Einfluss von Pflanzenkohle auf den N- und P-Haushalt von Böden

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1 Einfluss von Pflanzenkohle auf den N- und P-Haushalt von Böden Inhalt: Pflanzenkohle vs. Terra Preta Effekte (Gewächshaus, Freiland) Thermochemische Klärschlamm-Verwertung Kommerzielle Anwendungen Gesetzgebung Take home 1/28

2 Terra Preta ein 2000 Jahre alter Feldversuch Ferralsol Organische Abfälle (nährstoffreich) Terra Preta Küchenabfälle Streu Exkremente Knochen Pflanzenkohle Mikroorganismen Anreicherung großer Mengen an N und P (15 Mg ha -1 ) Anreicherung von Verkohlungsrückständen (50 Mg ha -1 ) Mikrobelle Umwandlung (Humusaufbau, Mineralisation) Relikt einer früheren Besiedelung und Konzept für kreislaufbasierte Bioökonomie Glaser et al. (2001) Naturwissenschaften 88: /28

3 Nordic Dark Earth (Elbslawen, Wendland) Sandige Braunerde Streu Biomasse- Abfälle Lebensmittelreste Elbslawen- Schwarzerde Knochen Kompost Exkremente Pflanzenkohle Mikroorganismen Alte Siedlungsflächen, ähnliche Entstehung wie Terra Preta Wiedner et al. (2015) Catena 132: /28

4 Terra Preta Pflanzenkohle Glaser and Birk (2012) Geochimica et Cosmochimica Acta 82: /28

5 Modernes Terra Preta-Konzept Kreislaufwirtschaft SEWAGE SLUDGE Biochar Eruope (2010) 5/28

6 Rolle der Pflanzenkohle Struktur Porosität Kondensierte Aromaten Funktionelle Gruppen Labiler org. Kohlenstoff Asche Ökosystemfunktion Wasserspeicherung C-Speicherung Nährstoff-Speicherung Nahrung für Mikroorganismen Sofortiger Dünger Biochar Eruope (2010) 6/28

7 Bodeneigenschaften (N=112) Vorwiegend neutrale ph-werte und geringe Humusgehalte 7/28

8 Pflanzenkohle-Effekt auf pflanzenverfügbare Nährstoffe Stickstoff (n = 52) Phosphat (n = 15) N-Verfügbarkeit vermindert (N-Immobilisierung?) P-Verfügbarkeit erhöht (ph-effekt?) 8/28

9 Pflanzenkohle-Feldversuche in Europa Mengeneffekt (Petershagen, Brandenburg) Kompostierung (Bayreuth) Pyrokohle vs. Hydrokohle (Halle) Regionales Nährstoff-Recycling (Gartow, Wendland) 9/28

10 Regionales Nährstoff-Recycling (Wendland 2012) Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: /28

11 Varianten Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: /28

12 Yield [Mg ha -1 ] Terra Preta Gewächshaus Freiland Klärschlamm Anwendung Recht Take Home Maiserträge (2012) 12 Mineral fertilizer Digestate Fermented bc digestate Compost ab a a a ab b a a ab Positiver Pflanzenkohle-Effekt Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: /28

13 Nitratauswaschung: Pflanzenkohle-Effekt (Feldexperiment Wendland) Glaser et al BMBF-Bericht ClimaCarbo 13/28

14 Phosphatauswaschung: Pflanzenkohle-Effekt (Feldexperiment Wendland) Glaser et al BMBF-Bericht ClimaCarbo 14/28

15 Nährstoff- und Schwermetall-Aufnahme (Mais 2012) N P Ca K Mg Na Mn Cu Ni Co Cr Pb Cd BC (1) + NPK s s BC (40) + NPK s s s s s s s s BC (1) + Dig. s s s s BC (40) + Dig. s s s s s s BC (40) + Dig. + ferm. s s s s s BC (10) + Compost s s s s s = significant (p < 0.05) increase decrease Pflanzenkohle erhöht meist Nährstoff-Aufnahme Pflanzenkohle vermindert meist Schwermetall-Aufnahme Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: /28

16 Elementkonzentration und -Bilanz vs Pyrolysetemperatur N-Konzentration sinkt, P- und K-Konzentration steigt Hohe N-Verluste: 50-70% Fast vollständiges Recycling aller anderen Nährstoffe Hossain et al. (2011) Journal of Environmental Management 92: /28

17 P-Bilanz und Verfügbarkeit von Kohlen aus Kuhdung (MAe) und Klärschlamm (BSe) im Vergleich zu Ca-Phosphat (CaP) und Gesteinsmehl (SPR) Vollständiges P-Recycling (temperaturunabhängig) P-Aufnahme CaP >MAe biochars >BSe biochars Nach 6 Ernten alle P-Quellen vergleichbar Wang et al. (2012) Plant Soil 357: /28

18 P-Transformation durch thermochemische Behandlung Qian and Jiang (2014) Sustainable Chem. Eng 2: /28

19 Pyrolyse vs. hydrothermale Carbonisierung Huang and Tang (2015) Environ. Sci. Technol. 49: /28

20 Kombination Pflanzenkohle - Biogas Lacroix et al (2014) Waste Management & Research 32: /28

21 Sonnenerde / Ökoregion Kaindorf (Österreich) 21/28

22 Biologische Aktivierung (Kompostierung Fermentation) Wenig BC Viel BC Kompostierung Fermentierung 0/0.5/1/2% BC 0/5/7.5/15/25/40%BC 0/7.5/15% BC, CO/EM Synergismen mit organischen Düngern Wechselwirkung mit organischer Bodensubstanz Biologische Aktivierung von Pflanzenkohle Glaser et al. (2013) Eurosoil Bari 22/28

23 Kommerzielle Pflanzenkohle-Produkte 23/28

24 Kommerzielle Pflanzenkohle-Substrate (+BC) vs. Torf-Substrate (-BC) +BC -BC Einziges vernünftiges Produkt: Sonnenerde (Pflanzenkohle-Klärschlamm-Kompost) Terra Magica und Palaterra vergleichbar mit reinem Sand, z.t. negativer Mengeneffekt Torfsubstrate auch nicht viel besser als reiner Sand (v.a. Dehner mit Vorratsdünger) Asomah et al. (unpublished) 24/28

25 Rechtliche Grundlagen Freiwillige Zertifikate: EBC, BQM, IBI (TOC > 30%, H/C < 0,7) Teil des Ecolabels in: UK, Schweden Legal in: Schweiz, Österreich, Italien Teil der neuen European Fertilizer Directive (Annex A) Ungeklärt: REACH Keine klare legale Situation Dennoch kommerzielle Nutzung 25/28

26 Pflanzenkohle in der Tierernährung Historische Nutzung von Holzkohle in der Tier- und Humanernährung Bekannt und angewandt bei Verdauungs-Störungen Weltweite Anwendung als Additiv für Tiernahrung (meist als Präventiv) Positive Effekte Adsorption von organischen Molekülen (z.b. Geruchsstoffe) Adsorption von Mikroorganismen und Toxinen Höhere Nährstoff-Verwertung Negative Effekte Evtl. auch Sorption von Vitaminen und Therapeutika Gesetzgebung (EG) Nr. 68/2013 EC Product no (Pflanzliche Kohle [Holzkohle] aus Pyrolyse von pflanzl. Biomasse Product quality mandate: (EG) Nr. 178/2002, v.a. Schwermetalle, Dioxine, Furane Schweiz: Futterkohle als Teil der FIBL-Liste für Biolandbau Schmidt et al. (2016) Ithaka Journal 95, /28

27 Pflanzenkohle in der Humanernährung (E 153) 27 27/28

28 Take Home Pflanzenkohle als Option in der Erträge anfangs mehr oder weniger gleich Vorteile der Pflanzenkohle-Substrate mit zunehmender Versuchsdauer Sonnenerde kreislaufbasierten mit Abstand die höchsten Erträge Bio-Ökonomie Palaterra mit Abstand die niedrigsten Erträge Nährstoff-Speicherfähigkeit: Interessante Option Torf für > NÄHRSTOFF-ARME Pflanzenkohle Biomasse Nährstoffe: (evtl. Ca auch > K > für Mg, Klärschlamm?) Torf tendenziell abnehmend Massenverluste +/- 10% 10-30% Co-Kompostierung Humusverlust, keine eindeutigen mit NÄHRSTOFF-REICHER Unterschiede 1-5% stabiler Biomasse Kohlenstoff (z.b. Klärschlamm) (5-12% bezogen auf TOC) Auch Torf enthält vergleichbare Mengen stabilen Kohlenstoff!!! Struktur 100% vergleichbar, Substitution obwohl von Torf Mineraldünger ähnlich HTC-Kohle möglich Pflanzenkohleprodukte höhere mibi Rückstände bezogen auf TOC Alle Produkte Teilweise bakteriendominiert Ertragssteigerung im Vergleich zu Pflanzenkohle bisherigen fördert Maximalerträgen Pilze!!! Offene Fragen: Langzeitverhalten, +/- Mulch, +/- Mykorrhiza Einmal-Applikation < 20 Mg ha -1 Besser regelmäßig kleinere Mengen applizieren (z.b. 1 Mg ha -1 jährlich) 28/28