Biochar is applied to a smallholder's plot. Biochar is placed in the planting rows or holes for greatest impact on crops

Biochar application by smallholder farmers (Кения)

Описание

Application of biochar to soils in the tropics / sub-tropics improves their ability to store and supply nutrients and water for crop growth, thereby enhancing yields and food security. At the same time, biochar holds carbon in soils for extended time periods, which makes it an agricultural practice that contributes to climate change mitigation.

Biochar is carbonised organic material that is produced through pyrolysis, that is thermal conversion under low or no oxygen. The biochar is used as an amendment to farmland for ameliorating soil properties. Owing to the great number of micropores and charges on biochar, its application to soil boosts water and nutrient storage, and their delivery to crops. Biochar also helps neutralise acidity in soils, replacing the need for lime. All these positive effects make it ideally suited for acid, nutrient-poor soils in tropical/ sub-tropical regions. Even at low rates of 1 or 2 tonnes per hectare, biochar significantly increases crop production. Biochar hardly decomposes in soils, causing positive effects to last for several years without repeat application. This also provides very stable carbon storage on farms which helps mitigate climate change. Its stability also allows farmers to gradually add biochar to the entire farm, thereby increasing their food self-sufficiency and incomes.
Biochar itself is not a fertilizer, but a soil rejuvenating agent. Therefore, farmers must apply essential nutrients through synthetic or organic inputs to reap the full yield potential and maintain soil fertility. Yet, when biochar is combined with fertilizers, about 40% - 70% nitrogen and phosphorus can be saved over multiple seasons while maintaining the same productivity. Biochar is a promising solution to address low response of crops to fertilizer addition in tropical soils and to alleviate the impact of input price hikes and supply disruptions.
In the study presented here, farmers produced biochar as a residue from small gasifier stoves during daily cooking. These systems are highly energy efficient and reduce the consumption of firewood while improving indoor air quality, which, alongside crop yield gains from biochar, is perceived positively by farmers. The specific design of gasifier stoves requires them to be well-packed with appropriately sized tree prunings or maize stems. For larger meals it requires a refill, which users find less convenient than their traditional open combustion fires. Life-cycle assessment shows that households significantly reduce greenhouse gas emissions with the gasifier stoves when biochar is applied to the farm. For the field trials with maize and kale in this study, farmers applied their usual rates of inorganic fertilizers, animal manure, or a combination of both. Results from this multi-locational participatory assessment showed that maize grain yield increased by 0.2 - 0.7 tonnes per hectare for every tonne of home-made biochar that was added to the field.
One household can produce 300 kg biochar per year by cooking on the gasifier stove. With this amount a biochar dosage of 1.5 t/ha can be realized on an area of 0.2 ha per year. If biochar is not spread evenly, but along seed rows, its effective dosage can be increased. As the gasifier stove can be operated for 2-3 years, it is assumed that the costs of 50 USD, which are needed to purchase one gasifier, are good to equip 1 ha of land with an amount of biochar that results in increased crop yields.

Местоположение

Местоположение: Embu County, Kwale County, Siaya County, Кения

Число исследованных участков, где применяется Технология: 100-1000 участков

Географическая привязка выбранных участков
  • 37.45788, -0.5414
  • 39.45071, -4.18159
  • 34.26369, 0.06681

Пространственное распространение Технологии: примененяется точечно/ на небольших участках

На постоянно охраняемой территории?: Нет

Продолжительность применения Технологии: 2016

Тип внедрения/ применения
Gasifier cooking stove used for combined cooking and char production. (Mary Njenga, ICRAF)
Application of biochar in one of the field sites (Mary Njenga, ICRAF)

Классификация Технологии

Основная цель
  • повышение производства
  • снижение или предотвращение деградации земель, восстановление нарушенных земель
  • сохранение экосистем
  • защита бассейнов рек (приводораздельной части/ нижнего течения) – в сочетании с другими Технологиями
  • сохранение/ повышение биоразнообразия
  • снижение риска стихийных бедствий
  • адаптация к изменению климата / экстремальным погодным явлениям и их последствиям
  • смягчение последствий изменения климата
  • создание благоприятных экономических условий
  • создание благоприятных социальных условий
Землепользование
Комбинированное землепользование в пределах одной и той же земельной единицы: Нет

  • Пахотные угодья и плантации
    • Однолетние культуры: зерновые культуры - кукуруза, овощи - листовые овощи (салаты, капуста, шпинат, другие)
    Число урожаев за год: 2
    Применяются ли посевы в междурядьях? Да
    Применяется ли севооборот? Нет

Водоснабжение
  • богарные земли
  • сочетание богарных и орошаемых земель
  • полное орошение

Цель, связанная с деградацией земель
  • предотвращение деградации земель
  • снижение деградации земель
  • восстановление/ реабилитация нарушенных земель
  • адаптация к деградации земель
  • не применимо
Тип деградации, на борьбу с которым направлена
  • ухудшение химических свойств почв - Хп: Снижение плодородия и уменьшение содержания органического вещества (вызванное не эрозией, а другими причинами), Хк: подкисление
  • ухудшение физических свойств почв - Фу: уплотнение, Фп: запечатывание почв
Категория УЗП
  • Комплексное управление почвенным плодородием
Мероприятия УЗП
  • Агрономические мероприятия - A2: Органическое вещество/ почвенное плодородие

Технический рисунок

Технические характеристики

Запуск и текущее обслуживание: мероприятия, необходимые ресурсы и затраты

Подсчет вложений и затрат
  • Подсчитанные затраты: на технологическую единицу (единица: one gasifier cooking stove and the resulting amount of biochar)
  • Денежные единицы, использованные для подсчета затрат: Доллары США
  • Обменный курс (к доллару США): 1 USD = недоступно
  • Средний размер дневного заработка для нанятых работников: недоступно
Наиболее значимые факторы, влияющие на стоимость затрат
Purchase price of the gasifier stove. Opportunity cost for collection and pre-processing of tree prunings and crop residues for the stove.
Мероприятия, необходимые для начала реализации
  1. Biochar production (Сроки/ повторяемость проведения: Year-round while using the gasifier cooking stove.)
  2. Mixing biochar into the soil (Сроки/ повторяемость проведения: During the normal time of field preparation for and planting of the next crop)
  3. Proceed with normal cropping activities (Сроки/ повторяемость проведения: None)
Стоимость вложений и затрат по запуску (per one gasifier cooking stove and the resulting amount of biochar)
Опишите затраты Единица Количество Затраты на единицу (Доллары США) Общая стоимость на единицу (Доллары США) % затрат, оплаченных землепользователями
Оплата труда
gasifier cooking stove 1,0 50,0 50,0
Общая стоимость запуска Технологии 50.0
Общие затраты на создание Технологии в долларах США 50.0
Текущее обслуживание
  1. Replace the gasifier cooking stove (Сроки/ повторяемость проведения: every three years)
Стоимость вложений и затрат по эксплуатации (per one gasifier cooking stove and the resulting amount of biochar)
Опишите затраты Единица Количество Затраты на единицу (Доллары США) Общая стоимость на единицу (Доллары США) % затрат, оплаченных землепользователями
Оборудование
gasifier cooking stove 1 0,33 50,0 16,5 100,0
Общая стоимость поддержания Технологии 16.5
Общие затраты на поддержание Технологии в долларах США 16.5

Природные условия

Среднегодовое количество осадков
  • < 250 мм
  • 251-500 мм
  • 501-750 мм
  • 751-1000 мм
  • 1001-1500 мм
  • 1501-2000 мм
  • 2001-3000 мм
  • 3001-4000 мм
  • > 4000 мм
Агроклиматическая зона
  • влажная
  • Умеренно-влажная
  • полузасушливая
  • засушливая
Дополнительные характеристики климата
Embu: 1200 mm, Siaya: 1350 mm, Kwale 1050 mm
Склон
  • пологие (0-2%)
  • покатые (3-5%)
  • покато-крутые (6-10%)
  • крутые (11-15%)
  • очень крутые (16-30%)
  • чрезвычайно крутые (31-60%)
  • обрывистые (>60%)
Формы рельефа
  • плато/ равнины
  • гребни хребтов/холмов
  • склоны гор
  • склоны холмов
  • подножья
  • днища долин
Высота над уровнем моря
  • 0-100 м над уровнем моря
  • 101-500 м н.у.м.
  • 501-1000 м н.у.м.
  • 1001-1500 м н.у.м.
  • 1501-2000 м н.у.м.
  • 2001-2500 м н.у.м.
  • 2501-3000 м н.у.м.
  • 3001-4000 м н.у.м.
  • > 4 тыс. м н.у.м.
Технология применяется в
  • в условиях выпуклого рельефа
  • в ситуациях вогнутого рельефа
  • не имеет значения
Мощность почв
  • поверхностные (0-20 см)
  • неглубокие (21-50 см)
  • умеренно глубокие (51-80 см)
  • глубокие (81-120 см)
  • очень глубокие (> 120 см)
Гранулометрический состав (верхнего горизонта)
  • грубый крупнозернистый/ лёгкий (песчаный)
  • средние фракции (суглинистый, супесчаный)
  • тонкодисперсный/ тяжёлый (глинистый)
Гранулометрический состав (на глубине более 20 см)
  • грубый крупнозернистый/ лёгкий (песчаный)
  • средние фракции (суглинистый, супесчаный)
  • тонкодисперсный/ тяжёлый (глинистый)
Содержание органического вещества в верхнем почвенном горизонте
  • высокое (> 3%)
  • среднее (1-3%)
  • низкое (< 1%)
Уровень грунтовых вод
  • на поверхности
  • < 5 м
  • 5-50 м
  • > 50 м
Доступность поверхностных вод
  • избыток
  • хорошая
  • средняя
  • недостаточны/ отсутствуют
Качество воды (без обработки)
  • питьевая вода хорошего качества
  • питьевая вода плохого качества (необходима обработка)
  • исключительно для сельскохозяйственного использования (орошение)
  • непригодная для использования
Качество воды относится к:
Является ли солёность воды проблемой?
  • Да
  • Нет

Повторяемость затопления
  • Да
  • Нет
Видовое разнообразие
  • высокое
  • средняя
  • низкое
Разнообразие местообитаний
  • высокое
  • средняя
  • низкое

Характеристика землепользователей, применяющих Технологию

Рыночная ориентация
  • натуральное хозяйство (самообеспечение)
  • смешанный (натуральный / коммерческий)
  • товарное/ рыночное хозяйство
Доходы из других источников
  • < 10% всех доходов
  • 10-50% всех доходов
  • > 50% всех доходов
Относительный уровень достатка
  • очень плохой
  • плохой
  • средний
  • обеспеченный
  • весьма обеспеченный
Уровень механизации
  • ручной труд
  • тягловая сила
  • механизировано/ есть автотранспорт
Осёдлый или кочевой
  • Осёдлый
  • Полукочевой
  • Кочевой
Индивидуальное или коллективное хозяйство
  • частное/ домовладение
  • группа/ община
  • кооператив
  • использующее наемных работников (компания, государство)
Пол
  • женщины
  • мужчины
Возраст
  • дети
  • молодёжь
  • средний возраст
  • пожилой
Площадь, используемая домохозяйством
  • < 0,5 га
  • 0,5-1 га
  • 1-2 га
  • 2-5 га
  • 5-15 га
  • 15-50 га
  • 50-100 га
  • 100-500 га
  • 500-1000 га
  • 1000-10000 га
  • > 10000 га
Масштаб
  • мелкое
  • среднего размера
  • крупное
Собственность на землю
  • государственная
  • частной компании
  • общинная/ поселковая
  • коллективная
  • индивидуальная, не оформленная в собственность
  • индивидуальная, оформленная в собственность
Права на землепользование
  • неограниченное (неконтролируемое)
  • общинное (контролируемое)
  • аренда
  • индивидуальное
Права на водовользование
  • неограниченное (неконтролируемое)
  • общинное (контролируемое)
  • аренда
  • индивидуальное
Доступ к базовым услугам и инфраструктуре
медицинское обслуживание

плохой
хорошая
образование

плохой
хорошая
технические консультации

плохой
хорошая
занятость (вне хозяйства)

плохой
хорошая
рынки

плохой
хорошая
электроснабжение

плохой
хорошая
транспорт и дорожная сеть

плохой
хорошая
водоснабжение и канализация

плохой
хорошая
финансовые услуги

плохой
хорошая

Влияние

Социально-экономическое воздействие
Продуктивность сельскохозяйственных культур
снизил.
увеличил.

Количество до применения УЗП : 0,9 Mg/ha
Количество после применения УЗП: 4.4 Mg/ha
- Range of maize: from 0,9 Mg/ha (control) to 4.4 Mg/ha (biochar plot) and average increase of 33% in kale yields (on 68% of the farms) in experiment where farmers used their own biochar.
- in longterm experiment with higher amounts of biochar a yield increase of 84% was observed
-

разнообразие источников дохода
снизил.
увеличил.


20-40% of firewood could be saved by using the biochar gasifiers instead of traditional cooking stoves. This reduces costs and work load for households.

Социальное и культурное воздействие
Экологическое воздействие
выбросы углекислого газа и парниковых газов
увеличил.
снизил.


54 to 100% plus net carbon sequestration.

Влияние за пределами территории применения
воздействие парниковых газов
увеличил.
сократил.


Due to reduced demand for fuel wood, this SLM technology reduces forest degradation and associated greenhouse gas emissions.

Анализ эффективности затрат

Насколько получаемый результат сопоставим с первоначальными вложениями
Эффективность затрат в краткосрочной перспективе
крайне отрицательно
очень позитивное

Эффективность затрат в долгосрочной перспективе
крайне отрицательно
очень позитивное

Насколько получаемый результат сопоставим с затратами на техническое обслуживание
Эффективность затрат в краткосрочной перспективе
крайне отрицательно
очень позитивное

Эффективность затрат в долгосрочной перспективе
крайне отрицательно
очень позитивное

The main benefits from this SLM technology from the land users' perspective are increased crop yields, reduced need to collect fuel wood, and improved indoor ambient air quality. The latter two benefits materialize immediately, onec the gasifier is used. The crop yields increase during the season that follows the biochar application, which is a short-term benefit. These benefits justify the establishment costs, which in fact are the costs to purchase the gasifier. On a long-term perspective, the effect to improve the soil, which leads to crop yield increases, remains, because biochar is stable in soils ove rlong time periods. Particularly positive is that there are no maintenence costs to keep the biochar in the soil.

Изменение климата

-

Внедрение и адаптация

Доля землепользователей (в процентах), применяющих Технологию
  • отдельные случаи/ эксперимент
  • 1-10%
  • 11-50%
  • > 50%
Среди применяющих Технологию землепользователей, какова доля лиц, применяющих её по собственной инициативе, т.е. без какого-либо материального стимулирования со стороны?
  • 0-10%
  • 11-50%
  • 51-90%
  • 91-100%
Была ли Технология УЗП модифицирована в недавнее время с целью адаптации к меняющимся условиям среды?
  • Да
  • Нет
К каким именно изменяющимся условиям среды?
  • изменения климата/ экстремальные погодные явления
  • изменяющиеся условия рынка
  • доступность рабочей силы (например, из-за миграции населения)

Заключительные положения и извлечённые уроки

Сильные стороны: по мнению землепользователей
  • Most land users stated to have observed positive impacts on soil health and improvement of soil fertility. Additionally, about 25% of the land users specifically mentioned that the moisture retention in the soil improved after biochar application. Some land users experienced lower costs for fertilizers.
  • Most land users found the small top-lit updraft cooking stoves are easy to use, though being more suitable for food with short cooking time. All land users stated that the gasifier cooking stoves were cleaner than the traditional open fires and charcoal stoves, since the gasifiers produced less smoke, less soot, and fewer ashes. Some land users responded even that the gasifiers were less harmful to cooking utensils and food tasted better (less smoky).
    The gasifier stove was preferred by land users because it takes less fuel and therefore saves time to collect fire wood and household expenditures. This was particularly viewed positively by women.
    The residual char also can be used as an energy source. Some land users saw sales of charcoal as potential additional income.
  • In total, the package of using gasifier stoves for cooking and applying the residual biochar to soils was seen as beneficial by most land users, because it saved costs and efforts on the side of cooking and increased crop yields and income.
Сильные стороны: по мнению составителя или ответственных специалистов
  • Biochar improves soil properties which intensifies crop production. Even a small amount of biochar added to the soil has a long-lasting positive effect on yields. The effect of a one-time biochar application lasts for decades. Therefore, if soils are enriched with biochar by repeatedly adding low quantities, its benefits to land users accumulate over time.
    Biochar increases the cation exchange capacity, pH, and phosphorus availability of soils, which are key constraints to in many farming systems across tropical Africa. Non-responsive soils are turned into soils that respond to fertilizer application.
Слабые стороны/ недостатки/ риски: по мнению землепользователейвозможные пути преодоления
  • Half of the respondents stated the production of biochar was time consuming due to the process of cutting the feedstock in suitable sizes, as needed for the gasifier stove. Chopped firewood for the gasifier could become a source of income for youth.
Слабые стороны/ недостатки/ риски: по мнению составителя или ответственных специалистоввозможные пути преодоления
  • Gasifiers may emit more methane than technologically more advanced pyrolysis units. Improve the gasifier utility with a
    shift to the latest mobile or decentralized technologies that produce syngas, green hydrogen or electricity that can be used for cooking.
  • Deploying gasifier and biochar at large scale without regulations poses a risk of unsustainable rates of tree clearing and residue removal. Follow rules such as EBC and only use on-farm or residual biomass.

Справочные материалы

Составитель
  • Niels Thevs
Editors
  • Dries Roobroeck
Рецензент
  • William Critchley
  • Rima Mekdaschi Studer
Продолжительность применения Технологии: 18 июля 2022 г.
Последнее обновление: 25 октября 2022 г.
Ответственные специалисты
Полное описание в базе данных ВОКАТ
Связанные данные по УЗП
Документирование осуществлялось при участии
Организация Проект
Ключевые ссылки
  • Biochar from cooking stoves reduces greenhouse gas emissions from smallholder farms in Africa; Sundberg et al., 2020: https://link.springer.com/article/10.1007/s11027-020-09920-7, open access
  • Use of Biochar-Producing Gasifier Cookstove Improves Energy Use Efficiency and Indoor Air Quality in Rural Households; Gitau et al., 2019: https://www.mdpi.com/1996-1073/12/22/4285, open access
  • Implications on Livelihoods and the Environment of Uptake of Gasifier Cook Stoves among Kenya’s Rural Households; Gitau et al., 2019: https://www.mdpi.com/2076-3417/9/6/1205/pdf, open access
  • Factors influencing the adoption of biochar-producing gasifier cookstoves by households in rural Kenya; Gitau et al., 2019: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0973082618308913, open access
  • Soils, sinks, and smallholder farmers: Examining the benefits of biochar energy transitions in Kenya; Mahmood et al., 2021: https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2214629621001262?token=D446F30FC8FDAEC80F73AE31BBFEA69E754E2F9EB21A9605CC6D04A2FE0FCD39182848F88AC6D17BF7D12B8EEED7BD9E&originRegion=eu-west-1&originCreation=20210415190025, open access
  • Gasifier as a cleaner cooking system in rural Kenya; Njenga et al., 2016: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652616000743?via%3Dihub, access at no costs through limited number of institutions
  • Biochar addition persistently increased soil fertility and yields in maizesoybean rotations over 10 years in sub-humid regions of Kenya; Kätterer et al., 2019: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378429018318938?via%3Dihub, open access
  • sMaize grain yield responses to realistic biochar application rates on smallholder farms in Kenya, Kätterer et al., 2022: https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-022-00793-5, open access
Ссылки на материалы по теме, доступные онлайн
This work is licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareaAlike 4.0 International