Hintergrund und Zielsetzung

Der Einsatz von Maschinen und mineralischen Düngern im Rahmen der Intensivierung der Landwirtschaft brachte eine erhebliche Steigerung der Ernteerträge. Die Düngung bringt aber auch Nachteile mit sich, wenn diese nicht an den Bedarf der Feldfrüchte angepasst wird: einerseits kann der Überschuss an Stickstoff (N) zu gesteigerten Lachgasemissionen (N2O) führen, andererseits kann er direkt als Nitrat (NO3) ausgewaschen werden und in Grund- und Oberflächenwässer gelangen.

Um die negativen Nebeneffekte der Industrialisierung und Intensivierung der Landwirtschaft entgegen zu wirken, erlangen neue Methoden stark steigendes Interesse. Eine solche Methode ist der Einsatz von Pflanzenkohlen (Produkte aus der Verkohlung von Biomasse) in landwirtschaftlichen Böden. Es wird angenommen, dass der Verkohlungsprozess eine langfristige Speicherung von atmosphärischem CO2 bewirkt, so dass anthropogenen Emissionen aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe mit den daraus resultierenden Klimaveränderungen aktiv entgegen gewirkt werden könnte. Des Weiteren ergeben sich aufgrund der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Kohlen und durch deren Beimischung zum Boden eventuell Möglichkeiten, den Wasserhaushalt zu verbessern und neben der Nitratauswaschung, die Auswaschung weiterer wichtiger Pflanzennährstoffe (Calcium, Kalium, Magnesium, Phosphor) oder auch von Pestiziden zu reduzieren und zudem die N2O Emissionen zu senken.

Die Gewinnung der Pflanzenkohlen kann über verschiedene Verfahren erfolgen, von denen die zwei derzeit gebräuchlichsten im Fokus des vorliegenden Projektes stehen. Bei der Pyrolyse wird Biomasse bei hohen Temperaturen (>450°C) unter Sauerstoffausschluss verkohlt (Pyrokohlen). Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) ist ein Verkohlungsverfahren von Biomasse unter Zugabe von Wasser bei 180-250°C und hohen Drücken (HTC- oder Hydrokohlen). Sie erlaubt auch die Verarbeitung von Biomasse mit hohen Wassergehalten ohne größeren technischen Aufwand. Bei beiden Verfahren werden Kohlen mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften erzeugt, deren Eignung als Bodenhilfsstoff und als Mittel zur Kohlenstoff-Sequestrierung in bzw. der Reduktion von Treibhausgasen aus Böden im Rahmen dieses Projekts untersucht wird.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts werden folgende Fragen untersucht:

1. Eignen sich Pyrokohlen und Hydrokohlen zur Verminderung der Auswaschung von Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln aus landwirtschaftlichen Böden?
2. Wie beeinflusst die Ausbringung von Pyrokohlen und Hydrokohlen die Wasserhaltekapazität des Bodens?
3. Wie verändert sich die Sorptionskapazität der Kohlen im Laufe der Zeit nach Ausbringung im Feld (Aging)?
4. Eignen sich Pyrokohlen und Hydrokohlen zur Kohlenstoffsequestrierung in landwirtschaftlichen Böden?
5. Kann eine Anwendung von Pyrokohlen oder Hydrokohlen die Emissionen von Ammoniak aus Wirtschaftsdüngern reduzieren?

Vorgehensweise

Untersucht werden sowohl Pyrolysekohlen als auch Hydrokohlen aus unterschiedlichen Ausgangsstoffen (z.B. Miscanthus-Gras, Holzhackschnitzel, Gärreste) in unterschiedlichen Bodentypen (sandige und lehmige Böden) sowohl in Labor- als auch in Freilandversuchen.

Daten und Methoden

Die für dieLaborversuche genutzten Kohlen stammen aus der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) und der Pyrolyse und wurden aus Biomasse mit unterschiedlichen physico-chemischen Eigenschaften produziert (Holzhackschnitzel (95% Pappel und 5% Weide), Mischanthus x gigantheus, Gärrest (99% Mais)). Die Hydrokohlen wurden mit Wasser (1/10 w/w) in einem Batchreaktor für 6 Stunden bei einem Druck von 2 MPa einmal bei 200°C und einmal bei 250°C hergestellt (SmartCarbon AG, Jettingen, Deutschland). Die unterschiedlichen HTC-Temperaturen wurden herangezogen um zu sehen, ob die Prozesstemperatur entscheidenden Einfluss auf die Kohleeigenschaften und deren Verhalten im Boden zur Folge hat. Die Pyrokohlen wurden in einem Pyreg Reaktor (PYREG GmbH, Dörth) bei 750°C in einer Dreiviertelstunde produziert.

Für das Feldexperiment wurden nur Pyrokohle und Hydrokohle (200°C) aus Miscanthus herangezogen.

Ergebnisse

Die Ergebnisse dieses Projektes zeigten, dass sowohl Ausgangsmaterial als auch die Prozessbedingungen während der Carbonisierung die Effektivität potenzieller Anwendungsgebiete von Pflanzenkohlen im Boden grundlegend beeinflussen.

Die Stabilität der Kohlen stieg mit steigendem Carbonisierungsgrad (d.h. Hydrokohle (produziert bei 200°C) < Hydrokohle (produziert bei 250°C) < Pyrokohle) und wurde zudem zu einem gewissen Grad vom Ausgangsmaterial, aus dem die Kohle gewonnen wurden, beeinflusst (insbesondere bei den weniger stark carbonisierten Kohlen stieg deren Stabilität mit dem Ligningehalt oder dem C/N Verhältnis des Ausgangsmaterials). Die Ergebnisse der Laborinkubationsversuche bestätigten sich auch im Rahmen unserer in situ Feld Inkubation: während der pyrokohle-bürtige Kohlenstoffgehalt im Boden sich im Laufe der Zeit nicht änderte, sank der hydrokohlebürtige Kohlenstoffgehalt um 75±20% nach 19 Monaten im Feld. Zwischen den einzelnen experimentellen Flächen mit unterschiedlichen Bodentypen zeigten sich in der Abbaudynamik keine nennenswerten Unterschiede.

Die spezifische Oberfläche (SSA) wurde oft als ausschlaggebender Faktor für steigende Wasserrückhaltekapazität im Boden nach Pflanzenkohleapplikation benannt. Wir fanden jedoch auch für Hydrokohlen (welche eine signifikant geringere SSA als Pyrokohlen besitzen) die Fähigkeit, den Rückhalt pflanzenverfügbaren Wassers effektiv zu erhöhen.

Sowohl Pyrokohlen als auch Hydrokohlen waren in der Lage, die Auswaschung des relativ gut wasserlöslichen Herbizids Isoproturon (IPU) zu reduzieren: die Sorption von IPU stieg um Faktor 13 nach Hydrokohleapplikation und um einen Faktor von 2283 nach Pyrokohleapplikation. Die Mineralisierung des Pestizids korrelierte negativ mit der Sorptionsfähigkeit der Kohlen und positiv mit deren Abbaubarkeit, heißt, dem Carbonisierungsgrad. Vermutlich verbleibt IPU bei Pyrokohlen langfristig in deren Mikroporen eingeschlossen, so dass es zu einer langfristigen Persitenz im Boden kommt. Im Gegensatz dazu ermöglichen Hydrokohlen weiterhin die Bioverfügbarkeit von IPU, da sie einen höheren Gehalt an wasserextrahierbarem Kohlenstoff und sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen besitzen, an denen das Pestizid reversibel gebunden ist. Außerdem sind sie deutlich schneller abbaubar.

Die Potenzial der Pflanzenkohlen zur Minimierung der Nährstoffauswaschung (Nitrat, Ammonium und Phosphat) hing stark vom Nährstoff selbst, vom Kohletyp (Hydrokohle vs. Pyrokohle) und dem für die Carbonisierung verwendeten Ausgangsmaterial ab, sowie vom Bodentyp, auf dem die Kohle ausgebracht wurde. Im Laborexperiment mit 9 verschiedenen Pflanzenkohlen konnten nur Pyrokohlen die untersuchten Nährstoffe effektiv zurückhalten. Hinzu kommt, dass dieses Potenzial nur von kurzer Dauer zu sein scheint: nach nur 7 Monaten im Feld verloren die Kohlen 60-80% ihrer Sorptionskapazität. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind noch wenig bekannt, aber diese Ergebnisse lassen Zweifel an der Eignung der Pflanzenkohleapplikation zur Minimierung der Auswaschung von Nährstoffen aus landwirtschaftlichen Böden aufkommen.

Der Zusatz von Pflanzenkohlen zu organischen Wirtschaftsdüngern (Rindergülle und Hühnertrockenkot) hatte einen Effekt auf die NH3 Emissionen – dieser war jedoch hauptsächlich pH-gesteuert. Eine Reduktion der NH3 Emissionen durch Adsorption von NH4+ wurde nicht beobachtet. Des Weiteren war die Effizienz der Kohlezugabe zur Reduktion von N-Verlusten in der Form von NH3 unbedeutend im Vergleich zum Effekt durch Ansäuerung der Dünger.

Schlußfolgernd kann gesagt werden, dass die Applikation sowohl von Pyrokohlen als auch von Hydrokohlen zu Boden bestimmte Eigenschaften verbessern können. Jedoch zeigten weder Pyrokohle noch Hydrokohle einen mehrfachen Nutzen. Es ist sogar eher so, dass die Ausbringung eines Kohletyps mehrere, ungewollte Nebeneffekte verursachen kann. Beispielsweise können Hydrokohlen einerseits die Mobilität von Schadstoffen (s. IPU) im Boden durch Sorption verringern und gleichzeitig noch deren Bioverfügbarkeit durch Kohleabbau gewährleisten. Auf der anderen Seite jedoch ist relativ hohe Abbaubarkeit der Hydrokohlen ein Ausschlusskriterium für die potenzielle Nutzung zur Kohlenstoffsequestrierung. Sehr stabile Kohlen wie Pyrokohle wiederum können zwar möglicherweise zur C Sequestrierung in extensiv genutzten landwirtschaftlichen Böden herangezogen werden, bergen in konventionell und/oder intensiv genutzen landwirtschaftlichen Böden ein Risiko für unvorhersehbare negative Effekte wie beispielsweise Pestizidakkumulation.

Publikationen:

Eibisch N, Helfrich M, Don A, Mikutta R, Kruse A, Ellerbrock RH, Flessa H (2013) Properties and degradability of hydrothermal carbonization products. J Environ Quality 42(5):1565-1573, doi:10.2134/jeq2013.02.0045

Eibisch N, Schroll R, Fuß R, Mikutta R, Helfrich M, Flessa H (2015) Pyrochars and hydrochars differently alter the sorption of the herbicide isoprotyron in an agricultural soil. Chemosphere 119:155-162, DOI:10.1016/j.chemospere.2014.05.059     

Eibisch N, Schroll R, Fuß R (2015) Effect of pyrochar and hydrochar amendments on the mineralization of the herbicide isoproturon in an agricultural soil. Chemosphere 134:528-535, DOI:10.1016/j.chemosphere.2014.11.074

Eibisch N, Durner W, Bechtold M, Fuß R, Mikutta R, Woche SK, Helfrich M (2015) Does water repellency of pyrochars and hydrochars counter their positive effects on soil hydraulic properties? Geoderma 245-246:31-39, DOI:10.1016/j.geoderma.2015.01.009

Gronwald M, Don A, Tiemeyer B, Helfrich M (2015) Effects of fresh and aged chars from pyrolysis and hydrothermal carbonization on nutrient sorption in agricultural soils. Soil(1):475-489, DOI:10.5194/soil-1-475-2015

Gronwald M, Vos C, Helfrich M, Don A (2016) Stability of pyrochar and hydrochar in agricultural soil - a new field incubation method. Geoderma 284:85-92, DOI:10.1016/j.geoderma.2016.08.019

Gronwald M, Helfrich M, Don A, Fuß R, Well R, Flessa H (2018) Application of hydrochar and pyrochar to manure is not effective for mitigation of ammonia emissions from cattle slurry and poultry manure. Biol Fertil Soils 54:451-465, DOI:10.1007/s00374-018-1273-x)