Recopilación de información

Se realizó una búsqueda bibliométrica durante la segunda semana de diciembre de 2023 en la que se utilizó la base de datos de Scopus, con palabras clave en inglés, enfocada en título, resumen y palabras clave del autor, relacionadas con la elaboración, aplicación y sostenibilidad del biocarbón. El código utilizado fue TITLE-ABS-KEY (“biochar” elaboration OR “biochar” application OR “biochar” sustainability OR “biochar” production) AND (LIMIT-TO (SUBJAREA, “AGRI”)) AND (LIMIT-TO (DOCTYPE, “ar”) OR LIMIT-TO (DOCTYPE, “re”)) AND (LIMIT-TO (PUBSTAGE, “final”)) AND (LIMIT-TO (SRCTYPE,”j”)). Se aplicaron filtros a la búsqueda para limitarla a artículos científicos y de revisión en el área de ciencias en agricultura y biología publicados.

Análisis de Datos

En primer lugar, se determinaron los indicadores bibliométricos para el análisis de los datos (Cuadro 1). Después, se realizó un análisis clúster utilizando el software VOSviewer (^{Van Eck y Waltman, 2023}), con la técnica bibliométrica de co-ocurrencias. Esta técnica es una de las opciones de análisis con las que cuenta este software, en la que se identifica la frecuencia con la que dos o más términos aparecen juntos en los documentos explorados (^{Van Eck y Waltman, 2023}).

Posteriormente, se utilizaron todas las palabras clave como unidad de análisis y se aplicó un conteo total de las mismas. El número mínimo de ocurrencias de una palabra clave para ser tomada en cuenta en el análisis fue de 60, esto para permitir una clara visualización de las palabras en el mapa. De la lista de 46 palabras clave que resultaron, se descartaron cuidadosamente palabras que no estuvieran en concordancia con este estudio, tales como nombres de países y sustantivos considerados irrelevantes. También se realizó un análisis con VOSviewer para determinar los países con mayor productividad de artículos sobre el tema de biocarbón (Figura 1). Para ello, se empleó la citación por países dentro de la interfaz y se tomaron en cuenta países con 30 o más publicaciones.

Figura 1: Producción anual de trabajos sobre biocarbón a nivel global durante el período 2007-2022.  

Figure 1: Annual production of biochar papers globally during the period 2007-2022. 

Finalmente, se analizó la base de datos de Scopus en bibliometrix (^{Aria y Cuccurullo, 2017}), el cual es una herramienta del paquete estadístico R v. 4.3.0 (^{R Core Team, 2023}). Este software se utilizó para obtener estadísticos descriptivos e información básica sobre el conjunto de datos como número de publicaciones y tipo, países, autores, las principales afiliaciones y revistas, así como las relaciones entre ellos de manera gráfica.

Producción de artículos sobre biocarbón por países, autores, revistas y universidades

En cuanto a la producción anual total, se puede observar un incremento en forma exponencial en la publicación de artículos y revisiones sobre esta temática (Figura 1). Es de especial interés que los primeros artículos sobre el biocarbón son relativamente recientes (alrededor de 2007), por lo que es relevante la atención que le ha dado la comunidad científica a este material en tan corto tiempo. En México se registran 8 publicaciones para el mismo periodo, en años recientes (2015 a 2021).

El hecho de que los primeros artículos se hayan publicado alrededor de 2007 indica que el biocarbón es un área emergente en la ciencia agrícola. Esto supone una oportunidad para incentivar su investigación y muestra la necesidad de validar estas investigaciones en estudios de campo para evaluar su viabilidad a gran escala.

Aunque en México, el número de publicaciones es sido limitado, algunos estudios recientes, como el de ^{Mondragón-Sánchez et al. (2021)}, muestra resultados prometedores en la aplicación del biocarbón en el cultivo de maíz, lo que abre la puerta a su implementación en otros cultivos de la agricultura mexicana.

También se analizó el origen de los artículos por países. Los 15 países con mayor producción de trabajos relacionados con el biocarbón se pueden observar en la Figura 2, entre ellos destacan China y Estados Unidos como líderes en publicaciones sobre esta temática. Esto es consistente con el estudio de ^{Pérez-Cabrera et al. (2021)}, quienes también observan que estos países han sido pioneros en la investigación sobre los beneficios del biocarbón en la agricultura y su rol en la mitigación del cambio climático. Se destaca que, además de liderar la producción de artículos sobre biocarbón, China también sobresale por su elevada colaboración internacional, lo que pone de manifiesto su cooperación global a este campo de investigación.

Figura 2: Productividad de trabajos sobre la producción, aplicación y sostenibilidad en biocarbón por países. SCP = publicación de un solo país; MCP = publicación de varios países. 

Figure 2: Productivity of works on biochar production, application and sustainability by country. SCP = single-country publication; MCP = multi-country publication. 

Lo anterior indica que México, al igual que otros países con una producción limitada de investigaciones, podría beneficiarse de las colaboraciones internacionales y transferir tecnología con base en los estudios realizados en estos países líderes. La transferencia de estos conocimientos podría facilitar la implementación de prácticas agrícolas más sostenibles a nivel local, especialmente en las zonas rurales donde la producción agrícola es la principal fuente de ingresos para los campesinos.

Con la finalidad de observar la interacción entre los 10 autores más productivos del mundo, las 10 palabras clave más utilizadas y los 10 países con mayor cantidad de trabajos sobre la elaboración, aplicación y sostenibilidad del biocarbón, se elaboró un diagrama de Sankey (en el que se destaca la métrica con base en autores). En la Figura 3 se presenta este análisis y se puede observar que los 10 autores representados son de origen chino. Esto indica el alto grado de interés que esa nación le otorga a la investigación sobre el uso de bioinsumos agrícolas como el biocarbón. Sin embargo, también muestra que es un campo de interés global, pues hay contribuciones significativas de otras naciones como Estados Unidos, Australia, Alemania e India.

Figura 3: Relación entre los diez principales autores, palabras clave y países en trabajos sobre la elaboración, aplicación y sostenibilidad del uso de biocarbón. AU = autores; ID = palabras clave; AU_CO = países. 

Figure 3: List of the top ten authors, keywords and countries in papers on the development, application and sustainability of biochar. AU = authors; ID = keywords; AU_CO = countries. 

La posibilidad de la colaboración estrecha en esta área, abre la posibilidad de replicar la investigación en otros países. Al aplicar un enfoque en la adopción de biocarbón a nivel rural, la colaboración internacional puede facilitar la formación de capacidades locales y permitir a los agricultores acceder a tecnologías y conocimientos que ya han mostrado resultados positivos en otros contextos. En este sentido, los investigadores en otros países pueden aprender de los éxitos y fracasos de China, como líder en esta área, y adaptarlos a sus propias necesidades. La posibilidad de colaboración internacional queda reflejada por la conexión entre los autores chinos y los países que también están haciendo contribuciones, lo que indica un intercambio de conocimientos y experiencias.

Se identificaron las revistas con mayor cantidad de aportaciones sobre la temática bajo análisis (Figura 4). En este sentido, destacan dos revistas en particular, Agronomy y Biomass and Bioenergy, las cuales suman 204 artículos. Ambas revistas son de acceso abierto. El factor de impacto de estas revistas es de 3.3 y 5.8 respectivamente, lo que las posiciona como fuentes relevantes y de creciente influencia en el campo del biocarbón. En el caso de la revista Biochar, la cual aparece en la tercera posición en número de artículos para el mismo periodo de tiempo, nació como una revista especializada que aborda la temática relacionada con el biocarbón y va de la mano con la tendencia de investigación de este material a nivel global. Con un factor de impacto de 13.1, Biochar se destaca como una de las publicaciones más prestigiosas en este ámbito, lo que refuerza la importancia de los artículos publicados en ella para el avance científico en la aplicación y sostenibilidad del biocarbón.

Figura 4: Las diez principales revistas que publicaron sobre la elaboración, aplicación y sostenibilidad del biocarbón.  

Figure 4: Top ten journals that have published papers on biochar development, application and sustainability. 

Es relevante destacar que todas estas revistas son de acceso abierto, lo que favorece la difusión global del conocimiento, esto permite que investigadores de todo el mundo accedan sin restricciones a las últimas investigaciones sobre biocarbón. Este acceso libre puede contribuir a una mayor colaboración internacional y acelerar los avances en la ciencia aplicada en este campo de estudio.

Las afiliaciones de los autores o universidades, que están detrás de las investigaciones en esta temática, son principalmente de origen chino. La Universidad Agrícola de Nanjing es la afiliación con mayor número de artículos publicados, seguida por la también china Northwest A&F University (Figura 5). Este enfoque académico que se centra en ciertos países hace ver la necesidad de identificar las mejores fuentes y colaborar con instituciones de vanguardia. Para los investigadores y profesionales en otras naciones, como México, este resultado revela que es importante fortalecer las relaciones con estas instituciones a través de intercambios académicos y proyectos conjuntos. Esto podría facilitar el acceso a las últimas investigaciones sobre biocarbón, además de promover la implementación de prácticas y tecnologías avanzadas en el contexto agrícola nacional.

Figura 5 Las diez principales afiliaciones de los autores que han escrito trabajos sobre el tema tratado, por número de documentos publicados. 

Figure 5: Top ten affiliations of authors who have written papers on the subject, by number of papers published. 

Evolución y tendencias de investigación sobre biocarbón

^{Pérez-Cabrera et al. (2021)} señalan en un estudio previo sobre el estado del arte del biocarbón que “la mayoría de los estudios han reportado efectos positivos en el crecimiento y rendimiento de los cultivos agrícolas, y que es necesario incrementar las investigaciones de biocarbón elaborado con biomasa vegetal y materiales orgánicos de disponibilidad local”. Sin embargo, no se abordan tendencias futuras de investigación sobre el tema. La Figura 6 muestra un gráfico con las palabras clave más frecuentemente usadas junto con “biocarbón” en los últimos cinco años, la cual puede servir como guía a los investigadores relacionados con esta temática. Entre las más recientes están: “cadmio”, “digestión anaeróbica”, “metales pesados” y “propiedades fisicoquímicas”.

Figura 6: Tendencias de frecuencia en las palabras clave sobre el biocarbón, su elaboración, aplicación y sostenibilidad de 2018 a 2023. 

Figure 6: Frequency trends in keywords about biochar, its development, application and sustainability from 2018 to 2023. 

El análisis de tendencias de frecuencia en las palabras clave señala un incremento en el número de líneas emergentes de investigación, debido a la búsqueda de soluciones sostenibles ante la creciente preocupación por el ambiente.

La tendencia en el uso de la palabra clave “propiedades fisicoquímicas” muestra un enfoque hacia la optimización de este material, especialmente para aplicaciones en los sectores ambiental y agrícola, en los últimos años (^{Qi et al., 2024}). Se están investigando las propiedades físico-químicas del biocarbón, las cuales dependen del tipo de biomasa y la temperatura de pirólisis, que influyen en su contenido de carbono, superficie específica y capacidad de adsorción (^{Jindo, Mizumoto, Sawada, Sanchez y Sonoki, 2014}; ^{Mukome, Zhang, Silva, Six y Parikh, 2013}). Además, su estructura porosa (^{Pituello et al.,2015}; ^{Sajjadi, Chen y Egiebor, 2019}) y composición química, que incluye grupos funcionales como carboxilos y carbonilos, son esenciales para su capacidad de adsorber nutrientes y contaminantes (^{Li, Xi, Ding, Han y Wang, 2020}), y pueden alterarse por factores ambientales que afectan su eficiencia en aplicaciones agrícolas y ambientales (^{Sorrenti, Masiello, Dugan y Toselli, 2016}).

Asimismo, las palabras clave “cadmio” y “metales pesados” manifiestan el interés en las propiedades del biocarbón para remediar suelos contaminados, pues su capacidad para adsorber metales pesados se demuestra en trabajos recientes (^{Lv et al., 2024}; ^{Chen et al., 2020}). Diversos estudios han explorado cómo el biocarbón puede ser modificado y utilizado para la adsorción de cadmio en soluciones acuosas (^{Cui et al., 2016}; ^{Yuan et al., 2021}). Estas investigaciones también exploran la remediación de suelos y aguas contaminadas con cadmio mediante biocarbón modificado. Se está investigando el uso de biocarbón en la remediación de suelos contaminados con metales pesados, ya que puede inmovilizar metales como Pb, Cu y Zn, al reducir su biodisponibilidad y absorción por las plantas (^{Chen et al., 2018}). El biocarbón aumenta el pH del suelo, modifica las fracciones de metales (^{Zhang et al., 2017}) y mejora la adsorción mediante mecanismos químicos como complejación y precipitación (^{Li, Yu, Liu y Yu, 2021}), con su eficiencia influenciada por factores como las propiedades del suelo y el tipo de biocarbón (^{Yuan et al., 2020}).

Además, la palabra clave “digestión anaeróbica” refleja el uso emergente del biocarbón para mejorar la producción de biogás (^{Hu, Stenchly, Gwenzi, Wachendorf y Kaetzl, 2023}). Se ha mostrado que su adición puede aumentar la producción de metano y mejorar la eficiencia del proceso al facilitar la transferencia de electrones (^{Qiu, Deng, Wang, Davaritouchaee y Yao, 2019}; ^{Yang, Chen y Wen, 2021}). Además, el biocarbón favorece la colonización microbiana, mejora la viabilidad celular y estabiliza el proceso de digestión anaeróbica (^{Cui et al., 2021}; ^{Qi et al., 2021}). Esto sugiere que, además de la investigación para mejorar el rendimiento agrícola con el uso de biocarbón, la tendencia de los futuros trabajos debe centrarse en determinar cómo el uso de este material influye en el tratamiento de residuos y la mitigación de contaminantes.

En el análisis con VOSviewer se identificaron tres clústeres: el primero (color rojo) tuvo 15 elementos que incluye al biocarbón como palabra más importante, relacionado con palabras sobre los beneficios de este material en el suelo. El segundo clúster (color verde) las palabras clave relacionadas con los beneficios del biocarbón para la reducción de los gases efecto invernadero, como el secuestro de carbono, metano y óxido nitroso. El tercero (color azul) incorpora palabras relacionadas con la producción y elaboración del biocarbón, desde biomasa, materias primas y la pirólisis (Figura 7).

Figura 7: Mapa de la red de co-ocurrencias con 34 términos seleccionados a partir de documentos sobre la elaboración, aplicación y sostenibilidad del biocarbón. VOSviewer (^{Van Eck y Waltman, 2023}). 

Figure 7: Co-occurrence network map with 34 terms selected from documents on biochar development, application and sustainability. VOSviewer (^{Van Eck y Waltman, 2023}). 

Beneficios del biocarbón en el suelo

En lo que respecta al primer clúster (color rojo), ^{Lehmann et al. (2011)} señalaron los efectos positivos del biocarbón en la biota del suelo, creando un entorno favorable para los organismos. Además, algunos autores señalan que el biocarbón tiene el potencial para rehabilitar suelos agrícolas de baja productividad, promover el secuestro de carbono a largo plazo y reducir la lixiviación de nutrientes, reduciendo así la dependencia de los fertilizantes sintéticos (^{Lévesque, Oelbermann y Ziadi, 2022}).

Por otro lado, ^{Xu, Yang, Ge y Zhou (2022)} encontraron que el biocarbón combinado con nitrógeno incide positivamente en las comunidades microbianas de la rizosfera, lo que mejora el crecimiento de las plantas. Además, se ha observado que el biocarbón mejora el contenido de humedad del suelo, la densidad aparente, la disponibilidad de nitrógeno y la disponibilidad de nutrientes esenciales (^{Kandel, Dahal y Mahatara, 2021}). Sin embargo, los beneficios de esta enmienda se ven influidos por factores como la materia prima, las condiciones de pirólisis, las dosis de aplicación y las propiedades del suelo, lo que demuestra la complejidad de las interacciones entre el biocarbón y el suelo (^{Blanco-Canqui, 2020}).

Efecto del biocarbón en la reducción de los gei

En cuanto al segundo clúster (color verde), el biocarbón desempeña un papel importante en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero a través de diversos mecanismos. Esta reducción se atribuye a su capacidad para secuestrar carbono y mejorar la fertilidad del suelo, reduciendo así la liberación de gases de efecto invernadero a la atmósfera (^{Qi et al., 2018}; ^{Wang et al., 2020}).

Además, diversos estudios han demostrado que las enmiendas con biocarbón pueden reducir las emisiones totales de gases de efecto invernadero, en particular de óxido nitroso (N₂O), al mejorar las propiedades físicas y químicas del suelo y reducir la intensidad de las emisiones de gases de efecto invernadero por unidad de rendimiento del cultivo (^{Keith, Singh y Singh, 2011}; ^{Kammann, Rondon y Schmidt 2017}). Asimismo, se ha demostrado que la aplicación de biocarbón reduce la volatilización de amoníaco, lo que contribuye a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de los sistemas agrícolas (^{Schmidt, Hagemann, Draper y Kammann, 2019}).

Aunque el biocarbón ha ganado interés por sus beneficios tanto agronómicos como ambientales, aún existen varias áreas que requieren mayor investigación para optimizar su uso y comprender a fondo sus efectos. Se necesita más estudio sobre su papel en la remediación ambiental, particularmente en lo que respecta a la captura de carbono y la mejora de la fertilidad del suelo, así como los posibles riesgos, como la liberación de metales pesados y compuestos orgánicos peligrosos. También es importante investigar cómo interactúa el biocarbón con los microorganismos del suelo y cómo esto influye en la fertilidad (^{Luo et al., 2022}; ^{Wang y Wang, 2019}). Otro tema controvertido es el impacto del biocarbón en el ciclo del nitrógeno, por lo que se requieren estudios más prolongados para evaluar su efecto (^{Ahmad, Mosa, Zhan y Gao, 2021}). Finalmente, es necesario avanzar en la caracterización molecular del biocarbón, para facilitar su modelado computacional y entender mejor sus propiedades químicas y físicas (^{Wood, Mašek y Erastova, 2024}).

Métodos para elaborar biocarbón

En lo relacionado con el tercer clúster (color azul), el biocarbón se puede producir utilizando diversos métodos que influyen en sus propiedades y capacidades. Las técnicas termoquímicas más comunes para la producción de biocarbón son la pirólisis, la carbonización hidrotérmica, la gasificación, la carbonización flash y la torrefacción (^{Yaashikaa, Kumar, Varjani y Saravanan, 2020}). La pirólisis es uno de los métodos más utilizados y consiste en calentar la materia prima en ausencia de oxígeno, lo que da lugar a su carbonización. La temperatura de pirólisis tiene un efecto significativo en las propiedades del biocarbón, como la estabilidad, el contenido de carbono y sus grupos funcionales (Ronsse, Van-Hecke, Dickinson y Prins, 2012).

El método de la pirólisis lenta y la carbonización hidrotérmica, son técnicas de conversión termoquímica eficientes para producir biocarbón con altos rendimientos de carbono (^{Praveen, Jegan, Bhagavathi, Gokulan y Bulgariu, 2022}). Las tecnologías de producción de biocarbón incluyen la fosa de suelo tradicional, los hornos de tambor cerrados y los hornos de tambor abiertos (^{Anika et al., 2022}). Recientemente, se han empleado tecnologías innovadoras como la pirólisis por microondas y los reactores de calentador rotativo que ofrecen enfoques eficientes para la producción de biocarbón, permitiendo el procesamiento de diferentes materias primas y la creación de biocarbón con propiedades adaptadas (^{Yaashikaa et al., 2020}).

Las tendencias actuales y perspectivas del biocarbón se encuentran enfocadas principalmente a la identificación de los beneficios en la parte de la sostenibilidad de los recursos naturales y efectos positivos ante el cambio climático. Estos resultados soportan el continuo trabajo de buscar métodos para su elaboración mediante diversas formas de producción. Es importante diversificar la investigación para hacer el biocarbón un insumo para un pequeño productor, buscar mecanismos que permitan el uso y la adopción de esta tecnología y evaluar ese proceso de transferencia de tecnología, toda vez que se tienen documentados los beneficios. Entonces resta promover la utilización masiva de este insumo que permita en el mediano y largo plazo, mejorar la salud del suelo y la productividad de los cultivos.