Biokohle im Weinbergboden – Einfluss auf Nährstoffdynamik und Wasserspeicherfähigkeit – Teil 1


von Barbara Pichler

Seit 2008 wird auf den Versuchsflächen von Mythopia der Einfluss von Biokohle auf einem stark erodierten, nährstoffarmen Weinbergboden getestet. Im Rahmen dieser Langzeitstudie wurde an der Universität Zürich ein Treibhausexperiment mit Bodenproben des gleichen Weinberges durchgeführt. Erfasst wurden die Auswirkungen zweier unterschiedlich gealterter Biokohlen auf das Pflanzenwachstum, die Nährstoffverfügbarkeit sowie das Wasserrückhaltevermögen im Boden. Die Resultate sollen unter anderem Auskunft darüber geben, wie sich der Einfluss der Biokohle auf die erwähnten Parameter mit der Alterung der Biokohle im Boden verändert.

Die vielversprechenden Ergebnisse dieser Studie werden in drei Teilen dargestellt. Der erste Teil gibt einen Überblick über den Versuchsaufbau und die verwendeten Methoden, zudem werden die Resultate bezüglich der Biomassenproduktion aufgezeigt. Der zweite Teil befasst sich mit dem Einfluss der Biokohle auf die Wasserspeicherfähigkeit und Stickstoffdynamik im Boden. Der letzte Teil handelt von der Pflanzenverfügbarkeit bestimmter Nährstoffe.

Versuchsaufbau

Als Substrat für die Topfversuche diente der sehr steinige, sandige Weinbergboden (calcaric Leptosol) der Mythopia-Versuchsfläche. Der luftgetrocknete Boden wurde gesiebt. Nur das Feinmaterial kleiner als 2 mm wurde verwendet. Für den Versuch wurden folgende fünf Varianten, mit jeweils drei Replikaten angelegt. :

  1. Substrat + Neue Biokohle
  2. Substrat + Neue Biokohle mit Kompost gemischt
  3. Substrat + Alte Biokohle mit Kompost gemischt
  4. Substrat + Kompost
  5. Kontrolle (reines Substrat ohne Zusätze)
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Abb. 1. Mischung von Substrat, Kompost und Biokohle (B. Pichler, 21.10.2009).

Da die Pyrolyseanlage von Swiss-Biochar zu Beginn des Versuches noch nicht in Betrieb war, ließen wir die „neue“ Biokohle in einem traditionellen Kohlemeiler aus Buchenholz herstellen (Ittingen, CH. Herstellungstemperatur 450 °C). Einige der eineinhalb Jahre zuvor unter den Reben der Mythopia-Versuchsfläche oberflächlich ausgebrachten und für den Versuch eingesammelten Biokohlestücke dienten als „alte“ Biokohle. Über deren Ausgangsmaterial und Herstellungsparameter ist leider nichts bekannt. Beide Biokohlen wurden auf eine Partikelgrösse von kleiner als 1 mm gemörsert. Des Weiteren wurden die Bestandteile kleiner als 2 mm eines relativ reifen Kompostes verwendet (Kompostieranlage Leibstadt). Je nach Variante wurden jeweils 1,5 kg Substrat mit zwei Prozent (30 g) Biokohle und/oder vier Prozent (60 g) Kompost gemischt (Abb. 1).

Um den Einfluss auf das Pflanzenwachstum zu bestimmen, wurde jede Variante mit und ohne Aussaat von Weissklee (Trifolium repens) durchgeführt (Abb. 2). Diese schnell wachsende, niederwüchsige Luftstickstoff fixierende Leguminose ist ein häufiger Bestandteil von Begrünungsmischungen.

Da der Nährstoffgehalt der Biokohle sehr gering ist, hatte man die Biokohle im Feldversuch auf Mythopia zusammen mit einer zusätzlichen Nährstoffquelle in Form von Kompost ausgebracht. Ein Aspekt, der in diesem Treibhausexperiment ebenfalls Berücksichtigung fand.

Methoden

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Abb. 2. Weißklee (Trifolium repens) (B. Pichler, 14.12.2009).

Zur Bestimmung der Biomasse wurden die Pflanzen am Ende der Versuchsreihe vorsichtig aus dem Boden gezogen, die Wurzeln gereinigt sowie Spross und Wurzeln getrennt. Die Proben wurden anschliessend getrocknet und gewogen.

Für die Ermittlung des Wasserverlustes wurde zu Beginn des Versuches der Wassergehalt des Bodens auf eine Feldkapazität von 25 Prozent festgelegt und das Anfangsgewicht der Töpfe notiert. Die Töpfe wurden danach täglich gewogen und der ermittelte Wasserverlust, das heisst die Differenz zum Anfangsgewicht wieder aufgegossen. Die Summe des täglichen Wasserverlustes ergab den kumulativen Wasserverlust.

Eine ausreichende Verfügbarkeit von Stickstoff im Boden ist einer der wichtigsten Faktoren um eine optimale Biomassenproduktion zu gewährleisten. Stickstoff wird von den Pflanzen bevorzugt in mineralischer Form, als Nitrat aufgenommen. Um einen Einblick in die Nitratdynamik des Bodens zu erhalten, wurden fünf Mal im Verlaufe des Versuches Bodenproben entnommen. Die Bestimmung des Gehaltes erfolgte anschliessend kolorimetrisch, mittels Spektralphotometer. Da es Probleme bei der Messung gab, wird die letzte Messreihe nicht aufgezeigt.

Im Rahmen dieses Experimentes wurde zudem die Verfügbarkeit der wichtigsten Makronährstoffe, namentlich Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) und Kalium (K) sowie einige wichtige Spurenelemente, wie Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kupfer (Cu) und Zink (Zn), erfasst. Die Bestimmung erfolgte mittels EDTA-Extraktion und anschliessender Messung der Elemente mit einem Atomabsorptions-Spektrometer.

Das Ziel dieser Studie war, die positiven und negativen Effekte der verschiedenen Varianten im Vergleich zur Kontrolle zu ermitteln. Die Resultate werden deshalb graphisch, in besagter Abweichung von der Kontrolle, dargestellt.

Biomassenproduktion

Durch die kombinierte Zugabe von neuer Biokohle mit Kompost konnte der Biomasseertrag um bemerkenswerte 39 Prozent gesteigert werden (Abb. 3). Bei der Mischung aus alter Kohle mit Kompost konnten dagegen keine eindeutigen Effekte festgestellt werden.

Im Vergleich dazu führten die alleinigen Zusätze von Kompost oder neuer Biokohle zu einem um 36 beziehungsweise 42 Prozent reduzierten Pflanzenwachstum.

Biomasse rahmen

Abb. 3. Totale Biomasse (oben), Spross Biomasse (unten links), Wurzel Biomasse (unten rechts) von T. repens. Dargestellt als Abweichung von der Kontrolle. Biomasse Kontrolle: 1.19 g Topf-1; Spross-Biomasse Kontrolle: 0.93 g Topf-1; Wurzel-Biomasse Kontrolle: 0.26 g Topf-1.

Die Betrachtung der Spross- und Wurzelbiomasse zeigt, dass die Pflanzen bei der Zugabe von neuer Biokohle mit Kompost sowohl in das Wachstum der Sprosse als auch in das der Wurzeln investierten (32 % bzw. 65 %). Wohingegen die Variante alte Biokohle mit Kompost einen positiven, aber nicht eindeutigen Effekt, bezüglich der Spross- und Wurzelentwicklung aufwies.

14_12_09-control-shoot-root3 14_12_09-Compost-shoot-root2-(3) 14_12_09-Biochar-N-shoot-root1-(5) 14_12_09-Biochar-A+compost-shoot-root3-(3) 14_12_09-biochar-N+compost-shoot-root2-(3)

Abb.4 Pflanzenwachstum der verschiedenen Varianten. Von links nach rechts: Kontrolle, Kompost pur, Biokohle Neu pur, Biokohle Alt mit Kompost, Biokohle Neu mit Kompost

Die alleinige Zugabe von Kompost sowie der Einsatz der neuen Biokohle führten zu einem stark reduzierten Sprosswachstum (-30 % bzw. -34 %). Auch die Ausbildung der Wurzeln in der Variante mit Kompost war geringer, die Wurzelmasse der Variante neue Biokohle wies dagegen einen positiven Effekt auf.

Es wird vermutet, dass der Einsatz von Biokohle durch die positive Beeinflussung der physikalischen Bodeneigenschaften zu einem erhöhtem Wurzelwachstum führt (Yamato et al., 2006). Eine Erhöhung der Wurzelmasse kann jedoch auch durch eine Konkurrenz um vorhandene Ressourcen ausgelöst werden. Berücksichtigt man letztere Erklärung, scheint es, als ob der alleinige Zusatz von neuer Biokohle die Nachfrage nach Wasser und Nährstoffen nicht befriedigen konnte, was negative Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum zur Folge hatte. Im Gegensatz dazu konnte die Variante neue Biokohle mit Kompost trotz Konkurrenzsituation eine ausreichende Menge an notwendigen Ressourcen bereitstellen und somit eine optimale Biomassenproduktion gewährleisten.

Die besten Resultate bezüglich des Pflanzenwachstums konnten mit einer Kombination von neuer Biokohle mit Kompost erzielt werden. Die Studie hat gezeigt, dass der Einsatz von Biokohle in dem bereits alkalischem Boden (pH 7.5) den pH-Wert nur geringfügig um 0.1 pH-Einheiten erhöhte (Daten nicht aufgeführt). Eine bessere Biomassenproduktion ist folglich selbst in einem basischen Boden möglich, jedoch auf andere Faktoren als den pH-Wert zurückzuführen.

Hypothese:

Da selbst in der Variante mit alleinigem Kompostzusatz das Biomassewachstum deutlich reduziert war, muss davon ausgegangen werden, dass der Kompost entweder nicht ausreichend ausgereift war oder durch unkontrollierte Kompostierung biotoxische Nebenprodukte entwickelt hatte. Der Zusatz von neuer Biokohle führt wahrscheinlich zur Adsorption sowohl der toxischen Nebenprodukte, wodurch diese für die Pflanzen unschädlich werden, als auch zur Adsorption unzersetzter Mikrobennährstoffe des Kompostes, die zu Konkurrenz zwischen unreifem Kompost und Pflanze führen. Da die ältere Biokohle offenbar schon weitestgehend gesättigt war, konnte sie weniger effizient als die neue Biokohle die toxischen Nährstoffe sowie die noch unzersetzten Mikrobennährstoffe des Kompostes aufnehmen.

Literaturhinweise

Zum 2. Teil des Artikels

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