Engineered Biochars Enhances Carbon Dioxide Adsorption while Augmenting Soil Carbon Storage and Crop Yields in Semi-Arid Nigeria

Résumé Technique : Biochars Manufacturés pour la Séquestration du Carbone et le Rendement des Cultures en Zone Semi-Aride au Nigeria

Énoncé du Problème
Le réchauffement climatique, piloté par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre, nécessite des stratégies de gestion du carbone évolutives. Dans les régions semi-arides comme la savane soudanienne du Nigeria, l'agriculture intensive et les pratiques agricoles non durables ont épuisé le carbone organique du sol, créant une « dette carbone » qui menace la santé des sols et la productivité des cultures. Bien que le biochar soit apparu comme un outil prometteur pour la séquestration du carbone dans les sols, le biochar non traité possède souvent une capacité limitée d'adsorption du carbone. De plus, la recherche existante sur les biochars modifiés s'est largement limitée à l'adsorption de CO₂ atmosphérique à l'échelle du laboratoire, manquant de validation à l'échelle du champ concernant la séquestration du carbone dans le sol et la réduction de l'efflux de CO₂ du sol. Il existe une lacune critique dans la compréhension de la manière dont les biochars modifiés par des métaux se comportent dans les sols agricoles semi-arides, spécifiquement concernant leur capacité à améliorer le stockage du carbone, à réduire les émissions de CO₂ du sol et à améliorer les rendements des cultures, tout en évaluant simultanément la sécurité environnementale des modifications métalliques.

Méthodologie
Cette étude a examiné la production, la modification métallique et l'application sur le terrain de biochars dérivés de balles de riz et de sciure de bois dans un environnement semi-aride à Kano, au Nigeria.

• Production de Biochar : Les matières premières ont été soumises à une pyrolyse lente à 750–800 °C pendant 2 heures sous conditions anaérobies.
• Ingénierie : Les biochars résultants ont été imprégnés de Magnésium (Mg) et d'Aluminium (Al) en utilisant des sels de nitrate pour atteindre une charge métallique de 5 % en poids. Le processus a impliqué un mélange en suspension, un ajustement du pH à 10 et un séchage.
• Caractérisation : Les biochars ont été analysés pour leur composition élémentaire, leur analyse de proximité, leur surface spécifique, leur porosité (via BET) et leur structure minéralogique (XRD, FTIR, SEM).
• Tests d'Adsorption : La capacité d'adsorption du CO₂ a été mesurée par analyse thermogravimétrique (TGA) à 30, 40 et 50 °C. La cinétique d'adsorption a été modélisée selon les modèles de pseudo-premier ordre, de pseudo-second ordre et d'Avrami. La régénérabilité a été testée sur cinq cycles d'adsorption-désorption.
• Essais au Champ : Un dispositif en blocs de split-plot avec trois répétitions a été mené sur deux saisons de croissance en utilisant l'arachide (Arachis hypogaea) comme culture test. Les traitements comprenaient du biochar non modifié, du biochar modifié au Mg et du biochar modifié à l'Al, appliqués à raison de 10 t ha⁻¹.
• Mesures du Sol et des Flux : Des échantillons de sol ont été collectés avant la plantation, après la récolte de l'année 1 et après la récolte de l'année 2 pour mesurer les changements de stocks de carbone. L'efflux de CO₂ du sol a été surveillé à l'aide d'un système d'analyse infrarouge des gaz (CIRAS-2).

Résultats Clés

• Propriétés des Matériaux : L'imprégnation métallique a augmenté de manière significative la surface spécifique et la microporosité des biochars. Les analyses XRD et FTIR ont confirmé l'incorporation réussie de MgO et d'Al₂O₃. Les biochars modifiés au Mg ont présenté des bandes de carbonates distinctes, indiquant des sites de chimisorption forts, tandis que les biochars modifiés à l'Al ont montré des bandes Al–O.
• Adsorption du CO₂ : Les biochars manufacturés ont démontré des capacités d'adsorption de CO₂ nettement supérieures aux témoins non modifiés. Le biochar modifié au Mg a atteint la capacité la plus élevée (83 mg g⁻¹ à 30 °C), contre 63 mg g⁻¹ pour le biochar non modifié. La capacité d'adsorption a diminué à mesure que la température augmentait.
• Cinétique et Stabilité : Le modèle cinétique d'Avrami a fourni le meilleur ajustement (R² > 0,99), indiquant des mécanismes mixtes de physisorption-chimisorption. Les biochars manufacturés ont maintenu une capacité d'adsorption élevée sur cinq cycles de régénération avec une baisse de performance inférieure à 5 %.
• Séquestration du Carbone dans le Sol : Les essais au champ ont montré des augmentations substantielles du carbone total du sol. Le biochar modifié au Mg a systématiquement surpassé le biochar modifié à l'Al et le traitement témoin. Le taux d'application de 10 t ha⁻¹ a entraîné des gains de carbone immédiats, portés par l'ajout direct de carbone pyrogénique et la formation de carbonates inorganiques secondaires. Les taux de séquestration les plus élevés sont survenus lors de la première saison de croissance.
• Efflux de CO₂ du Sol : Bien qu'un effet d'amorçage initial ait été observé, les biochars manufacturés, particulièrement ceux de type modifié au Mg, ont conduit à une réduction nette de l'efflux de CO₂ du sol au cours des saisons de croissance par rapport aux témoins.
• Impact Agronomique : Les rendements d'arachide ont augmenté de 33 à 47 % avec l'application de biochar, grâce à l'amélioration de la structure du sol, de la rétention d'eau et du cycle des nutriments.
• Sécurité Environnementale : Une évaluation critique de la sécurité a révélé que les biochars modifiés à l'Al posent des risques potentiels de biotoxicité dans les sols acides ou semi-arides en raison de la mobilisation potentielle des ions Al³⁺, qui peuvent inhiber la croissance racinaire et perturber les communautés microbiennes. En revanche, les biochars modifiés au Mg offrent un effet chaulage et présentent un profil écologique plus sûr.

Signification et Revendications
L'article affirme que le biochar modifié au Mg représente une stratégie évolutive à double avantage pour l'atténuation du changement climatique et l'agriculture durable. L'étude souligne que :

1. Mécanismes Améliorés : La modification métallique, spécifiquement avec le Magnésium, transforme le biochar en un adsorbant hautement efficace grâce à la création de sites basiques pour la chimisorption du CO₂, dépassant les capacités du biochar non modifié.
2. Validation sur le Terrain : La recherche comble le fossé entre les études d'adsorption en laboratoire et l'application sur le terrain, démontrant que les biochars manufacturés peuvent significativement augmenter le pool de carbone du sol et réduire l'efflux de CO₂ du sol dans des contextes agricoles réels.
3. Compromis de Sécurité : L'étude identifie explicitement un compromis critique dans l'ingénierie du biochar. Bien que les modifications au Mg et à l'Al améliorent toutes deux les performances, le potentiel de toxicité de l'aluminium dans les sols semi-arides fait de la modification au Mg la stratégie agronomique préférée et la seule écologiquement sûre pour l'application à grande échelle.
4. Bénéfices Synergiques : L'approche offre des co-bénéfices pour la fertilité des sols et la sécurité alimentaire, comme en témoigne l'augmentation significative des rendements des cultures d'arachide, positionnant le biochar manufacturé comme une pratique agricole climato-intelligente viable.

Les auteurs concluent que, bien que les gains de carbone observés soient substantiels, ils résultent d'une combinaison d'ajout direct de carbone, de stabilisation de la matière organique native du sol et de formation de carbonates inorganiques. Ils avertissent que les recommandations futures pour les biochars modifiés par des métaux doivent prioriser la sécurité environnementale, en évitant spécifiquement l'aluminium dans les écosystèmes agricoles vulnérables.