Di Cina, beras menyumbang sekitar 40% dari total produksi biji-bijian, dan memainkan peran penting dalam memastikan ketahanan pangan. Namun, produksi beras China telah meningkat sebesar 52,13% dalam 40 tahun terakhir, terutama karena ketergantungannya pada input nitrogen tambahan yang besar. Saat ini, aplikasi pupuk nitrogen rata-rata di Cina melebihi 300 kg ha−1 tahun. Penggunaan pupuk nitrogen yang berlebihan mempercepat hilangnya unsur hara dan memperparah pencemaran lingkungan. Oleh karena itu, memastikan hasil padi, mengurangi aplikasi nitrogen, dan mengeksplorasi metode penanaman padi rendah karbon adalah beberapa tujuan utama pembangunan pertanian berkelanjutan.
Baru-baru ini, produksi biochar dari limbah pertanian dan kehutanan yang kurang dimanfaatkan telah diakui sebagai cara yang efektif untuk mencapai pembangunan pertanian dan lingkungan yang berkelanjutan. Karena stabilitasnya yang tinggi dan struktur gugus fungsional yang kaya oksigen, termasuk gugus karboksil dan hidroksil, biochar dapat menyerap masukan nitrogen ke dalam tanah yang belum diserap oleh tanaman. Dengan cara ini, dapat mengurangi pencucian dan berfungsi sebagai pembawa sumber karbon untuk mikroorganisme, yang kondusif untuk meningkatkan biomassa dan aktivitas mikroba tanah. Sebuah meta-analisis menunjukkan bahwa biochar memperbaiki sebagian besar sifat fisik tanah. Oleh karena itu, telah digunakan secara aktif untuk meningkatkan kesuburan tanah, meningkatkan hasil panen, dan memitigasi perubahan iklim global.
Dengan perkembangan produksi pertanian intensif di China, produksi limbah pertanian melonjak. Luas sawah China kurang lebih 2,99×10 7 ha, dan setiap 1000 kg padi yang dihasilkan menghasilkan 200 kg sekam padi. Penggunaan penuh sekam padi dapat meningkatkan produksi beras dan pengolahan limbah pertanian yang efektif. Sebuah studi baru-baru ini menunjukkan bahwa hasil tahunan rata-rata jerami jagung dari 2015 hingga 2019 menempati peringkat pertama, mencapai 310 juta ton, menyoroti potensinya sebagai sumber daya. Namun, setelah jerami dikembalikan ke lapangan, mineralisasi dan degradasi karbon organik berkembang pesat, menghasilkan rasio karbon-terhadap-nitrogen yang tidak seimbang, yang meningkatkan emisi gas rumah kaca, terutama di daerah dingin dan sejuk di Cina timur laut, di mana dekomposisi jerami terjadi dengan lambat. Dengan demikian, sekam padi dan jerami jagung merupakan bahan baku yang tepat untuk produksi biochar, yang penting untuk meningkatkan hasil padi, keamanan lingkungan dan keberlanjutan ekonomi.
Namun, sejumlah penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa jenis biochar yang berbeda pasti akan mengarah pada berbagai mekanisme pengaruh lingkungan nitrogen sawah karena sifat fisik dan kimianya yang spesifik, dan dosis biochar menunjukkan bahwa penerapan 20 t ha−1 atau 40 t ha−1 biochar (arang jerami gandum) dengan pupuk nitrogen dapat secara signifikan mengurangi emisi N2O dalam sistem rotasi padi-gandum, sementara 40 t ha−1 biochar dikombinasikan dengan pupuk nitrogen menunjukkan efek pengurangan emisi terbaik. Penelitian menunjukkan bahwa kombinasi biochar 20 t ha−1 dan nitrogen anorganik (120 kg ha−1) tidak berpengaruh nyata terhadap emisi N2O di sawah pagi dan sore hari. Yang penting, efek yang diamati yang ditimbulkan oleh biochar sebagian besar tergantung pada bahan bakunya. Keunggulan dari brangkasan jagung dan biochar sekam padi adalah keduanya memiliki pH yang relatif tinggi (≥ 8,0). Namun, ketika diproduksi pada suhu yang sama, biochar sekam padi mengandung lebih banyak gugus fungsi daripada biochar brangkasan jagung. Sementara biochar brangkasan jagung memiliki luas permukaan yang relatif lebih besar dibandingkan biochar sekam padi. Dengan demikian, aplikasi gabungan pupuk nitrogen dan biochar harus dioptimalkan sesuai dengan jenis biochar spesifik dan ekosistem sawah. Mengingat bahwa brangkasan jagung dan biochar sekam padi memiliki biaya produksi yang relatif rendah, teknologi ini dapat dengan mudah diadopsi oleh sebagian besar masyarakat. Namun, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk lebih memahami dampak kedua biochar ini terhadap nutrisi tanah dan emisi gas rumah kaca dari sawah.
Meskipun penelitian tentang perbaikan sifat tanah dan pengurangan emisi gas rumah kaca menggunakan biochar telah diintensifkan, hanya sedikit penelitian yang membandingkan efek biochar yang berasal dari bahan yang berbeda. Demikian pula, efek dari penerapan gabungan biochar dan pupuk nitrogen pada morfologi nitrogen tanah dan emisi gas rumah kaca di sawah timur laut Cina belum dipelajari dengan baik. Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi efek arang sekam padi dan arang brangkasan jagung, serta aplikasi gabungan dari tiga tingkat nitrogen yang berbeda, pada hasil dan komposisi padi, nitrogen amonium tanah, nitrogen nitrat, dan gas rumah kaca ( emisi CH 4 dan N2O). Total efek rumah kaca dan intensitas gas rumah kaca sawah juga dianalisis untuk mengevaluasi secara komprehensif dampak arang sekam padi dan arang jerami jagung. Hasil penelitian ini memberikan referensi untuk produksi beras rendah karbon di Cina bagian utara dan negara-negara penanam padi lainnya.
English