Nilai kesetaraan kapur pada 19 produk biochar yang terbuat dari bungkil biji kapas yang dihilangkan lemaknya, serasah unggas, dan sumber kayu untuk penilaian kualitas

Abstrak
Kesetaraan kapur, dinyatakan dalam setara kalsium karbonat (CCE), merupakan parameter kualitas penting dari biochar sebagai amandemen tanah. Pekerjaan ini mengukur nilai CCE dan parameter fisikokimia yang relevan dari tujuh bungkil biji kapas yang dihilangkan lemaknya, tujuh serasah unggas, dan lima produk biochar berbasis kayu. CCE dari 19 sampel biochar mencakup rentang nilai yang luas dari 2,75 hingga 128,0 g CaCO3 kg −1 . Lebih lanjut, kesetaraan kapur menunjukkan signifikansi ( p < 0,05) dengan parameter pH, tetapi tidak ( p > 0,05) dengan kandungan organik, kadar abu, konduktivitas listrik, dan jumlah kation basa terlarut. Karena produk biochar dengan kesetaraan kapur yang lebih besar memiliki kelebihan untuk secara substansial mengurangi keasaman tanah dan meningkatkan kesuburan tanah, informasi yang diperoleh dari penelitian ini akan menjelaskan optimalisasi dan penilaian produk biochar untuk memperbaiki tanah yang sangat asam melalui netralisasi asam tanah secara efisien, peningkatan pH tanah, dan peningkatan kesehatan dan produktivitas tanah.

Ide Inti

Abstrak Grafis

Ringkasan Bahasa Sederhana
Kesetaraan kapur merupakan karakteristik utama untuk mengevaluasi kualitas biochar sebagai amandemen tanah. Pekerjaan ini menentukan nilai kesetaraan kapur, dinyatakan dalam setara kalsium karbonat, dari 19 produk biochar yang berasal dari berbagai bahan baku dengan kondisi pirolisis yang berbeda, dan menganalisis korelasinya dengan parameter fisikokimia yang relevan (yaitu, pH, kandungan bahan organik, kandungan abu mineral, dan kation basa terlarut). Secara khusus, pekerjaan ini menilai kapasitas penetralan asam dari produk biochar dan menentukan faktor-faktor yang memengaruhi potensinya untuk berfungsi sebagai bahan pengapuran tanah yang andal. Dengan demikian, informasi yang diperoleh dari pekerjaan ini akan menjelaskan tentang optimalisasi dan penilaian produk biochar untuk memperbaiki tanah yang sangat asam dengan menetralkan asam tanah secara efisien, meningkatkan pH tanah, dan meningkatkan kesehatan dan produktivitas tanah.

Singkatan
Bahasa Inggris CCE
setara kalsium karbonat
Bahasa Indonesia: CSM
Bungkil biji kapas
EC
konduktivitas listrik
Bahasa Inggris
karbon organik
Bahasa Inggris
kotoran unggas
1. PENDAHULUAN
Biochar telah terbukti sebagai amandemen organik yang menjanjikan untuk meningkatkan kesehatan tanah, memfasilitasi remediasi, dan mendorong pertumbuhan tanaman (Guo et al., 2016 ; Tao et al., 2024 ). Ketika diterapkan dengan tepat, biochar berpotensi memperbaiki tanah dalam berbagai kondisi fisik, kimia, dan biologis (Guo, 2020 ; Kumar et al., 2025 ). Salah satu mekanisme nyata yang melaluinya biochar berfungsi untuk meningkatkan kesehatan tanah adalah dengan mengurangi keasaman tanah dan meningkatkan fitoavailabilitas nutrisi tanah. Fungsi pengapuran ini tampaknya disebabkan oleh fakta bahwa sebagian besar produk biochar bersifat basa, menunjukkan tingkat pH dalam kisaran 7,5–11,5 (Guo, 2020 ; Ippolito et al., 2020 ; Olego et al., 2021 ).

Alkalinitas biochar terutama berasal dari komponen abu mineral inherennya, khususnya karbonat dan bikarbonat yang terbentuk dari unsur logam alkali dan alkali tanah (Na, K, Ca, dan Mg) dalam bahan baku selama perlakuan karbonisasi termokimia (Ahmad et al., 2014 ). Mengubah lempung berpasir yang terkontaminasi logam berat dengan biochar yang berasal dari jerami Miscanthus (pH 10,2) pada 5% berat menaikkan pH tanah dari 5,6 menjadi 6,2 dan meningkatkan biomassa kering di atas tanah dari rapeseed ( Brassica napus L.) dari 0 menjadi 419 mg tanaman -1 dalam uji coba pot rumah kaca 12 minggu (Houben et al., 2013 ).

Banyak senyawa asam organik terbentuk selama pemrosesan termokimia biomassa (Vamvuka, 2011 ; Xiao, 2014 ). Karena produk biochar sangat bervariasi dalam kandungan dan komposisi abu mineral dan residu asam organik potensial mungkin tidak larut dalam air, tidaklah layak untuk memperkirakan kapasitas penetral asam atau kesetaraan kapur dari produk biochar hanya dari tingkat pH yang diukur. Karena alasan ini, Inisiatif Biochar Internasional merekomendasikan kesetaraan kapur sebagai karakteristik utama bersama dengan pH dan parameter lain untuk mengevaluasi kualitas biochar sebagai amandemen tanah (IBI, 2015) ).

Oleh karena itu, dalam penelitian ini, kami menentukan nilai kesetaraan kapur, dinyatakan dalam setara kalsium karbonat (CCE), dari 19 produk biochar yang berasal dari berbagai bahan baku dengan suhu pirolisis yang berbeda, dan menganalisis korelasinya dengan parameter fisikokimia yang relevan (yaitu, pH, kandungan bahan organik, kandungan abu mineral, dan kation basa terlarut [BCs]). Tujuan kami adalah untuk (1) menilai kapasitas penetral asam dari produk biochar dan (2) menentukan faktor-faktor yang memengaruhi potensinya untuk berfungsi sebagai bahan pengapuran tanah yang andal.

2 BAHAN DAN METODE
Bungkil biji kapas yang dihilangkan lemaknya (CSM) dan serasah unggas (PL) digunakan untuk menyiapkan 14 produk biochar yang dibuat khusus melalui pirolisis lambat dalam tungku muffle pada suhu yang berbeda hingga 600°C (Guo et al., 2012 ) seperti yang tercantum dalam Tabel 1. Informasi pirolitik spesifik tentang persiapan kedua jenis biochar dapat ditemukan di Song dan Guo ( 2012 ) dan He et al . Selain itu, lima produk biochar yang berasal dari bahan berkayu (tempurung kelapa dan kayu keras dan lunak) diperoleh dari sumber komersial dan digunakan dalam penelitian ini sebagai kontrol positif untuk perbandingan.

Catatan : Data disajikan sebagai rata-rata pengukuran rangkap tiga. Koefisien variasi pengukuran (CV) kurang dari 2%. Angka dalam sampel biochar dari seri serasah unggas (PL) dan bungkil biji kapas yang dihilangkan lemaknya (CSM) menunjukkan suhu pirolisis yang diterapkan untuk persiapan biochar. Lima sampel biochar lainnya masing-masing dibuat dari tempurung kelapa (Coco), kayu keras (MOH), kayu lunak (MOS), dan jenis kayu yang tidak ditentukan (OR, PA).
setara dengan kalsium karbonat.
b Kandungan karbon organik.
c Konduktivitas listrik.
d Jumlah kation basa terlarut.

Produk biochar diolah terlebih dahulu dengan pengeringan udara dan penggilingan untuk lolos saringan 0,85 mm. Kesetaraan kapur dari biochar ditentukan mengikuti metode titrimetri ASTM C25-99 (ASTM, 1999 ). Secara singkat, 2,0 g sampel biochar yang telah diolah terlebih dahulu ditimbang ke dalam labu kaca 250 mL, diikuti dengan pemipetan 25,00 mL larutan HCl 1,0 M. Labu dipanaskan di atas hot plate dengan pengadukan manual sesekali hingga hampir mendidih. Selanjutnya, 100,00 mL air deionisasi ditambahkan dan labu dipanaskan lebih lanjut hingga mendidih selama 1 menit. Setelah didinginkan hingga suhu kamar, campuran disentrifugasi pada 6240 × g selama 20 menit dan supernatan disaring vakum melalui membran serat kaca 0,45-µm. Tepatnya 50,00 mL filtrat dipindahkan ke dalam gelas kimia 100 mL dan dititrasi dengan NaOH 1,0 M yang baru distandarisasi hingga mencapai titik akhir menggunakan fenolftalein sebagai indikator. Prosedur blangko tanpa penambahan biochar disertakan. Perbedaan konsumsi NaOH antara prosedur blangko dan sampel yang dititrasi hingga mencapai titik akhir digunakan dalam perhitungan nilai CCE biochar.

Selain itu, pH, kandungan organik, kandungan abu mineral, dan BC terlarut juga diukur sebagai karakteristik fisikokimia kunci yang relevan dari sampel biochar (He et al., 2016 ). Total kandungan karbon organik (OC) dari sampel ditentukan dengan pembakaran kering menggunakan penganalisa Shimadzu 5000A TC/TN yang dilengkapi dengan modul pengambilan sampel padat SSM-5000A (Shimadzu). Kandungan abu mineral diukur setelah membakar sampel material dalam tungku muffle hingga berat konstan pada 750°C, mengikuti standar ASTM D1762-84 (ASTM, 1990 ). pH dan konduktivitas listrik (EC) dianalisis dalam bubur padat/air 1:10 w/w setelah ekstraksi teraduk selama 2 jam menggunakan elektroda kombinasi pH/ATC Accumet 3-in-1 (Fisher Scientific) dan probe konduktivitas CON510 (Oakton Instruments). Konsentrasi Na + , K + , Ca 2+ , dan Mg 2+ terlarut dalam ekstrak 1:50 (biochar/air) ditentukan oleh sistem HPLC/IC Shimadzu Prominence 20 yang dilengkapi dengan detektor konduktivitas dan kolom kation Shodex IC YS-50 (Shimadzu). Total kandungan BC terlarut dihitung dengan menjumlahkan kandungan ekivalen atau normalitas Na + , K + , Ca 2+ , dan Mg 2+ terlarut dalam biochar dan dinyatakan dalam mmol C kg −1 .

3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Kesetaraan kapur yang diukur sebagai CCE dan sifat fisikokimia fundamental lainnya dari 19 sampel tercantum dalam Tabel 1. CCE mencakup rentang nilai yang luas dari 2,75 hingga 128,0 g CaCO3 kg − 1 . Kesetaraan kapur dari biochar turunan CSM meningkat pada awalnya saat suhu pirolisis meningkat. Puncaknya pada 450°C dan kemudian menurun secara bertahap saat suhu pirolisis dinaikkan lebih lanjut hingga 600°C. CSM mengandung P, Ca, dan Mg masing-masing pada 12,7, 2,3, dan 6,2 g kg −1 (He et al., 2021 ). Dalam CSM, P sebagian besar ada dalam bentuk organik, yang sangat berbeda dari bentuk anorganik utama P yang terdeteksi dalam PL (Guo et al., 2024 ). Pada suhu yang lebih tinggi (misalnya, > 450°C), P organik yang ada dalam CSM diubah menjadi ortofosfat yang kemudian bereaksi dengan Ca dan Mg untuk menghasilkan mineral fosfat yang membandel (Guo et al., 2024 ). Hal ini selanjutnya mengurangi produksi karbonat yang tidak larut dalam air yang memberikan potensi alkalinitas.

Demikian pula, kesetaraan kapur dari biochar yang berasal dari PL meningkat secara stabil ketika suhu pirolisis dinaikkan dalam kisaran 300–600°C (Tabel 1 ). Biochar PL600 memiliki pH tertinggi pada 11,5, namun nilai CCE-nya (86,7 g CaCO3 kg − 1 ) kira-kira dua pertiga dari biochar yang berasal dari kayu keras (MOH). Umpan PL dalam penelitian ini memiliki kandungan P, Ca, dan Mg masing-masing pada 15,1, 43,0, dan 11,1 g kg −1 (Song & Guo, 2012 ). Selama pirolisis, telah ditunjukkan bahwa Ca dan Mg bereaksi lebih baik dengan fosfat (PO43− ) daripada karbonat (CO32− ) untuk membentuk mineral fosfat yang tidak larut dalam air (misalnya, hidroksiapatit dan oksiapatit) (Li et al., 2018 ). Dengan demikian, potensi alkalinitas biochar yang berasal dari PL mungkin sangat terganggu karena pembentukan CaCO3 dan MgCO3 yang lebih sedikit. nilai CCE produk pirogenik yang relatif rendah.

Dalam produk biochar berkayu, biochar Coco bersifat asam (pH 6,0, Tabel 1 ), yang menunjukkan keberadaan asam organik yang larut dalam air yang mungkin berasal dari pirolisis produksi biochar yang tidak lengkap. Meskipun demikian, nilai CCE yang diukur positif (2,75 g CaCO3 kg −1 , Tabel 1 ), yang menunjukkan alkalinitas yang nyata. Karena indeks pH hanya mengaktifkan keasaman atau alkalinitas (yang ditimbulkan oleh komponen asam atau basa yang larut dalam air), sementara CCE juga mengukur potensi alkalinitas (yang disebabkan oleh mineral alkali yang tidak larut tetapi dapat dititrasi seperti CaCO3 dan MgCO3 ) , nilai CCE positif menunjukkan keberadaan garam alkali dengan kelarutan rendah dalam biochar Coco. Demikian pula, biochar MOS dengan pH 7,2 menunjukkan nilai CCE yang sedikit lebih besar (5,51 g CaCO3 kg −1 ) . Biochar MOH yang berasal dari kayu keras (pH 9,5) menunjukkan nilai CCE tertinggi (128,0 g CaCO3 kg − 1 ), lebih tinggi daripada biochar OR dengan pH 10,2 (CCE 36,7 g CaCO3 kg − 1 ). Sementara mekanismenya tidak jelas, kami berhipotesis bahwa biochar MOH memasukkan lebih banyak konstituen alkali yang tidak larut dalam air dalam abu mineral dibandingkan dengan OR, atau OR mengandung lebih banyak asam organik sisa yang tidak larut dalam air dari operasi produksi biochar. Mengikuti metode titrasi tanpa pemanasan dan perebusan, Berek dan Hue (Berek & Hue, 2016 ) melaporkan CCE dari tujuh biochar yang berasal dari kayu (pH 4,2–10,4) menjadi 50–286 g CaCO3 kg − 1 .

Ke-19 produk biochar mengandung 253–838 g kg −1 OC dan 37–608 g kg −1 mineral abu (Tabel 1 ). Nilai-nilai ini berada dalam rentang literatur yang dilaporkan untuk banyak produk biochar pada 120–939 g OC kg −1 (rata-rata 600 g OC kg −1 ) dan 11–820 g abu kg −1 (rata-rata 244 g abu kg −1 ), masing-masing (Guo et al., 2020 ). Perlu dicatat bahwa tidak semua kandungan OC dalam biochar stabil atau tahan terhadap mineralisasi biokimia di tanah ladang (Singh et al., 2012 ). Untuk berfungsi sebagai amandemen tanah jangka panjang dan meningkatkan penyerapan C tanah, produk biochar yang diinginkan adalah produk yang memiliki sebagian besar OC stabil untuk menghasilkan waktu tinggal rata-rata biochar lebih dari 100 tahun di lapangan (Wang et al., 2016 ). Ini memerlukan rasio molar H/OC biochar menjadi < 0,7 dan rasio molar O/OC < 0,4 (Joseph et al., 2019 ). Biochar turunan PL yang digunakan dalam penelitian ini memiliki 37 hingga 86% OC yang dianggap stabil, terutama pada suhu pirolisis 500°C dan di atasnya (Song & Guo, 2012) . ). Delapan belas dari 19 produk biochar pada dasarnya bersifat basa, menunjukkan pH dalam bubur air dalam kisaran 7,2–11,5 (Tabel 1 ), kecuali untuk biochar buatan pertanian yang berasal dari tempurung kelapa (Coco; pH 6,0). pH rendah dari biochar Coco buatan pertanian mungkin merupakan hasil dari pirolisis yang tidak lengkap akibat waktu karbonisasi umpan yang tidak memadai dalam pirolisis (Mobarak et al., 2024 ). Windeatt et al. ( 2014 ) melaporkan pH 8,5 untuk biochar tempurung kelapa yang diproduksi pada suhu 600 °C selama 1 jam. pH biochar berbasis CSM meningkat dari 9,1 menjadi 10,4 saat suhu pirolisis dinaikkan dari 300 °C ke 450 °C; kenaikan lebih lanjut dari suhu pirolisis memiliki sedikit pengaruh pada pH. Tren pH serupa sebesar 7,2, 8,6, 10,0, dan 9,8 dilaporkan dengan biochar yang dihasilkan oleh pirolisis lambat batang jagung pada suhu 300°C, 400°C, 500°C, dan 600°C, masing-masing (Liu et al., 2018 ). Sebagai indikasi kolektif garam yang larut dalam air, terutama klorida, sulfat, karbonat, dan bikarbonat, kadar EC bervariasi dari 0,178 hingga 15,5 dS m −1 . Total kation basa terlarut (ΣBC) dalam biochar berkisar antara 31 dan 1619 mmol C kg −1 , dengan biochar berbasis PL menunjukkan nilai yang jauh lebih tinggi (>1200 mmol C kg −1 ) dibandingkan dengan biochar yang berasal dari residu kayu dan tanaman (<185 mmol C kg −1 ).

Kesetaraan kapur dari biochar menunjukkan korelasi yang sedikit signifikan ( r = 0,55, p < 0,05) dengan parameter pH hanya di antara lima parameter fisikokimia (Tabel 2 ). Memang, pH berkorelasi secara signifikan (positif atau negatif) dengan semua lima parameter lainnya yang diukur dalam pekerjaan ini. Di sisi lain, jumlah BC dalam biochar berkorelasi sangat signifikan dengan tingkat EC dan kadar abu ( r > 0,98), sementara OC dan kadar abu berkorelasi secara signifikan satu sama lain. Lebih jauh, OC dan kadar abu keduanya berkorelasi secara signifikan dengan tiga parameter lainnya. Ini karena OC biochar sebagian besar ditentukan oleh komposisi bahan organik dan berbanding terbalik dengan kadar abu mineral dari bahan baku (Cagnon et al., 2009 ).

Singkatan: CCE, setara kalsium karbonat; EC, konduktivitas listrik; OC, karbon organik.
*, **, dan *** menunjukkan korelasi signifikan antara kedua parameter pada p ≤ 0,05, 0,01, dan 0,001, masing-masing ( n = 19).

Singkatnya, nilai CCE dari 19 biochar dipengaruhi terutama oleh bahan baku dan kondisi karbonisasi, khususnya suhu dan durasi. Karakteristik umum, termasuk pH, EC, kadar abu mineral, dan BC terlarut, tidak dapat secara efektif mengindeks kesetaraan kapur dan memperkirakan kapasitas penetral asam dari biochar sebagai amandemen tanah. Ini karena potensi alkalinitas dari komponen yang tidak larut dalam air, seperti dari tingkat Si dan P yang tinggi dalam bahan baku, dapat memainkan beberapa peran dalam mengendalikan kesetaraan kapur dari biochar. Uji coba inkubasi tanah lab di masa mendatang dapat diterapkan untuk memvalidasi efektivitas produk biochar dengan pH tinggi (misalnya, >9,0) dan nilai CCE tinggi (misalnya, >50 g CaCO3 kg −1 ) secara bersamaan untuk mengurangi keasaman tanah dengan menunjukkan bukti kenaikan pH tanah dari amandemen biochar.