Le carbone est présent dans le sol sous forme organique et sous forme minérale.

Les formes organiques de carbone sont l'humus, qui est un carbone organique stable, et le carbone labile, constitué de composés issus de la biomasse microbienne et végétale et facilement assimilable par les microorganismes et les plantes.

Le carbone minéral est quant à lui constitué d'ions carbonate comme le carbonate de calcium, de minéraux sous forme de roches et de sable, et de formes anciennement organiques comme le biochar. Cette forme de carbone ne fournit pas aux microorganismes et aux plantes l'énergie nécessaire pour les alimenter mais présente d'autres intérêts.

Or l'agriculture intensive, fondée sur des apports d’intrants de synthèse, appauvrit le sol en carbone de manière radicale. Les engrais azotés, combinés au travail du sol, accélèrent la respiration microbienne, brûlant le carbone du sol plus vite qu'il n'est remplacé. Certains pédologues estiment aujourd’hui que "la plupart des sols agricoles ont perdu de 25 % à 75 % de leur réserve originale de carbone organique du sol." (Rattan Lal 2010)

Le biochar est une forme de carbone organique devenue minérale du fait du process de pyrolyse. Cette transformation à haute température (de 400°C à plus de 800°C) crée une structure poreuse semblable à celle d’une éponge, comportant des couches de carbone « fusionné » difficilement biodégradable.

Grâce à ces pores et à leurs charges électriques, le biochar présente des capacités d'absorption de l'eau, de l'air et des nutriments solubles. Cette porosité est présente à de nombreuses échelles, depuis les structures vasculaires et cellulaires de la biomasse d’origine jusqu'aux nano-pores formés par de minuscules dislocations moléculaires. La quantité de porosité dépend principalement du matériau de départ et de la température de traitement.

Les couches de carbone inorganique favorisent par ailleurs des réactions d'oxydation et de réduction et agissent à la fois comme sources et puits d'électrons au cours des réactions métaboliques des microorganismes (Lovley et al, 1996). Le biochar semble ainsi non seulement servir de tampon d'électrons pour les réactions d'oxydoréduction (Klüpfel et al, 2014), mais il aide également les bactéries à échanger des électrons entre elles, améliorant ainsi leur efficacité métabolique (Kappler et al, 2014 ; Chen et al, 2014).

Cette capacité d’absorption et d'échanges ioniques du biochar est importante à prendre en compte pour optimiser les effets d’apports de biochar au sol. Dans certains cas, un biochar brut intégré au sol peut même réduire dans un premier temps la fertilité de ce sol en diminuant la disponibilité des nutriments. Cet inconvénient peut être évité en ajoutant des matières organiques fraîches (fumier, lisier, compost) et des préparations riches en microorganismes (litière forestière fermentée, extraits fermentés de plantes) au biochar avant application afin de « charger » ses pores.

En revanche le biochar peut permettre de retenir une plus grande partie de la matière organique (résidus de cultures et de couverts, biomasse microbienne, amendements organiques) sous forme d'humus stable. Les surfaces des pores du biochar adsorbent en effet le carbone organique provenant de ces différentes sources et le retiennent dans des composés mêlés aux minéraux, permettant dans le même temps aux microorganismes une utilisation plus efficace de ces débris organiques contenant du carbone et d'autres nutriments.

Le biochar est donc un amendement très complémentaire et synergique du compost, mais il augmente aussi la rétention de l'azote dans le sol. En effet lorsque la biomasse se décompose dans le sol, ce processus peut libérer de grandes quantités d’ammonium (NH4+) qui peut s’échapper dans l’atmosphère en phase gazeuse si le pH est trop élevé, mais qui peut également être absorbée par les pores du biochar. On constate ainsi qu’en présence de matière organique le biochar s’oxyde et s’enrichit en groupes fonctionnels carboxyliques qui améliorent la capacité de rétention de cations comme l'ammonium.