong sản xuất nông nghiệp như làm vật liệu đầu vào để sản xuất phân bón, làm giá thể trồng cây và cải tạo đất,…

  1. Đặc tính của than sinh học

Tổng hợp từ nhiều nguồn TSH cho thấy lượng TSH thu được là 28,5%, hàm lượng các bon trong TSH là 79,6% và năng suất các bon là 49,9%. Các yếu tố chính quyết định đặc tính của TSH là: (1) loại chất hữu cơ dùng để nhiệt phân, (2) môi trường nhiệt phân (ví dụ nhiệt độ, khí), (3) chất bổ sung trong quá trình nhiệt phân. Nguồn hữu cơ cung cấp cho nhiệt phân than có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng TSH, hàm lượng dinh dưỡng và chất dễ tiêu.

Nhiệt độ và nguồn gốc vật liệu là hai yếu tố chính chi phối các đặc tính của TSH. Sự gia tăng của nhiệt độ nhiệt phân sẽ dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt của TSH, dẫn đến việc hấp phụ cao hơn các hóa chất như thuốc trừ sâu. Ví dụ, than từ phụ phẩm lúa mì tại 500 - 700oC là phù hợp với việc các bon hóa và diện tích bề mặt của nó là tương đối cao (>300 m2/g), trong khi TSH hình thành tại nhiệt độ 300 - 400oC thì một phần bị các bon hóa và diện tích bề mặt thấp (<200 m2/g).

TSH có diện tích bề mặt lớn hơn thể hiện khả năng hấp phụ cao đối với các hợp chất hữu cơ. TSH từ rơm rạ có diện tích bề mặt (234,9 m2/g), độ xốp (0,4392 ml/g) và số lượng của các nhóm chức năng (2,995 mmol/g) là lớn nhất.

 

Cấu trúc dưới kính hiển vi của TSH

Có nhiều loại muối khác nhau có thể tìm thấy trong phần tro của TSH, chúng phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng khoáng chất có trong nguyên liệu. Nhiều nghiên cứu cho thấy, hàm lượng tro của TSH thay đổi từ 0,5% - 55%. Trong sản xuất than cổ điển, "chất lượng tốt" được gọi là than hoạt tính có 0,5% - 5,0% tro. Tuy nhiên, TSH được sản xuất từ ​​các nguyên liệu như cỏ và phụ phẩm cây ngô đã được báo cáo là có hàm lượng tro 26% - 54% trong đó có nhiều ở dạng silica, trong khi tro gỗ cứng có chứa kim loại chủ yếu kiềm. Các yếu tố phổ biến nhất là kali, canxi, silic và một lượng nhỏ nhôm, sắt, magiê, phốt pho, natri và mangan. Những yếu tố này đều ở dạng bị ôxi hóa, ví dụ Na2O, CaO, K2O, chúng có thể có phản ứng hòa tan trong nước ở những mức độ khác nhau. Đây cũng là phần tro cung cấp các hiệu ứng vôi của TSH. Lúa là cây tích lũy Si, theo đó, Si có chức năng vật lý và hóa học quan trọng cho cây lúa phát triển, trong trấu và rơm rạ có chứa hàm lượng silic cao bất thường (220 và 170 g.kg-1) so với một số cây trồng khác. Si ở thể silic thực vật và được gọi là phytolith, vì vậy khi bón TSH trở lại đất thì đây nguồn bổ sung silic quan trọng cho cây lúa.

  1. Than sinh học cải tạo đất và nâng cao năng suất cây trồng

Than sinh học cải thiện dinh dưỡng dễ tiêu cây trồng: Bón TSH làm tăng pH đất đối với rất nhiều loại thành phần cơ giới khác nhau, mức tăng có thể lên tới 1,2 đơn vị pH. pH sẽ tăng cao hơn ở những đất cát và thịt và tăng thấp hơn ở đất sét. Tăng pH đất và tăng dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng trong đất. Nhiều nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng kể cả lượng TSH nhỏ bón vào đất thì cũng tăng một cách đáng kể lượng cation kiềm trong đất, kể cả lượng đạm tổng số và lân dễ tiêu cũng tăng hơn so với đối chứng.

Than sinh học cải thiện khả năng giữ dinh dưỡng: Các sản phẩm hữu cơ thoái hóa như tro than hoặc tro bay thì không có khả năng này. Điều này rất quan trọng với các loại đất bị phong hóa hấp phụ ion kém. Nếu trộn một lượng lớn TSH từ cây gỗ cứng vào đất thì CEC có thể tăng 50% so với đối chứng nhưng với một lượng TSH nhỏ thì vẫn tăng CEC trong đất trong khi đó bón tro than hoặc tro bay thì cũng không tăng khả năng giữ dinh dưỡng của đất. Lehmann và cộng sự (2002) thì chỉ ra rằng sự rửa trôi NH4+ trên đất Ferralsols khi bón nhiều TSH, điều đó cho thấy rằng NH4+ được TSH hấp phụ và lượng đạm được cây lúa hút khi bón kết hợp phân bón và TSH cũng có sự ảnh hưởng đến việc giữ NH4+. Khả năng giữ dinh dưỡng cũng có thể đạt được do khả năng giữ dinh dưỡng trong các khe hở lớn và nhỏ. Việc giảm tỷ lệ rửa trôi của phân N khoáng bổ sung trong đất cùng với TSH làm tăng hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng. Nhiều nghiên cứu khác cũng chỉ ra bón TSH vào đất thì tăng khả năng giữ ion trong đất và giảm sự rửa trôi của chất hữu cơ hòa tan và các chất dinh dưỡng hữu cơ.

Than sinh học cải thiện khả năng giữ nước, ổn định cấu trúc đất và làm giảm mức độ thấm sâu của các chất trong đất: TSH không những làm thay đổi đặc tính hóa học đất mà còn ảnh hưởng tính chất lý học đất như khả năng giữ nước và đoàn lạp đất. Những tác dụng này có thể nâng cao lượng nước dễ tiêu cho cây trồng và giảm xói mòn đất. Những đặc tính lý hóa học của các loại đất nghèo hữu cơ thường được cải thiện bằng các hình thức canh tác gắn liền với việc sử dụng chất hữu cơ như phân xanh, chất thải hữu cơ và các chất mùn từ than. Một nhược điểm rất lớn của việc sử dụng tàn dư hữu cơ là phải bón một lượng rất lớn từ 50 đến 200 tấn ha–1 thì mới cải thiện được một phần đặc tính của đất. Đáp ứng được lượng bón lớn như vậy là không thực tế. Trong khi đó, chỉ cần bón một lượng nhỏ (1,5 tấn ha–1) than giàu axít humic cũng làm tăng từ 20 đến 130% đoàn lạp ổn định, trong khi phải cần đến một lượng 50 - 200 tấn ha–1 sản phẩm hữu cơ chưa phân hủy để tăng đáng kể lượng đoàn lạp bền trong đất. Hơn nữa chất thải hữu cơ lại có thể chứa rất nhiều chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ.

TSH có thể hạn chế sự thấm sâu các chất gây ô nhiễm trong đất nông nghiệp. Điều này có thể do bởi khả năng hút bám của TSH đối với các chất hòa tan như là Al3+, NO3-, PO43- và các ion hòa tan khác. Các chất khoáng N, K, Ca và Mg thấm sâu tích lũy lại trong đất đen vùng Amazon tương ứng bằng 24, 45,79 và 7% so với lượng tích lũy trong đất ferralsols. Với khả năng này, TSH nên được nghiên cứu để ứng dụng vào việc hạn chế rửa trôi dinh dưỡng bề mặt ở các lưu vực và hạn chế ô nhiễm nước ngầm gây ra bởi sự thấm sâu của các hóa chất sử dụng trong nông nghiệp.

Than sinh học tăng năng suất cây trồng: Bón TSH vào đất làm tăng đáng kể tỷ lệ nảy mầm của hạt giống, sự sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng. Tỷ lệ nảy mầm có thể tăng 30%, chiều cao cây tăng 24% và sinh khối cũng tăng 13% so với đối chứng. Với cây hàng năm năng suất có thể tăng 200% nếu được bón lượng TSH cao. Ngoài việc TSH cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết, các axít humic còn chứa các hóc môn có khả năng tăng trưởng cây trồng. Để tìm ra lượng TSH tối ưu bón cho cây trồng thì cần phải xác định cho từng loại đất và cây trồng nhất định. Một số nghiên cứu gần đây tại Việt Nam còn cho thấy tác dụng của TSH đối với sinh trưởng và năng suất cây trồng còn cao hơn nếu bón kết hợp với phân khoáng. Bón từ 5 - 10 tấn TSH từ trấu kết hợp với 5 tấn phân chuồng trên đất cát làm tăng các chỉ tiêu sinh trưởng, nốt sần và tăng năng suất quả vượt trội từ 17,15 - 45,97% và năng suất hạt từ 26,74 - 60,63% của cây lạc so với đối chứng không bón. Bón từ 6 – 18 tấn TSH từ rơm rạ và trấu kết hợp với phân bón hóa học trong 4 vụ lúa trên đất xám bạc màu làm tăng 1,2 – 3,5 tạ/ha so với vụ xuân và 5,7 – 7,8 tạ/ha so với vụ mùa.

  1. Than sinh học cô lập các bon trong đất và giảm phát thải khí nhà kính

TSH có thời gian tồn tại trong đất với thời gian ước tính là trên 1000 năm, sự ổn định lâu dài này là tiền đề cho việc xem TSH như một phương pháp thích hợp cho cô lập các bon trong đất. Việc chuyển các bon hữu cơ thành dạng ổn định có thể làm giảm phát thải khí CO2 phát thải từ đất bằng cách làm giảm tốc độ phân hủy của nó. TSH bón vào đất sẽ ngăn cản sự phát thải khí N2O và CH4 phát thải từ đất. Sự phát thải tự nhiên của N2O từ đất là một chức năng của trạng thái độ ẩm đất và có thể do cày bừa. Do TSH trong đất có thể thay đổi chế độ ẩm và tính chất vật lý nước trong cấu trúc đất vì vậy có có thể giảm thiểu sự phát thải N2O. Phát thải khí mê tan từ đất nông nghiệp, chủ yếu là nông nghiệp dưới lúa nước, chiếm 12% lượng phát thải khí mê tan toàn cầu từ tất cả các nguồn. Một thí nghiệm cho rằng, việc bổ sung 20g TSH.kg-1 đất giảm phát thải N2O lên đến 50% trên đậu tương và 80% trên chậu trồng cỏ, khí mê tan hầu như bị ức chế trong chậu trồng cỏ.

TSH được xem là có lợi trong việc làm giảm biến đổi khí hậu, cải thiện năng suất cây trồng và tái chế chất thải nông nghiệp. Chúng có tác dụng hỗ trợ, đan xen với nhau, bao gồm cả tác động trực tiếp và tác động gián tiếp trong môi trường đất. TSH được cho là nguyên liệu rất thích hợp với canh tác nông nghiệp hữu cơ. Việt Nam là một nước sản xuất nông nghiệp, vì vậy lượng phế phụ phẩm là rất lớn. Việc sản xuất TSH để ứng dụng vào canh tác nông nghiệp sẽ làm giảm lượng phụ phẩm dư thừa. Tuy nhiên, để TSH được ứng dụng rộng rãi, cần phổ biến kiến thức cho người dân, đồng thời hướng dẫn cách sản xuất và ứng dụng TSH sao cho phù hợp với điều kiện canh tác của từng địa phương.