Terra Preta – Entstehungsgeschichte, Nutzungsmöglichkeiten ... · Biochar (multifunktionelle...

Terra Preta –Entstehungsgeschichte,

Nutzungsmöglichkeiten und Perspektiven

Dr. Ines Vogel, Dr. Robert Wagner,Florian Worzyk, Freie Universität Berlin

Dr. Haiko Pieplow

Biokohle und Terra Preta – Betrachtungen aus Sicht des Naturschutzes - BfN Leipzig, 03.11.2011

Was ist Terra Preta? Terra Preta do(s) Indio(s)

- schwarze Böden mit sehr hoher Fruchtbarkeit - außergewöhnlichem Nährstoff- und Wasserbindungsvermögen- bis zu mehrere Meter mächtig- Entstehungsalter der Terra Preta ist von 500 bis auf mehrere 1.000 a - hohe Stabilität gegenüber natürlichen und anthropogenen Einflüssen

„…roughly defined as a soil characterized by a several decimeter-thick topsoil horizon with high levels of SOM, biochar, and nutrients (especially phosphorus) and which contains archaeological artefacts of pre-Columbian origin.“*

Abb.1: Böden im Amazonasbecken. Links: ein typischer nährstoffarmer Boden; Rechts: eine holzkohlereiche Terra Preta do Indio (Glaser & Birk 2011*)

*Glaser B. and Birk J. J. State of the scientific knowledge on properties and genesis of Anthropogenic Dark Earths in Central Amazonia (terra preta de I´ndio). Geochim. Cosmochim. Acta (2011), doi:10.1016/j.gca.2010.11.029

Dr. Ines Vogel, Freie Universität Berlin, AG Geoökologie

Terra Preta als Modell für nachhaltigeLandwirtschaft mit CO2-Speicherung

Zusammensetzung:Holzkohle, Asche Pflanzenrückstände, Knochen, Fischgräten, menschliche Exkremente, Tonscherben (ca. 8.000 - 12.000 Gefäße/ha)

Mikrobielle Umsetzung und Stabilisierung durch Humifizierungund Bildung von organo-mineralischen Komplexen (besondere Rolle von Pilzen)

Biokohle/Pflanzenkohle als zentraler Bestandteil

Biochar(multifunktionelle Matrix)

Nährstoffreiche organische Abfälle


Kenndaten, Eigenschaften und Besonderheiten der Terra Preta dos Indios - 1

• Flächenausdehnung: ca. 10 % des Amazonasgebiets (Terra Preta Gebiete zwischen 0,1 und 300 ha)

• Hohe Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen und mikrobiellem Abbau

• Böden sind „ohne Mineraldüngung“ außerordentlich fruchtbar (mehrfacher Ertrag)

• Hohe Dauerhumusgehalte – hoher Anteil an stabiler organischer Substanzneben einem Anteil leicht abbaubarer organischer Bodensubstanz (OS)

- 3x höhere Gehalte an stabiler OS als umliegende Böden (Glaser 2007)

- Höhere Qualität der OS: enthält höhere Mengen an Carboxyl-Gruppen und aromatischen Strukturen (Zech et al., 1990; Cunha et al., 2009)

Was ist Terra Preta?

Kenndaten, Eigenschaften und Besonderheiten der Terra Preta dos Indios - 2

• hohe Kationenaustauschkapazität (CEC of 13–25 cmolc/kg)(Sombroek, 1966; Zech et al., 1990; Glaser et al., 2001; Glaser et al., 2003; Lehmann et

al., 2003; Glaser, 2007; Falca˜o et al., 2009)

• hohe Nährstoffgehalte als in umliegenden Böden:

hohe Gehalte an P, N, K, Ca, Mg, K, Zn(Sombroek, 1966; Zech et al., 1990; Costa and Kern, 1999; Woods and McCann, 1999;

Glaser et al., 2001; Lehmann et al., 2003; Glaser, 2007; Falca˜o et al., 2009)

• hohes Wasserspeichervermögen

• günstige Porenstruktur – besserer Lufthaushalt

• hohe pH-Werte (5,2…6,4) gegenüber den umliegenden, oft sehr sauren Böden (Glaser und Birk 2011)

Was ist Terra Preta?



Biokohle/Pflanzenkohle = verkohltes organisches Material, Herstellung durch Verkohlung bei Temperaturen < 700°C und O2-Abwesenheit

Eigenschaften abhängig von:

- Verkohlungstemperaturen sowie -drücken- Ausgangssubstanzen

Stabilität und Nährstoffspeichervermögen von Biokohle sind sehr viel effektiver als das der organischen Bodensubstanz (Lehmann u. Joseph, 2009)

„Schwamm im Boden“

Notwendigkeit der Aktivierung/Aufladung vor Einbringung in Böden



Physikalische Eigenschaften(Downie et al. 2009)

- hohe Porösität- hohe spezifische Oberfläche- Poren unterschiedlicher Größe

Chemische Eigenschaften (Amonette & Joseph 2009, Krull et al. 2009)

- Biokohle, die bei Temperaturen > 350°C hergestellt wird, wird durch aromatische C-Strukturen mit geringem H/C-Verhältnis dominiert

- funktionelle Gruppen an der Oberfläche (Oberflächenoxidation, Reaktionenim sauren und basischen Milieu), die Ionen und organische Moleküle adsorbieren können

AusgangsstoffeHerstellungsprozess



Biologische Eigenschaften (Thies & Rillig 2009)

- Poren der Biokohle dienen als Habitat für diverse Bodenorganismen(spezielle Milieuprägung in Mikroporen, Versorgung mit C, Energie, Nährstoffen, Schutz vor Konkurrenten)

- Biokohle stimuliert die Aktivität diverser Bodenmikroorganismen

- Besiedlung insbesondere durch Pilze

- Biokohle selbst bietet keine Nahrung für Mikroorganismen, jedoch die Bioöle (Kondensate – Reste der Pyrolyse)an der Oberfläche sowie die dort adsorbierten Verbindungen

Mykorrhiza-Pilzhyphe aus einer keimenden Spore in Biokohle-Poren wachsend (Ogawa, 1994)


SM Tsai et al.: The Microbial World of Terra Preta, S. 302 in WI Woods et al., Amazonian Dark Earths: Wim Sombroek’s Vision, Springer Science + Business Media B.V. 2009



Nährstoffeigenschaften (Chan und Xu 2009)

- Biokohle kann Nährstoffe enthalten, Nährstoffe speichern oder durch verbesserte Bodenreaktionverfügbar machen

- Obwohl Biokohle meist ein weites C/N-Verhältnis aufweist (60…70:1) erfolgt keine N-Immobilisierung da der enthaltene C sehr abbaustabil ist.

- teilweise hoher Karbonatgehalt


Biochar(multifunktionelle Matrix) Funktionen

- Erhöhung der Wasserhaltekapazität – Speicherung von Wasser bis zum 5fachen des Eigengewichts (Schmidt 2011)

- Beeinflussung der Nährstoffauswaschung durch Rückhaltung von positiv geladenen Nährstoffionen durch die negativ geladene Oberfläche der Biokohle

- Beeinflussung der Nährstofftransformationsprozesse im Boden über die Beeinflussung der Bodenreaktion, Adsorptionsprozesse,…

- Verbesserung der Nährstoffspeicherung und Erhöhung der Düngeeffizienz

- Reduktion von Treibhausgasemmissionen, u. a. durch bessere Bodendurchlüftung und Bodenreaktion

- Biokohle verringert die Verfügbarkeit/Bioverfügbarkeit, Toxizität und Mobilität organischer Schadstoffe

- Förderung von Biomasse, Aktivität und Diversität der Bodenorganismen

- Förderung von Wurzelmykorrhizen


Terra Pretadie neue Wundererde?

Dünge-effizienz

Nährstoffreiche organische Abfälle



Ziel: Aufbau einer nachhaltigen Humuswirtschaft

Anreicherung und langfristige Speicherung von Kohlenstoff in biologisch aktiven Böden

Terra PretaSubstrat

Potenzial zur C-Sequestrierung - Klimawirkung von Biokohle / Terra Preta

8% des atmosphärischen CO2 werden jedes Jahr durch Pflanzen absorbiert. (Flannery 2009)

Durch die Konversion von 1 % Pflanzen-Netto-Masse der Erde zu Biokohle sind 10 % der anthropogenen CO2 -Emissionen auffangbar. (Lehmann & Joseph, 2009)


Fotos: www.laterra‐forschun

g.de

Forschung für Klima und Nachhaltigkeit


http://www.fu-berlin.de/index.html

„Schließung von Kreisläufen durch Energie- und Stoffstrommanagement bei Nutzung der Terra-Preta-Technologie im Botanischen Garten im Hinblick auf Ressourceneffizienz und Klimaschutz – Modellprojekt Urban farming“

Laufzeit: 10.2010 – 08.2013



Hintergrund: Stoffflüsse im Botanischen Garten Berlin-Dahlem (1)

Stoff m³/aGrünschnitt 750

Langgras 230

Gehölzschnitt 350

Stammholz 150

Tab.: Jährliche Menge an Pflanzenresten

Tab.: Bedarf an Kompost und Fertigerden (2008 – 2010)

Material m³

Torf/ Torf-substrat

177

Kompost 306



Hintergrund: Stoffflüsse im Botanischen Garten Berlin-Dahlem (2)

Stoff kg/aOrganischer Trocken-rückstand (oTR)

5.600

Stickstoff 1.041

Phosphor 119

Urin (m³) 47

Tab.: Nährstoffdargebot Besucher

Zusätzlich großes Potenzial an Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor und Kalium

260.000 Besucher pro Jahr

Tab.: Bedarf an Dünger (2008 – 2010)

Material kg bzw. l

Dünger fest 8000

Dünger flüssig 430



Abb.: Angestrebter

Stoffkreislauf im Botanischen Garten

Zielstellung: Schließung betriebsinterner, kleinräumiger Stoffkreisläufe

• effektive Verwertung von Rest- und Abfallstoffen

• Herstellung von hochwertigenPflanzsubstraten

• Vermeidung vonNährstoffverlusten

erwartete Effekte:• Verbesserte CO2-Bilanz• Kostensenkung bei

Einkauf und Entsorgung• Verringerung des

Wasserverbrauchs



Vorgehen: Herstellung von Pflanzenkohlesubstraten (Terra Preta – Substrate)

Untersuchung von 2 Herstellungsprozessen auf Qualität und Stabilität des EndproduktesUntersuchung des Einflusses der Biokohle (0%, 5%, 10%, 15%)Untersuchung des Einflusses verschiedenster Biomassezusammensetzungen und Erdanteile

Milchsäure-gärung

VererdungPflanzen-

kohle-substrate

Anlieferung und Aufbereitung der

Biomassen und Vermengenmit gewässerter

Pflanzenkohle

Aufbereitung/ Siebung 10 mm

Impfkulturen(z.B. EM) + Melasse

Kompostierung

Zeit in Wochen

1 2 6 …bis zu 30 31

1

2

Abb.: Inputmaterialien



Vorgehen: Nährstofferschließung - Trennung der Stoffströme

Abb.: Wasserspartoilette mit max. 3,5 Liter Spülwassermenge

Einbau eines dezentralen Sannitärsystems

1) Feststoffe werden aus dem Abwasser ausgeleitet2) Urin der männlichen Besucher aufgefangen (waterless urinal)

Abb.: Lageplandezentrales Sannitärsystem

Frage: Können Fäkalien zur Herstellung von Substraten genutzt werden? Hygienisierungsproblematik



Kleinversuchsanlage – Variation verschiedener Parameter

• Biomassezusammensetzungen (Gras, Stauden, Laub…)• Kohleanteile (0%, 5%, 10%, 15%)• Erdanteile (0% - 50%)• Feuchte• Anteil Effektive Mikroorganismen für Fermentation• Anteil Melasse für Fermentation• Zeit• …



27.10.2011

Großversuch – Herstellung von Substraten für Parzellenversuche

• 2 Mieten Kompostierung, 2 Mieten Fermentierung• jeweils 0% und 15% Pflanzenkohle• ca. jeweils 15 m³• 4 Wochen Rotte bzw. Fermentation• 6 Monate Vererdung


Verbundprojekt LaTerra„Nachhaltige Landnutzung durch regionales Energie- und Stoffstrommanagement bei der Nutzung der Terra Preta

Technologie auf militärischen Konversionsflächen und ertragsschwachen Standorten“

www.laterra-forschung.de



Projektstruktur



Projektziele

Inwertsetzungund Steigerung des ökologischen und ökonomischen Potentials

von kontaminierten Böden und devastierten Flächen

mit Terra Preta Substrat

auf Grundlage einer regionalen Verwertung von biogenen Abfallstoffen(und NawaRo)

SchadstoffabbauErhöhung der

Bodenfruchtbarkeit

Schließenvon KreisläufenNawaRo-Anbau



Regionalprojekt 1 - Schadstoffabbau

Im Regionalprojekt 1 (Brandenburg Landkreis Teltow Fläming) soll das TPS auf militärischen Konversionsflächen eingesetzt werden, die vor allem mit PAK und MKW kontaminiert sind. Hier soll überprüft werden, ob durch den Einsatz von TPS der Schadstoffabbau beschleunigt wird und ggf. die Flächen für die Produktion von nachwachsenden Rohstoffen zur Verfügung stehen.



Bodenentnahme MKW‐Bodenkontamination

MKW-Boden

PAK -Boden

MKW Gehaltmg/kg 5900 90

PAK – Gehalt mg/kg 0,7 277

Kontaminationsgehalte nach Homogenisierung

PAK‐Bodenkontamination



Regionalprojekt 2 – Rekultivierung von Kippflächen

Im Regionalprojekt 2 (Westlausitz Landkreis Oberspreewald-Lausitz) steht die Rekultivierung von Kippböden (Neulandböden) des Braunkohlebergbaus im Vordergrund. In diesem Zusammenhang wird die pflanzenbauliche Aufwertung devastierter Böden angestrebt – die Wiederherstellung von Bodenfunktionen sowie der Aufbau organischer Bodensubstanz.

Kippböden/Neulandböden Welzow Flächige Einarbeitung der TPS



Regionalprojekt 3 – Wiederaufforstung Windwurfflächen

Im Regionalprojekt 3 (NRW Stadt Schmallenberg) soll durch den Einsatz von TPS die Wiederaufforstung von großflächigen Windwurfflächen unterstützt werden. Die Böden sollen stabilisiert, die Anzuchtleistungverbessert sowie Nährstoffverluste verringert werden.

Punktuelle Einarbeitung der TPS Flächige Einarbeitung der TPS



Perspektiven

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten um mit

Biokohlesubstraten

die Qualität und Funktionalität von

Böden zu verbessern,

die Bodenfruchtbarkeit zu erhöhen,

Kohlenstoff in Böden zu speichern,

regionale Kreisläufe zu schließen.

Nachhaltigkeit

KlimaBodenschutz

Düngeeffizienz

Biodiversität

Dünge-effizienz

Torfersatz



Vielen Dank

für die

Aufmerksamkeit!



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