Biochar – Pflanzenkohle – Terra Preta (ergänzt)

Wer zum Thema Biochar recherchiert erhält mittlerweile 558.000 Einträge. Hinzu kommen 36.700 Einträge zum Thema „Pflanzenkohle“ und sogar 599.000 Einträge zum Stichwort „Terra Preta“. Es bestehen weltweit mehr als hundert Organisationen und kommerzielle Unternehmen, die sich mit diesem „Wunderprodukt“ beschäftigen.

Die im brasilianischen Regenwald entdeckte Terra Preta do Indio (portugiesisch für Schwarze Erde der Indianer) hat über Jahrhunderte den Ureinwohnern reiche Ernten geliefert und ist nach deren Dezimierung durch eingeschleppte Seuchen in Vergessenheit geraten.

Durch die hohen Niederschläge sind die tropischen Böden sehr arm an Nährstoffen. Die Ureinwohner waren aber nicht nur primitive Jäger und Sammler, sondern haben auch Ackerbau betrieben. Ohne die Entwicklung der Terra Preta wären sie dazu nicht imstande gewesen. Terra Preta ist ursprünglich als eine Mischung aus Holzkohle, Fäkalien und Abfällen entwickelt und in Tongefäßen eingelagert worden. Terra Preta enthält 150 Gramm Kohlenstoff je Kilogramm Boden; das ist das Fünf- bis Siebenfache der umliegenden Regenwaldböden. Die Mächtigkeit der Terra Preta-Schichten beträgt bis zu zwei Meter, im Durchschnitt 40 bis 50 cm.

Manche Ältere erinnern sich vielleicht, dass auch Großkonzerne, wie z.B. Volkswagen, den brasilianischen Urwald gerodet haben, um dort auf Viehweiden Rinder zu mästen. Bereits nach wenigen Jahren waren die Flächen ausgelaugt und daher nicht mehr zu bewirtschaften. Erste Hinweise über die Existenz der Terra Preta lagen bereits Ende des 19. Jahrhunderts vor; aber erst vor 30 Jahren begannen die systematischen Untersuchungen der vom Menschen gemachten Schwarzerde.

Die einzigartigen Eigenschaften des Substrats haben in den vergangenen zehn Jahren eine weltweite „Modewelle“ ausgelöst. Überall sind Biochar-Initiativen entstanden, und es gibt eine Vielzahl kommerzieller Anbieter (siehe Pflanzenkohle – Adressen). Hunderte von Forschungsprojekten beschäftigen sich mit dem „schwarzen Gold“. Ziele sind u.a. die Aufwertung von Böden und die Verringerung von Klimagasen (insbesondere CO2, aber auch N2O).

Tatsache ist, dass es große Unterschiede zwischen den verschiedenen Substraten gibt. Im einfachsten Fall handelt es sich um reine Holzkohle; manche Anbieter versuchen die Herstellung der Regenwald-Terra-Preta nachzuahmen und werten ihre Produkte mit Mikroorganismen sowie organischen und anorganischen Düngemitteln auf. Bei Preisen von 240 bis 380 € je cbm (im Bigbag) ist davon auszugehen, dass allenfalls Betriebe mit Spezialkulturen und Hobbygärtner an der künstlichen „Schwarzerde“ interessiert sind. Der Preisabstand zu Kompost (der oft für unter 20 € je cbm angeboten wird) ist einfach zu groß für einen flächendeckenden Einsatz in der Landwirtschaft und zu groß, um die zusätzlichen Eigenschaften wertzuschätzen. Auch der Preisvergleich mit Torf fällt zuungunsten der Pflanzenkohle aus. Inwieweit sich der Einsatz in der Tierernährung rechnet, z.B. um Tierkrankheiten zu vermeiden oder die Fütterungseffizienz zu steigern, muss noch näher untersucht werden. Nach Angaben aus den USA soll der Einsatz von 1 bis 3 % Biochar in der Rinderfütterung die Fütterungseffizienz um 22 % sowie die täglichen Zunahmen um 20 % steigern und den Methanausstoß um 28 % senken. Erste Untersuchungen liegen auch aus Südostasien vor. Dabei kommt es in der Pansenflora zu einer verstärkten Oxidation des Methans. Vorteilhaft für die Tiergesundheit ist auch die Verringerung der Ammoniakemissionen durch Einstreu des Substrats.

Die Gewinnung von Biochar-Substraten macht nur dort einen Sinn, wo es um die bessere Verwertung unerwünschter Reststoffe (z.B. Klärschlamm) oder schlecht wiederverwertbarer organischer Abfälle (z.B. feuchte Biomassen oder Reisspelzen) geht. Nach verschiedenen Angaben entsteht aus 3 Tonnen Biomasse 1 Tonne Pflanzenkohle.„Grundlage moderner Verfahren ist die Pyrolyse, bei der ein großer Teil der freigesetzten Energie für den Prozess benötigt wird. Je nach Verfahren wird zusätzlich nutzbare Abwärme zur Verfügung gestellt, so dass eine stoffliche und energetische Nutzung der Biomasse erfolgt. Nach Berechnung des Schweizer Ithaka-Institutes beträgt der Aufwand beim Pyreg-Verfahren je Tonne Grüngut 1.330 kg CO2. Das heißt von dem im Grüngut fixierten Kohlenstoff (umgerechnet 1.830 kg CO2) bleiben gerade 500 kg für die Sequestrierung im Boden übrig.“

N E U ! Der Beitrag „Der Schatz aus der Kläranlage“ im Juni-Heft 2016 der DLG-Mitteilungen ist der bislang wertvollste und wichtigste Ansatz, um die Nutzung der Biokohle voranzubringen. Im Mittelpunkt steht die Rückgewinnung des Phosphors aus Klärschlämmen durch die Carbonisierung, sprich durch die Pyrolyse nach dem Pyreg-Verfahren. Nach Berechnung von Professor Thomas Appel und Kevin Friedrich kostet die Methode 56 € je Tonne Klärschlamm und ist damit preiswerter als die Mitverbrennung des Klärschlamms. Je nach Variante schwanken die P2O5-GehAlte zwischen 85 und 142 Gramm je Kilogramm. Appel und Friedrich halten das Verfahren auch für geeignet, um aus den Gülleüberschüssen in den viehstarken Regionen P-Carbonisate herzustellen – mit dem Ziel vermarktungsfähige P-Dünger herzustellen. Außer P enthalten die Klärschlamm-Carbonisate noch die Spurenelemente Kupfer, Zink und Nickel, wobei die Schwermetallgrenzwerte in der Regel nicht überschritten werden.

Fazit: Ohne die Berücksichtung des Düngewerts für P und die Spurenelemente wird die pflanzenbauliche Nutzung von Terra Preta/Biochar/Pflanzenkohle in einer Nische bleiben. Große Chancen bietet die Carbonisierung von Schweinegülle in den viehstarken Regionen. Die Verwendung des Substrats in der Rinderfütterung sollte näher untersucht werden.

Wissenschaftliche Forschung

Einige Forschungsergebnisse zur Biokohle:

Bodenleben

In einem Experiment an der Rothamsted-Forschungsstation, an dem sich auch italienische und chinesische Wissenschaftler beteiligten, wurde die Pflanzenkohle aus Miscanthus gewonnen (bei 350 °C sowie bei 700°C) und anschließend auf zwei Böden aufgebracht, einem Boden mit pH 4 und einem mit pH 8. Nach 90 Tagen Inkubationszeit lag der Kohlenstoffgehalt im Boden signifikant über der Kontrolle und ging danach zurück ebenso wie die mikrobielle Besiedlung. Die biologische Verfügbarkeit der bei 700°C gewonnenen Pflanzenkohle war deutlich geringer als die der bei 350°C gewonnenen Pflanzenkohle. Bei der 350°C-Variante stammten 20 % der mikrobiellen Biomasse aus der Pflanzenkohle; bei der 700°C-Variante waren es nur 2 %. Insgesamt wurde dieses Zusammenspiel zwischen Pflanzenkohle und Bodenleben als positiv beschrieben.

Soil Biology and Biochemistry, Volume 57, February 2013, Pages 513–523

Bodenstruktur

Laut dänischen Untersuchungen stabilisiert Pflanzenkohle in Verbindung mit Schweinegülle die Bodenstruktur auf mit Mais bestellten Direktsaatflächen. Dabei wurden 0 – 10 Tonnen/ha Pflanzenkohle sowie 2,1 bis 4,2 Tonnen Schweinegülle eingesetzt. Die höchsten Mengen an Pflanzenkohle und Gülle führten zur größten Stabilität.

Soil Science: June 2014 – Volume 179 – Issue 6 – p 273–283

Ähnliche Ergebnisse zeigten Versuche in Neuseeland mit Pflanzenkohle aus Maiscobs. Die Pflanzenkohle wurde bei 350°C bzw. 550°C gewonnen. Neben der besseren Stabilität der Bodenaggregate war auch die Wasserhaltefähigkeit erhöht – immer im Vergleich zur herkömmlichen Einarbeitung der Maiscobs. Die Bodendichte ging zurück. Dadurch verbesserte sich die Durchwurzelung, was zu einer besseren Trockenresistenz führte. Die Beregnungsintervalle auf Futterbauflächen konnten danach um ein bis drei Tage verlängert werden.

Geoderma 209-210 (2013) 188–197

In Finnland konnte ein tonhaltiger Boden durch die Zufuhr von Pflanzenkohle stabilisiert und die Erosionsanfälligkeit verringert werden.

Geoderma 219-220 (2015) 162-167

Ertragsbildung

Ein Versuch im Jahr 2102 auf einer Braunerde in Gorleben brachte überraschende Ergebnisse. Auf 72m2 großen Versuchsflächen wurden zehn Varianten mit fünf Wiederholungen angelegt: 3 mineralisch gedüngte Varianten, fünf Varianten mit Biogasrückständen, 2 Kompostvarianten. Bis auf einen Fall gab es deutliche Mehrerträge durch die Kombination der drei verschiedenen Nährstoffsubstrate mit Pflanzenkohle. Die Pflanzenkohlezufuhr variierte zwischen umgerechnet 1 t/ha und 40 t/ha. Erstaunlicherweise ergab die Zufuhr von fermentierten Biogasrückständen die höchsten Maiserträge, während die Kombination aus 40 Tonnen Pflanzenkohle und fermentierten Biogasrückständen um 50 % schlechter abschnitt! Bei der Fermentationsvariante wurden 500 Liter Biogasrückstände mit 100 Liter Mikroorganismen, 15 Liter Melasse, 15 Liter 15 Liter Maissilage und 60 Liter Wasser gemischt.

Die zweithöchsten Erträge lieferte die Variante mit 40 t/ha Pflanzenkohle und unbehandeltem Biogassubstrat; den dritten Platz in der Ertragsskala nahm die Kombination aus Kompost und 10 Tonnen Pflanzenkohle ein. Wer Mais nur mit Mineraldünger versorgt, kann durch die Applikation von 1 t/ ha Pflanzenkohle, den Ertrag um 2 Tonnen steigern. Die Wasserhaltekapazität der Braunerdeböden wurde am stärksten durch den Kompost sowie Kompost + Pflanzenkohle gesteigert. Durch die Zufuhr von 10 t Pflanzenkohle je Hektar wurde die Pflanzenverfügbarkeit von K und Mg gesteigert; die N- und die Ca-Verfügbarkeit blieb unverändert.

Agron. Sustain. Dev. DOI 10. 1007/s 13593-014-0251-4

Klimaschutz

Die Verringerung der Lachgasemissionen durch Biochar ist noch nicht vollständig geklärt. Das zeigen Versuche mit 4 Biochar-Produkten an der Universität von Gent mit gestörten und ungestörten Boden-Zylindern. Wenn 80 % der Bodenporen mit Wasser gefüllt waren, dann wurden die Lachgasemissionen um 50 – 90 % verringert. Änderungen in der Bodenstruktur waren aber nicht die Ursache. Die Verringerung war nicht auf eine Reduktion des Lachgases zu Luftstickstoff zurückzuführen. Durch Hinzufügung von Glucose kam es zu einer deutlichen Verringerung der Lachgasemissionen.

Geoderma Volume 267, 1 April 2016, Pages 10–16

Durch die Umstellung der herkömmlichen Brandrodung auf Rodung und Biochar-Sequestrierung können 12 % der weltweiten Klimagasemissionen vermieden werden. Die klimanützlichen Effekte entsprechen umgerechnet 30 US-$ je Tonne CO2.

Pflanzenkohle vermag den Ausstoß der Treibhausgase CO2 und N2O (Lachgas) aus dem Boden zu verringern. Das haben Versuche an der Universität Gent gezeigt. Auch bei dieser Studie hat sich eine höhere mikrobielle Aktivität bei der 350°C-Variante im Vergleich zur 700°C-Variante gezeigt. Allerdings wurden nach der Applikation der 700°C-Pflanzenkohle deutlich weniger N2O emittiert, während es bei der 350°C-Variante keinen Unterschied zur Kontrolle gab. Die leicht verfügbaren Bestandteile der Pflanzenkohle sind für die Lachgasemissionen verantwortlich.

Soil Biology and Biochemistry Volume 57, February 2013, Pages 401–410

Eine finnische Studie hat gezeigt, dass die Einarbeitung von Pflanzenkohle in den obersten 45 cm des Bodens die CO2– und die Lachgasemissionen auf einem unbewachsenen Boden erhöht, auf einem mit Wiesen-Lieschgras bewachsenen Boden hingegen absenkt. Dabei zeigte sich eine starke Abhängigkeit vom Bodenfeuchtegehalt. In den Experimenten wurde die Pflanzenkohle aus Fichtenholz gewonnen und zwar bei einer Temperatur von 400°C bis 450°C.

Soil Biology and Biochemistry Volume 58, March 2013, Pages 99–106

Kohlenstoffeinlagerung

Bei einem Vergleich zwischen Pyrolyse-Prozessen mit 350°C und 700°C kam deutlich heraus, dass die Kohlenstoffverfügbarkeit bei der höheren Temperatur geringer ist; damit verringert sich die mikrobielle Besiedlung der Pflanzenkohle. Ausgangsprodukt war Chinaschilf. Das zeigen Gemeinschafts-Versuche aus China. Italien und Großbritannien. Bei 350°C stammte 20 % der mikrobiellen Biomasse aus der Pflanzenkohle; bei 700°C waren es nur 2 %.

Soil Biology and Biochemistry Volume 57, February 2013, Pages 513–523

Chinesische Wissenschaftler propagieren den Einsatz von Pflanzenkohle zur Einlagerung von Kohlenstoff im Boden. Die Pflanzenkohle haben sie dabei aus dem Weizenstroh gewonnen. Während die herkömmliche Einarbeitung von Weizenstroh durch das weiter C-N-Verhältnis zur Immobilisierung von Stickstoff führt, hat die Einarbeitung von Pflanzenkohle aus Weizenstroh keinen Einfluss auf die N-Umsetzung im Boden.

Biology and Fertility of Soils November 2012, Volume 48, Issue 8, pp 941-946

Nährstoffverfügbarkeit und –freisetzung

Bei Experimenten mit der Pyrolyse von Klärschlamm bei Temperaturen zwischen 300°C und 700°C gab es deutliche Unterschiede in der Nährstoffverfügbarkeit. Das zeigen chinesische Versuche. Durch die höheren Temperaturen sank der Gehalt an wasserlöslichem Stickstoff, während die Gehalte an wasserlöslichen P und K anstiegen.

Geoderma Volume 267, 1 April 2016, Pages 17–23

Nach einer Untersuchung an der Universität Florida werden die in der Pflanzenkohle gebundenen Nährstoffe meistens in organischer Form freigesetzt (61 % bei N; 93 % bei P). Der Stickstoff wird außerdem sehr stark als Ammonium zur Verfügung gestellt. Die Pflanzenkohle sorbiert die Nährstoffe sehr gut, und der Boden sorbiert die Nährstoffe, die durch die Pflanzenkohle freigesetzt werden. Die Nährstoffverluste sind in der Regel sehr gering.

Geoderma Volumes 193–194, February 2013, Pages 122–130

Eine schwedische Untersuchung hat auf 11 unterschiedlichen Böden nachgewiesen, dass die P-Verfügbarkeit durch die Anwendung von Pflanzenkohle steigt. Am höchsten lag die Konzentration von leicht verfügbarem P bei einer Ausbringung von 12 Tonnen Pflanzenkohle/ha auf Tonböden bzw. 15 Tonnen/ha auf Sandböden. Bei höheren Mengen sank die P-Verfügbarkeit, was u.a. auf den steigenden pH (0.3 bis 0.7 Prozentpunkte) zurückzuführen war. Die aus Weizenstroh gewonnene Pflanzenkohle enthielt je Tonne durchschnittlich 29 kg N, 25 kg Ca, 18 kg K, 9 kg P, 5 kg Mg, 2 kg Fe und 1,7 kg S, das heißt durch die Düngung von 12 bis 15 Tonnen Pflanzenkohle wurden 109 – 136 kg P und 348 – 435 kg N ausgebracht. Der Gehalt an wasserlöslichem P lag zwischen 33 und 100 %, auf den meisten Böden aber über 90 %, das heißt die Einarbeitung von Pflanzenkohle führte zu einem deutlichen Anstieg der P-Verfügbarkeit.

Biology and Fertility of Soils February 2013, Volume 49, Issue 2, pp 245-250

An der Universität Ohio haben Wissenschaftler die Effekte von Pflanzenkohle (aus Eiche), Huminsäuren und den Rückständen aus der Trinkwasseraufbereitung auf einen degradierten Boden miteinander verglichen. Durch den Einsatz von 7,5 Tonnen/ha Pflanzenkohle wurde der C-Gehalt im Boden um 6,5 %, der pH-Wert um 5.8 % und der Boden-N-Gehalt um 3,5 gesteigert, die Bodendichte um 20 % gesenkt. Die Huminsäuren hatten ähnliche, aber deutlich schwächere Wirkungen. Die Rückstände aus Wasseraufbereitung wirkten eher negativ.

Science of the Total Environment 487 (2014) 26–36

Durch die Pflanzenkohle wird der Gehalt an biologisch fixiertem Stickstoff (beim Rotklee) um das Fünffache gesteigert. Die Fixierleistung war dabei nicht höher; es ging aber weniger fixiertes N wieder verloren. Generell wird auf Grünland der Leguminosenanteil durch die Düngung von 10 t/ha Pflanzenkohle gesteigert. Das zeigt ein Versuch aus den Niederlanden. In diesem Experiment wurde auch eine höhere P- und K-Verfügbarkeit beobachtet.

Ecological Applications 24:1167–1177

In einem kalifornischen Experiment führte die kombinierte Düngung mit Pflanzenkohle und Rindergülle zu einer deutlich verringerten Nitrifizierung von 75 % und zu einer noch stärker verringerten Ammonifizierung von 229 %. Das heißt der Stickstoff wird durch die Pflanzenkohle im Boden besser gespeichert.

Pflanzenschutzmittel

Ein polnischer Versuch mit 30 bzw. 45 t/ha Pflanzenkohle zeigt, dass durch die Pflanzenkohle auch die enzymatische Aktivität gesteigert wird, was u.a. zu einem schnelleren Abbau von Pflanzenschutzmitteln führt. Getestet wurden in dem Versuch 2.4 D und Dicamba.

Geoderma Volumes 214–215, February 2014, Pages 10–18

In einem durch das US-Landwirtschaftsministerium geförderten Versuch wurde der Einfluss von Pflanzenkohle auf 2 Herbizide und 1 Fungizid getestet. Während die Sorption der beiden Herbizide (Bentazon und Aminocyclopyrachlor) in den Böden durch die Pflanzenkohle verringert wurde, gab es bei dem Fungizid, einem Strobilurin, keine Unterschiede.

Science of the Total Environment 2014 v.470-471

Wasserhaltekapazität

Positive Punkte sind u.a. die Erhöhung der Wasserhaltekapazität (0,3 bis 1,3 %), die Erhöhung der Gehalts an organischer Substanz im Boden, eine verringerte Nitratauswaschung (12 bis 96 %) sowie die Verringerung der Lachgasemissionen um 22 %. In diesem Experiment wurden 60 t/ha Bioholzkohle ausgebracht. Eine Untersuchung in mehreren US-Bundesstaaten und in China weist eine deutliche Erhöhung der mikrobiellen Aktivität im Boden nach.

Die hydrophoben Eigenschaften von Biochar verschwinden nach einem Jahr. Das haben Untersuchungen im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts von Universitäten in Kolumbien, Spanien, Portugal und Deutschland (Univ. Hannover) mit sechs verschiedenen Biochar-Produkten und drei verschiedenen Pyrolyse-Prozessen ergeben. Die Biochar-Produkte wurden auf drei verschiedenen Böden eingesetzt. Durch den Einsatz von Klärschlamm-Biochar wurde die Wasserkapillarität um 8 % erhöht. In Bezug auf die Aggregatstabilität gab es keine Unterschiede. Die Eigenschaften der Pflanzenkohle hängen vor allem von den Ausgangsprodukten ab und weniger vom Pyrolyse-Prozess. Die Unterschiede waren besonders deutlich zwischen der Pflanzenkohle aus Klärschlamm und der Pflanzenkohle aus Biomasse.

Geoderma Volumes 249–250, July 2015, Pages 1–11