Klimapositive Baumsubstrate mit Pflanzenkohle

Eine der wirkungsvollsten Maßnahmen zur Reduzierung der zunehmenden Hitzebelastung in urbanen Räumen sind Straßenbäume. Diese sind jedoch mit mehreren klima- und standortbedingten Einflüssen konfrontiert. Mittlerweile gilt mehr als die Hälfte der städtischen Baumbestände als geschädigt. Eine besondere Herausforderung ist dabei die Erhaltung von Straßenbäumen in Kleinpflanzgruben mit 1 bis 2 Kubikmeter Substratvolumen. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Standortfaktoren und damit der Vitalität von Straßenbäumen ist die Anwendung von Pflanzenkohle in Straßenbaumsubstraten. Der Einsatz von Pflanzenkohle wurde in den letzten Jahren vermehrt wissenschaftlich untersucht. Die in Berlin-Zehlendorf gewonnenen Ergebnisse im Rahmen des Forschungsvorhabens CarbonStoreAge zeigen, dass ein Einsatz von Pflanzenkohle bei der Neupflanzung von Straßenbäumen zur Verbesserung der Wasserspeicherung und des Bodenluftaustauschs führt und dadurch die Vitalität und das Wachstum von Straßenbäumen verbessert wird.

Einleitung

Straßenbäume besitzen im urbanen Bereich eine hohe ökologische Bedeutung für die Lebensqualität und gehören zu den wirkungsvollsten Maßnahmen zur Reduktion der zunehmenden Hitzebelastung (Burkhardt et al., 2022). Sie zählen zu einem der wichtigsten Elemente einer grünen Stadtstruktur (Dickhaut et al., 2019), sind aber verschiedenen negativen Faktoren unterworfen, wie beispielsweise Beeinträchtigungen durch Bodenversiegelung und -verdichtung, Tausalz und Hundeurin sowie biologischen Schaderregern. Für Straßenbäume in Pflanzgruben zählen zusätzlich zu den besonderen Herausforderungen der begrenzte Wurzelraum, die Veränderungen des Bodenwasserhaushalts, eine verringerte Nährstoffversorgung, Belastung durch Schadstoffe und erhöhte Bodentemperaturen (Eschenbach, 2018). Boden-/Substratverdichtungen reduzieren die Luft- und Wasserkapazität, was den Trockenstress von Bäumen erhöht, das Wachstum der Wurzeln beeinträchtigt und den Austausch der Bodenluft verringert und zu einer kritischen Kohlendioxidbelastung und zu einem Sauerstoffmangel führt (Dickhaut et al., 2019).

In Berlin hält der Trend zu einer fortschreitenden Schädigung der Stadtbäume an. Im Jahr 2020 wurden lediglich circa 44 Prozent der städtischen Baumbestände als ungeschädigt klassifiziert. Im Jahr 2015 lag dieser Anteil noch bei 52 Prozent (SenMUVK, 2020). Um den Standort von Straßenbäumen zu verbessern, ist es nötig, Substrate zu entwickeln und einzusetzen, die den Lebensraum beziehungsweise den Wurzelraum der Bäume verbessern, das heißt insbesondere die Wasser- und Nährstoffspeicherung sowie den Luftaustausch gewährleisten. Für ein gutes Pflanzenwachstum sind die hydraulischen und stofflichen Parameter von Boden und Substrat entscheidend. Zum Beispiel sind Mittelporen wichtig für den Wasserrückhalt und Grobporen für die Versickerung und Belüftung des Pflanzenstandortes.

Die Anwendung von klimapositiver Pflanzenkohle (PK) in Straßenbaumsubstraten wurde in den letzten Jahren vermehrt wissenschaftlich untersucht, mit sehr positiven Ergebnissen hinsichtlich der Eignung und Wirkung von PK (vgl. Kap. 2). Ein Vorzeigeprojekt ist das innovative Konzept des sog. Stockholm-Modells (Embren, 2016). Dieses Konzept ist jedoch auf Pflanzgruben > 10 Kubikmeter ausgelegt und bedarf größere bauliche Maßnahmen.

Der Effekt von PK in Kleinpflanzgruben (1–2 m³) wurde hingegen im Rahmen des Projektes CarbonStoreAge¹ untersucht. Die Ergebnisse werden nach einer kurzen Vorstellung des Themas PK dargestellt und diskutiert.

Pflanzenkohle

Die Wertschöpfung von pflanzlichen Reststoffen zu PK (Abb. 1) eröffnet einen einfachen Weg, um atmosphärisches CO2 über die pflanzliche Biomasse in eine stabile Lagerform zu überführen. Circa 40 Prozent des ursprünglich in der Pflanze gebundenen Kohlenstoffes können mittels Karbonisierung stabil gespeichert werden. PK ist das Endprodukt der Karbonisierung von pflanzlicher Biomasse durch Pyrolyse. Das Potenzial der PK-Technologie wird international als vielversprechende NegativEmissionsTechnologie (sog. NET = gezielten Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre) zur Bekämpfung des Klimawandels diskutiert (IPCC, 2018) und als BCR (BiocharCarbonRemoval) oder als PyCCS (Pyrogenic Carbon Capture and Storage) bezeichnet.

Der Nutzen für Umwelt und Gesellschaft liegt dabei in den vielfältigen positiven Effekten, welche die Pflanzenkohle-Technologie hervorruft, unter anderem zählen dazu eine wirtschaftliche Wertschöpfung von pflanzlichen Abfällen bei einer gleichzeitig nachhaltigen Energieproduktion und bei Anwendung von PK in Böden/Substraten eine erhöhte Biomasseproduktion, eine verbesserte Wasserspeicherfähigkeit und eine Minderung der atmosphärischen CO2-Konzentration durch den Aufbau von Kohlenstoffspeichern.

In der Literaturübersicht von Jindo et al. (2020) wird die vielfältige positive Wirkung von PK-Anwendung auf physikalische, chemische und biologische Bodeneigenschaften beschrieben. Im Pflanzenbau (Landwirtschaft, Gartenbau, Zierpflanzenbau, Weinbau) und in der Forstwirtschaft gewinnt die Anwendung von PK und PK-Komposten daher zunehmend an Bedeutung zur langfristigen Kohlenstoffspeicherung im Boden, als Bodenverbesserungsmittel und Alternative zum Torfeinsatz (Sánchez-Monedero et al., 2019; Kaudal et. al., 2016; Nieto et al., 2016). Eine umfangreiche Metaanalyse von Thomas und Gale (2015) zur Wirkung von PK auf Baumwachstum ergab eine deutliche Steigerung bei Laubbäumen, wobei hier deutliche artspezifische Unterschiede vorlagen. Weitere Effekte bei Zugabe von PK auf Baumstandorten sind eine geringere Rohdichte (Prober et al. 2014; Mertens et al. 2017), höhere Wasserhaltekapazität (Prober et al. 2014; Li et al. 2017), und höherer Gehalt an pflanzenverfügbaren Nährstoffen (Sackett et al., 2015; Gundale et al., 2016). Die Wirkung hängt jedoch von bestimmten Bedingungen wie die Art der verwendeten PK, Bodentyp, Klima und Pflanzenarten ab (Wang et al., 2018). Untersuchungen von Saluz et al. (2022) aus der Schweiz, von Kopakkala (2022) aus der Stadt Helsinki und von Embren (2016) aus Stockholm zeigten ein verbessertes Straßenbaumwachstum und eine Vitalitätsverbesserung bei PK-Zumischungen in Baumsubstraten. Eine Verminderung der Nährstoffauswaschung durch Zugabe von PK wurde durch Schatten (2024) aufgezeigt.

Die Verwertung von pflanzlichen Reststoffen zu PK und deren Anwendung stellt also zum einen, einen Beitrag zum Klimaschutz dar, und zum anderen bietet die Anwendung von PK einen möglichen Ansatz zur Anpassung des Stadtgrüns an die Folgen des Klimawandels.

Ergebnisse aus dem CarbonStoreAge-Projekt

Im Bezirk Steglitz-Zehlendorf von Berlin wurde an drei Standorten der Einsatz von PK in den eingesetzten Straßenbaumsubstraten getestet. Im Februar 2022 wurden 24 neue Straßenbäume gesetzt. Davon kamen jeweils acht in ein Substrat mit 30 Volumenprozent PK, acht in ein Substrat mit 70 Volumenprozent PK und acht in ein Kontrollsubstrat ohne PK. Von März 2022 bis November 2023 wurde das Wachstum der Bäume sowie die Substratfeuchte und Bodenluft erhoben.

Die Tabelle 1 fasst die wichtigsten Parameter der verwendeten Substrate im Hinblick auf die Vorgaben der FLL-Richtlinie zusammen. Die Substratparameter entsprechen den FLL-Vorgaben mit Ausnahme der organischen Substanz (OS), die bei den PK-Substraten naturgemäß deutlich höher liegt. In unseren Versuchen wurde eine PK mit 90 Prozent organischem Kohlenstoff eingesetzt, was den hohen Wert an ermittelter OS verursacht.

Bei den für die Luft- und Wasserversorgung der Wurzeln wichtigen Parametern – Luftkapazität, Wasserhaltekapazität (WHK) und nutzbarer Feldkapazität (nFK), weisen die PK-Substrate mit zunehmendem PK-Anteil eine deutliche Steigerung gegenüber dem Standardsubstrat auf. Im gesättigten Zustand steht bei den PK-Substraten durch das verbesserte Wasserspeicherungsvermögen mehr Wasser zur Verfügung. Auch bei dem, für die Wasserinfiltration wichtigen Parameter Wasserdurchlässigkeit, weisen die PK-Substrate höhere Werte auf.

Das Wasserdargebot spiegelt sich in Abb. 2a wider. In der Messperiode, die durch wiederkehrende Trockenperioden gekennzeichnet war, wird in den PK-Substraten durchgehend mehr pflanzenverfügbares Wasser gegenüber dem Standardsubstrat (Kontrolle) gespeichert. So steigt der Median-Wert des verfügbaren Wassers gegenüber der Kontrolle um circa 60 Liter bei PK 30 und rund 75 Liter bei PK 70. Wenn man diese Mengen ins Verhältnis zu den empfohlenen Bewässerungsmengen für Trockenperioden von circa 100 Liter pro Monat (SenMVKU, 2023) setzt, wird deutlich, dass durch PK signifikant mehr Wasser über einem längeren Zeitraum zur Verfügung steht und vor allem in den kritischen Phasen einer Austrocknung vorbeugt und zur Optimierung des Wassermanagements führen kann. Des Weiteren wurde der Austausch der Bodenluft, wie Abb. 2b zeigt, signifikant gefördert. Mit zunehmendem PK-Anteil sinkt die CO2-Konzentration, was zu einem besseren Wurzelwachstum und damit zu einer besseren Baumvitalität führt.

Aufgrund der verbesserten Bodenwasser- und Bodenluftverhältnisse konnte bereits innerhalb der relativ kurzen Untersuchungsperiode eine positive Wirkung der PK-Substrate auf Baumwachstum und Vitalität beobachtet werden. So zeigt sich bereits zum Ende der Messperiode (Oktober 2023) eine bessere Entwicklung der Krone mit höherer Kronendichte und Blattfläche (Abb. 3, Beispiel Vogelkirsche Prunus avium).

Diese Beobachtung wird durch die Ergebnisse aus der Erfassung der Zunahme des Stammdurchmessers (Abb. 4a) und der Bonitur, die am Ende der Untersuchungsperiode durchgeführt wurde, unterstützt. Bei der Bonitur wurden zusätzlich die Parameter allgemeiner Kronenzustand, Kronendichte und Blattfläche durch Experten des Grünflächenamtes Steglitz-Zehlendorf eingeschätzt und nach einer Skala von 1 bis 3 bewertet (Abb. 4b). Deutlich ist zu erkennen, dass die Variante PK 70 bei allen Parametern und allen untersuchten Bäumen und Standorten die besten Ergebnisse zeigt.

Zusammenfassung und Fazit

Straßenbäume sind zunehmend negativen Faktoren unterworfen, wie unter anderem Trockenheit. Eine besondere Herausforderung stellen städtische Bäume in Kleinpflanzgruben dar. Im Rahmen des Projektes CarbonStoreAge wurde der Effekt von PK untersucht. Dabei wurden bei Straßenbaumneupflanzungen klimapositive pflanzenkohlebasierte Baumsubstrate eingesetzt. Mit zunehmender Trockenheit wurde durchgehend mehr pflanzenverfügbares Wasser in den PK-Substraten gegenüber dem Standardsubstrat gespeichert. Gleichzeitig wurde weniger CO2 in der Bodenluft der PK-Varianten detektiert, was für einen optimaleren Luftaustausch spricht. Darüber hinaus konnte bereits innerhalb der relativ kurzen Untersuchungsperiode eine positive Wirkung der PK-Substrate auf das Baumwachstum und die Vitalität der neugepflanzten Straßenbäume beobachtet werden.

Die Verwertung von pflanzlichen Reststoffen zu Pflanzenkohle und deren Anwendung in Stadtbaumsubstraten stellt somit einen möglichen Ansatz zur Anpassung des Stadtgrüns an die Folgen des Klimawandels dar. Des Weiteren gewinnt Pflanzenkohle hinsichtlich einer langfristigen Kohlenstoffspeicherung in Böden des urbanen Raumes an Bedeutung. Die Versuche werden in den nächsten Jahren in Zusammenarbeit mit dem Grünflächenamt Steglitz-Zehlendorf weiter begleitet, um die Effekte über einen längeren Zeitraum zu betrachten.

Danksagung

Für die Finanzierung des Forschungsvorhabens CarbonStoreAge danken wir der Senatsverwaltung für Mobilität, Verkehr, Klimaschutz und Umwelt des Landes Berlin und der Europäischen Union. Das Vorhaben (Projektlaufzeit: 6/2021 bis 11/2023) wurde im Berliner Programm für Nachhaltige Entwicklung (BENE) gefördert aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung und des Landes Berlin (Förderkennzeichen 1339-B5-O).

Literatur

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1 Stadtböden Berlin – C-Speicher der Zukunft? (CarbonStoreAge) • Fachbereich Geowissenschaften (fu-berlin.de) – www.geo.fu-berlin.de/carbonstoreage