Biokohle im Weinbergboden – Einfluss auf Nährstoffdynamik und Wasserspeicherfähigkeit – Teil 2
von Barbara Pichler
Im ersten Teil der Studie wurde bereits über die positiven Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum durch eine kombinierte Zugabe von neuer Biokohle und Kompost berichtet. Im folgenden zweiten Teil werden nun die Resultate bezüglich der Wasserspeicherfähigkeit sowie der Nährstoffdynamik im Boden dargestellt.
Wasserspeicherfähigkeit mit Bepflanzung
Von besonderem Interesse in der Landwirtschaft ist der Wasserverbrauch im Zusammenhang mit der jeweiligen Biomassenproduktion. Wie Abb. 4 zeigt führte der Zusatz von Kompost zu einer sehr geringen Biomassenproduktion, dementsprechend niedrig war auch der Wasserverlust. Auch die alleinige Zugabe von Biokohle hatte keinen verbesserten Wasserrückhalt zur Folge. Der Wasserverbrauch lag auf einem ähnlichen Niveau wie der der Kontrolle, jedoch mit dem Unterschied, dass die Biomasseproduktion der Variante mit neuer Biokohle ohne Kompost wesentlich geringer war.
Eine deutliche Verbesserung zeigte die Variante mit neuer Biokohle mit Kompost. Diese wies im Vergleich zur Kontrolle die höchste Biomasseproduktion auf bei einem um acht Prozent höherem Wasserverlust. Eine erstaunliche Verbesserung zeigte auch die Variante alte Biokohle mit Kompost. Die Biomassenproduktion bewegte sich zwar im Bereich der Kontrolle (kein eindeutiger Effekt, s. Teil 1), der Wasserverbrauch konnte jedoch um 18 Prozent reduziert werden.
Kumulativer Wasserverlust in Abhängigkeit der produzierten Biomasse. 1: Kontrolle, 2: Kompost, 3: neue Biokohle, 4: neue Biokohle mit Kompost, 5: alte Biokohle mit Kompost.
Verschiedene Studien bestätigten bereits eine Verbesserung des Wasserspeichervermögens der Böden durch den Einsatz von Biokohle, insbesondere in sandigen Böden (Gaskin et al., 2007, Glaser et al., 2002). Der relativ hohe Wasserverlust, der durch den Einsatz der neuen Biokohle auftrat, ist nicht überraschend und lässt sich durch den hydrophoben Charakter der neu hergestellten Biokohle erklären. Erst im Laufe der Zeit, unter dem Einfluss von Sauerstoff und Wasser erhält die Biokohle ihren hydrophilen Charakter, wie das Beispiel der Variante alte Biokohle und Kompost sehr gut verdeutlicht.
Nitratdynamik
In den Varianten neue Biokohle und neue Biokohle mit Kompost (Abb. 5, oben, unten) ließ sich am Anfang des Versuches ein physikalischer Speichereffekt von mineralischem Stickstoff feststellen. Dieser Rückhalt des mineralischen Stickstoffs ist jedoch nur von kurzer Dauer oder mengenmässig nur von geringem Ausmaß, denn bereits nach 15 Tagen ist der Nitratgehalt im Boden angestiegen. Weitere 15 Tage später fand in allen Varianten mit Ausnahme der Variante alte Biokohle und Kompost ein Stickstoff-Immobilisierungseffekt statt. Auch der stickstofffixierende Weißklee in den begrünten Varianten konnte dieses Defizit, möglicherweise aufgrund der geringen Versuchsdauer, noch nicht ausgleichen (Abb. 5, unten). Des Weiteren zeigte auch die letzte Messreihe keine deutliche Verbesserung gegenüber der Kontrolle.
Abb. 5. N-NO3- Dynamik. Ohne Weissklee-Begrünung (oben), mit Weissklee-Begrünung (unten). Dargestellt in Abweichung von der Kontrolle.
N-NO3- Gehalt der Kontrolle (ohne T. repens): 11.25 mg kg-1 (Tag 0), 17.61 mg kg-1 (Tag 15), 32.98 mg kg-1 (Tag 30), 51.70 mg kg-1 (Tag 43)
N-NO3- Gehalt der Kontrolle (mit T. repens): 11.96 mg kg-1 (Tag 0), 27.74 mg kg-1 (Tag 15), 34.08 mg kg-1 (Tag 30), 58.40 mg kg-1 (Tag 43).
Bemerkung: In der Graphik aufgezeigte, sinkende Werte müssen nicht zwingend eine Abnahme der absoluten Werte bedeuten. Sie zeigen vielmehr auf, dass die absoluten Gehalte der jeweiligen Varianten langsamer steigen als die der Kontrolle.
Der Einfluss der Biokohle auf die Stickstoffdynamik im Boden hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zum einen wird davon ausgegangen, dass die Stickstoffversorgung der Böden aufgrund des Speichervermögens der Biokohle verbessert werden kann. Andererseits kann die Aggregatbildung der Biokohle mit anderem organischen Material dazu führen, dass der gespeicherte Stickstoff eingeschlossen wird und somit für längere Zeit nicht mehr verfügbar ist. Während Studien in sauren Böden eine deutliche Verbesserung des Stickstoffhaushaltes bestätigen konnten, zeigte der Einsatz in Böden, in denen bereits eine ausreichende Stickstoffversorgung gewährleistet ist, keine Effekte (Steiner et al., 2008; DeLuca et al., 2006, Lehmann et al., 2003). Letzteres kann durchaus auch eine Erklärung für die Ergebnisse dieser Studie sein. Die positiven Effekte der Biokohle auf die Stickstoffdynamik sind sehr gering. Lediglich die Variante alte Biokohle mit Kompost scheint einen positiven Effekt zu haben. Als Einzige der Varianten konnte sie einer Stickstoff-Immobilisierung entgegen wirken.
Pflanzenverfügbarkeit wichtiger Makronährstoffe (Kalzium, Magnesium, Kalium)
Wie Abb. 6 zeigt, führte der alleinige Zusatz von neuer Biokohle zu einem starken Rückhalt der im Boden vorhandenen Nährstoffe, wodurch der Gehalt an pflanzenverfügbaren Makronährstoffen reduziert ist. Die Beigabe von Kompost konnte diesen negativen Effekt ausgleichen, wie die Variante neue Biokohle mit Kompost zeigte. Auch bei der Variante alte Biokohle mit Kompost zeigte sich erhöhter Gehalt an pflanzenverfügbaren Nährstoffen im Boden.
Abb. 6. Makronährstoffe Calcium, Magnesium und Kalium. Darstellung in Abweichung von der Kontrolle. Gehalte der Kontrolle: Ca:641.82 mg kg-1 (Tag 0), 644.16 mg kg-1 (Tag 54) Mg: 10.76 mg kg-1 (Tag 0), 11.59 mg kg-1 (Tag 54) K: 9.65 mg kg-1 (Tag 0), 11.80 mg kg-1 (Tag 54).
Bemerkung: In der Graphik dargestellt sind die Nährstoffgehalte zu Beginn und am Ende des Versuches. Wie bereits bei den Resultaten der Nitratdynamik erwähnt, müssen in der Graphik aufgezeigte sinkende Werte nicht zwingend eine Abnahme der absoluten Werte bedeuten. Sie zeigen vielmehr auf, dass die absoluten Gehalte der jeweiligen Varianten langsamer steigen als die der Kontrolle.
Mikronährstoffe (Mangan, Eisen, Kupfer, Zink)
Der Einsatz von Kompost führte zu einer Speicherung der Mikronährstoffe (Abb. 7). Während diese Speicherfähigkeit von Kompost in Hinblick auf diese Elemente hinreichend bekannt ist (Walker et al., 2004), ist der geringe Rückhalt der Mikronährstoffe durch die Variante neue Biokohle überraschend. Aufgrund ihrer hohen Affinität zu organischen Molekülen, die in die Komplexbildung dieser Elemente involviert sind (DeLuca et al., 2009), war ein höherer Speichereffekt zu erwarten.
Abb. 7. Mikronährstoffe Mangan, Eisen, Kupfer und Zink. Darstellung in Abweichung von der Kontrolle. Gehalte der Kontrolle: Mn: 6.75 mg kg-1 (Tag 0), 7.33 mg kg-1 (Tag 54) Fe: 6.35 mg kg-1 (Tag 0), 8.68 mg kg-1 (Tag 54) Cu: 787.94 mg kg-1 (Tag 0), 826.78 mg kg-1 (Tag 54) Zn: 197.81 mg kg-1 (Tag 0), 209.07 mg kg-1 (Tag 54)
Wie schon die Resultate der Makronährstoffe zeigten, hatte der Zusatz von Kompost in der Variante neue Biokohle mit Kompost einen ausgleichenden Effekt. Dies führte zu einer reduzierten Verfügbarkeit von Kupfer und Zink, während die Verfügbarkeit von Mangan und Eisen kein eindeutiges Muster erkennen liess. Auch die Variante alte Biokohle mit Kompost führte zu keinen schlüssigen Ergebnissen bezüglich der Verfügbarkeit von Mikronährstoffen.
Der Einfluss der Biokohle auf die Verfügbarkeit von Mikronährstoffen zeigte keinen eindeutigen Effekt, wie es im Falle der Makronährstoffe ist. Relativ hohe Schwankungen zwischen der ersten und letzten Messreihe deuten darauf hin, dass sich innerhalb der kurzen Versuchsdauer noch kein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen organischen Zusätzen und der Bodenmatrix einstellen konnte.
Schlussfolgerungen
Neue Biokohle mit Kompost
Diese Variante schaffte die besten Bedingungen für eine optimale Biomassenproduktion. Die Nährstoffversorgung war durch den Zusatz des Kompostes ausbalanciert und auch die Wasserspeicherfähigkeit konnte erhöht werden. Einer Konkurrenzsituation um Ressourcen wurde so entgegen gewirkt.
Neue Biokohle ohne Kompost
Der Einsatz von neuer Biokohle in dem sandigen, nährstoffarmen Boden hatte negative Auswirkungen auf die erfassten Parameter: Wasserspeicherfähigkeit, Nährstoffverfügbarkeit und Pflanzenwachstum. Diese reduzierte Nährstoff- und Wasserversorgung führte zu einer Wettbewerbssituation zwischen den Pflanzen, welche in einer hohen Wurzelproduktion und einem geringen Pflanzenwachstum resultierte.
Alte Biokohle mit Kompost
Auch die Variante alte Biokohle mit Kompost hatte positive Auswirkungen auf die Nährstoffverfügbarkeit sowie Wasserspeicherfähigkeit. Dennoch konnte keine eindeutige Verbesserung der Biomassenproduktion festgestellt werden. Als einzige Variante hatte sie einen ausgleichenden Effekt im Zusammenhang mit der Nitratverfügbarkeit.
Die Studie hat gezeigt, dass sich die positiven Auswirkungen der Biokohle nicht nur auf die Böden der Tropen beschränken, sondern auch auf relativ jungen, alkalischen Böden der gemäßigten Breiten eintreten.
Es muss jedoch betont werden, dass die ermittelten Resultate noch keine wissenschaftlichen Beweise darstellen. Dafür war die Zeitspanne der Topfversuche zu kurz, die Anzahl von drei Replikaten zu wenig und die Charakterisierung der verwendeten Biokohlen noch nicht genügend differenziert. Dennoch zeigen sie einen durchaus ernstzunehmenden Trend auf, wodurch einige zentrale Hypothesen zum Einsatz von Biokohle weiter untermauert werden konnten.
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Tags: Biokohle
Am 21. Mai 2010 um 16:48 Uhr Titel:
Wenn ich es richtig verstanden habe wurde bei dem Versuch 20-30 Gramm Holzkohle pro Liter Erde verwendet. D.h. um die oberen 10 cm eines Feldes entsprechend zu versorgen werden 20-30 Tonnen reines Holzkohlenpulver plus Kompost benötigt.
Wenn eine Tonne Holzkohlepulver z.B. 300 EURO inkl. Transport und Ausbringung kostet sind das alleine schon einmal 6.000 bis 9.000 EURO/Hektar. Gibt es in dieser Beziehung Berechnungen zur Amortisation? Wenn sich das von Haus aus nicht rechnen kann, wer soll dann von diesen Experimenten profitieren bzw. im großen Stil anwenden?
Am 23. Mai 2010 um 18:37 Uhr Titel:
Da es bei den Topfversuchen vor allem um den Vergleich verschiedener Kohlen mit und ohne Kompost ging, wurde eine mittlere Kohlekonzentration gewählt. In der Literatur werden Konzentrationen von 5 t/ha bis 140 t/ha in Versuchen eingesetzt. Bei unseren Feldversuchen arbeiten wir derzeit mit Konzentrationen von 10 t/ ha. Das entspricht bei derzeitigen Marktpreisen etwa 3500 Eur / ha, was tatsächlich erst einmal viel klingt. Doch wenn man bedenkt, dass die Kohle nur einmal für die nächsten 500 bis 2000 Jahre eingearbeitet werden muß (bei geeigneter Bodenarbeit), so relativiert sich der Preis. Rechnet man mit einer Amortisierung von 10 Jahren, kommt es zu jährlichen Abschreibungen von 350 Eur pro Hektar, was durch Einsparung von Düngemitteln, Erntezuwachs, bessere Krankheitsresistenz und ausgeglichenere Wasserversorgung schnell erwirtschaftet ist.
Die nächsten Feldversuche werden auch verlässliche Wirtschaftlichkeitsrechnungen für Landwirte aufstellen lassen.
Am 23. Mai 2010 um 19:39 Uhr Titel:
Beim nächsten Feldversuch empfehle ich, ein Kontrollfeld mit wesentlich weniger Holzkohle anzulegen (0,25 bis 1 t/h), dafür aber zusätzlich reichlich Holzasche. Bei unseren Pflanzungen verwenden wir teilverbrannte Reishülsen aus Bäckereiöfen. In diesem Asche/Holzkohle-Gemisch beträgt der Kohlenstoffanteil nur ca. 12-16%.
Auch würde ich anraten, diese Mischung (nebst Kompost) auf einem weiteren Testfeld zusätzlich zur normalen Düngung mit Kunstdünger auszuprobieren. Bei uns hat das zu einer deutlichen Verstärkung des Kunstdüngers geführt. Wichtig ist nur dass diese zusätzliche Düngung ganz am Anfang der Wachstumsphase erfolgt.