Dünger aus Biokohle (Biochar): Ist die Wirksamkeit bewiesen?

Haben Sie schon einmal von Biochar gehört? Für die meisten Gärtner ist dies ein neuer Begriff – auch für mich. Ich stieß auf einen englischsprachigen Artikel über Biochar, in dem dieser Dünger als ein Wundermittel beschrieben wurde, das die Wüste in einen Garten Eden verwandelt. Das klang faszinierend. Sofort begann ich, nach Studien zu suchen, die die Wirksamkeit von Biochar belegen. Es gibt nicht viele Studien, sodass ich nahezu alle durchsehen konnte, die sich mit der Verbesserung von Böden befassen (Studien über Biochar im Zusammenhang mit der Bekämpfung der Folgen des Klimawandels habe ich in diesem Überblick außen vor gelassen).

Was ist Biochar?

Dabei handelt es sich um eine speziell hergestellte Holzkohle, die dem Boden zur Verbesserung seiner Fruchtbarkeit beigemischt wird. Holzkohle wird in der Landwirtschaft traditionell von indigenen Völkern Westafrikas sowie nach unsicheren Berichten auch in den tropischen Regenwäldern des Amazonas verwendet. Es gibt die Hypothese, dass Biochar die Ernteerträge erheblich steigern und gleichzeitig die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre der Erde reduzieren kann.

Wie verbessert Biochar den Boden?

Kurz zusammengefasst:

• Die Zugabe von Biokohle verbessert die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens (Erhöhung des pH-Werts von 3,9 auf 5,1, der Kationenaustauschkapazität von 7,41 auf 10,8 cmol(+)kg−1, des Kationenanteils von 6,40 % auf 26,0 % und der mikrobiellen Biomasse (MBC) von 835 auf 1262 mg/kg−1).
• Erhöhung des mittleren Gewichts-Durchmessers (MWD) der Bodenaggregate von 2,6 cm auf 4,0 cm.
• Reduktion der Erosionsgeschwindigkeit um <50 %. Diese Daten wurden durch die Zugabe von 5 % Biochar in Bezug auf die Gesamtmenge des Bodens ermittelt ( CATENA Soil Science , China, 2013).

Kristallstruktur der Biokohle

Es gibt Hinweise darauf, dass Böden im Amazonasgebiet, die von vorkolumbischen Bauern verbessert wurden, auch heute noch fruchtbar sind und bis zu 35 % ihres organischen Kohlenstoffs in Form von Biokohle enthalten. Diese Böden, die vor 2000 Jahren künstlich mit Biokohle angereichert wurden, speichern mehr Wasser und enthalten Nährstoffe in einer für Pflanzen leicht zugänglichen Form. Der vermutete Düngerbestandteil der Schwarzerden (Terra Preta) im Amazonas bestand aus: Holzkohle + Knochen + Dung (mehr über die Amazonasböden und ihren vorkolumbischen Biochar erfahren Sie hier ).

Biokohle ist ein hochporöses Material, das in seiner Fähigkeit zur Wasserspeicherung mit Perlit vergleichbar ist. Die Poren bieten eine gesunde Lebensumgebung für Bodenbiota, und ihre Zugabe könnte ein Schritt im Prozess der “Terraformierung” sein. Der Kohlenstoff in der Biokohle ist extrem stabil und verbleibt Tausende von Jahren im Boden, wobei er Mikroelemente und Mineralien bindet und speichert, bis sie durch symbiotische Bakterien an die Pflanzenwurzeln abgegeben werden. In Gebieten mit starkem Niederschlag ist diese Eigenschaft von unschätzbarem Wert für Dünger, da sie Bodenerosion und die Verschmutzung des Grundwassers verhindert.

Wie wird Biokohle hergestellt?

Die Organisation International Biochar Initiative, die ökologische Standards für Biokohle setzt, beschreibt den Herstellungsprozess als “die Umwandlung landwirtschaftlicher Abfälle in einen Bodenverbesserer”. Biokohle entsteht auch durch natürliche Waldbrände oder wird künstlich durch Pyrolyse hergestellt:

“Organische Abfälle wie Holzschnitzel und Zweige, Nebenprodukte aus der Landwirtschaft, werden in sauerstofffreien Kammern verbrannt, wodurch Öl, Synthesegas und ein fester Rückstand entstehen, der Holzkohle ähnelt. Diese hochporöse Art von Holzkohle wirkt wie ein Filter, der schädliche Chemikalien und Verbindungen absorbiert, während nützliche Nährstoffe freigesetzt werden.” The Yale School of Forestry & Environmental Studies

Kurze Geschichte der Biokohle

Ein Blick in die Geschichte ist unverzichtbar. Holzkohle war schon immer eines der effektivsten bodenbildenden Elemente für die westafrikanischen Böden, neben Dung. Dies wurde nach umfangreichen anthropologischen Studien in Liberia und Ghana auf 700 Jahre alten Böden deutlich ( 1 ).

Die sogenannten “Dunklen Böden Afrikas” wurden künstlich geschaffen, indem Küchenabfälle, Knochen, Asche und Dung eingearbeitet wurden. Ohne diese Bestandteile wäre Landwirtschaft in den meisten westafrikanischen Regionen nicht möglich gewesen. Interessanterweise entdeckten die Bewohner des Amazonasgebiets und Afrikas Holzkohle unabhängig voneinander als Düngemittel: Die Amazonasbauern nutzten sie bereits vor 2500 Jahren, während Afrikaner dies vor rund 700 Jahren begannen. Möglicherweise spielte hierbei die einfache Logik der Urmenschen eine Rolle – “Heile Gleiches mit Gleichem”…

Wissenschaftliche Forschungsdaten zu Biokohle

Feldforschung zu Biokohle in Österreich

Biokohle wird derzeit als eine vielversprechende geo-ingenieurtechnische Idee betrachtet. Aus diesem Grund konzentrieren sich groß angelegte Studien vor allem auf die Kompensation von Treibhausgasemissionen durch Biokohleproduktion sowie auf die Optimierung des Pyrolyseprozesses bei ihrer Herstellung: Die bei der Verbrennung freigesetzten Gase und Öle können tatsächlich als Brennstoff für die Pyrolysereaktion verwendet werden. Dennoch fehlen Experimente auf der Ebene von Pflanzen-Boden-Ökosystemen, deren Rückkopplungen sich im Labor nicht vollständig simulieren lassen. Daher sind nahezu alle vorliegenden Daten eher spekulativer Natur.

Befürworter von Düngemitteln hervorheben vor allem zwei Vorteile: die Fähigkeit, Kohlenstoff in stabiler Form zu speichern und somit die Abgabe von CO₂ aus organischen Stoffen in die Atmosphäre zu verhindern sowie die Bodenanreicherung. Zum zweiten Vorteil liegen jedoch nicht so viele verlässliche Feldstudien vor. Dennoch gilt:

Unbestritten ist, dass Biokohle Wasser speichert, die Bodenversauerung reduziert, die Sauerstoffverfügbarkeit verbessert und ideale Bedingungen für Bodenmikroorganismen schafft.

Es gibt kaum Feldforschungen, die den Einfluss von Biokohle auf den Nährstoffverlust untersuchen.

Auch die Fähigkeit, Kohlenstoffdioxid zu binden, ist bewiesen. Die Herstellung von Biokohle scheint den CO₂-Gehalt in der Atmosphäre zu senken: Beim Abbau von Pflanzen wird CO₂ freigesetzt, das letztendlich von anderen Pflanzen aufgenommen wird, sodass der Kreislauf weiterläuft. Kohle stabilisiert diese abbaubare Materie und das begleitende CO₂ und konserviert es über Hunderte oder sogar Tausende von Jahren im Boden. Diese Idee wird als potenziell enorme Möglichkeit zur Verlangsamung der globalen Erwärmung betrachtet und hat sowohl zahlreiche Unterstützer als auch Kritiker (weil der wirtschaftliche Nutzen und die “relative Nützlichkeit” noch bewiesen werden müssen) auf sich aufmerksam gemacht.

Alle Feldforschungen liefern sehr “wischiwaschi” Ergebnisse. Für jede Art von Boden und unterschiedliche klimatische Bedingungen wird eine individuelle Konzentration der Kohledüngung benötigt. In einigen Fällen ist sie überhaupt nicht erforderlich. Die chemische Zusammensetzung variiert stark, abhängig vom Ausgangsmaterial und den Pyrolysebedingungen. Ertragssteigerungen wurden in landwirtschaftlich minderwertigen Böden festgestellt, vorausgesetzt, es wurden Asche und organische Zusätze hinzugefügt (!). Je besser der Boden, desto bescheidener die Ergebnisse. Damit Biokohle wirkt, ist es notwendig, Phosphor (P), Kalium (K), Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg) durch die Zugabe von Kompost und Dünger zu ergänzen (die “Terra Preta”-Böden wurden aus verkohlten Rückständen in Kombination mit Abfällen menschlicher Siedlungen geschaffen).

Empirische Daten sind auffallend rar. Hier sind Ergebnisse einiger Feldforschungen, die mir nützlich erschienen. Biokohle wurde 2007 auf Reisfeldern in Laos untersucht: Die Wasserleitfähigkeit des Bodens verbesserte sich, die Ertragsfähigkeit stieg in Gebieten mit gering verfügbarer Phosphorsäure an, jedoch verminderte sich die Verfügbarkeit von Stickstoff, was die zusätzliche Anwendung von Stickstoffdüngern erforderlich machte ( 2 ).

Eine hervorragende Veröffentlichung zur Synergie von Kompost und Biokohle stammt von deutschen Biochemikern des Institute of Agricultural and Nutritional Sciences, Soil Biogeochemistry . Besonders nützlich ist in dem Artikel die Information zur Langlebigkeit des schwarzen Düngemittels – die Grundstruktur des Materials weist eine hohe Beständigkeit gegen Abbau auf (etwa 3.000 Jahre), sodass es nicht jährlich wie andere Bodenverbesserungsmittel eingebracht werden muss. Außerdem wird auf Qualitätsunterschiede von Biokohle in Abhängigkeit von der Herstellungstemperatur und dem Ausgangsmaterial hingewiesen (Biokohle aus Gras, die bei niedrigen Temperaturen von 250-400°C hergestellt wird, mineralisiert Kohlenstoff besser als solche aus hartem Holz und hochtemperaturverarbeiteten Stoffen).

Biokohlenquelle – Gräser

In der umfassendsten Metaanalyse zu Biokohle gibt es eine Warnung:

Die meisten Aussagen über Biokohle sind übertrieben optimistisch. Die potenziellen Vorteile von Biokohle, sowohl für die Bodenbildung als auch für die Umwelt insgesamt, werden bewusst überbewertet.

Auftritt eines Luft- und Raumfahrtingenieurs bei TEDx, der für die Nutzung von Biokohle wirbt.

Versprechen oder Standards?

Zum Glück betreffen uns die Probleme der globalen Einführung von Biokohle nicht. Wir sollten, wie in Afrika, erst einmal die Fruchtbarkeit unserer Gartenböden ausschöpfen. Und genau hier tauchen bereits Probleme auf. Wir wissen bislang nicht:

• Welchen pH-Wert wir letztendlich erhalten;
• Welche chemischen Eigenschaften verschiedene Biokohlearten je nach Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren haben;
• Auf welchen Böden ein bestimmtes Produkt am besten funktioniert;
• Wie stabil sie im Boden ist (es gibt nur theoretische und indirekte Daten);
• Ob die Produktion von Biokohle der Umwelt mehr schadet, als sie ihr nützt, und viele ähnliche Fragen mehr.

Wir wissen bisher nicht, was GUTE Biokohle ausmacht. Unternehmen, die Biokohle herstellen, gibt es bereits mehrere Hundert weltweit, aber Standards existieren immer noch nicht. Daher werden uns buchstäblich goldene Berge versprochen, und die Dosierungen werden nur von der Fantasie und Gier der Hersteller bestimmt. Es gibt noch keine Rechtsgrundlagen oder Industriestandards (wie etwa die russischen GOST-Normen) für Biokohle. Um solche Standards zu entwickeln, sind fundierte Feld- und Laborstudien erforderlich, von denen es bisher nur sehr wenige gibt. In allen veröffentlichten Studien betonen die Wissenschaftler die Notwendigkeit einer weiteren Erforschung und Datenverfeinerung.

Basierend auf rund 100 Proben von Biokohle, die sich in ihrem Rohmaterial und den Produktionsprozessen unterscheiden, wurden folgende Grenzwerte für chemische Elemente vorgeschlagen: O/C < 0,4 und H/C < 0,6 (Schimmelpfennig & Glaser, 2012). Das direkte Einmischen von Biokohle in den Boden, ohne Zugabe organischer Substanzen, wird nicht angewendet und ist sinnlos, aber die Hersteller erwähnen dies nicht auf den Verpackungen der Biokohle.

Schlussfolgerungen aus einer Metaanalyse, veröffentlicht im wissenschaftlichen Journal PLoS One im Jahr 2013:

• Die Erforschung von Biokohle ist ein sehr junges Gebiet, was sich im Fehlen von Standards und der ungleichmäßigen Verteilung der Forschungsthemen niederschlägt.
• Es sind Feldversuche erforderlich, um die Stabilität des Düngemittels in Abhängigkeit von Klima, Bodenbeschaffenheit und der Methode der Kohlenstoffproduktion zu untersuchen.
• Wir wissen immer noch nicht, wie die Produktion, der Transport und die Anwendung von Biokohle das Ökosystem als Ganzes beeinflussen.
• Optimistische Behauptungen über die Vorteile von Biokohle für die Umwelt stehen in starkem Kontrast zu der begrenzten Anzahl von Studien über ihr Verhalten und Auswirkungen.
• Es gibt nicht genügend empirische Daten, die die Behauptungen stützen, dass die Zugabe von Biokohle zum Boden signifikant zur Abschwächung des Klimawandels beiträgt oder dass sie allgemeine ökologische Vorteile bietet, wenn man alle Indikatoren berücksichtigt.

Nachteile von Biokohle, aufgezeigt von Prof. Johan Six, ETH Zürich:

1. In einigen Fällen kann der Ertrag aufgrund der Adsorption von Wasser und Nährstoffen durch die Biokohle sinken, was deren Verfügbarkeit für Nutzpflanzen reduziert. Es wurde auch gezeigt, dass Biokohle die Keimung verlangsamt.
2. Die Adsorption von Pestiziden und Herbiziden kann deren Wirksamkeit verringern.
3. Einige Biokohlen können als Quelle von Schadstoffen wirken, wie zum Beispiel Schwermetallen, flüchtigen organischen Verbindungen, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und gelöstem organischen Kohlenstoff.
4. Die Entfernung von Pflanzenresten wie Stängeln, Blättern und Samenkapseln, die für die Herstellung von Biokohle verwendet werden, kann den allgemeinen Zustand des Bodens verschlechtern, da sie die Menge der Bodenmikroorganismen reduzieren und den Nährstoffkreislauf stören kann.
5. Die Erhöhung der Kationenaustauschkapazität hängt von der Bodenbeschaffenheit ab: Sie ist minimal in Böden mit hohem Ton- oder organischem Materialgehalt. In solchen Fällen ergibt die Verwendung von Biokohle keinen großen Sinn.
6. In Böden mit hohem pH-Wert (alkalisch) ist eine weitere Erhöhung des pH-Wertes unerwünscht, da landwirtschaftliche Kulturen nur einen bestimmten Bereich des Boden-pH tolerieren.

Ich habe keine persönlichen Vorurteile gegenüber Biokohle. Wenn Sie möchten, können Sie sie selbst im eigenen Garten herstellen:

Zusätzliche Literatur

Unter den folgenden Links können Sie sich mit den Originalstudien vertraut machen, die vollständige Versuchsdesigns mit Grafiken, Berechnungen und Schlussfolgerungen enthalten.

Effect of biochar on soil physical properties in two contrasting soils: An Alfisol and an Andisol . Geoderma, Volumes 209–210, November 2013, Pages 188-197.

Recent developments in biochar as an effective tool for agricultural soil management: a review . Journal of the Science of Food and Agriculture, 96(15), 4840–4849.

Ein aktueller Überblick von 2018: Review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution .