Biochar

Lebiocharest unamendementdusolproduit parpyrolysedebiomasse. Il est utilisé enagriculturepour augmenter la qualité des sols, et donc leur productivité ; il est également utilisé pour la dépollution de sols ou sédiments et dans la lutte contre leréchauffement climatiquecomme solution deséquestrationà long terme decarboneatmosphériquedans les sols, notamment dans le cadre de l'initiative4p1000(ou4‰).
Il doit cependant être judicieusement dosé car, au delà d'un certain seuil, ses effets, positifs en petite quantité, peuvent devenir négatifs pour la vie desbactérieset desmicrochampignonsindigènes du substrat.
Le motbiocharest unnéologismeanglais, composé du préfixebio-(au sens de :d'origine végétale) et du début du motcharcoalqui signifiecharbon de bois, c'est-à-dire la partie solide résultant de la pyrolyse d'un combustible solide. Il faut le traduire par :charbon à usage agricole. Une appellation moins courante mais moins ambiguë est celle d'agrichar. L'idée est qu'il s'agit d'un « charbon » utilisé pour améliorer ou restaurer les sols, qu'il soit issu de bois ou de résidus végétaux inexploités.
L'expressionbiocharbon, parfois employée comme équivalent debiochar, est impropre. En effet, la quasi-totalité descharbons, y compris ceux fossiles, ont une origine biologique. De plus,biocharbondésigne plutôt le charbon de bois utilisé comme combustible ou pour d'autres usages.
Le biochar a des points communs avec lecharbon de bois(grandesurface 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 deHAP(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 (commeintrantplutôt que commecombustible) et donc par sonimpact environnemental(non polluant, il agit comme unpuits de carboneplutôt que de libérer duCO2dans l'atmosphère lors de la combustion).
À la fin duXXsiècle, despédologues,archéologuesetécologuesont étudié un type de sol particulier, très noir et riche, trouvé enAmazonieet ditAmazonian dark earthouterra pretade índio.
Ils ont découvert que ce sol n'était pas naturel mais transformé par l'homme entre -800 et 500 — raison pour laquelle on le qualifie parfois d'anthrosol. LesAmérindiensde l'époqueprécolombienneauraient en effet utilisé (sciemment ou non, la question reste débattue) l'enrichissement du sol en charbon de bois pour améliorer sa stabilité et sa fertilité. Divers auteurs ont montré qu'intégrer du charbon de bois dans des sols tropicaux fortementérodésou 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 domestiques.
Lorsqu'ils ont été découverts par les colons européens, ces sols ont été appelésterra pretade 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 depyrolyse, chauffant la biomasse à relativement haute température en l'absence d'oxygènedans des fours spéciaux.
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 depépinière, deforêt,agricoles, dejardinouhorticoles(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.
Le biochar, en tant que produit riche en carbone, stable et durable, dopant la vie du sol, a aussi une fonction d'amorçage depuits de carbone, ce qui explique qu'il suscite un intérêt croissant dans le contexte des préoccupations concernant l'actuelréchauffement 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 duXXsiècle 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.
L'introduction de biochar dans un sol améliore aussi laqualité de l'eauqui y circule. Il joue le rôle d'adsorbant, fonction d'habitude laissée aucharbon actif, et pourrait ainsi accroître laproductivitédes cours d'eau et deszones humides, en améliorant la ressource halieutique et en favorisant le retour d'unbon état écologiquedes masses d'eau superficielles et souterraines.
Certains espèrent que la production de biochar pourra réduire la pression sur les dernièresforêts anciennes.
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 lachaine trophique. Les résultats sont encourageants, même s'il faut effectuer régulièrement des amendements pour pallier sa minéralisation (minéralisation qui entraînerait une remise enbiodisponibilitéde métaux lourds).
On a comparé les effets (seuls et combinés) d'apports decompostdedéchets vertset d'unamendementau biochar sur unsol minierhautement pollué par ducuivre(Cu) et duplomb(Pb) [respectivement 600 et 21 000mg/kgouppm] dans leCheshire(Royaume-Uni). Ces deux amendements montrent un effet, mais différents sur la mobilité  et l'absorption de ces deuxpolluantsdans l'ivraie (Lolium perenneL. var.Cadix). L'apport de compost réduit mieux (< 5mg/l) que le biochar le taux de Pb dans l'eau interstitielledu sol  (>80mg/lavant traitement) , tandis mais le biochar se montre plus efficace pour diminuer le taux de Cu dans l'eau interstitielle. Un amendementbiochar + compostfait diminuer le taux de Cu et de Pb des pousses deray-grassau fur et à mesure des récoltes successives. Le compost de déchets verts seul, et additionné de biochar, améliore nettement les rendements enbiomasse. Le taux de Pb des pousses de plante 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 ensembles. Dans certaines conditions l'effet de réduction de la concentration de métal dans le tissus végétal peut être « contré » ou limité par une augmentation de la biomasse et donc de la biodisponibilité du métal.
Des expériences scientifiques récenteslaissent 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 trèsacideset 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)structurateurdu sol et peut-être comme uncatalyseur, via des mécanismes d'action encore mal compris. Le taux de matière organique joue un rôle important dans la stabilité et lafertilitédes sols, notamment pour ceux fortement exposés aux pluies tropicales. Il semble par exemple pouvoir améliorer les cultures de céréales,épeautrenotamment.
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.
Près deManaus(Brésil), des scientifiquesont récemment testé l'application combinée d'engraisorganiques et de charbon de bois, en différentes proportions, sur des parcelles de sols acides et très altérés, en les comparant à des parcelles témoins. Le charbon de bois utilisé a été produit à partir d'arbres d'une forêt secondaire locale, puis broyé en fragments de 2mmmaximum, incorporés au sol à raison de11tonnesparhectare(soit une dose de 1,1kgde biochar par m), ce qui correspond au taux attendu à la suite d'uneculture sur brûlisdans une forêt secondaire moyenne poussant sur un sol ferralitique de l'Amazonie centrale. Quinze combinaisons d'amendementsont été testées, apportant dans chaque cas une quantité égale de carbone (C), mais avec des proportions différentes defumierdevolaille, decompost, de charbon de bois ou delitière forestière. Ces sols ont ensuite subi quatre cycles de culture de riz (Oryza sativaL.) et de sorgho (Sorghum bicolorL.). L'expérience a démontré qu'on pouvait fortement augmenter les stocks d'éléments nutritifs dans larhizosphère(zone racinaire), tout en réduisant le lessivage des éléments nutritifs du sol et en augmentant la productivité agricole.
Le charbon de bois augmente donc bien lafertilitédu sol, surtout si une autre source de nutriments est ajoutée, mais par un mécanisme encore mal connu. Les auteurs émettent l'hypothèse qu'il contribue à mieux fixer lesnutrimentsajoutés par ailleurs, en les empêchant d'être lessivés (donc perdus) dans les sols soumis à unepluviométrieimportante et par ailleurs pauvres enargile.
Les auteurs concluent donc qu'un apport combiné en matière organique et en biochar pourrait produire un sol imitant les propriétés favorables desterra preta.
Notamment grâce à sa grandesurface spécifiqueet ses capacités à améliorer la vie du sol, le charbon de bois augmente indirectement la rétention d'eau des sols, probablement à la suite de l'enrichissement secondaire des solsmacroporeuxenmatière organique. Tryona montré dès 1948 que l'impact d'apports de charbon de bois sur l'eau disponible de sols forestiers variait selon la texture du sol : seuls les solssableuxvoyaient leur teneur en eau fortement augmentée (plus que doublée). Cet auteur n'observait aucun changement dans les solslimoneux, et les solsargileuxperdaient même un peu de leur capacité à retenir l'eau, vraisemblablement en raison de l'hydrophobicitédu charbon de bois. Les sols à texture grossière (sableuse ou caillouteuse) seraient donc les seuls à profiter des bénéfices hydriques permis par le biochar. Une expérience a par exemple montré que la teneur en eau d'un sol sableux passait de 18 % à plus de 45 % (en volume) à la suite de l'apport de charbon de bois. Comme les sols sableux protégés par le couvert forestier, ces sols sableux enrichis en biochar sont aussi plus résistants à l'érosion. Cependant, si on prélève des sols sableux et qu'on les fait sécher puis qu'on les réhumidifie, ils ne retrouvent pas cette stabilité avant un certain temps (plusieurs mois en général), même artificiellement réhumidifiés. Ceci laisse supposer que les sols superficiels exposés au soleil et à une déshydratation complète pourraient ne pas bénéficier des effets positifs du biochar, au moins en surface.
La fixation microbienne de l'azote (celui capté dans l'air) expliquerait pour partie la conservation de la richesse du sol et celle desionsnitrate(NO3), normalement très lessivables car solubles dans l'eau.
Une disponibilité suffisante en carbone (permise ou restaurée par le biochar) stimulerait l'activité microbienne du sol, et sur une plus grande profondeur, en améliorant par là lecycle de l'azote, avec une moindrelixiviationdes nitrates. Steineret al.(2004) avaient montréque la croissance microbienne était améliorée par ajout deglucosedans un sol enrichi en charbon de bois, sans augmentation du taux de respiration du sol. Ce contraste entre une faible émission de CO2par le sol et un fort potentiel de croissance microbienne est justement l'une des caractéristiques des terres noires amazoniennes outerra preta.
Le biochar grâce à sa grandesurface spécifiquefixe aussi divers toxiques présents dans l'eau du sol, et facilite l'épurationbactériennede l'eau et des gaz du sol. Par exemple, de nombreux sols tropicaux ont des teneurs enaluminiumet enmercurebeaucoup plus élevées qu'en zone tempérée. La présence de charbon de bois diminue labiodisponibilitéde ces toxiques. Sur les sols ferralitiques testés par Steineret al.(2004), riches enaluminiumlibre, l'apport en charbon de bois a aussi diminué le taux d'ions aluminium échangeables dans le sol, par un mécanisme encore mal compris. Steineret al.(2004) note que l'aluminium était le mieux fixé quand des engrais minéraux étaient appliqués conjointement au charbon de bois (de 4,7 à 0mg·kg). L'aluminium libre est un facteur toxique limitant la croissance des plantes.
UnpHtrop acide limite la production agricole. L'acidité excessive est en soi un problème direct pour le développement des végétaux mais aussi indirect parce que l'acidité rend de nombreux toxiques — les métaux notamment — plus biodisponibles. L'auteure Stéphanie Topoliantza montré que le charbon de bois améliorait la culture légumière sur un sol tropical acide, en diminuant le taux d'aluminium biodisponible, mais aussi en diminuant l'acidité du sol. Indirectement, le biochar favorise également la fixation de l'ioncarbonatequi tamponne le pH du sol, facilitant ainsi le développement bactérien et limitant la biodisponibilité des toxiques naturels du sol.
Une augmentation du taux de matière organique (humus) fait suite à l'oxydation lente du charbon de bois. Cette augmentation pourrait aussi stimuler ladésorptiondes phosphates et sulfates utiles aux plantes en libérant ces anions.
D'autres aspects (catalytiquesousynergiques) font l'objet de recherches en cours.
Plusieurs types de production artisanales et industrielles coexistent :
Le biochar peut aussi être fabriqué à partir de poussières de charbon de bois alors agglomérées avec environ 20 % d'argile.
La température de pyrolyse est comprise entre 300°C et 700°C.
En 2024, Carbonity, une coentreprise détenue par Suez, le groupe forestier canadien Rémabec, et la start-up Airex Energie, construit une usine de biochar au Canada, sur les bords du fleuve Saint-Laurent. Cette usine devrait produire 30 000 tonnes de biochar par an à partir de résidus non utilisés des scieries de Rémabec. Suez annonce avoir vendu par anticipation 36 000 crédits carbone (correspondant à 36 000 tonnes de CO2séquestrées) à Microsoft. L'association European Biochar Industry recense 171 usines de biochar en Europe et mise sur 220 fin 2024, qui produiraient 115 000 tonnes annuelles (75 000 en 2023).
Les sols de la planète (sols naturels relictuels + sols cultivés) contiendraient aujourd'hui 3,3 fois plus de carbone que l'atmosphère, soit 4,5 fois plus que la biomasse des plantes et des animaux terrestres n'en renferme hors-sol, ce qui fait du sol un bon levier pour le stockage du carbone (voir aussi4p1000, ou4‰, l'initiative internationale lancée lors de laCOP21en 2015, encourageant le monde agricole à mieux stocker le carbone dans les sols cultivés, un moyen de réduire la concentration deCO2dans l'atmosphère terrestre). Lorsque des écosystèmes naturels sont labourés et mis en culture, la plus grande partie du carbone piégé dans ces sols est libérée dans l'atmosphère sous la forme deCO2ou deméthane, deuxgaz à effet de serre, ou dans l'eau sous forme d'acide carbonique. Des millions d'hectares de sols naturels, forestiers notamment, sont mis en culture tous les ans, notamment pour la production debiocarburants.
Le biochar et laterra pretaqu'il peut former peuvent contribuer à laséquestration du carbonedans les sols végétalisés (cultivés ou forestiers) durant des centaines voir des milliers d'années.
LeGIECévalue le stockage de carbone grâce au biochar à entre 0,2 et 3 GtCO2/an soit beaucoup moins que les estimations précédentes datant de 2010.
Non seulement le biochar peut enrichir les sols en y augmentant fortement et durablement le taux de carbone (150gC/kg de sol par rapport à 20-30gC/kg dans les sols environnants), mais les sols enrichis par du biochar se développent naturellement plus en profondeur; ils sont,en moyenne, plus de deux fois plus profonds que les sols environnants. Par conséquent, le carbone total stocké dans ces sols peut être d'un ordre de grandeur plus élevé que les sols adjacents.
Le biochar diminue les émissions du sol en CO2et méthane, mais aussi enprotoxyde d'azote(N2O ou oxyde nitreux), troisgaz à effet de serrepréoccupants pour leclimat. Yanai et ses collaborateurs ont même constaté en conditions de laboratoire une suppression partielle, sous certaines conditions très dépendantes de l'humidité, des émissions de N2O quand du biochar a été ajouté au sol.
Lepiégeage et le stockage à long terme du carbonepar le biochar ne nécessitent ni progrès technique ni recherche fondamentale car ses outils de production sont robustes et simples, ce qui le rend approprié pour de nombreuses régions du monde. Dans sa publication dans le journalNatureJohannes Lehmann, de l'université Cornell, a estimé que la pyrolyse du bois sera rentable quand le coût de la tonne de CO2atteindra37 dollarsUS.
Utiliser lapyrolysedu bois pour la production debioénergieest déjà possible, même si elle est encore aujourd'hui plus chère que l'usage d'énergies fossiles.
Elle reste difficile. Selon une étude de 2018, les méthodes disponibles de mesure de cette surface (y compris le standard BET et laméthode à l'iode) ne sont pas fiables, notamment pour les biochars très statiques, les biochars très fins et ceux qui contiennent un peu plus d'huile que les autres. En outre, les auteurs ont constaté que cette surface spécifique augmente avec la durée d'immersion du biochar dans l'eau.
Diverses optimisations sont possibles pour améliorer sa capacité à absorber ou adsorber ou désorber (en phase de régénération, idéalement) les polluants (métalliques, organiques et organométalliques notamment), dont en contrôlant mieux par exemple le pH de la solution polluée à traiter, ou en amont en modifiant la température de pyrolyse (la chaleur au moment de la pyrolyse augmente sa surface spécifique du biochar, mais« diminue sa quantité de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène, entraînant par conséquent une diminution de l'adsorption des ions métalliques (et métalloïdes) présents dans le milieu »), et en contrôlant le pH de la solution polluée).
En termes d'écobilan écotoxicologique, les avantages semblent l'emporter sur les inconvénients et doivent encore être précisés par la recherche.
Parmi les inconvénients, il faut citer lesgoudronset lemonoxyde de carboneproduits lors de la production de biochar, qui sont des polluants et des toxiques ou cancérigènes avérés. Mais cet aspect négatif est à mettre en balance avec le fait que le charbon de bois contribue à détoxifier l'eauet à la différence dufumieret desfientesnoncompostés, le biochar ne posea prioripas de problèmes d'introduction de germespathogènes. Ceci présente notamment un avantage pour les cultures de légumes frais ou plantes à croissance rapide et se mangeant crus (radis,carottes,salades, etc.) qu'il ne vaut mieux pas mettre en contact direct avec des fumiers pour limiter lesépidémieset le risquezoonotique.
Il doit être judicieusement dosé car, au delà d'un certain seuil, ses effets, positifs en petite quantité, peuvent devenir négatifs pour la vie desbactérieset desmicrochampignonsindigènes du substrat. Certaines des propriétés physico-chimiques et biologique du sol, dont l'activité enzymatique et la composition de la communauté microbienne sont en effet modifiée de manière différente, voire opposée, selon le taux de biochar ajouté à des sédiments (pollués) et du temps d'incubation. Ainsi lors d'une expérimentation, après 90 jours d'incubation avec 50 mg de biochar par kg de sédiment, les activités de l'invertaseet de laphosphatase alcalineétaient inhibées ; et les copies des gènes codant pour l'ARNr 16S bactérien et l'ARNr 18S fongique diminuaient de 74 % et 25 %, respectivement ; et la communauté bactérienne changeait, avec une diminution de l'intensité relative del'activité des espèces dominantes quand le taux de biochar augmentait. Inversement, l'activité de l'uréaseet de laphosphatase alcaline, ainsi que l'abondance bactérienne et fongique augmentaient dans le sédiment traité par seulement 10 mg de biochar par kg. Les microbes indigènes pourraient être affectés par le biochar directement ou indirectement en modifiant les propriétés physico-chimiques et les métaux lourds des sédiments.
Son efficacité en tant qu'absorbant (irréversible par lixiviation, selon des tests de court ou moyen termes)varie selon le polluant. Par exemple en laboratoire, ajouté à deslixiviatsd'un sol contaminé, il s'est montré capable d'y réduire le taux de cadimum de 300 fois, alors qu'il ne réduisait le Zn que de 45 fois et se montrait peu efficace contre l'arsenic. Il finit bien entendu par être saturé. Il peut augmenter le pH d'un lixiviat, ainsi que le taux de carbone soluble dans l'eau du sol, avec des effets encore à explorer mais qui ne diminue pas sa capacité à absorber des éléments traces métalliques.
L'utilisation ce certains types de biochar peut aussi présenter des risques pour l'eau, l'air, les sols, les écosystèmes, la biodiversité et la santé;
C'est donc (dans les limites évoquées ci-dessus) une solution localement utile et recommandée par un nombre croissant de chercheurs et agronomes (par exemple pour desplans de restaurationde sols), mais qui pourrait aussi dans certains cas avoir des effets négatifs, éventuellement irréversibles sur certains sols naturellement pauvres en nutriments et pour cette raison riches en biodiversité, en particulier des milieux abritant des espècesendémiquesrares. Une de ses utilisations les plus immédiates et avantageuses est de permettre de passer de laculture sur brûlisà une agriculture plus sédentaire gérant et protégeant ses sols (en association avec desjachèrestournantes sur les sols les plus fragiles) pour stopper ou freiner ladéforestationet la dégradation des sols conformément aux objectifs de l'ONUet de laFAO.
Au début desannées 2020, il y a un consensus sur le fait que le biochar est prometteur pour le traitement de l’eau et le maintien et l’assainissement de la fertilité des sols agricoles. Ses mécanismes d'action, la durée du piégeage d'atomes ou molécules toxiques ou écotoxiques, ses capacités de régénération,« l’influence des différentes sources de matières premières sur la qualité du biochar », ainsi que les« facteurs physico-chimiques affectant l’efficacité de l’élimination des contaminants »sont encore incomplètement compris. Selon T. G. Ambayeet al.(2021),« en général, seules quelques études ont été menées dans ces domaines, de sorte que des recherches supplémentaires sont nécessaires sur des sujets liés à la relation entre les matières premières, les paramètres de traitement, ainsi que sur la régénération du biochar pour éviter les risques environnementaux (...), les domaines de recherche suivants devraient être envisagés dans un avenir proche »: