vignette|Échantillon de biochar. Le biochar est un amendement du sol produit par pyrolyse de biomasse. Il est notamment utilisé en agriculture pour améliorer la qualité des sols, ainsi que dans la lutte contre le changement climatique comme solution d'élimination du dioxyde de carbone atmosphérique.
Ses bénéfices agronomiques largement positifs, notamment dans les zones tropicales, dépendent cependant des conditions de production du biochar ainsi que de son dosage, avec certains effets contre-productifs observés à des concentrations élevées dans le sol, variables en fonction des conditions locales.
Fabrication Pour fabriquer du biochar, on fait d'abord sécher la matière organique au soleil. On procède ensuite à la carbonisation dans un four à pyrolyse où on chauffe la matière organique entre 350 et 700 degrés sans oxygène. On récupère une matière sèche combustible (du charbon) qu'on peut broyer en poudre. Si on souhaite fabriquer des briquettes combustibles, on ajoute 10 % de liant comme l'amidon, la mélasse ou l'argile et on moule ensuite la pâte obtenue en briquettes utilisables après les avoir fait sécher quelques jours au soleil.
Étymologie Le mot biochar est un néologisme anglais, composé du préfixe bio- (au sens de : d'origine végétale) et du terme char, qui désigne en anglais la fraction solide résultant de la carbonisation de biomasse. Une traduction possible en français serait « charbon à usage agricole », bien que le terme « charbon » désigne plutôt le combustible. Une appellation moins courante mais moins ambiguë est celle d'agrichar : l'idée est qu'il s'agit de « carbone issu de la biomasse » utilisé pour améliorer ou restaurer les sols, que ce carbone provienne de bois ou d'autres matières organiques.
L'expression biocharbon, parfois employée comme équivalent de biochar, est impropre. En effet, la quasi-totalité des charbons, y compris ceux fossiles, ont une origine biologique.
Points communs et différences avec le charbon de bois Le biochar a des points communs avec le charbon de bois (grande surface spécifique, micro et nano porosité complexes), mais il s'en différentie par sa composition de surface variable et par le fait qu'il ne contient pas de HAP (Hydrocarbures aromatiques polycycliques, classés dans la liste des polluants prioritaires par l'agence de protection de l'environnement des États-Unis) ; il peut même contribuer à dépolluer les sols ou des boues d'épuration pollués par des HAP librement dissous, mais un biochar non-activé le fait nettement moins efficacement que ne le fait le charbon de bois non activé (qui est par ailleurs moins coûteux). Il se différencie aussi du charbon de bois par son utilisation (comme intrant plutôt que comme combustible) et donc par son impact environnemental (non polluant, il agit comme un puits de carbone plutôt que de libérer du dans l'atmosphère lors de la combustion).
Histoire
À la fin du , des pédologues, archéologues et écologues ont étudié un type de sol particulier, très noir et riche, trouvé en Amazonie et dit Amazonian dark earth ou terra preta de índio.
Ils ont découvert que ce sol n'était pas naturel mais transformé par l'homme entre -800 et 500 . Les Amérindiens de l'époque précolombienne auraient en effet utilisé (sciemment ou non, la question reste débattue) l'enrichissement du sol en charbon de bois pour améliorer sa stabilité et sa fertilitéLehmann J, Campos CV, Macedo JLV, German L (2004) Sequential fractionation and sources of P in Amazonian Dark Earths. In: Glaser B, Woods WI (eds) Amazonian Dark Earths: exploration in time and space. Springer Verlag, Berlin, p. 113–123Lima HN, Schaefer CER, Mello JWV, Gilkes RJ, Ker JC (2002) Pedogenesis and pre-Colombian land use of “Terra Preta Anthrosols” (“Indian black earth”) of Western Amazonia. Geoderma 110:1–17 Zech W, Haumaier L, HempXing R (1990) Ecological aspects of soil organic matter in the tropical land use. In: McCarthy P, Clapp C, Malcolm RL, Bloom PR (eds) Humic substances in soil and crop sciences: selected readings. American Society of Agronomy, Madison, p. 187–202. Divers auteurs ont montré qu'intégrer du charbon de bois dans des sols tropicaux fortement érodés ou érodables améliorait significativement leurs propriétés physiques, chimiques et biologiques.
L'analyse moléculaire des restes de charbon du sol laisse penser que si une partie du carbone provenait du bois brûlé lors du défrichement, une autre partie, significativement mieux représentée en profondeur, provenait de la combustion incomplète de déchets agricoles ou de bois dans les foyers domestiquesSolomon D, Lehmann J, Thies J, Schäfer T, Liang B, Kinyangi J, Neves E, Petersen J, Luizão F, Skjemstad J (2007) Molecular signature and sources of biochemical recalcitrance of organic C in Amazonian Dark Earths. Geochimica et Cosmochimica Acta 71:2285-2286..
Lorsqu'ils ont été découverts par les colons européens, ces sols ont été appelés terra preta de índio.
Depuis quelques années, le biochar est à nouveau utilisé pour améliorer des sols agricoles dans divers pays tropicaux. Les techniques modernes permettent de produire ce charbon en utilisant certaines formes de pyrolyse, chauffant la biomasse à relativement haute température en l'absence d'oxygène dans des fours spéciaux.
Principaux usages
Amendement Destiné à restaurer ou améliorer les sols, le biochar, en tant qu'amendement, est alors intégré, sous forme de poudre ou de petits fragments, dans des sols de pépinière, de forêt, agricoles, de jardin ou horticoles (pots de fleur), dans le but d'améliorer les propriétés pédologiques (physiques, chimiques, biologiques) du substrat. Le biochar est étudié et recommandé par un nombre croissant d'auteurs pour améliorer et stabiliser les sols tropicaux, naturellement acides et pauvres, donc fragiles, qui ont été fortement dégradés par l'agriculture et/ou la déforestation, et sont actuellement érodés ou menacés par l'érosion.
Fixation du carbone dans les sols Le biochar, en tant que produit riche en carbone, stable et durable, dopant la vie du sol, a aussi une fonction d'amorçage de puits de carbone, ce qui explique qu'il suscite un intérêt croissant dans le contexte des préoccupations concernant l'actuel réchauffement climatique, anthropique. Il pourrait être une des solutions immédiates à l'impact globalement négatif des activités agricoles, car l'agriculture, si elle n'utilise que peu de carbone fossile sous la forme de carburants (environ 1 % de la consommation totale en France, à titre d'exemple), est fortement émettrice de gaz à effet de serre (18 % du total environ en France), et le travail du sol a dégradé le puits de carbone que constitue l'humus. De plus, une grande partie des palmiers à huile, du soja et des agrocarburants ont été cultivés depuis la fin du siècle en détruisant les forêts tropicales (par le feu le plus souvent, c'est-à-dire en libérant le carbone stocké dans la biomasse ligneuse), en dégradant les sols protégés et enrichis en carbone par la forêt. Le biochar, en favorisant l'humus, permet de restaurer la capacité des sols à stocker une partie du carbone produit par les biomasses végétales, fongique et animale.
Substitut du charbon et du charbon actif dans la filtration et la dépollution de sols L'introduction de biochar dans un sol améliore aussi la qualité de l'eau qui y circule. Il joue le rôle d'adsorbant, fonction d'habitude laissée au charbon actif, et pourrait ainsi accroître la productivité des cours d'eau et des zones humides, en améliorant la ressource halieutique et en favorisant le retour d'un bon état écologique des masses d'eau superficielles et souterraines.
Un biochar magnétique (récupérable par des aimants, car enrichi en magnétite ...laquelle s'avère aussi avoir un potentiel catalytique favorisant une dégradation des PFAS via certains processus d’oxydation avancée) est testé (2025) pour dépolluer les PFAS de sols contaminés (après lessivage du sol).
Alternative au charbon de bois minier Certains espèrent que la production de biochar pourra réduire la pression sur les dernières forêts anciennesLaird DA (2008) The charcoal vision: a win–win–win scenario for simultaneously producing bioenergy, permanently sequestering carbon, while improving soil and water quality. Agronomy Journal 100: 178-181..
Diminution de la bioaccumulation de métaux lourds dans les plantes Le biochar a récemment été étudié en vue d'évaluer sa capacité à fixer de nombreux contaminants dans le sol (métaux lourds, métalloïdes, radionucléides et divers polluants issus de la chimie organique)., afin d'éviter la contamination de la chaine trophique. Les résultats sont encourageants, même s'il faut effectuer régulièrement des amendements pour pallier sa minéralisation (minéralisation qui entraînerait une remise en biodisponibilité de métaux lourds) .
On a comparé les effets (seuls et combinés) d'apports de compost de déchets verts et d'un amendement au biochar sur un sol minier hautement pollué par du cuivre (Cu) et du plomb (Pb) [respectivement ou ] dans le Cheshire (Royaume-Uni). Ces deux amendements montrent un effet, mais différents sur la mobilité et l'absorption de ces deux polluants dans l'ivraie (Lolium perenne L. var. Cadix). L'apport de compost réduit mieux (< 5 ) que le biochar le taux de Pb dans l'eau interstitielle du sol (> avant traitement) , tandis que le biochar se montre plus efficace pour diminuer le taux de Cu dans l'eau interstitielle. Un amendement fait diminuer le taux de Cu et de Pb des pousses de ray-grass au fur et à mesure des récoltes successives. Le compost de déchets verts seul, et additionné de biochar, améliore nettement les rendements en biomasse. Le taux de Pb des pousses de plantes testées n'a été significativement réduit que par l'amendement au compost. Avec le biochar la biomasse de ray-grass récoltée est faible, ce qui in fine limite la quantités de Cu récoltable. Les effets de ces amendements sont donc complexes et peuvent s'opposer selon le métal concerné et le fait qu'ils soient utilisés seuls ou ensemble. Dans certaines conditions l'effet de réduction de la concentration de métal dans le tissu végétal peut être « contré » ou limité par une augmentation de la biomasse et donc de la biodisponibilité du métal.
Bénéfices pour les sols, pollués ou non, et pour les sédiments pollués Des expériences scientifiques récentesSteiner C, Teixeira WG, Lehmann J, Nehls T, Vasconcelos de Macêdo JL, Blum WEH, Zech W (2007) Long term effects of manure, charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland soil. 291: 275-290. laissent penser que le biochar (surtout s'il est associé à un apport de matière organique) peut contribuer à restaurer de nombreux types de sols tropicaux, même très acides et très altérés. Il pourrait ainsi jouer un rôle dans la restauration des forêts tropicales, mais aussi un rôle agronomique. Plutôt qu'un amendement (car il est très pauvre en nutriments), le biochar se comporterait comme un (re)structurateur du sol et peut-être comme un catalyseur, via des mécanismes d'action encore mal compris. Le taux de matière organique joue un rôle important dans la stabilité et la fertilité des sols, notamment pour ceux fortement exposés aux pluies tropicalesTiessen H, Cuevas E, Chacon P (1994) The role of soil organic matter in sustaining soil fertility. Nature 371:783–785.. Il semble par exemple pouvoir améliorer les cultures de céréales, épeautre notammentMiller S.L (2017) Using ancient practices to fix modern problems: The effect of biochar on einkorn wheat and soil quality.Senior Honors Projects, 2010-current. 293. https://commons.lib.jmu.edu/honors201019.
Le biochar est surtout efficace sur des sols pauvres comme ceux qu'on trouve en climat tropical pour lesquels il peut augmenter les rendements jusqu'à 25% mais avec des climats tempérés comme on trouve en Europe les gains sont plus faibles voir inexistants.