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Zusammenfassung Band 54

Borchard, Nils (2012): Interaction of biochar (black carbon) with the soil matrix and its influence
on soil functions
Bonner Bodenkundl. Abh. 54 142 S., 10 Abb., 21 Tab. Bonn 2012

 

Zusammenfassung

Während der technischen Verkohlung von Biomasse entsteht Holzkohle (Biokohle), die als Kohlenstoffspeicher und Bodenhilfsstoff genutzt werden kann. Die meisten verfügbaren Studien basieren jedoch auf der Anwendung einzelner Biokohlen in tropischen Böden. In dieser Studie sollen frische, physikalisch aktivierte und kompostierte Biokohlen auf deren Sorptionseigenschaften und deren Wirkungen auf die Biomasseproduktion untersucht werden.
Drei Biokohlen (Vergasungskoks, Holzkohle und Flash-Pyrolyse Kohle) aus C3-Pflanzen wurden in unterschiedlichen Mengen in einen sandigen und einen schluffigen Versuchsboden eingemischt, um Veränderungen der Bodeneigenschaften und den Pflanzenerträgen nachzugehen. Die Experimente wurden in einem viermonatigen Topfversuch mit Weidelgras (Lolium perenne L.) und in einem dreijährigen Freilandversuch mit Mais (Zea mays L.) durchgeführt. Zur Kennzeichnung der Verweilzeit wurden Benzolpolycarbonsäuren (BPCA) als molekulare Marker und Stabil-Isotopensignaturen analysiert. Aktivierte Holzkohle wurde parallel zur Holzkohle im Topfversuch eingesetzt. Es folgten Untersuchungen zum Einfluss einer sechsmonatigen Kompostierung auf die Nährstoffgehalte und physikalisch-chemischen Eigenschaften von Biokohlen. Analysen der Adsorptionfähigkeit von Mikronährstoffen (Cu und S) an frischen und kompostierten Biokohlen fügten sich an, um das Potenzial dieser Kohlen für eine Retention von Nährelementen und Schwermetallen in Böden beurteilen zu können.
Die Einmischung der Biokohle in die Versuchsböden führte zu einer signifikanten Festlegung von Kohlenstoff und die in den Biokohlen enthaltenen Aschen düngten kurzfristig. Die Nährstoff-Gehalte an K, Mg und, P sind im Vergasungskoks am höchsten und nehmen über die Holzkohle zur Flash-Pyrolyse Kohle ab. Die Biokohlen mit basisch wirksamen Aschen beeinflussten die pH-Werte der Böden signifikant, was zumindest teilweise zu einer Erhöhung der effektiven Kationenaustauschkapazität (KAK) führte. Jedoch zeigten sich keine positiven Düngeeffekte auf die Pflanzen. Im Gegenteil, die Einmischung der Biokohlen führte zu Nährstoffungleichgewichten, die sich in einer verringerten N-Aufnahme äußerten. Offenbar wird mit steigenden Mengen an zugegebener Biokohle Boden-N immobilisiert. Im Extremfall (~100 g Biokohle kg-1 Boden) führte dies sogar zu Ertragseinbußen statt zu einer erhöhten Biomasseproduktion. Diese Ertragsrisiken müssten durch gezielte Düngung (v.a. von N) ausgeglichen werden. Der damit verbundene zusätzliche Verbrauch an CO2-Äquivalenten für Herstellung und Transport sowie der Freisetzung von N2O könnte das erhöhte Potential zur C-Sequestration nach Biokohle-Applikationen konterkarieren.
Frische Biokohlen weisen sehr geringe Sorptionskapazitäten auf. Daher wurden ausgewählte Biokohlen physikalisch aktivierten und/oder kompostiert. Die Physikalische Aktivierung verdoppelte die KAK und vervielfachte die spezifische Oberfläche der Holzkohle. Dennoch führte die Nutzung der aktivierten Holzkohle zu keinem Ertragszuwachs beim Weidelgras, aber zu verringerten Austrägen von N (nicht im Sand) und P. Das Kompostieren erhöhte die KAK bis zum Vierfachen der Ausgangswerte, wohingegen die BPCA-C-Gehalte unverändert blieben. Die spezifischen Oberflächen (gemessen mit N2 und CO2) verringerten sich im Zuge der Kompostierung, aufgrund von Anlagerungen löslicher organischer Substanzen. Die Biokohlen nahmen Nährstoffe (NPK) reversibel auf. Als Modellstoffe für die Sorption kationischer und anionischer Bodeninhaltsstoffe verwendeten wir Kupfer (Cu2+) und Sulfat (SO42-). Die Langmuir-Sorptionskoeffizienten für Cu2+ nicht kompostierter Biokohlen erhöhten sich in der Reihenfolge Flash-Pyrolyse Kohle < Holzkohle < Vergasungskoks. Die Sorptionskapazität verringerte sich in der Reihenfolge Vergasungskoks > Flash-Pyrolyse Kohle > Holzkohle. Durch die Kompostierung erhöhen sich die Sorptionskoeffizienten etwa um das 5-fache für die Holzkohle und um das 3- bis 4-fache für den Vergasungskoks. Jedoch lassen unsere Daten nicht erwarten, dass die Einmischung realistischer Mengen an Biokohle zu einer verbesserten Festlegung von Cu2+ und SO42- in mitteleuropäischen Böden führen könnte.
Zusammenfassend erhärten die Ergebnisse dieser Studie zumindest das Potenzial von Biokohlen aus Holz zur C-Sequestration in Böden. Sie liefern jedoch keine Hinweise auf eine förderliche Wirkung von Biokohlen auf das Wachstum von Kulturpflanzen, sondern lassen im Gegenteil Nährstoffungleichgewichte befürchten, daher kann eine verbreitete Anwendung von Biokohlen auf landwirtschaftlich genutzten Böden der gemäßigten Breiten nicht vorbehaltlos empfohlen werden. Was jedoch zu prüfen bleibt, ist die potentielle Nutzung von aktivierten und kompostierten Biokohlen zur Verbesserung der Metall- und Nährstoffretention saurer Sandböden mit geringen Humusgehalten.

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