Petani sangat bergantung pada pupuk nitrogen (N) untuk meningkatkan hasil panen karena N merupakan salah satu unsur hara utama yang dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhan dan produktivitas. Pada tahun 2016, lebih dari 144 juta ton pupuk N diterapkan pada lahan pertanian di seluruh dunia. Namun kurang dari 50% penggunaan N diserap oleh tanaman dan sisanya hilang, sehingga berpotensi menyebabkan eutrofikasi, pengasaman danau , hilangnya keanekaragaman hayati, dan pemanasan global. Mempertahankan atau meningkatkan produktivitas tanaman melalui pemupukan sambil meminimalkan dampak buruk terhadap lingkungan merupakan tantangan global.
Jika mineral N, amonium-N (NH4+-N) dan nitrat-N (NO3–-N), tidak dikelola dengan baik, kehilangan N dalam jumlah besar dapat terjadi melalui penguapan, denitrifikasi, atau pencucian. Beberapa strategi diusulkan untuk efisiensi penggunaan mineral N oleh tanaman termasuk pemilihan jenis pupuk yang tepat dan tingkat penerapan, metode, dan waktu yang tepat; dan penggunaan inhibitor nitrifikasi (NI). Meskipun penggunaan NI dapat mengurangi pencucian N dan hilangnya emisi dinitrogen oksida (N2O) dengan memperlambat proses nitrifikasi, hal ini dapat mengakibatkan masalah lingkungan lainnya seperti pencemaran NH3.
Amandemen biochar dalam tanah dianggap sebagai strategi alternatif untuk meningkatkan efisiensi penggunaan N. Biochar, produk sampingan yang dihasilkan dari konversi termal biomassa menjadi biofuel pada suhu tinggi, terbukti efektif dalam mengurangi kehilangan N melalui serapan fisik dan kimia karena luas permukaan spesifiknya yang lebih tinggi dan gugus fungsi permukaan bermuatan. Gugus fungsi karboksil dan karbonil teroksigenasi dalam biochar dapat mengurangi ketersediaan NH4+ melaluipenyerapan, sehingga mengakibatkan penurunan laju nitrifikasi. Selain itu, gugus fungsi hidroksil dan alkil dapat mengontrol ketersediaan NO3–, sehingga mengurangi pencucian N dan emisi N2O. Penelitian lain melaporkan bahwa biochar menurunkan konsentrasi mineral N tanah karena merangsang imobilisasi N dan volatilisasi NH3 atau memfasilitasi proses denitrifikasi dengan mengubah struktur komunitas mikroba.
Respons biochar yang tidak konsisten terhadap proses transformasi N tanah mungkin disebabkan oleh perbedaan sifat biochar, yang antara lain disebabkan oleh perbedaan jenis bahan baku dan kondisi konversi. Jenis bahan baku yang digunakan selama produksi biochar secara signifikan mempengaruhi kadar abu dan rasio C:N . Misalnya, biochar yang dihasilkan dari serpihan kayu yang dikupas umumnya memiliki kadar abu lebih rendah dan rasio C:N lebih tinggi dibandingkan biochar yang dihasilkan dari kotoran unggas. Selain bahan baku, kondisi yang digunakan selama produksi biochar memainkan peran penting dalam menentukan sifat fisik dan kimianya. Suhu konversi mempengaruhi pH biochar, luas permukaan spesifik, dan gugus fungsi permukaan. Misalnya, pH, luas permukaan, dan persentase gugus fungsi biochar yang tersubstitusi aril meningkat ketika suhu pirolisis meningkat dari 200 menjadi 700°C. Baik bahan baku maupun suhu mempengaruhi kapasitas pertukaran kation (KTK) karena banyaknya muatan negatif dari gugus fungsi asam yang mengandung oksigen yang terbentuk pada permukaan biochar. Secara umum, diharapkan lebih banyak gugus fungsi yang mengandung oksigen dalam biochar yang dihasilkan dari rumput karena konsentrasi selulosa, garam alkali, dan oksida logam alkali yang lebih tinggi dalam rumput. Pada suhu lebih tinggi dari 600°C, konversi gugus fungsi yang mengandung oksigen menjadi gugus fungsi netral atau basa mengurangi KTK. Secara umum, biochar dengan rasio C:N yang lebih tinggi, KTK yang lebih tinggi, dan luas permukaan yang lebih besar menurunkan konsentrasi mineral N tanah karena peningkatan imobilisasi dan adsorpsi N.
Dampak perubahan biochar pada siklus N juga bervariasi menurut wilayah geografis dan ekosistem. Misalnya, studi inkubasi laboratorium oleh peneliti melaporkan bahwa biochar yang dibuat darikayu keras meningkatkan konsentrasi NH4+ ditanah pertanian dari Florida namun menurunkan NH4+ di tanah hutan dari Minnesota. Oleh karena itu, studi spesifik wilayah dan ekosistem diperlukan untuk lebih memahami pengaruh biochar terhadap dinamika N tanah.
English