Research and Development of Low-Carbon Farming Technologies Using Biochar

Research and Development of Low-Carbon Farming Technologies Using Biochar

Jeollanam-do Agricultural Research and Extension Services (JARES)

---

1. Overview

Jeollanam-do Agricultural Research and Extension Services (JARES) is conducting an extensive research program titled “Development of Low-Carbon Farming Technologies Using Biochar.”

The goal is to establish a carbon-neutral circular agriculture system that simultaneously achieves greenhouse gas (GHG) reduction, soil restoration, and increased agricultural productivity.
By utilizing locally abundant agricultural residues such as rice husks, wood biomass, and livestock manure, JARES aims to develop practical and sustainable carbon farming technologies suitable for rural communities in Jeollanam-do.

---

2. What Is Biochar?

Biochar is a charcoal-like carbon material produced by pyrolyzing organic biomass (e.g., wood, rice husk, manure) under limited or no oxygen conditions.

It is a compound word of “biomass” and “charcoal,” and functions as a stable carbon sink material.

Key Properties of Biochar

1. High Carbon Content – 2–3 times higher than that of common organic matter.

2. Large Surface Area – Highly porous structure that enhances nutrient and water retention.

3. High pH – Contributes to neutralizing acidic soils and improving soil fertility.

---

3. Carbon Reduction Mechanism of Biochar

JARES has demonstrated the carbon sequestration potential of biochar in agricultural soils.

• In normal soils, about half of the carbon absorbed by plants through photosynthesis is released back to the atmosphere during respiration and decomposition.

• In biochar-treated soils, a portion of this carbon is converted into stable, long-lasting carbon forms that remain stored in the soil for over 100 years.

📊 According to field results, one ton of rice-husk biochar reduces greenhouse gas emissions by approximately 1.44 tons of CO₂-equivalent.

---

4. Agricultural Benefits of Biochar

---

5. Field Experiment – Sweet Potato Cultivation

▪ Objective

“Evaluation of Carbon Sequestration and Yield Characteristics by Biochar Type in Sweet Potato Cultivation”

Three biochar types (rice husk, woody biomass, and livestock manure) were tested for their effects on soil carbon content and crop yield.

▪ Key Results

• Soil Carbon Increase

  • Rice husk biochar: +1.0%

  • Wood biochar: +0.7%

  • Livestock manure biochar: +0.6%
    (approx. 0.2–0.3% higher than untreated soil)

• Yield Improvement

  • Marketable yield increased by 6–10% compared with untreated plots.

  • The rice husk biochar plot achieved the highest yield: 3,870 kg per 10 a.

• Enhanced Growth

  • Improved soil moisture retention promoted vine growth and tuber expansion.

✅ Conclusion: Rice husk biochar showed the best overall performance in both carbon sequestration and productivity enhancement.

---

6. Development of Biochar-Based Seedling Soil

JARES also applied biochar to the production of nursery soil for rice seedlings to improve sustainability in paddy farming.

🧪 As the biochar content increased, water retention and aeration of the seedling medium improved significantly, resulting in higher root vitality and seedling establishment rates.

---

7. Experimental Samples and Exhibits

The JARES exhibition showcased several biochar products and liquid extracts under development:

• Rice Husk Biochar (Energy Crop Residue Type)

• Wood Biochar

• Livestock Manure Biochar

• Liquid Biochar Extracts (Fermented and Activated Forms)

These materials are being tested for use as soil conditioners, fertilizer additives, and seedling media components.

---

8. Research Significance and Future Outlook

JARES’ research demonstrates how biochar can transform agriculture into a climate mitigation industry while maintaining productivity.

Key Achievements

• Proven GHG reduction, yield increase, and soil quality improvement in field applications.

Next Objectives

• Development of a carbon credit model (Carbon Farming Certification) linking biochar application to measurable CO₂ reductions.

Long-Term Direction

• Integration of Biochar + Carbon Farming + Smart Agriculture technologies in collaboration with UNIDO, KOICA, and international R&D partners to build a global low-carbon agricultural platform.

---

📌 Conclusion

JARES’s biochar research exemplifies Korea’s leadership in developing practical, science-based climate-smart agriculture.

By upcycling agricultural residues such as rice husks into valuable carbon materials,
Jeollanam-do is advancing a regional model for low-carbon circular agriculture,
laying the foundation for participation in international carbon reduction initiatives (CDM, VCM)
and serving as a strategic Korea–ASEAN cooperation model for sustainable agriculture and climate action.

---

전남농업기술원의 바이오차 연구 및 저탄소 농업기술 개발 현황

1. 연구 개요

전라남도농업기술원은 “바이오차를 활용한 저탄소 농업기술 개발”을 핵심 주제로
온실가스 감축과 토양환경 개선, 농가소득 증대가 결합된 지속가능 농업 모델을 개발 중이다.
이 연구는 지역 내 풍부한 농업부산물(왕겨, 목질, 가축분 등)을 활용하여
탄소중립형 순환농업체계(Carbon-Neutral Circular Agriculture)를 구현하는 것을 목표로 하고 있다.

---

2. 바이오차의 정의와 특성

▪ 정의

바이오차(Biochar)는 목재, 왕겨 등 바이오매스 원료를 산소가 없는 조건에서 열분해하여 만든 숯 형태의 탄소물질로,
‘Biomass’와 ‘Charcoal’의 합성어이다.

▪ 주요 특성

1. 높은 탄소함량 – 일반 유기물보다 2~3배 높은 탄소 함유율.

2. 넓은 비표면적 – 다공성 구조로 수분 및 양분 저장력이 우수.

3. 높은 pH – 산성 토양을 개량하는 효과.

---

3. 바이오차의 탄소 저감 원리

전남농업기술원은 바이오차의 토양 내 탄소격리 효과를 실험적으로 검증하고 있다.

• 일반 토양: 식물이 광합성으로 흡수한 탄소(CO₂)의 약 절반이 호흡·분해 과정을 통해 대기 중으로 방출.

• 바이오차 처리 토양: 열분해 과정을 통해 형성된 안정형 탄소가 토양 내 장기 저장되어
  ‘탄소 네거티브(Carbon Negative)’ 효과를 실현.

📊 실험 수치에 따르면 왕겨 바이오차 1톤 투입 시 온실가스 감축량은 약 1.44톤 CO₂-eq에 달한다.

---

4. 바이오차의 농업적 효과

---

5. 작물별 실증시험 – 고구마 재배 실험

▪ 실험 내용

“고구마 재배 시 바이오차 종류별 탄소저장 및 수량 특성평가”를 주제로,
왕겨·목질·가축분 바이오차를 각각 투입하여 토양 탄소저장량과 수확량을 비교했다.

▪ 결과 요약

• 토양탄소량 증가:
  왕겨 바이오차 처리구 1.0%, 목질 바이오차 0.7%, 가축분 바이오차 0.6% 수준으로 증가.
  (무처리 대비 약 0.2~0.3% 상승)

• 상품수량 향상:
  무처리 대비 평균 6~10% 증가, 특히 왕겨 바이오차 처리구가 가장 우수한 수량(3,870kg/10a) 기록.

• 생육 개선:
  토양 보습력 유지로 줄기 생장 및 괴근 비대 촉진.

📈 결론적으로, 왕겨 바이오차는 탄소저감과 작물생산성 두 측면에서 가장 효율적인 자원으로 평가됨.

---

6. 바이오차 활용 수도용 상토 개발

전남농업기술원은 벼 육묘용 상토 개발에도 바이오차를 적용하고 있다.
2024~2025년 수행한 시험에서, 바이오차 첨가비율(10~30%)에 따른 발아율 및 생육특성을 분석한 결과는 다음과 같다.

🧪 바이오차 함량이 높을수록 상토 내 수분 유지와 통기성이 개선되어,
묘의 활착률 및 뿌리 생육이 뚜렷하게 향상되었다.

---

7. 시제품 및 연구 시료 전시

연구소 내에는 다양한 형태의 바이오차 원료와 용액 시료가 전시되어 있었다.

• 왕겨 바이오차 (Rice Husk Biochar)

• 목질 바이오차 (Wood-based Biochar)

• 가축분 바이오차 (Livestock Manure Biochar)

• 퇴비형 액상바이오차 (Biochar Liquid Extract)

이들 시료는 모두 토양개량, 비료 첨가제, 상토혼합제 등으로 활용 가능성을 검토 중이다.

---

8. 연구의 의미 및 향후 전망

전남농업기술원의 연구는 단순한 농업 기술을 넘어,
탄소저감형 농업모델의 실증 기반을 마련했다는 점에서 중요하다.

• 1차 성과:
  바이오차 투입으로 온실가스 감축, 작물생산성 향상, 토양개량 효과 확인.

• 2차 목표:
  바이오차를 활용한 탄소배출권(C-Credit) 창출 및 농가소득화 모델 구축.

• 3차 방향:
  국제협력(UNIDO, KOICA 등)과 연계해 ‘Biochar–Carbon Farming–Smart Agriculture’ 통합기술로 발전 추진.

---

📌 결론

전남농업기술원은 바이오차 연구를 통해
“농업이 기후위기를 해결하는 기술산업”으로 진화할 수 있음을 보여주고 있다.
왕겨를 비롯한 지역 바이오매스 자원을 고부가가치 소재로 전환함으로써,
전남형 저탄소·순환농업 실현 모델을 구체화하고 있다.

이 연구는 향후 국제 탄소감축 프로젝트(CDM, VCM)와 연계될 수 있으며,
한국-아세안 농업기술 협력모델의 기반이 될 수 있다.

---

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NÔNG NGHIỆP CÁC-BON THẤP SỬ DỤNG BIOCHAR

Viện Nghiên cứu và Khuyến nông Jeollanam-do (JARES)

---

1. Giới thiệu chung

Viện Nghiên cứu và Khuyến nông Jeollanam-do (JARES) đang triển khai chương trình nghiên cứu với chủ đề:
“Phát triển công nghệ nông nghiệp các-bon thấp sử dụng Biochar.”

Mục tiêu của dự án là xây dựng hệ thống nông nghiệp tuần hoàn trung hòa các-bon,
kết hợp giữa giảm phát thải khí nhà kính (GHG), cải tạo đất và nâng cao năng suất nông nghiệp.
JARES tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại địa phương như trấu, gỗ, phân gia súc,
nhằm phát triển mô hình canh tác carbon thông minh (Carbon Farming) phù hợp với điều kiện nông thôn Hàn Quốc.

---

2. Biochar là gì?

Biochar là vật liệu có dạng than, được tạo ra bằng cách nhiệt phân sinh khối hữu cơ (như gỗ, trấu, phân gia súc)
trong điều kiện thiếu hoặc không có oxy.

Tên gọi “Biochar” là sự kết hợp giữa “Biomass” (sinh khối) và “Charcoal” (than củi),
và được xem là vật liệu lưu trữ carbon ổn định trong đất.

🔹 Đặc tính chính của Biochar

1. Hàm lượng carbon cao: Gấp 2–3 lần so với vật chất hữu cơ thông thường.

2. Diện tích bề mặt lớn: Cấu trúc xốp giúp giữ nước và chất dinh dưỡng.

3. Độ pH cao: Có tác dụng trung hòa đất chua và cải thiện độ phì nhiêu của đất.

---

3. Cơ chế giảm phát thải carbon của Biochar

JARES đã chứng minh hiệu quả lưu trữ carbon của Biochar trong đất nông nghiệp.

• Trong đất thông thường: Khoảng 50% lượng carbon hấp thụ qua quang hợp bị giải phóng trở lại khí quyển do hô hấp và phân hủy.

• Trong đất có bổ sung Biochar: Một phần carbon được chuyển hóa thành dạng carbon ổn định, tồn tại trong đất trên 100 năm, giúp giảm phát thải CO₂ đáng kể.

📊 Kết quả thực nghiệm cho thấy: 1 tấn Biochar từ trấu giúp giảm khoảng 1,44 tấn CO₂ tương đương.

---

4. Tác dụng nông nghiệp của Biochar

---

5. Thí nghiệm thực tế – Trồng khoai lang

▪ Mục tiêu

“Đánh giá khả năng lưu trữ carbon và năng suất theo loại Biochar trong canh tác khoai lang.”

Ba loại Biochar được thử nghiệm: trấu, gỗ, phân gia súc, để so sánh khả năng lưu carbon và năng suất.

▪ Kết quả chính

• Tăng lượng carbon trong đất:

  • Biochar từ trấu: +1,0%

  • Biochar từ gỗ: +0,7%

  • Biochar từ phân gia súc: +0,6%
    (cao hơn đất đối chứng khoảng 0,2–0,3%).

• Tăng năng suất thương phẩm:

  • Năng suất tăng trung bình 6–10% so với đối chứng.

  • Biochar từ trấu cho năng suất cao nhất: 3.870 kg/10a.

• Cải thiện sinh trưởng:

  • Biochar giúp đất giữ ẩm tốt hơn, tăng độ phát triển thân và củ.

✅ Kết luận: Biochar từ trấu mang lại hiệu quả cao nhất về cả giảm carbon và nâng cao năng suất cây trồng.

---

6. Phát triển giá thể gieo mạ có bổ sung Biochar

JARES cũng nghiên cứu ứng dụng Biochar trong sản xuất giá thể gieo mạ lúa, nhằm nâng cao hiệu quả canh tác bền vững.

🧪 Khi tăng tỷ lệ Biochar, khả năng giữ ẩm và thoáng khí của giá thể được cải thiện rõ rệt,
giúp mạ bén rễ nhanh và sinh trưởng đồng đều.

---

7. Sản phẩm và mẫu nghiên cứu trưng bày

Tại khu trưng bày, JARES giới thiệu nhiều loại Biochar và dung dịch ứng dụng:

• Biochar từ trấu (Rice Husk Biochar)

• Biochar từ gỗ (Wood Biochar)

• Biochar từ phân gia súc (Livestock Manure Biochar)

• Dung dịch chiết xuất Biochar (Biochar Liquid Extract)

Những vật liệu này được thử nghiệm để ứng dụng trong cải tạo đất, chất phụ gia phân bón, và giá thể gieo mạ.

---

8. Ý nghĩa nghiên cứu và định hướng tương lai

Nghiên cứu của JARES khẳng định rằng Biochar có thể biến nông nghiệp thành ngành công nghiệp giảm phát thải carbon,
vừa đảm bảo năng suất, vừa góp phần chống biến đổi khí hậu.

Thành tựu chính

• Xác nhận hiệu quả giảm khí nhà kính, cải thiện năng suất và phục hồi đất qua các thí nghiệm thực tế.

Mục tiêu tiếp theo

• Xây dựng mô hình tín chỉ carbon (Carbon Credit) dựa trên lượng CO₂ giảm được từ việc sử dụng Biochar.

Định hướng dài hạn

• Tích hợp công nghệ Biochar + Canh tác Carbon + Nông nghiệp Thông minh,
  kết hợp với các tổ chức quốc tế như UNIDO, KOICA,
  hướng tới xây dựng nền nông nghiệp các-bon thấp mang tính toàn cầu.

---

📌 Kết luận

Nghiên cứu về Biochar của Viện Kỹ thuật Nông nghiệp Jeollanam-do cho thấy
nông nghiệp có thể trở thành ngành công nghiệp xanh và thân thiện với khí hậu.

Bằng cách tái chế phụ phẩm nông nghiệp như trấu, gỗ, phân gia súc thành vật liệu carbon giá trị cao,
Jeollanam-do đang xây dựng mô hình nông nghiệp tuần hoàn các-bon thấp kiểu Hàn Quốc,
đặt nền tảng cho việc tham gia vào các chương trình giảm phát thải quốc tế (CDM, VCM)
và mở rộng hợp tác Hàn Quốc – ASEAN trong lĩnh vực nông nghiệp bền vững và ứng phó biến đổi khí hậu.

---