На нескольких виноградниках провели эксперимент, используя биоуголь в качестве почвоулучшителя. Интерес в биоугле со стороны управляющих виноградниками в Калифорнии возрос благодаря его способности улучшать водоудерживающую способность почвы, что помогает винограду плодоносить в течение засушливых периодов. Кроме того, биоуголь обладает способностью длительное время удерживать питательные вещества почвы, препятствуя их вымыванию из корневой зоны, обеспечивая, таким образом, возможность снизить затраты на дополнительное внесение удобрений и нутриентов.
Согласно определению на сайте Калифорнийского университета в Дейвисе Biochar Database «биоуголь представляет собой каменный уголь, полученный методом пиролиза биомассы, который отличается тем, что используется не в качестве топлива, а как почвоулучшитель».
Общие сведения
Интерес к биоуглю, как почвоулучшитель в области сельского хозяйства, возник после того, как он был обнаружен в составе плодородной почвы, характеризующейся высоким содержанием углерода и органических веществ. Исследования почв в районе реки Амазонки на территории Бразилии показали высокое содержание биоугля, который, как считается, образовался вследствие сжигания биомассы коренными народами в период 500-2 500 лет назад.
Др. Йоханес Леманн (англ. Johannes Lehmann), сотрудник кафедры растениеводства и почвоведения Корнелльского университета, изучает почву в районе р. Амазонки и специализируется на исследовании биоугля. Как отмечает Леманн на корнелльском вебсайте Biochar Soil Management: «Преимущества почвы, удобряемой биоуглем, зиждется на двух столпах: 1. Чрезвычайно высокое сродство нутриентов с биоуглем и другими веществами (адсорбция) и 2. Крайне высокая устойчивость биоугля (стабильность). Lehmann observes on the Cornell Biochar Soil Management website: “The soil fertility benefits of biochar rest on two pillars: 1. The extremely high affinity of nutrients to biochar and other compounds (adsorption), and 2. The extremely high persistence of biochar (stability).”
Биоуголь является устойчивой модификацией углерода, в состоянии которой он способен пребывать в почве сотни лет. В следствие стабильности биоугля и его потенциальных долгосрочных эффектов чем раньше он будет включён в жизнь виноградника (в идеале перед посадкой лозы), тем более экономичным окажется его использование, а потенциальная выгода — более значимой.
Существующие препятствия на пути к более широкому применению биоугля заключаются в его высокой стоимости, ограниченном доступе, вариабельности самого продукта в связи с разными источниками получения, типами исходного материала и производства, а также потребность в большем количестве информации и исследований о его роли и преимуществах. И хотя множество информационных ресурсов о биоугле вполне доступны, недавние исследования о его использовании как почвоулучшителя и агента, связывающего углерод, предоставляют различные, часто противоречивые результаты.
Биомассу виноградника, образовавшуюся после корчевания кустов и обрезки, можно превратить в биоуголь с помощью более эффективных и менее загрязняющих воздух методов рационального использования сельскохозяйственного пала, как уже поступают на некоторых виноградниках, вместо обычной процедуры сжигания материала обрезки, когда получается просто дым и пепел. Утилизация отходов сельского хозяйства и ненужной биомассы, в целом, является довольно проблемным вопросом для Калифорнии. Целый ряд объектов по выработке энергии из биомассы (за счёт энергетической утилизации отходов) в последнее время приостановили работу в результате завершения контрактов с коммунальными предприятиями, которые более не предлагают выгодных цен за полученную таким способом энергию. Возможность использования пиролизного оборудования по переработке биомассы в биоуголь является более предпочтительной альтернативой сжиганию или уничтожению отходов на свалках.
Биоуголь нашёл бы более широкое применение в будущем, если бы его производство стало эффективнее и масштабнее, способствуя, таким образом, доступности продукта, а требования уполномоченных регулирующих органов относительно связывания углерода и выброса парниковых газов (англ. greenhouse gas или GHG) в сельском хозяйстве ориентировались на показатели загрязнения атмосферы и контроль уровня азота.
Биоуголь и парниковые газы
Углеродный след при выбросе парниковых газов является предметом особого беспокойства и научных исследований для сельского хозяйства Калифорнии. Основные парниковые газы, продукты сельского хозяйства, — это двуокись углерода (CO2), закись азота () и метан (CH4), среди которых вторым по значимости выступает N2O ввиду его высокого потенциала для глобального потепления. Правда, при сравнении с другими культурами выработка закиси азота на виноградниках в целом невелика. Закись азота продуцируется почвенными микроорганизмами в связи с использованием азотных удобрений в условиях низкого содержания кислорода, причём, образование N2O происходит преимущественно после дождя или полива.
Желаемыми достижениями при использовании биоугля являются связывание углерода в почве и уменьшение выделения парниковых газов при ведении сельскохозяйственной деятельности. Эффективное применение биоугля при реализации этих благотворных начинаний на винограднике зависит от следующих факторов: химического состава почвы, типа нутриентов или компоста, вносимых параллельно с биоуглем, системы обработки почвы на винограднике и использования покровных культур.
Николь Нихус (англ. Nicole Niehues), аспирант-исследователь Калифорнийского университета в Дейвисе, с 2013 года проводила исследование на винограднике оквильской опытной станции Калифорнийского университета в долине Напа с целью изучения и мониторинга последствий влияния двух стратегий по достижению плодородия при использовании органического покрытия почвы (бобовые покровные культуры, виноградные выжимки, компостированные с навозом) в сочетании с внесением биоугля и компоста из виноградных выжимок. Согласно последним исследованиям в рамках проекта «при удобрении биоуглем почвы, засеянной покровной культурой и обогащённой компостом, наблюдалось существенное снижение выделения N2O, если сравнивать с не удобряемой (стандартной) контрольной почвой в рамках отдельных дождливых периодов На сегодняшний день, исследование указывает на то, что органическая обработка почвы с учётом азота, проводимая с использованием биоугля в качестве улучшителя, может повысить доступность азота и его поглощение наряду со снижением количества выделяемой на винограднике закиси азота.
Эксперименты с биоуглем на винограднике компании Monterey Pacific
Дуг Бек (англ. Doug Beck) — почвовед и агроном компании по управлению виноградниками Monterey Pacific (англ. Monterey Pacific Vineyard Management Company), которая располагается в округе Монтерей (англ. Monterey County ) и имеет в распоряжении около 4 856 га виноградников, включая виноградники с производительностью 5-10 тонн на 0,4 га, а также элитные виноградники. «Чтобы поддерживать почву в надлежащем состоянии нам нужно использовать большие объёмы компоста для обеспечения почвенного питания лозы», — говорит Бек. Компания использует около 35 000 тонн компоста в год, изъятых из всей совокупности отходов округа Монтерей. «Когда мы впервые услышали о биоугле, то заинтересовались в его роли для улучшения водоудерживающей способности песчаных почв, что важно в контексте решения вопросов засухи. Используя биоуголь вместе с компостом, мы ориентируемся на его потенциальную возможность удерживать нутриенты в почве, более эффективно использовать воду при орошении и способствовать поглощению углерода, вместо того, чтобы отправлять этот материал на свалку», — отмечает Бек.
Бек изложил информацию о роли биоугля в сельском хозяйстве Научно-консультативной группе по применению закона об экологичном земледелии Департамента продовольствия и сельского хозяйства Калифорнии (англ. California Department of Food and Agriculture’s Environmental Farming Act Science Advisory Panel), перечислив в связи с этим и прочие возможные выгоды:
• Биоуголь обладает способностью связывать и удерживать бóльшую часть нутриентов, высвобождая их со временем.
• Относительно низкая плотность биоугля помогает снизить объёмную плотность тяжёлой почвы, улучшая её дренажные свойства, аэрацию и облегчая проникание корней.
• Биоуголь выступает известкующим агентом, способствующим нейтрализации подкисляющего воздействия азотных удобрений, и снижая, тем самым, необходимость в известковании почвы.
• Внесённый в почву биоуголь оказывает благотворное влияние на ресурсы, используемые почвенной биотой, и оздоравливает почву.
Компания Monterey Pacific закупает биоуголь у двух поставщиков, сравнивая его эффект от его применения на практике. Продукт CoolTerra, производства компании Cool Planet Energy Systems, г. Гринвуд-Вилледж (англ. Greenwood Village), Колорадо, изготавливается на перерабатывающем заводе в г. Камарилло (англ. Camarillo), Калифорния. Компания Pacific Biochar, расположенная в Пахоа (англ. Pahoa), Гаваи, владеет несколькими производственными базами, включая одну в г. Уильямс (англ. Williams), Калифорния.
По словам Бека, преимущество биоугля от этих производителей заключается в его обработке, поэтому он более удобный в использовании и полезный для почвы. «Биоуголь в чистом виде, прямо из печи, ещё немного – и он освоится в почве», — рассказывает Бек. Настоящий свежеизготовленный биоуголь — сухой, часто пыльный, готовый впитывать и удерживать воду и нутриенты, и на первых порах может конкурировать с растением за питательные вещества и влагу. Свежий биоуголь перед внесением в почву рекомендуется смешивать с компостом и выдерживать некоторое время для «вызревания» или «подзарядки». Коммерческие производители предлагают конечный продукт, готовый к использованию, хотя большинство потребителей добавляют в него компост, и затем замешивают в почву. В процессе производстве компания CoolTerra доводит рН биоугля до диапазона 8,0-6,5 и улучшает его поровую структуру, что способствует благотворной активности микроорганизмов.
Специалисты Monterey Pacific следят за ходом двух экспериментов (по 4 га на каждый) на довольно песчаных почвах, в рамках которых смешали по 10 т на 0,4 га биоугля и компоста и внесли вдоль рядов на глубину 0,6 м перед посадкой с помощью виброрыхлителя Vibrosoiler от AG Soilworks.
Кроме того, компания апробирует схему внесения 10 тонн биоугля в смеси с 3 тоннами компоста на 0,4 га в качестве междурядной подкормки на плодоносящих клетках виноградника, которая раскладывалась около кустов, а затем заделывалась в почву дискованием. Бек выразил надежду начать дополнительные эксперименты по использованию биоугля на других типах почвы и с другими сортами и подвоями.
Бек упомянул о том, что одним из существенных недостатков биоугля является его дороговизна, принимая во внимание тот факт, что только сам биоуголь обходится в $7 000 при расходе 10 тонн на 0,4 га. Правда, он также отметил, что «в случае, когда функциональный ресурс продукта и его эффективность рассчитаны на долгосрочную перспективу, то он стоит того, ведь после одного внесения биоуголь работает на винограднике в течение 20 лет. Поэтому мы и проводим эксперименты — чтобы продемонстрировать владельцам курируемых виноградников, стоит ли эта затея таких расходов. Мы находимся на самых первых этапах развития практики применения биоугля и очень заинтересованы в его возможностях. Мы пытаемся освоить биоуголь разной степени качества и следить за новостями современной науки».
Брюс Градек (англ. Bruce Gradek), виноградарь и торговый представитель от CoolTerra в Калифорнии, подчёркивает: «Биоуголь является почвоулучшителем, а не удобрением, и оптимизирует деятельность микроорганизмов. Он захватывает нутриенты, которые обычно вымываются их почвы, и, таким образом, делает их доступными для растений». По его словам, биоуголь повышает катионообменную способность почвы, повышая её плодородие и питательную пользу.
Ежегодный объём производства компании CoolTerra в г. Камарилло, Калифорния, составляет 45 873 м3 биоугля. По словам Градека, основным сырьём на производстве выступают отходы из дубовой древесины, при этом, используются и другие виды твёрдых пород, а также материалы типа скорлупы кокосового ореха. Рекомендация CoolTerra для новых виноградников гласит — вносить биоуголь в смеси с компостом или навозом с помощью разбрасывателя вдоль рядов до посадки растений и заделать в верхние слои почвы на глубину 10-15 см. Или, как вариант, смешать его с обратной засыпкой для ямы каждого куста в соотношении 1:4. На действующих виноградниках биоуголь можно внести в междурядья с помощью разбрасывателя компоста и задисковать или заделать на глубину 10-15 см. Рекомендуемый расход — около 3м3 на 0,4 га.
Продукция компании CoolTerra имеет органическую сертификацию Института изучения органических материалов (англ. Organic Materials Review Institute или OMRI). Кроме того, данный продукт один из первых был сертифицирован согласно Программе сертификации биоугля (англ. Biochar Certification Program) Международной инициативы биоугля (англ. International Biochar Initiative или IBI), дающей производителям возможность гарантировать, что их продукция соответствует стандартам качества и безопасна при внесении в почву. На основании информации с сайта IBI компания CoolTerra получила советующий сертификат на период с 8 ноября 2013 года по 8 ноября 2014 года, и на сегодняшний день это срок истёк.
Винодельня Bonterra приступила к испытаниям биоугля
Винодельня Bonterra Vineyards, выращивающая виноград согласно органическим и биодинамическим принципам и производящая вино в округе Мендосино (англ. Mendocino County), начала эксперименты с биоуглем в 2015 году при сотрудничестве со Службой охраны природных ресурсов (англ. Natural Resources Conservation Service или NRCS) Министерства сельского хозяйства США (англ. U.S. Department of Agriculture) с целью оценить преимущества использования биоугля на винограднике. Bonterra обрабатывает около 405 га, при все виноградники имеют органическую сертификацию, 25% из которых — также и органическую.
Компания проводит эксперименты на новых клетках, засаженных в 2015 году преимущественно сортами Pinot Noir и Merlot, сравнивая результаты по контрольной клетке, клетке, на которой вносился только биоуголь и клетке, для которой биоуголь смешивался с компостом. Bonterra использовала биоуголь производства компании CoolTerra, предоставившей подтверждение о включении продукта в список OMRI. Биоуголь вносился в равном количестве в каждую посадочную яму.
Джозеф Бринкли (англ. Joseph Brinkley), управляющий виноградниками Bonterra, пояснил: «Для нас это новый опыт, ничем подобным в прошлом мы не занимались. Применение биоугля открывает возможность выращивать кусты такого же или лучшего качества при меньшем количестве вносимых удобрений с более редкими поливами, к чему мы и стремимся. Кроме того, биоуголь создаёт условия для эффективного долгосрочного использования углеродного ресурса». Также Бринкли исполнен оптимизма в отношении благотворного влияния биоугля почвенную микробиоту. «Жизнь в почве — вот что для нас главное», — заключает Бринкли.
В исследование NRCS будут оцениваться и сравниваться несколько факторов в течение нескольких лет развития лозы на виноградниках в рамках каждой экспериментальной клетки, при этом будут учитываться: ежегодный вес материала обрезки, как показатель здоровья, жизненной силы и сбалансированного роста кустов; толщина штамба и размер кордона; водопотребление и водный стресс с использованием камеры давления/гидронасоса. ….. study will evaluate and compare several factors over several years of vine growth in the new vineyards in each trial block that include: annual vine pruning weights as an indication of vine health, vigor and balance; caliper measurements of vine trunk and cordon size; and vine water use and stress using a pressure chamber. «Как только лоза вступает в стадию плодоношения, мы начинаем наблюдать за урожаем и параметрами его качества», — говорит Бринкли.
Компания Spring Mountain Vineyard, что расположена в долине Напа, начала эксперименты с применением биоугля в период вегетации 2015 года на своих виноградниках, раскинувшихся на склонах с маломощной, неспособной удерживать воду почвой, в качестве попытки эффективного использования влаги в засушливый период. С целью повышения эффективности водопотребления и усиления плодородности почвы в корневой зоне Биоуголь от CoolTerra разложили у основания 230 кустов Cabernet Sauvignon. При описании данного эксперимента в информационной рассылке винодельни летом 2015 года управляющий виноградником Рон Розенбранд (англ. Ron Rosenbrand) отметил: «Если мы обнаружим, что теперь поливаем эти кусты реже, то в следующем году распространим программу и на другие клетки».
Об экспериментах с использованием биоугля, приобретенного у поставщиков, сообщили и другие производители Калифорнии, а именно, Ridge Vineyards и Paradise Ridge Winery из округа Сонома (англ. Sonoma County) и Bonny Doon Vineyard на своём новом винограднике Popelouchum, что около г. Сан-Хуан-Батиста (англ. Сан-Хулиан-Батиста) в округе Сан-Бенито.
Производство биоугля на виноградниках. Рациональное использование сельскохозяйственного пала
Получение биоугля прямо на винограднике, осторожно сжигая кусты, сложенные в кучи, может быть целесообразным в случае выкорчёвки старой лозы с последующей посадкой новой, а полученный каменный уголь использовать — хорошая альтернатива полному сжиганию отходов или их вывозу на свалку. Инициатива биоугля в Сономе (англ. Sonoma Biochar Initiative или SBI) предлагает пройти обучение и подготовку по использованию биоугля и его получение из сельскохозяйственного пала. Пол Секейра (англ. Paul Sequeira), управляющий виноградниками компании Constellation Brands в округах Сонома и Мендосино, прошёл подготовку в SBI и внедрил протокол сжигания в процесс пиролиза растительных отходов на обновлявшихся клетках виноградника. Constellation управляет 607 га виноградников, располагающихся в двух округах, и ежегодно обновляет от 20 до 60 га из них. Компания обсуждает эту практику на своих региональных конференциях, и предполагается, что виноградники Constellation из других регионов внедрят такой же протокол при обновлении посадок.
«Рациональное использование пала минимизирует загрязнение воздуха за счёт сокращения общего объёма выбросов до 85-95%, причём, помимо этого происходит удержание и консервация около 25% углерода биомассы, которая может быть использована в качестве почвоулучшителя для повышения уровня содержания органических веществ, доступности нутриентов и водоудерживающей способности», — сообщает Секейра. Первый эксперимент Constellation состоялся при обновлении посадки, включая сжигание выкорчеванных кустов, в 2014 году. Выгоды получения биоугля на месте для данной клетки будет оцениваться по мере роста молодых кустов.
Роберт Бёрни (англ. Robert Burney), основатель виноградника Sunbreak Vineyard Services в округе Сонома, экспериментировал с производством биоугля путём рационального сжигания сырья, а именно, материала обрезки, целых выкорчеванных кустов и валежника, собранного в прибрежной зоне. По словам Бёрни, для получения биоугля наиболее эффективно сжигать сырьё, сортируя его согласно размеру. Цель состоит в том, чтобы сжечь материал до состояния каменного угля, а затем прервать горение с помощью воды или земли.
Производство биоугля. Пиролизное оборудование
Компания New England Biochar получила лицензию на производство промышленных установок Adam-Retort для получения биоугля, компания сооружает или помогает в установке производственных единиц производителям компоста, лесопилкам, небольшим хозяйствам и общественным организациям, которые намерены продавать готовый продукт. Оборудование может быть стационарным, изготовленным из кирпича или стали, или стальным и смонтированным на прицепе. Инициатива биоугля в Сономе использует передвижные агрегаты из стали для производства биоугля из местных отходов сельского хозяйства, а также в качестве образовательного и демонстрационного инструмента.
Компания Earth Systems Bioenergy, расположенная в Мельбурне (англ. Melbourne), Австралия, разработала, испытала и коммерчески внедрила мобильную установку CharMaker Mobile Pyrolysis Plant в двух размерах и объёмах производительности, опираясь на параметры стандартных транспортировочных контейнеров длиной 6 и 12 м. Эти мобильные единицы осуществляют полный цикл производства биоугля на месте нахождения биомассы, используемой в качестве сырья, включая загрузку и упаковку конечного продукта в крупногабаритные мешки. Оборудование CharMaker было испытано по всей Австралии посредством переработки более 20 типов различного сырья, включая отходы виноградного куста, а также различные сельскохозяйственные и древесные отходы.
Бек, Секейра и Бёрни считают, что такие мобильные пиролизные установки раскрывают огромный потенциал не только в плане переработки мусора на виноградниках после корчевания кустов, но и для их совместного использования на локальных или региональных базах фермами и другими производителями отходов в виде биомассы, чтобы производить биоуголь для местных нужд.
Эти установки, иногда называемые горнами или печами, являются закрытыми системами, в которых биомасса сжигается при ограниченном доступе кислорода, поэтому в сравнении с открытым сжиганием они намного более эффективны и меньше загрязняют воздух. Кроме того, в данном оборудовании предусмотрена возможность удерживать другие полезные побочные продукты, такие как сингаз, заменитель пропана, и био-масло, жидкое горючее, используемое в качестве топлива.
«Если у вас есть закрытый пиролизный горн с возможностью контроля поступающего воздуха, вы получите биоуголь более высокого качества. Учитывая то, что обновление посадок на виноградниках является жизненным фактом, такое оборудование даёт возможность получить на выходе нечто большее, чем просто пепел. Существует спрос на готовый биоуголь, но просто взять и купить — его пока что дорогое удовольствие», — заключил Бёрни. WBM
Информационные ресурсы по биоуглю
Cornell University Biochar Soil Management webpage, www.css.cornell.edu/
International Biochar Initiative (IBI), www.biochar-international.com
New England Biochar Initiative, http://newenglandbiochar.org
Sonoma Biochar Initiative, http://sonomabiocharinitiative.org
UC Davis Biochar Database, http://biochar.ucdavis.edu
U.S. Biochar Initiative, http://biochar-us.org
