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Biocarvão

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Carvão vegetal.

Biochar (de origem inglesa , de bio- e charcoal , "charcoal"; também chamado de 'biocarbón' em espanhol) é o nome dado ao carvão quando é usado como corretivo do solo . Ou seja, é biomassa de origem vegetal processada por meio de pirólise (queima).

Esse uso do carvão está sendo investigado como forma de sequestrar carbono para reduzir as emissões de dióxido de carbono . [ 1 ] Portanto, este sistema tem potencial para ajudar a mitigar as mudanças climáticas . [ 2 ] [ 3 ]​ Alega-se que o biochar pode aumentar a fertilidade em solos ácidos (solos com baixo pH), aumentar a produtividade agrícola e fornecer proteção contra algumas doenças foliares e do solo. [ 4 ] Além disso, diz-se que poderia ajudar a reduzir a pressão exercida sobre as florestas . [ 5 ] Biochar é um material estável, rico em carbono , e pode persistir no solo por milhares de anos. [ 1 ]

História

Os povos indígenas pré- colombianos da Amazônia criaram um solo altamente produtivo conhecido como terra preta amazônica ( português : terra preta ), que entre outros componentes continha carvão. Não está claro se esse carbono foi incorporado ao solo com a intenção de melhorar suas propriedades ou se é um fenômeno acidental. Eles o produziram aplicando combustão latente em seus resíduos agrícolas (por exemplo, cobrindo a vegetação queimada com solo) [ 6 ] em fossas ou trincheiras. [ 7 ]​ Siguiendo observaciones y experimentos, un equipo de investigadores en la Guayana francesa planteó la hipótesis de que la lombriz de tierra amazónica Pontoscolex corethrurus podría ser la agente principal en el proceso de pulverización e incorporación de los restos de carbón a la capa mineral do solo. [ 8 ]

O termo 'biochar' foi cunhado por Peter Read para definir o carvão usado como uma correção do solo. [ 9 ]

Produção

O biocarvão é um resíduo de grão fino e alto teor de carbono que hoje é produzido por meio de modernos processos de pirólise , que é uma decomposição direta da biomassa pelo calor e na combustão——o que impedeoxigênioausência de produtos líquidos ( biocombustíveis ) e gasosos ( gás sintético ). O rendimento específico da pirólise depende das condições do processo, como temperatura, e pode ser otimizado para produzir energia e biocarvão. [ 10 ] Temperaturas de 400–500 °C (752–932 °F) produzem mais carvão, enquanto temperaturas acima de 700 °C (1.292 °F) favorecem o desempenho de componentes de combustível líquido e gasoso. [ 11 ] A pirólise ocorre mais rapidamente em temperaturas mais altas, normalmente exigindo segundos em vez de horas. A pirólise de alta temperatura também é conhecida como gaseificação e produz principalmente gás de síntese . [ 11 ] Os rendimentos típicos são 60% de biocombustível , 20% de biocarvão e 20% de gás de síntese. Em comparação, pirólises lentas podem produzir substancialmente mais carvão (~50%). Uma vez iniciados, ambos os processos geram energia líquida. Para entradas típicas, a energia necessária para executar um pirolisador 'rápido' é cerca de 15% da energia que sai. [ 12 ] As modernas usinas de pirólise podem usar o gás de síntese que geram através do mesmo processo pirolítico e extrair de 3 a 9 vezes a quantidade de energia necessária para sua operação. [ 7 ]

O método de cava e trincheira da Amazônia [ 7 ] não produz biocombustível nem gás sintetizado e libera uma grande quantidade de CO 2 , carbono negro , entre outros gases de efeito estufa (GEE) e potencialmente toxinas no ar . Os sistemas em escala comercial processam resíduos agrícolas, subprodutos de papel e até mesmo resíduos municipais, e normalmente eliminam esses efeitos colaterais capturando e usando os produtos líquidos e gasosos.

Sistemas móveis, centralizados e descentralizados

Em um sistema centralizado, toda a biomassa de uma região é levada para uma usina central de processamento. Alternativamente, cada agricultor ou grupo de agricultores pode operar um forno de baixa tecnologia . E, finalmente, um caminhão equipado com um pirolisador pode ser movido de um lugar para outro para pirolisar a biomassa. A energia do veículo vem do fluxo de gás de síntese enquanto o biochar permanece na fazenda. O biocombustível é enviado para uma refinaria ou local de armazenamento. Os fatores que influenciam a escolha do tipo de sistema incluem o custo de transporte de subprodutos sólidos e líquidos, a quantidade de material a ser processado e a capacidade de alimentar diretamente o sistema elétrico.

Para culturas que não são exclusivamente para produção de biocarvão, a relação resíduo/produto (PRP) e o fator de coleta (CF) - a porcentagem de resíduo que não é usado para outras coisas - medem a quantidade aproximada de matéria-prima que pode ser obtida por pirólise após a colheita dos produtos primários. Por exemplo, o Brasil colhe aproximadamente 460 milhões de toneladas de cana- de-açúcar anualmente, [ 13 ] com PRP de 0,30 e FC de 0,70 em pontas de folhas de cana que normalmente são queimadas no campo. [ 14 ] Isso se traduz em aproximadamente 100 milhões de toneladas de resíduos por ano que podem ser pirolisados ​​para gerar energia e criar aditivos no solo. Se fosse adicionado bagaço (resíduo de cana) (PRP=0,29 FC=1,0), que ao contrário é queimado de forma ineficiente em caldeiras, o total aumentaria para 230 milhões de toneladas de matéria-prima para pirólise. No entanto, alguns resíduos vegetais devem permanecer no solo para evitar aumento de custos e emissões de fertilizantes nitrogenados. [ 15 ]

As tecnologias de pirólise para processamento de biomassa foliar produzem biochar e syngas. [ 16 ]

Despolimerização termocatalítica

Alternativamente, a despolimerização termocatalítica usando micro -ondas foi recentemente usada de forma eficiente para converter matéria orgânica em biocarvão em escala industrial, produzindo ~ 50% de carvão. [ 17 ] [ 18 ]

Usa

Reservatório de carbono

A queima natural e a decomposição da biomassa e em particular dos resíduos agrícolas enviam grandes quantidades de CO
dois
para a atmosfera. Como o biocarvão é um material estável e fixo, ele pode armazenar grandes quantidades de gases de efeito estufa no solo por séculos, reduzindo potencialmente o aumento dos níveis atmosféricos de gases de efeito estufa; Ao mesmo tempo, sua presença em terra pode melhorar a qualidade da água, aumentar a fertilidade do solo, aumentar a produtividade agrícola e reduzir a pressão sobre as florestas virgens . [ 19 ]

O biochar pode sequestrar carbono no solo por centenas e até milhares de anos, como o carvão . [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]​ Uma tecnologia carbono-negativa levaria a uma remoção líquida de CO 2 da atmosfera, enquanto produz e consome energia. ” [ citação necessária ] Esta técnica é recomendada por cientistas proeminentes como James Hansen , diretor do Instituto Goddard de Estudos Espaciais da NASA , [ 25 ] ou James Lovelock , criador da hipótese Gaia para a mitigação do aquecimento global através da remediação dos gases de efeito estufa . [ 26 ]

Pesquisadores estimaram que o uso sustentável do biochar poderia reduzir as emissões globais líquidas de dióxido de carbono ( CO
dois
), metano e óxido nitroso até 1,8 Pg de COdois-C equivalente ( CO
dois
-C e ) por ano (12% das emissões atuais de CO
dois
-Ce gerado pelo homem; 1 Pg = 1 Gt), e as emissões líquidas totais ao longo do próximo século por 130 Pg CO
dois
-C e , sem comprometer a segurança alimentar, o habitat ou a conservação do solo . [ 27 ]

Alteração do solo

Biochar é reconhecido por fornecer inúmeros benefícios para a saúde do solo . Muitos deles são devido à sua natureza extremamente porosa. Verificou-se que tal estrutura é muito eficaz na retenção de água e nutrientes solúveis em água. A cientista do solo Elaine Ingham destaca [ 28 ] a adequação do biocarvão como habitat para inúmeros microrganismos benéficos do solo . Ela ressalta que, quando esses micro-organismos benéficos foram previamente incorporados, o biochar torna-se um corretivo poderosamente eficaz na formação de solos ricos e, portanto, plantas mais saudáveis.

Também foi visto que o biochar é capaz de reduzir a lixiviação de E-coli através de solos arenosos, dependendo de sua taxa de aplicação, matérias-primas, temperatura de pirólise, teor de umidade do solo, textura do solo e propriedades da superfície do solo. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

Para plantas que requerem alto teor de potássio e pH alto , [ 32 ] biochar pode ser usado como uma correção do solo para melhorar o rendimento.

O biochar pode melhorar a qualidade da água, reduzir as emissões de gases de efeito estufa do solo , reduzir a lixiviação de nutrientes , reduzir a acidez do solo e reduzir a necessidade de irrigação , bem como a fertilização . [ 33 ] Também foi encontrado em circunstâncias muito particulares que o biochar induz respostas sistêmicas das plantas a doenças fúngicas e aumenta as respostas das plantas a outras doenças causadas por patógenos do solo. [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]

Os muitos impactos do biochar podem ser impulsionados por suas propriedades, [ 37 ] bem como o quanto foi aplicado, [ 36 ] e ainda são necessárias muitas pesquisas sobre suas propriedades em outras aplicações importantes. [ 38 ] Seu impacto também pode depender das condições regionais, incluindo o tipo de solo, sua condição (pobre ou saudável), temperatura e umidade. [ 39 ] Baixas adições de biocarvão ao solo podem reduzir as emissões de óxido nitroso N
dois
O
[ 40 ] em até 80% e eliminar as emissões de metano , ambos geradores de gases de efeito estufa mais potentes que o CO 2 . [ 41 ]

Estudos relataram efeitos positivos do biochar na produção agrícola em solos degradados e pobres em nutrientes. [ 42 ] Biochar pode ser projetado com qualidades específicas para atender a diferentes necessidades do solo. [ 43 ] Biochar reduz a lixiviação de nutrientes críticos, estimula a absorção de nutrientes mais eficiente pelas culturas e contribui para uma maior disponibilidade de nutrientes no solo. [ 44 ] Em quantidades de 10% o biochar reduziu os níveis de contaminação nas plantas em até 80%, além de reduzir o teor total de clordano e DDX nas plantas em 68 e 79%, respectivamente. [ 45 ] Por outro lado, devido à sua capacidade de adsorção muito alta, o biochar pode reduzir a eficácia de biocidas aplicados no solo usados ​​para controle de ervas daninhas e doenças. [ 46 ] ​[ 47 ]​ Em grandes superfícies pode ser particularmente problemático neste último aspecto; Mais pesquisas são necessárias sobre os efeitos a longo prazo da adição de biochar nessas condições. [ 46 ]

"Cortar e char"

Mudar a técnica agrícola de “ corte e queima ” do Brasil para “ corte e carvão ” pode reduzir o desmatamento da bacia amazônica e as emissões de dióxido de carbono, bem como aumentar o rendimento das colheitas. O corte e queima deixa apenas 3% de carbono de material orgânico no solo. [ 48 ]

"Chop and Char" pode conter até 50% do carbono em uma forma altamente estável. [ 49 ] A incorporação de biocarvão no solo em vez de removê-lo todo para a produção de energia reduz a necessidade de fertilizantes nitrogenados, economizando custos e emissões de produção, transporte e uso de fertilizantes. [ 50 ] Melhorando a prontidão do solo a ser cultivado, eles conseguem sustentar boas produções indefinidamente, enquanto solos não enriquecidos rapidamente se tornam deficientes em nutrientes, obrigando os agricultores a abandonar os campos e produzindo um ciclo contínuo de "corte e queima", em além da perda progressiva da floresta tropical . Usar a pirólise para produzir bioenergia também tem o benefício adicional de não exigir as mudanças de infraestrutura que, por exemplo, o processamento de biomassa para etanol celulósico faz. Além disso, o biocarvão produzido poderia ser utilizado pelo maquinário que atualmente é usado para lavrar o solo ou pelo equipamento de fertilização. [ 51 ]

Retenção de água

Biochar é um material de solo valioso em muitos locais devido à sua capacidade de atrair e reter água. Isso é possível devido à sua estrutura porosa e grande área de superfície. [ 52 ] Como resultado, nutrientes, fósforo e agroquímicos são retidos em benefício das plantas. Tudo isso resulta em plantas mais saudáveis ​​e menos lixiviação de fertilizantes acima do solo e nas águas subterrâneas.

Produção de energia: biocombustível e gás de síntese

Unidades de pirólise móveis podem ser usadas para reduzir os custos de transporte de biomassa se o biocarvão for reincorporado ao solo e o fluxo de gás de síntese for usado para conduzir o processo. [ 53 ] ​[ 54 ]​ No entanto, os biocombustíveis contêm ácidos orgânicos que são corrosivos para recipientes de aço, têm um alto teor de vapor de água que é prejudicial à ignição e, a menos que sejam cuidadosamente limpos, podem conter partículas de biocarvão que bloqueariam os injetores. [ 55 ]

Se o biochar for usado para produção de energia em vez de correção do solo, ele pode ser substituído por qualquer aplicação que use carvão. A pirólise pode se tornar o meio mais econômico de gerar eletricidade a partir de biomaterial. [ 56 ]

Benefícios diretos e indiretos

  • A pirólise da floresta ou biomassa derivada de resíduos agrícolas gera um biocombustível único, aliado à produção agrícola.
  • O biocarvão é um subproduto da pirólise que pode ser incorporado aos solos das lavouras para aumentar sua fertilidade e estabilidade, além de sequestrar carbono a médio e longo prazo. Biochar proporcionou uma melhoria notável em solos tropicais, mostrando efeitos positivos no aumento da fertilidade do solo e na melhoria da resistência a doenças em solos da Europa Ocidental. [ 57 ]
  • Biochar favorece processos naturais: a biosfera captura CO
    dois
    , especialmente através da produção vegetal, mas apenas uma pequena parte é sequestrada de forma estável por um tempo relativamente longo (solo, madeira, etc.).
  • A produção de biomassa para biocombustíveis e biocarvão para sequestro de carbono do solo é um processo negativo em carbono; por exemplo, mais CO é removido
    dois
    da atmosfera de onde é libertado, permitindo assim o sequestro a longo prazo. [ 58 ]

Pesquisa

Pesquisas intensivas estão sendo realizadas em todo o mundo sobre os muitos aspectos que podem ser explorados a partir da pirólise e do biocarvão. De 2005 a 2012, foram publicados 1.038 artigos que incluíam a palavra 'biochar' ou 'bio-char' no espaço que foi indexado dentro do ISI Web of Science . [ 59 ] Instituições de todos os tipos estão trabalhando nisso, como a Universidade de Cornell , a Universidade de Edimburgo (onde está localizada uma das unidades de pesquisa mais dedicadas), [ 60 ] e a Organização de Pesquisa Agrícola (ARO) em Israel. , Volcani Center , onde uma rede internacional de pesquisadores focados em biocarvão foi estabelecida no início de 2009 ( iBRN, Israel Biochar Researcher Network ).

Estudantes do Stevens Institute of Technology , em Nova Jersey, estão desenvolvendo supercapacitores que usam eletrodos feitos de biocarvão. [ 61 ] Em um estudo realizado por pesquisadores da Universidade da Flórida , estão sendo realizados processos que removem fosfatos da água, produzem gás metano utilizável como combustível e um carbono carregado de fosfato que é ideal para enriquecer o solo. [ 62 ]

Setor empresarial emergente

Segundo cálculos, a redução de emissões pode ser de 12 a 84% maior se o biocarvão for reincorporado ao solo em vez de ser queimado para uso como combustível fóssil. Portanto, o sequestro de biocarvão oferece uma oportunidade de mover a bioenergia para uma indústria de carbono negativo. [ 63 ]

Johannes Lehmann, da Universidade de Cornell, estima que a pirólise pode ser econômica para uma combinação de sequestro e produção de energia quando o custo de uma tonelada de CO
dois
chega a US$ 37. [ 63 ]​ Desde meados de fevereiro de 2010 o CO
dois
está sendo cotado
a US$ 16,82/tonelada na European Climate Exchange (ECX), de modo que o emprego da pirólise para a produção de bioenergia pode ser viável mesmo que seja mais caro que o combustível fóssil.

Os projetos atuais de biocarvão não geram um impacto significativo no orçamento global de carbono, embora a expansão dessa técnica tenha sido promovida como uma abordagem de geoengenharia . [ 64 ] Em maio de 2009, o Fundo Biochar recebeu uma doação do Fundo Florestal da Bacia do Congo para realizar um projeto na África Central que busca simultaneamente deter o desmatamento , aumentar a segurança alimentar para as comunidades rurais, fornecer energia renovável e sequestrar carbono. [ citação necessária ]

Taxas de aplicação entre 2,5 e 20 toneladas por hectare parecem ser a quantidade necessária para alcançar melhorias significativas nos campos de cultivo. Os custos do biochar nos países desenvolvidos variam de US$ 300 a US$ 7.000 por tonelada, geralmente muito alto para o agricultor/horticultor e atualmente proibitivo para culturas orgânicas certificadas. Nos países em desenvolvimento, as restrições ao biochar para fins agrícolas estão mais relacionadas à disponibilidade de biomassa e ao tempo de produção. Uma alternativa é usar pequenas quantidades de biocarvão em complexos de baixo custo para biocarvão e fertilização. [ 65 ]

Várias empresas na América do Norte , Austrália e Inglaterra já estão vendendo biochar ou unidades para produzi-lo. [ citação necessária ]

Em 2009, uma unidade de pirólise móvel de ração específica de 450 kg para aplicações agrícolas foi apresentada em uma conferência internacional sobre biocarvão. A unidade tinha 3,6 m de comprimento por 2,1 m de altura. [ 66 ]

Em agosto de 2009, após alguns testes e um start-up inicial, uma unidade de produção foi aberta em Dunlap, Tennessee , administrada pela corporação Mantria , mas posteriormente foi fechada como parte de uma investigação do esquema Ponzi . [ 67 ]

Veja também

Notas

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  5. Benoit Anthony Ndameu (novembro de 2011). "Testes do Fundo Biochar em Camarões: Hype e promessas não cumpridas" . Biofuelwatch . Recuperado em 19 de outubro de 2012 . 
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  7. abc Lehmann , 2007a , pp. 381–387
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  9. Leia, Pedro (27 de março de 2009). «Esta dádiva da natureza é a melhor forma de nos salvar da catástrofe climática. Esquemas de biocarvão removeriam carbono da atmosfera e aumentariam a oferta de alimentos, diz Peter Read» . Guardião (Londres). 
  10. Gaunt e Lehmann, 2008 , p. 4152, 4155 ("Supondo que a energia do syngas seja convertida em eletricidade com uma eficiência de 35%, a recuperação no balanço energético do ciclo de vida varia de 92 a 274 kg CO 2 MW-1 de eletricidade gerada onde o processo de pirólise é otimizado para energia e 120 a 360 kg CO 2 MW-1 onde o biochar é aplicado à terra. Isso se compara a emissões de 600 a 900 kg CO 2 MW-1 para tecnologias baseadas em combustível fóssil.)
  11. ^ a b Winsley, Peter (2007). «Produção de biocarvão e bioenergia para mitigação das alterações climáticas». Revisão Científica da Nova Zelândia 64 .  (Consulte a Tabela 1 para diferenças na saída para Rápido, Intermediário, Lento e Gasificação).
  12. Laird, 2008 , p. 100, 178–181 "A energia necessária para operar um pirolisador rápido é ~15% da energia total que pode ser derivada da biomassa seca. Os sistemas modernos são projetados para usar o gás de síntese gerado pelo pirolisador para fornecer todas as necessidades energéticas de o pirolisador."
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  14. Perera, KKCK, PG Rathnasiri, SAS Senarath, AGT Sugathapala, SC Bhattacharya e P. Abdul Salam, Avaliação do potencial de energia sustentável de recursos de biomassa não plantados no Sri Lanka, 29 Biomass & Bioenergy 199, 204 (2005) (mostrando RPRs para várias plantas, descrevendo o método para determinar os resíduos agrícolas disponíveis para produção de energia e carvão).
  15. Laird, 2008 , p. 179 "Muito do debate científico atual sobre a colheita de biomassa para bioenergia está focado em quanto pode ser colhido sem causar muito dano."
  16. Jorapur, Rajeev; Rajvanshi, Anil K. (1997). "Gaseificador de bagaço de cana-de-açúcar para aplicações de aquecimento industrial". Biomassa e Bioenergia 13 (3): 141. doi : 10.1016/S0961-9534(97)00014-7 . 
  17. Karagöz, Selhan; Bhaskar, Thalada; Muto, Akinori; Sakata, Yusaku; Oshiki, Toshiyuki; Kishimoto, Tamiya (1 de abril de 2005). "Tratamento hidrotérmico catalítico de baixa temperatura de biomassa de madeira: análise de produtos líquidos" . Revista de Engenharia Química 108 (1–2): 127-137. ISSN  1385-8947 . doi : 10.1016/j.cej.2005.01.007 . Recuperado em 23 de setembro de 2011 . 
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  19. Laird, 2008 , p. 100, 178-181
  20. Lehman, Johannes. "Índio Terra Preta" . Bioquímica do Solo (citações internas omitidas) .   Não só os solos enriquecidos com biocarvão contêm mais carbono - 150gC/kg em comparação com 20-30gC/kg nos solos circundantes - mas os solos enriquecidos com biocarvão são, em média, mais de duas vezes mais profundos que os solos circundantes. [ citação necessária ]
  21. Lehmann, 2007b "este sequestro pode ser levado um passo adiante aquecendo a biomassa da planta sem oxigênio (um processo conhecido como pirólise de baixa temperatura)."
  22. Lehmann, 2007a , p. 381, 385 "a pirólise produz de 3 a 9 vezes mais energia do que é investido na geração de energia. Ao mesmo tempo, cerca de metade do carbono pode ser sequestrado no solo. O carbono total armazenado nesses solos pode ser uma ordem de magnitude maior que os solos adjacentes.
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    dois
    , SO
    x
    , e NÃO
    x
    captura da utilização de combustível fóssil com produção combinada de hidrogênio renovável e sequestro de carbono em larga escala
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  38. Glaser, Lehmann e Zech, 2002 , pp. 224 nota 7 "Três fatores principais influenciam as propriedades do carvão: (1) o tipo de matéria orgânica usada para carbonização, (2) o ambiente de carbonização (por exemplo, temperatura, ar) e (3) adições durante o processo de carbonização. de material de carvão influencia fortemente os efeitos diretos das alterações de carvão no conteúdo de nutrientes e disponibilidade."
  39. Dr. Wardle aponta que o crescimento de plantas foi observado em solos tropicais (empobrecidos) referenciando Lehmann, mas que na floresta boreal (alto teor de matéria orgânica do solo nativo ) em que este experimento foi executado, ele acelerou a perda de matéria orgânica do solo nativo . Wardle, supra nota 18. ("Embora vários estudos tenham reconhecido o potencial do C preto para aumentar o sequestro de carbono do ecossistema, nossos resultados mostram que esses efeitos podem ser parcialmente compensados ​​por sua capacidade de estimular a perda de C do solo nativo, pelo menos para florestas boreais .") (citações internas omitidas) (grifo nosso).
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  41. Lehmann, 2007a , p. nota 3 em 384 "Em experimentos em estufa, as emissões de NO x foram reduzidas em 80% e as emissões de metano foram completamente suprimidas com adições de biocarvão de 20 g kg-1 (2%) a um estande de grama forrageira."
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  50. Gaunt e Lehmann, 2008 , p. 4152 nota 3 ("Isto resulta no aumento do rendimento das culturas na agricultura de baixo insumo e no aumento do rendimento das culturas por unidade de fertilizante aplicado (eficiência do fertilizante) na agricultura de alto insumo, bem como reduções nos efeitos externos, como escoamento superficial, erosão e perdas gasosas.")
  51. Lehman, 2007b , p. nota 9 em 143 "Pode ser misturado com adubos ou fertilizantes e incluído nos métodos de plantio direto, sem a necessidade de equipamentos adicionais."
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Referências

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