«منذ أن تم اكتشاف الفحم الحيوي في ثمانينيات القرن الماضي من علماء التربة في الأمازون حتى أصبح تركيز الأبحاث عليه في تحسين جودة التربة وإعادة تأهيلها ليكون خيارًا مستدامًا وفعالًا لتحسين صحة التربة وزيادة الإنتاجية الزراعية وتحسين جودة المياه وتقليل الانبعاثات الكربونية». للفحم الحيوي العديد من الفوائد التي تم تأكيدها وفق دراسات سابقة لصحة التربة، بما في ذلك تحسين بنية التربة والقدرة على الاحتفاظ بالمياه، وزيادة توافر المغذيات، وتعزيز نمو الكائنات الحية الدقيقة المفيدة. وغالبا ما يتم إنتاجه من المخلفات النباتية التي تعتبر مواد عضوية متوفرة من خلال عملية تسمى الانحلال الحراري (Pyrolysis). حيث يتم تسخين المادة العضوية في وسط محدود أو منعدم من وجود الأكسجين لإنتاج مادة غنية بالكربون المستقر، وبهذه الطريقة يمكن لعملية الانحلال الحراري المستخدمة في إنتاج الفحم الحيوي أن تحول المواد العضوية القابلة للتحلل بسهولة إلى منتج ثابت من الكربون الأسود، الذي يمكن أن يبقى في التربة لآلاف السنين. وبسبب قدرة الفحم الحيوي على زيادة تخزين الكربون في التربة، فإنه يتعبر بمثابة مادة إضافية مهمة لتعديل التربة، لا سيما فيما يتعلق بتغير المناخ. وتم إثبات ذلك حيث إنه عند إضافة الفحم الحيوي إلى التربة، لن يتم إطلاق معظم الكربون الناتج من تحلل المادة العضوية مرة أخرى إلى الغلاف الجوي التي قد تساهم في الاحتباس الحراري مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2). وهذا يجعل الفحم الحيوي أداة ذات قيمة محتملة للمساعدة في التخفيف من تغير المناخ عن طريق تقليل كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة إلى الغلاف الجوي.

بالإضافة إلى قدرته على زيادة تخزين الكربون في التربة، يمكن أن يساعد في التقليل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من النظم الزراعية. وبذلك فإنه من الممكن أن يكون له أثر في تقليل البصمة الإجمالية لغازات الاحتباس الحراري للأنظمة الزراعية، مما يجعلها أكثر استدامة وصديقة للبيئة.

ولكن لا بدّ من مراعاة نقطة مهمة وهي أنه ليس كل أنواع الفحم الحيوي صالح للاستخدام ولديه الإمكانات والتأثير نفسه للتربة. حيث تختلف خصائص الفحم الحيوي اعتمادًا على المادة العضوية المستخدمة في إنتاجه، والظروف المطبقة عليها في عملية الانحلال الحراري أثناء تكوينه.

تحتوي المكونات العضوية المختلفة المستخدمة لصناعة الفحم الحيوي على تركيبات كيميائية وهياكل فيزيائية مختلفة، والتي يمكن أن تؤثر على خصائص الفحم الحيوي الناتج.

على سبيل المثال، قد تحتوي بعض المواد العضوية الأولية على كميات أعلى من اللجنين، مما يكسب الفحم الحيوي أكثر مقاومة للتحلل واستدامة أطوال في الظروف المحيطة.

يمكن أن تؤثر درجة حرارة الانحلال الحراري أيضًا على خصائص الفحم الحيوي، حيث إنه مع درجات الحرارة العالية يتم تكوين فحم حيوي ذي خصائص أكثر ثباتًا.

يمكن أيضًا أن تتغير خصائص الفحم الحيوي بمرور الوقت وذلك اعتمادًا على الظروف التي يتم فيها تخزينه واستخدامه.

على سبيل المثال، يمكن أن يحدث تغير في التركيب الكيميائي والبنية الفيزيائية للفحم الحيوي وذلك أثناء تفاعله مع التربة والمياه. وكذلك من خلال العمل البطيء لميكروبات التربة.

كما أنه يمكن أن تؤثر هذه التغييرات على سلوك ميكروبات التربة حيث لوحظ أن بعض الميكروبات تصبح أقل فعالية بمرور الوقت مع الفحم الحيوي.

لذلك تعتمد أهمية استخدام الفحم الحيوي على خصائصه بالإضافة إلى خصائص التربة المراد تعديلها لذلك فمن المهم النظر بعناية في خصائص المواد العضوية الأولية وظروف الانحلال الحراري عند إنتاج الفحم الحيوي ليستخدم كمعدل ومحسن للتربة.

وبهدف إيجاد أفضل أنواع الفحم الحيوي من مواد أولية متوفرة في البيئة العمانية ودراسة تأثير درجة الانحلال الحراري على خصائص التعداد والنشاط الميكروبي في التربة، بحثت هذه الدراسة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد الأولية وتأثيرها على ميكروبات التربة من الفحم الحيوي التي تم معالجتها من ثلاثة مصادر للمواد الأولية وهي: أوراق النخيل (جريد النخيل)، نباتات المسكيت (أحد الأشجار الغازية ويطلق عليه الغاف البحري أو نبات البروسوبس)، وسماد الحمأة (سماد يتم تكوينه من محطات معالجة مياه الصرف الصحي) حيث تم اختبارها في ثلاث درجات انحلال حراري (450° و600° و 750° سيليزية). أظهرت النتائج أن هناك تغيرات فيزيائية وكيميائية أثناء عمليات تحويل المواد الأولية إلى فحم حيوي وهذه التغيرات متفاوتة من مادة إلى أخرى وعند درجة انحلال حراري إلى أخرى، وكما أظهرت أن هناك تأثيرا واضح ومتفاوت على ميكروبات التربة للفحم الحيوي المنتج. على سبيل المثال أوضحت صور الفحص المجهري الإلكتروني زيادة واضحة في حجم المسام مع زيادة درجة حرارة الانحلال الحراري وذلك بسبب الاختلاف في تكوينات المواد الأولية من مواد السليلوز والهيموسلسيلوز واللجنين. كما أدت الزيادة في درجة حرارة الانحلال الحراري إلى انخفاض روابط الهيدروكسيل (O-H) والكربونيل( C=O) التي أدت إلى زيادة قلوية الفحم المنتج وزيادة نسبة روابط الكربون كما تم الحصول عليها من دراسات التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR). وكانت نتائج الثبات الحراري للفحم المنتج أعلى عند درجة حرارة الانحلال الحراري البالغة °C750 وازدادت مع زيادة درجة حرارة الانحلال، وقد تم مقارنتها مع موادها الأولية وتم الحصول على مقاطع تحلل حراري مميزة باستخدام جهاز تحليل الجاذبية الحرارية (TGA). وأظهرت نتائج فحم سماد الحمأة بالمقارنة مع المواد الأخرى أعلى محتوى معدني (45-66٪) مع تركيز أعلى للذوبان في الماء وتركيزات إجمالية للعناصر المعدنية عندما تم الكشف باستخدام جهاز الطف الانبعاثي المرتبط بالحث البلامي (ICP-OES) . وكذلك ظهور بعض العناصر التي قد تسبب تلوثا للتربة في حال تراكمها واستخدامها لفترات طويلة مثل عنصري الرصاص والأرسينك (As, Pb). كما أن النتائج أوضحت أن التبادل الإيويني ازداد لجميع أنواع الفحم الحيوي بالمقارنة مع المواد الأولية ثم انخفضت مع درجات الانحلال الحراري وفي نفس الاتجاه كانت كذلك نتائج المساحة السطحية وحصل الفحم الحيوي المنتج من المسكيت على أعلى مساحة سطحية بالمقارنة مع المواد الأخرى (600 م 2 / جم) وفي الوقت نفسه حصلت المادة نفسها على أعلى نسبة من خسارة المادة العضوية أثناء عملية التحول (94.98٪). أما نتائج النشاط والتعداد الميكروبي (Enumiration test) في التربة فإن معدل.

ولكن لا بدّ من مراعاة نقطة مهمة وهي أنه ليس كل أنواع الفحم الحيوي صالح للاستخدام ولديه نفس الإمكانات والتأثير للتربة.

حيث تختلف خصائص الفحم الحيوي اعتمادًا على المادة العضوية المستخدمة في إنتاجه، والظروف المطبقة عليها في عملية الانحلال الحراري أثناء تكوينه.

تحتوي المكونات العضوية المختلفة المستخدمة لصناعة الفحم الحيوي على تركيبات كيميائية وهياكل فيزيائية مختلفة، والتي يمكن أن تؤثر على خصائص الفحم الحيوي الناتج.

على سبيل المثال، قد تحتوي بعض المواد العضوية الأولية على كميات أعلى من اللجنين، مما يكسب الفحم الحيوي أكثر مقاومة للتحلل واستدامة أطول في الظروف المحيطة.

يمكن أن تؤثر درجة حرارة الانحلال الحراري أيضًا على خصائص الفحم الحيوي، حيث إنه مع درجات الحرارة العالية يتم تكوين فحم حيوي ذي خصائص أكثر ثباتًا.

يمكن أيضًا أن تتغير خصائص الفحم الحيوي بمرور الوقت وذلك اعتمادًا على الظروف التي يتم فيها تخزينه واستخدامه.

على سبيل المثال، يمكن أن يحدث تغير في التركيب الكيميائي والبنية الفيزيائية للفحم الحيوي، وذلك أثناء تفاعله مع التربة والمياه. وكذلك من خلال العمل البطيء لميكروبات التربة.

كما أنه يمكن أن تؤثر هذه التغيرات على سلوك ميكروبات التربة حيث لوحظ بأن بعض الميكروبات تصبح أقل فعالية بمرور الوقت مع الفحم الحيوي.

لذلك تعتمد أهمية استخدام الفحم الحيوي على خصائصه بالإضافة إلى خصائص التربة المراد تعديلها، لذلك فمن المهم النظر بعناية في خصائص المواد العضوية الأولية وظروف الانحلال الحراري عند إنتاج الفحم الحيوي ليستخدم كمعدل ومحسن للتربة.

وبهدف إيجاد أفضل أنواع الفحم الحيوي من مواد أولية متوفرة في البيئة العمانية ودراسة تأثير درجة الانحلال الحراري على خصائص التعداد والنشاط الميكروبي في التربة، بحثت هذه الدراسة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد الأولية وتأثيرها على ميكروبات التربة من الفحم الحيوي والتي تم معالجتها من ثلاثة مصادر للمواد الأولية وهي: أوراق النخيل (جريد النخيل)، نباتات المسكيت (أحد الأشجار الغازية ويطلق عليه الغاف البحري أو نبات البروسوبس)، وسماد الحمأة (سماد يتم تكوينه من محطات معالجة مياه الصرف الصحي) حيث تم اختبارها في ثلاث درجات انحلال حراري (450° و600° و750° سيليزية). أظهرت النتائج أن هناك تغيرات فيزيائية وكيميائية أثناء عمليات تحويل المواد الأولية إلى فحم حيوي، وهذه التغيرات متفاوتة من مادة إلى أخرى وعند درجة انحلال حراري إلى أخرى، وكما أظهرت بأن هناك تأثيرا واضحا ومتفاوتا على ميكروبات التربة للفحم الحيوي المنتج. على سبيل المثال أوضحت صور الفحص المجهري الإلكتروني زيادة واضحة في حجم المسام مع زيادة درجة حرارة الانحلال الحراري وذلك بسبب الاختلاف في تكوينات المواد الأولية من مواد السليلوز والهيموسلسيلوز واللجنين.

الباحثون من كلية العلوم الزراعية والبحرية، قسم التربة والمياه والهندسة الزراعية، جامعة السلطان قابوس.