Nachhaltige Sicherung und Optimierung der Bodenfunktionen durch den Einsatz von Pflanzenkohle-Kompost (Pflanzenkohle)

Hintergrund

In ihrer Strategie Europa 2020 hat die EU die Wiederherstellung, Erhaltung und Verbesserung der mit der Landwirtschaft verbundenen Ökosysteme sowie die Förderung der Ressourceneffizienz als vorrangige Ziele festgeschrieben. Hierzu zählt unter anderem eine nachhaltige Bodenbewirtschaftung, die die vielfältigen Funktionen der endlichen Ressource Boden als Produktionsstandort, Lebensraum für Bodenorganismen sowie als Wasserspeicher dauerhaft aufrechterhält. Da all diese Bodenfunktionen maßgeblich von der organischen Bodensubstanz beeinflusst werden, muss einem Absinken der Humusgehalte fortwährend entgegengewirkt werden. Dabei spielt neben der Menge an zugeführter organischer Substanz auch deren Qualität eine wichtige Rolle. In den letzten Jahren hat in diesem Zusammenhang der Einsatz von Pflanzenkohle bzw. Pflanzenkohlekompost das Interesse von Wissenschaft, Praxis und Öffentlichkeit geweckt. Allerdings gibt es trotz intensiver Forschung in der letzten Dekade noch viele ungeklärte Sachverhalte im Zusammenhang mit Pflanzenkohlen. So sind Ergebnisse zum Teil widersprüchlich und die Wirkmechanismen oft nicht bekannt.

Ziele des Forschungsvorhabens

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde die Wirkung von Pflanzenkohlekomposten auf die Bodenfruchtbarkeit untersucht. Dabei wurden drei Aspekte betrachtet, die für die Landwirtschaft von besonderer Bedeutung sind und bei denen auf Grund des aktuellen Wissenstands trotz gewisser Risiken positive Effekte durch Pflanzenkohlekomposte zu erwarten sind. Im Einzelnen sind dies:

Reduktion der Nitratauswaschung
Reduktion der Kupfertoxizität
Wirkung auf das Bodenleben

Forschungsansatz und Methodik

Im ersten Schritt wurden sechs Pflanzenkohlekomposte sowie ein Kompost ohne Kohle erzeugt, wobei sowohl die Art als auch die Menge der verwendeten Pflanzenkohlen systematisch variiert und die Kompostierungsprozesse engmaschig überwacht wurden.

Pflanzenkohle-Kompost auf Basis von Grünschnittmaterial, Hackschnitzel und Pflanzenkohle

Basiskohle aus unbehandelten Holzhackschnitzeln

Tierfutterkohle aus unbehandelten Holzhackschnitzeln

Bioaktive Kohle aus unbehandelten Holzhackschnitzeln

Mithilfe von Perkolations- und Inkubationsversuchen wurde dann untersucht, ob die reifen Pflanzenkohlekomposte Nitrat sorbieren und somit die Nitratauswaschung reduzieren können. Zudem erfolgten Gefäßversuche mit Spinat und Mais, um den Einfluss der Pflanzenkohlekomposte auf die Pflanzenverfügbarkeit von Nitrat zu prüfen. Inwiefern die Pflanzenkohlekomposte die Kupfersorption von Böden erhöhen und damit die Kupfertoxizität reduzieren können, wurde sowohl in Inkubations- als auch in Sorptions- bzw. Desorptionsversuchen getestet. Darüber hinaus wurden ein Gefäßversuch mit Hopfenjungpflanzen sowie Keimpflanzentests mit Chinakohl angesetzt, um die Pflanzenverfügbarkeit des an den Pflanzenkohlekomposten adsorbierten Kupfers zu ermitteln. Der Einfluss der Pflanzenkohlekomposte auf das Bodenleben wurde über Messungen der mikrobiellen Atmung sowie über Vermeidungstests mit Regenwürmern untersucht.

OxiTop®-IDS Messsystem für Bodenatmung (links) und Prüfgefäß für Vermeidungstest (rechts) vor (oben) und unmittelbar nach der Zugabe der Regenwürmer (unten).

Da erhöhte Kupfergehalte das Bodenleben in der Regel beeinträchtigen und der Einsatz von Pflanzenkohlekompost in diesem Zusammenhang einen supplementären Nutzen mit sich bringen kann, erfolgten sowohl die Vermeidungs- als auch die Bodenatmungstests in unterschiedlich stark mit Kupfer belasteten Böden.

Thermisch-pyrolytische Fraktionierung des organischen Kohlenstoffs zwischen 250 und 1000 °C unter einer N2-Atmosphäre (die Zahl über den Säulen kennzeichnet den Prozentsatz des unter pyrolytischen Bedingungen freigesetzten Kohlenstoffs bezogen auf den Gesamt-C.org der Proben)

Reduktion der Nitratauswaschung

Anhand der Perkolationsversuche konnten keinerlei Hinweise auf eine mögliche Nitratsorption durch die Anwendung der Pflanzenkohlekomposte gefunden werden. Auch die Ergebnisse aus den Inkubationsversuchen mit Nitrat und Chlorid sprachen grundsätzlich gegen eine signifikante Anionen- bzw. Nitrataustauschkapazität. Hinzu kommt, dass in den Gefäßversuchen mit Spinat und Mais die Nitrataufnahme der Pflanzen durch die verwendeten Pflanzenkohlekomposte nicht negativ beeinflusst wurde. Diese Pflanzenkohlenkomposte könnten damit nicht zu einer Verringerung der Nitratauswaschung auf Freilandböden beitragen.

Ergebnisse

Erzeugung von Pflanzenkohlekompost

Unter den Rahmenbedingungen des Forschungsvorhabens hat sich die Beimischung von feinstrukturierter Pflanzenkohle positiv auf die Kompostierung ausgewirkt. So wurden nur in den Varianten mit hoh em Anteil an Premium- bzw. bioaktiver Pflanzenkohle die für eine sichere Hygienisierung des Materials notwendigen Temperaturen während des Kompostierprozesses erreicht. Zudem führte die Beimi schung zu einer verstärkten Bildung stabiler Kohlenstoffverbindungen.

Anteil des ausgewaschenen Stickstoffs in den einzelnen Perkolaten bei Einarbeitung der verschiedenen Komposte in den Boden (n = 5, p < 0,05, Fehlerbalken kennzeichnen den Standardfehler für die Summe des ausgewaschenen Stickstoffs)

Reduktion der Kupfertoxizität

Im Gegensatz zur Nitratauswaschung zeigten sich bei der Reduktion der Kupfertoxizität durchaus positive Ergebnisse, wobei aber erhebliche Wechselwirkungen mit den jeweiligen Bodeneigenschaften bestanden: So traten im Gefäßversuch mit Hopfenjungpflanzen selbst bei sehr hoher Kupferbelastung des Bodens und ohne Zugabe von Pflanzenkohlekompost keinerlei Toxizitätssymptome auf, was vermutlich auf eine sehr geringe Kupfermobilität in den verwendeten Böden zurückzuführen ist.

Gefäßversuch mit Hopfen zur Kupfersorption an Pflanzenkohlekompost

In den Keimpflanzenversuchen mit Chinakohl führten vergleichbare Kupfergehalte dagegen zu deutlich negativen Effekten, die durch die Anwendung der Pflanzenkohlekomposte signifikant reduziert werden. Obendrein wurde in den Sorptions- und Desorptionsversuchen die Kupferaffinität des verwendeten Bodens vor allem durch die Komposte mit der Premiumkohle gesteigert und der Anteil des wiederum desorbierbaren Kupfers verringert.

Einfluss von Pflanzenkohlekomposten auf das Wachstum von Chinakohlsämlingen bei steigender Kupferbelastung im Boden.

Wirkung auf das Bodenleben

Da in den Vermeidungstests selbst bei sehr hohen Aufwandmengen an Pflanzenkohlekompost (>1000 t TM/ha) keinerlei Fluchtverhalten bei den Regenwürmern ausgelöst wurde, ist eine akute toxische Wirkung der Pflanzenkohlekomposte gegenüber Regenwürmern als Stellvertreter für Meso- und Makrofauna bei praxisüblichen Aufwandmengen auszuschließen. Unabhängig davon, ob die Kompostierung mit oder ohne Pflanzenkohle erfolgte, verfügten alle Komposte über eine stark anziehende Wirkung auf Regenwürmer und reduzierten zudem ein Cu-induziertes Fluchtverhalten.

Vermeidungsverhalten von Regenwürmern gegenüber einem mit Kupfer belasteten Prüfboden mit und ohne Kompostgabe im Kontroll- und Prüfboden (Fehlerbalken kennzeichnen die 95 %-Konfidenzintervalle (KI) der Mittelwerte; liegt die vertikale Linie innerhalb des KI, ist der Unterschied zu 50 % nicht signifikant)

Auch bei den Bodenatmungsversuchen zeigte sich, dass sowohl die Komposte mit als auch die ohne Kohle zu einer deutlichen Erhöhung der Atmungsrate im Boden führten. Allerdings nahm die mikrobielle Aktivität im Boden mit steigendem Kohleanteil in den Komposten ab, da durch die Zugabe der abbaustabilen Pflanzenkohle der Anteil an mikrobiell abbaubaren Kohlenstoffquellen im Kompost verringert wurde.

Fazit und Ausblick

Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten keinerlei Hinweise auf eine von verschiedenen Autoren beschriebene Nitratsorption durch die verwendeten Pflanzenkohlekomposte gefunden werden. Dies macht einmal mehr deutlich, dass die chemisch-physikalischen Eigenschaften von Pflanzenkohlen hoch variabel sind und Ergebnisse daher nicht einfach verallgemeinert werden dürfen. Bei der Reduktion der Cu-Toxizität traten dagegen durchaus positive Effekte auf, die aktuell in einem weiteren Forschungsprojekt weiter untersucht werden (Verwendung von Pflanzenkohlekompostzur Verbesserung des Anwachsverhaltens von Hopfenjungpflanzen aufkupferbelasteten Böden (KoKuHo)). Des Weiteren wurde das Bodenleben durch die Anwendung der Pflanzenkohlekomposte gefördert.

Merkblätter zum Download

Anforderungen an Pflanzenkohlen für die Kompostierung

Herstellung von Pflanzenkohlekomposten

Anwendung von Pflanzenkohlekomposten

Vorträge

Effect of co-composted biochar on nitrogen availability to spinach

Görl, J.; Lohr, D.; Meinken, E. (2022)

31. International Horticultural Congress (IHC2022); International symposium on plant nutrition, fertilization, soil management .

ABSTRACT

Co-composted biochar is suspected to be an effective sorbent for nitrate and thus might reduce nitrate leaching from agricultural soils. However, the underlying mechanism is unknown now and the effect on nitrogen availability is under discussion. In the current study, a pot trial with spinach was conducted to evaluate the influence of two co-composted biochars on nitrogen availability. Two wood-based biochars were co-composted with grass clippings and woody scrap material from landscaping activities. Additionally, a compost without biochar was prepared. Composts were mixed to an arable soil at rates of 30, 60 and 120 t ha^-1 and nitrate was applied on basis of 100 kg N per hectare. Afterwards, mixtures were filled in balcony boxes, moisturized and placed in a greenhouse for 40 days. As control the soil without compost was treated in the same way. Furthermore, additional treatments without and with the highest application rate, but without nitrogen fertilization, were prepared. After the 40 days these balcony boxes were also fertilized with 100 kg ha^-1of nitrogen and spinach – pre-cultivated in press pots – was planted in all balcony boxes.

Irrespectively of application rates and – in case of the highest application rate – of date of nitrogen fertilization, no negative effect of co-composted biochar on N uptake was observed. In addition, the nitrogen balance for treatments with co-composted biochar was not significantly different from the control. However, for treatments with compost without biochar an increasing balance shortfall with increasing amounts of compost was observed. This might due to a nitrogen immobilization of woody residues. In view of the fact, that N uptake by plants was comparable and significant amounts of easily extractable nitrate were found in the soil at the end of the experiment, we assume that the co-composted biochars used in this experiment had no adsorption capacity for nitrate.