Omvandling av växtavfall och kasserat papper till ett material som kallas biokol kan hjälpa till att fånga upp kol från atmosfären och lagra det i jorden samtidigt som det hjälper till att berika jordbruksmark.

Lantbruket har historiskt sett varit en cirkulär industri där grödor använder näringsämnen i jorden för att växa som sedan ersätts med kompost eller gödsel. Men globaliseringen och industrialiseringen av livsmedelskedjan har stört denna cykel, driver jordbruksmetoder som har hjälpt till att bryta ner en tredjedel av planetens mark.

Forskare tittar nu på sätt att ta itu med detta problem med ett tillvägagångssätt som inte bara kommer att återställa näringsämnen till jorden utan också bidra till att kompensera utsläppen av växthusgaser som produceras av jordbruket.

"Jordbruksmark kan fungera som kolsänkor, "sa doktor Jan Mumme, en lantbruksingenjör vid University of Edinburgh i Storbritannien. "Detta skulle förmodligen inte fungera med intensiv boskapsuppfödning, men hållbar växtodling och integrerade jordbrukssystem (en balans mellan grödor och boskap) kan göra det - och biokol är ett sätt att hjälpa. "

Biokol är ett ämne som bildas av biomassa – som trä- och växtavfall, avloppsslam och pappersavfall-som värms upp till 400-800 ° C under begränsade syreförhållanden för att göra en kolliknande produkt. Detta kan sedan läggas till jord, där den inte bara lagrar kol, men interagerar också med mikrober i marken för att förbättra deras förmåga att fånga ytterligare näringsämnen och markkol.

Tills nu, dock, biokol har fått blandade resultat när den testats för dess effekter på jord och grödor.

Pappersavfall

"Det finns massor av forskningsartiklar där författarna undersöker biokolens effekter på grödorna och det finns ett stort antal positiva resultat, men också dussintals studier som visade ett negativt resultat, " sa Dr Mumme, som samordnade ett forskningsprojekt som heter CarboPlex, som har utvecklat en biokolprodukt som kan hjälpa gårdar att fånga mer kol i deras mark.

Forskning från CarboPlex-teamet fann att biokol kan ha bättre effekter på jordar när det först användes i en annan process. De utvecklade ett material som heter CreChar, som är tillverkat av pappersavfall och kombinerar kol- och mineralnäringsämnen som kan användas som tillsats vid biogasproduktion.

I slutet av biogasprocessen finns det en biprodukt som kallas rötgas som, enligt CarboPlex, värdeökningar från CreChar genom att absorbera fler näringsämnen. Detta rötgas kan sedan användas som organiskt gödningsmedel istället för mineralgödsel från fossila bränslen.

"Med en årlig potential i Storbritannien på 900, 000 ton av denna biogödsel, Jag tror att det här kan spara 60, 000 ton koldioxidutsläpp bara genom att byta mineralgödsel, "sa doktor Mumme.

Vad mer, Dr. Mumme säger att ytterligare en 619, 000 ton koldioxidutsläpp kan undvikas enbart i Storbritannien varje år genom att återanvända 180, 000 ton pappersavfall för att skapa CreChar. Detta skulle inte bara förhindra förbränning av pappersavfall, det skulle också uppmuntra användningen av biogas istället för fossila bränslen och förbättra markens förmåga att lagra kol.

Djurgödsel

"Jordbruket som det borde vara, eller som det var under tusentals år, är det bästa exemplet på den cirkulära ekonomin, " sa Dr Mumme. En stor del av livsmedelsförsörjningskedjan i Europa, dock, börjar nu i länder eller regioner som är specialiserade på massproduktion av enstaka varor för export. I Brasilien och USA, till exempel, sojabönder odlar fodret till boskapsuppfödare i Europa.

"Det är högst osannolikt att fartygslaster med gödsel (kommer att skickas) tillbaka till Brasilien eller USA så att bönderna där producerar sin soja och andra grödor med konstgödsel gjorda med fossila bränslen, "sa Dr Mumme. Under tiden, i många europeiska länder kan slam från djurgödsel förorena det lokala grundvattnet.

Det är denna typ av praxis som utarmar jordar på deras kolavskiljningspotential eftersom organiskt avfall aldrig återförs till jorden det tas från. Utan detta organiska material kan de mikrobiella ekosystemen under jorden inte bryta ner det och lagra kolet som det innehåller i jorden.

Men om jordbruksindustrin kunde använda biokol för att berika jordar för dessa mikrober, det skulle kunna minska sektorns miljöpåverkan, som för närvarande står för en femtedel av världens totala utsläpp.

"Vi har många platser i världen där markkol minskar, förvärras av klimatförändringarna, "sa Dr Mumme." Det finns ingen gyllene lösning, men det finns några lösningar som är mer livskraftiga. "

Det kommer att dröja några år innan produkter som CreChar är allmänt tillgängliga i industriell skala, men under tiden kan bönder redan börja förbättra sin koldioxidupptagningspotential. Detta kräver bättre jordbruksmetoder, som ingen plöjning, med rotationsgrödor, kompostering och skött bete av boskap på betesmarker, enligt Dr Ashish Malik, en mikrobiell ekolog vid University of California, Irvine i USA.

"Några av dessa metoder implementeras redan, men det finns inte tillräckligt med arbete med den mikrobiella fysiologin, " han sa.

Jordmikroorganismer fungerar som grindvakter till jorden - de kontrollerar nivåerna av näringsämnen som växter behöver för att växa genom att bryta ner dött biologiskt material. Denna process hjälper till att hålla jorden motståndskraftig, produktiv och ökar mängden kol de kan fånga upp. Att få en bättre förståelse för hur de gör detta kan bidra till att uppmuntra till högre upptag av jordbruksmetoder som stöder mikrobiell aktivitet och deras förmåga att fånga kol.

Dr Malik var koordinator för Terra-Micro-Carbo, ett nyligen genomfört forskningsprojekt som undersökte jordmikrober på olika gårdar, varierar från låg till högintensiv jordbrukspraxis.

Projektet fann i mindre intensiva gårdar som hade nästan neutrala pH-nivåer i marken att det fanns ökad mikrobiell tillväxt och mer kol lagrades. Historien var mycket mer komplicerad i sura jordar där mikrobiell tillväxt var en större begränsning för sönderdelningshastigheter.

Gemenskaper

Forskarna analyserade också jordmikrobesamhällen på 56 olika gårdar och grupperade deras egenskaper i tre nyckelområden – tillväxteffektivitet, resursförvärv och stresstolerans. Dessa tre egenskaper kombineras inom ett mikrobiellt samhälle för att effektivt reglera jord och maximera koldioxidutsläpp.

"Det är inte bara viktigt ur jordbrukssynpunkt, men också de allmänna modelleringsutsikterna, sa Dr Malik.

Terra-Micro-Carbo syftar till att dela med sig av sina resultat för användning i klimatmodeller för att hjälpa till att beräkna kollagringspotentialen hos gårdar.

I sista hand, sådant arbete kan hjälpa till att rikta jordbrukare och beslutsfattare mot beslut som främjar ett mer klimatvänligt jordbruk och därmed minska industrins inverkan på den globala miljön.