Biochar Bricks and Plant Growth: Physico-Chemical Interactions, Digital Agriculture Applications, and Climate Change Mitigation

1. Introduction

Biochar has emerged as a key material in sustainable agriculture due to its ability to improve soil properties, regulate pH, and enhance nutrient use efficiency. Recently, the development of biochar bricks has attracted attention as they combine the porous carbon structure of biochar with mechanical stability, enabling them to function as long-term soil amendments. Beyond traditional agronomic benefits, the integration of IoT, big data, and AI technologies enables real-time monitoring and performance validation of biochar bricks under field conditions. Moreover, biochar bricks play a crucial role in climate change mitigation, contributing to carbon sequestration, water and energy savings, and the generation of carbon credits. This paper examines the physico-chemical mechanisms of biochar bricks in the soil–root system and their broader implications for digital agriculture and climate change adaptation.

---

2. Physico-Chemical Mechanisms

2.1 Water Retention and Supply

• The hierarchical pore structure (micro-, meso-, macropores) allows water adsorption, storage, and gradual release.

• Micropores retain water via capillary forces and hydrogen bonding, while macropores enhance infiltration and drainage.

• Using IoT-based soil moisture sensors combined with AI analytics, the contribution of biochar bricks to drought stress mitigation and water use efficiency can be quantitatively validated.

2.2 Aeration and Gas Exchange

• The porous matrix increases soil aeration, facilitating O₂ diffusion and CO₂ release.

• Root respiration efficiency and aerobic microbial activity are thus improved.

• Big data analysis of soil gas exchange enables validation of enhanced rhizosphere oxygen availability and its role in sustaining plant metabolism.

2.3 Nutrient Adsorption and Controlled Release

• Negatively charged surface functional groups (–O⁻, –COO⁻) increase the cation exchange capacity (CEC) of biochar bricks.

• Essential nutrients such as NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, and Mg²⁺ are adsorbed and released in a controlled manner, functioning as a slow-release fertilizer system.

• AI-based crop modeling demonstrates that biochar bricks improve nutrient use efficiency (NUE), reduce fertilizer inputs, and indirectly contribute to energy savings and GHG reduction.

2.4 pH Buffering and Salinity Mitigation

• Alkaline minerals (K₂CO₃, CaCO₃, MgO) gradually dissolve, releasing OH⁻ ions that neutralize soil acidity.

• Excess salts such as Na⁺ and Cl⁻ are adsorbed, alleviating osmotic stress and ion toxicity.

• IoT-enabled monitoring of soil electrical conductivity (EC) allows real-time validation of salinity reduction in the rhizosphere.

2.5 Microbial Habitat and Root Symbiosis

• The pore structure provides microhabitats for beneficial microbes such as nitrogen-fixing bacteria, phosphate-solubilizing bacteria, and mycorrhizal fungi.

• Root exudates interact with biochar surfaces, mobilizing adsorbed nutrients and promoting symbiotic interactions.

• Big data and AI-driven metagenomic analyses verify the role of biochar bricks in maintaining microbial diversity and enhancing functional soil ecology.

---

3. Validation and Agricultural Applications with Digital Technologies

1. IoT: Real-time monitoring of soil parameters (moisture, pH, temperature, EC, gases) for biochar brick performance assessment.

2. Big Data: Integration of multi-site field trial datasets to determine optimal application strategies (dosage, positioning, crop specificity).

3. AI: Predictive modeling of crop growth responses and yield improvement to quantify the agronomic benefits of biochar bricks.

→ Through this integration, biochar bricks evolve from a simple soil amendment to a core component of smart agriculture systems.

---

4. Climate Change Mitigation and Carbon Credit Potential

1. Carbon Sequestration: Biochar bricks stabilize carbon in the soil for centuries, acting as a long-term carbon sink.

2. GHG Reduction: Reduced fertilizer input and improved nutrient use efficiency lower N₂O emissions and energy-related CO₂ emissions.

3. Water Savings: Enhanced water retention reduces irrigation demand, thereby decreasing the water–energy–carbon footprint.

4. Carbon Credit Generation: Verified by international certification schemes (e.g., Verra, Gold Standard), biochar-based projects—including brick applications—can issue carbon credits, providing an additional income source for farmers.

---

5. Conclusion

Biochar bricks represent a multifunctional and climate-smart innovation in agriculture. By integrating physico-chemical mechanisms with digital agriculture technologies, they improve water retention, aeration, nutrient efficiency, pH stability, and microbial symbiosis, while enabling quantitative validation through IoT, big data, and AI. Furthermore, their contribution to carbon sequestration, water and energy savings, and GHG mitigation highlights their value as a tool for climate change adaptation and as a means to generate carbon credits. Future research should focus on optimizing brick composition, pore architecture, and digital integration strategies to maximize both agronomic performance and climate benefits.

Gạch Biochar và Sự Phát Triển Cây Trồng: Cơ Chế Vật Lý – Hóa Học, Ứng Dụng Nông Nghiệp Số và Giảm Thiểu Biến Đổi Khí Hậu

1. Giới thiệu

Biochar ngày càng được quan tâm trong nông nghiệp bền vững nhờ khả năng cải thiện tính chất đất, điều chỉnh pH và nâng cao hiệu quả sử dụng dinh dưỡng. Gần đây, việc phát triển gạch biochar đã thu hút sự chú ý vì sự kết hợp giữa cấu trúc carbon xốp và độ bền cơ học, giúp chúng hoạt động như chất cải tạo đất lâu dài.
Bên cạnh lợi ích nông học truyền thống, sự tích hợp các công nghệ IoT, dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo (AI) cho phép giám sát và đánh giá hiệu quả của gạch biochar theo thời gian thực. Hơn nữa, gạch biochar đóng vai trò quan trọng trong ứng phó biến đổi khí hậu, góp phần lưu giữ carbon, tiết kiệm nước – năng lượng và tạo tín chỉ carbon. Bài báo này tập trung phân tích các cơ chế vật lý – hóa học của gạch biochar trong hệ thống đất – rễ và các tác động rộng hơn đối với nông nghiệp số và thích ứng với biến đổi khí hậu.

---

2. Cơ chế Vật lý – Hóa học

2.1 Giữ nước và cung cấp nước

• Cấu trúc lỗ rỗng đa cấp (vi mô, trung mô, đại mô) cho phép hấp phụ, lưu trữ và giải phóng nước dần dần.

• Vi lỗ rỗng giữ nước nhờ mao dẫn và liên kết hydro, trong khi đại lỗ rỗng cải thiện sự thấm và thoát nước.

• Nhờ cảm biến độ ẩm đất IoT và phân tích AI, có thể đánh giá định lượng hiệu quả của gạch biochar trong việc giảm căng thẳng hạn hán và nâng cao hiệu quả sử dụng nước.

2.2 Thông khí và trao đổi khí

• Ma trận xốp giúp tăng độ thoáng khí, thúc đẩy khuếch tán O₂ và giải phóng CO₂.

• Hô hấp rễ và hoạt động của vi sinh vật hiếu khí được cải thiện rõ rệt.

• Phân tích dữ liệu lớn về trao đổi khí đất cho phép xác minh mức độ tăng hiệu quả trao đổi khí vùng rễ.

2.3 Hấp phụ dinh dưỡng và giải phóng có kiểm soát

• Các nhóm chức mang điện tích âm (–O⁻, –COO⁻) trên bề mặt làm tăng khả năng trao đổi cation (CEC).

• Các dưỡng chất thiết yếu như NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ được hấp phụ và giải phóng từ từ, hoạt động như một hệ thống phân bón chậm tan.

• Mô hình sinh trưởng cây trồng dựa trên AI cho thấy gạch biochar cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón (NUE), giảm lượng phân bón, từ đó tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.

2.4 Đệm pH và giảm mặn

• Các khoáng chất kiềm (K₂CO₃, CaCO₃, MgO) tan dần, giải phóng ion OH⁻ trung hòa đất chua.

• Các ion muối dư thừa (Na⁺, Cl⁻) được hấp phụ, giảm áp lực thẩm thấu và độc tính ion.

• Nhờ giám sát độ dẫn điện đất (EC) bằng IoT, có thể theo dõi hiệu quả giảm độ mặn vùng rễ theo thời gian thực.

2.5 Môi trường sống của vi sinh vật và cộng sinh rễ

• Hệ thống lỗ rỗng cung cấp nơi cư trú vi mô cho các vi sinh vật có lợi như vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn hòa tan lân và nấm rễ cộng sinh (mycorrhizae).

• Chất tiết rễ tương tác với bề mặt biochar, huy động dinh dưỡng đã hấp phụ và thúc đẩy cộng sinh.

• Phân tích hệ gen vi sinh vật bằng Big Data và AI cho thấy gạch biochar duy trì đa dạng vi sinh vật và chức năng sinh thái đất.

---

3. Ứng dụng Công nghệ số trong Kiểm chứng và Nông nghiệp

1. IoT: Giám sát theo thời gian thực các thông số đất (độ ẩm, pH, nhiệt độ, EC, khí).

2. Big Data: Tích hợp dữ liệu từ nhiều thí nghiệm đồng ruộng để xác định điều kiện ứng dụng tối ưu (liều lượng, vị trí, loại cây trồng).

3. AI: Mô hình dự đoán tăng trưởng và năng suất cây để định lượng lợi ích nông học.

→ Nhờ sự tích hợp này, gạch biochar không chỉ là chất cải tạo đất mà còn trở thành thành phần cốt lõi của hệ thống nông nghiệp thông minh.

---

4. Ứng phó Biến đổi Khí hậu và Tín chỉ Carbon

1. Lưu giữ Carbon: Gạch biochar lưu trữ carbon trong đất hàng trăm năm, đóng vai trò là bể chứa carbon lâu dài.

2. Giảm phát thải khí nhà kính (GHG): Giảm lượng phân bón, nâng cao hiệu quả sử dụng dinh dưỡng, giảm phát thải N₂O và CO₂.

3. Tiết kiệm nước: Nâng cao khả năng giữ nước, giảm nhu cầu tưới tiêu, từ đó giảm dấu chân nước–năng lượng–carbon.

4. Tín chỉ Carbon: Các dự án dựa trên biochar, bao gồm gạch biochar, có thể được chứng nhận bởi các tiêu chuẩn quốc tế (Verra, Gold Standard), qua đó phát hành tín chỉ carbon như một nguồn thu nhập bổ sung cho nông dân.

---

5. Kết luận

Gạch biochar là một giải pháp đổi mới, đa chức năng và thông minh với khí hậu trong nông nghiệp. Thông qua cơ chế vật lý – hóa học kết hợp với công nghệ nông nghiệp số, gạch biochar giúp cải thiện giữ nước, thông khí, hiệu quả dinh dưỡng, ổn định pH và cộng sinh vi sinh vật, đồng thời cho phép kiểm chứng định lượng bằng IoT, dữ liệu lớn và AI. Ngoài ra, khả năng lưu trữ carbon, tiết kiệm nước – năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính nhấn mạnh giá trị của gạch biochar trong thích ứng biến đổi khí hậu và tạo tín chỉ carbon. Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần, kiến trúc lỗ rỗng và tích hợp với hệ thống nông nghiệp số để tối đa hóa cả hiệu quả nông học và lợi ích khí hậu.

바이오차 벽돌과 식물 성장: 토양–뿌리계에서의 물리·화학적 상호작용과 디지털 농업·탄소중립적 가치

1. 서론

바이오차는 토양 개량, pH 조절, 양분 이용 효율 증대 등 다양한 효과로 인해 지속가능 농업의 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 최근에는 바이오차를 벽돌 형태로 구조화하여 건축·환경 재료뿐만 아니라 농업에서 반영구적 토양 개량재로 활용하는 방안이 연구되고 있다.
또한 4차 산업혁명 기술(IoT, 빅데이터, AI)의 접목은 바이오차 벽돌의 성능 검증 및 현장 적용을 정량적·실시간으로 가능하게 하였으며, 기후변화 대응 차원에서 바이오차 기반 농업이 탄소 포집 및 탄소 크레딧 창출의 중요한 수단으로 부상하고 있다. 본 논문은 바이오차 벽돌과 식물 뿌리의 물리·화학적 상호작용을 설명하고, 디지털 기술 기반 검증 및 기후변화 대응 효과를 함께 고찰한다.

---

2. 물리·화학적 메커니즘

2.1 수분 보유 및 공급

• 다공성 구조(마이크로–메조–매크로공극)가 수분을 흡착·저장·서서히 방출.

• IoT 기반 토양 수분 센서와 AI 분석을 통해, 바이오차 벽돌이 가뭄 시 수분 스트레스 완화에 기여하는 효과를 계량화 가능.

• 이는 물 사용 효율(WSUE: Water Supply Use Efficiency)을 개선하고, 물 절감 효과를 통해 농업 부문의 기후변화 대응에 기여.

2.2 토양 통기성 및 기체 교환

• 벽돌의 공극 구조는 토양 산소(O₂) 공급과 이산화탄소(CO₂) 배출을 촉진하여 뿌리 호흡과 미생물 활성 강화.

• 빅데이터 기반 토양 산소·이산화탄소 센싱 자료를 활용하면, 바이오차 벽돌 적용이 근권부 기체 교환 효율을 어떻게 개선하는지 정량 검증할 수 있음.

2.3 양분 흡착 및 서방출

• 표면 작용기(–O⁻, –COO⁻)의 음전하에 의해 NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 등 양분을 흡착 후 점진적으로 방출.

• AI 기반 작물 생육 모델링을 통해, 바이오차 벽돌이 **비료 이용 효율(NUE)**을 높이고, 시비량 절감을 통해 에너지 절감 및 온실가스 감축 효과를 창출하는 것으로 평가할 수 있음.

2.4 pH 완충 및 염류 피해 완화

• K₂CO₃, CaCO₃, MgO 등 알칼리성 무기물이 토양 산성을 중화하고, 염류 이온(Na⁺, Cl⁻)을 흡착하여 뿌리 스트레스를 경감.

• IoT 기반 토양 전기전도도(EC) 모니터링을 통해, 염류 농도 저감 효과를 실시간 추적할 수 있으며, 이는 토양 복원 및 기후변화 적응형 농업 모델로 확장 가능.

2.5 미생물 서식처 및 뿌리 공생

• 다공성 표면은 질소고정균, 인 가용화균, 균근균(mycorrhizal fungi) 등 미생물의 서식처 제공.

• 뿌리 분비물과의 상호작용으로 양분 가용성을 높이고 뿌리–미생물 공생을 촉진.

• AI 기반 미생물 군집 분석(metagenomics)을 통해, 바이오차 벽돌이 토양 미생물 다양성 유지 및 기능성 증진에 기여함을 검증할 수 있음.

---

3. 디지털 농업 기술을 통한 검증 및 응용 효과

1. IoT: 토양 수분, pH, 온도, 전기전도도, 가스 농도를 센싱하여 바이오차 벽돌 효과를 실시간 모니터링.

2. 빅데이터: 대규모 포장 실험 데이터를 축적·분석하여 최적의 적용 조건(투입량, 위치, 작물 종류 등)을 도출.

3. AI: 작물 생육 모델링 및 예측 분석을 통해 바이오차 벽돌의 생산성 향상 효과를 정량화.

→ 이를 통해 바이오차 벽돌은 단순한 토양 개량재를 넘어 스마트 농업 플랫폼의 핵심 요소로 자리 잡을 수 있음.

---

4. 기후변화 대응 및 탄소 크레딧 창출

1. 탄소 포집(Carbon sequestration): 바이오차는 안정된 탄소 구조를 형성하여 수백 년 이상 토양 내 탄소 저장 가능.

2. 온실가스 감축: 비료 사용량 절감, N₂O 배출 감소, 에너지 절약을 통한 간접적 감축 효과.

3. 물 절감 효과: 수분 보유력 증가로 관개량 절감 → 농업용수 절약에 따른 탄소 발자국 감소.

4. 탄소 크레딧 생성: 국제 탄소 시장(예: Verra, Gold Standard 등)에서 바이오차 기반 프로젝트가 인증 가능.

   • “Biochar as Climate-Smart Agriculture” 모델과 유사하게, 바이오차 벽돌을 통한 탄소 크레딧 발행 및 농가 소득원 다변화 가능.

---

5. 결론

바이오차 벽돌은 토양–뿌리계에서의 물리·화학적 메커니즘을 통해 식물 생장을 촉진할 뿐 아니라, IoT·빅데이터·AI 기술을 활용한 정량적 검증과 최적화를 통해 스마트 농업의 핵심 솔루션으로 발전할 수 있다. 더 나아가, 바이오차 벽돌은 에너지 절감, 물 절약, 온실가스 감축 및 장기적 탄소 포집을 통해 기후변화 대응과 탄소 크레딧 창출에 기여하는 잠재력을 지닌다. 향후 연구는 바이오차 벽돌의 구성 재료, 공극 구조 최적화, 디지털 농업 시스템과의 융합을 중심으로 진행되어야 하며, 이를 통해 농업 생산성과 탄소중립을 동시에 달성할 수 있을 것이다.