Pflanzenkohle als Mischungskomponente in Baumsubstraten

Pflanzenkohle wird heute nicht mehr nur als Bodenverbesserungsmittel in der Landwirtschaft eingesetzt, sondern kommt in vielen verschiedenen Bereichen zur Anwendung. Unter anderem gibt es erste Forschungs- und Praxisprojekte zum Einsatz von Pflanzenkohle in Baumsubstraten. An der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG) Veitshöchheim wurde in einem Topfversuch untersucht, welchen Einfluss die Zumischung von Pflanzenkohle auf die chemischen Eigenschaften eines praxisüblichen Baumsubstrats hat.

Pflanzenkohle wird durch pyrolytische Verkohlung von organischen Ausgangsmaterialien hergestellt. Die Ausgangsstoffe werden dabei unter weitgehendem Ausschluss von Sauerstoff auf Temperaturen zwischen 350 und 1000 Grad Celsius erhitzt. Als Ausgangsbiomasse eignen sich zahlreiche Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft, der Industrie und den Kommunen, wie beispielsweise Baum-, Strauch-, Reb- und Grünschnitt, Trester, Hackschnitzelsiebreste, Getreidespelzen, Papierfasern, Nussschalen und Gärreste.

Was ist Pflanzenkohle?

Die schwarzen Pflanzenkohlen erinnern in ihrer Struktur an das ursprünglich eingesetzte Material, haben jedoch nur etwa ein Drittel des Gewichts der Ausgangsbiomasse und besitzen einen sehr hohen Kohlenstoffgehalt von 50 bis 90 Prozent. Ein großer Teil des Kohlenstoffs liegt in Form von sehr stabilen Kohlenstoffverbindungen vor, weshalb Pflanzenkohlen biologisch und chemisch nur schwer abbaubar sind und im Boden über hunderte bis tausende Jahre stabil sein können (Kuzyakov et al. 2014). Daneben zeichnen sich Pflanzenkohlen durch ihre hohe Porosität aus. 1 Gramm Pflanzenkohle kann eine spezifische Oberfläche von mehreren 100 Quadratmetern besitzen. Aufgrund ihrer porösen Struktur haben Pflanzenkohlen eine hohe Kapazität zur Bindung und Speicherung von Nährstoffen und organischer Substanz und können das bis zu sechsfache ihres Gewichts an Wasser aufnehmen (Shackley et al. 2016). Allerdings ist Pflanzenkohle nicht gleich Pflanzenkohle. Je nach Ausgangsmaterial und Pyrolysetemperatur können Pflanzenkohlen sehr unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen.

Definitionsgemäß wird Pflanzenkohle stofflich genutzt und nicht wie etwa Holzkohle energetisch verwertet. Pflanzenkohlen müssen daher bestimmte Qualitätskriterien erfüllen. In Deutschland, Österreich und der Schweiz haben sich in den vergangenen zehn Jahren mehr als 15 Hersteller auf dem Markt etabliert, die Pflanzenkohle im industriellen Maßstab in modernen Pyrolyseanlagen produzieren. Seit 2012 haben die Hersteller die Möglichkeit, die Produktion und Qualität ihrer Pflanzenkohle mit dem "Europäischen Pflanzenkohle Zertifikat" ("European Biochar Certificate - EBC") zertifizieren zu lassen.

Anwendungsbereiche von Pflanzenkohle

Pflanzenkohle wird bereits seit mehreren tausend Jahren in verschiedenen Regionen der Erde zur Bodenverbesserung von landwirtschaftlichen Böden eingesetzt. Das bekannteste Beispiel für diese Nutzungsform ist die Terra Preta, ein fruchtbarer anthropogener Boden im Amazonasgebiet, der durch die jahrhundertelange Einbringung von Pflanzenkohle und anderen organischen Abfällen entstanden ist (Glaser 2007).

Bei der Anwendung im Boden wirkt Pflanzenkohle an sich nicht wie ein Dünger, sondern beeinflusst die physikalischen, chemischen und biologischen Bodeneigenschaften. Die Pflanzenkohle kann unter anderem die Nährstoff- und Wasserspeicherung im Boden erhöhen, die Bodendurchlüftung verbessern, Treibhausgasemissionen verringern, Schadstoffe binden und den Humusaufbau fördern. Zudem wird der in der Pflanzenkohle enthaltene stabile Kohlenstoff langfristig im Boden gebunden, sodass die Einbringung von Pflanzenkohle eine Methode zur Kohlenstoffsequestrierung darstellt. Pflanzenkohle wird dabei in der Regel nicht im puren Zustand zum Boden gegeben, sondern in Verbindung mit anderer, nährstoffreicher organischer Substanz eingebracht oder vorab mit Nährstoffen und Mikroorganismen aufgeladen, da die sorptionsstarke Pflanzenkohle dem Boden sonst anfänglich Nährstoffe entziehen kann. Die Aufladung der Pflanzenkohle wird zum Beispiel durch Mitkompostierung erreicht.

Neben dem Einsatz als Bodenhilfsstoff in der Landwirtschaft wurden in den letzten Jahren zahlreiche weitere Anwendungsfelder für Pflanzenkohle entwickelt. Pflanzenkohle dient heute als Futterzusatz in der Tierfütterung, als Einstreu für Ställe und wird darüber hinaus zur Güllebehandlung verwendet. Sie kommt als Substratbestandteil in Kultursubstraten und als Zusatzstoff bei der Kompostierung und in Biogasanlagen zum Einsatz. Außerdem wird die Nutzung von Pflanzenkohle als Filtermittel und Baustoff erforscht.

Pflanzenkohle in Baumsubstraten

Ein weiteres Anwendungsgebiet das zunehmend auf Interesse stößt, ist der Einsatz von Pflanzenkohle in Baumsubstraten. Die Idee Pflanzenkohle als Zuschlagstoff in Baumsubstraten zu verwenden, stammt aus Stockholm, wo Pflanzenkohle schon seit 2009 bei Baumpflanzungen eingesetzt wird. Die Baumgruben werden dort nach einem eigens in den vergangen Jahren entwickelten System befüllt, das deshalb häufig auch als "Stockholm-System" bezeichnet wird. Bei dieser Bauweise bilden grobe Steine das Bodenskelett, in das ein Feinsubstrat mit Pflanzenkohle eingeschwemmt wird. Neben Pflanzenkohle wurden auch andere Zuschlagstoffe wie Torf, Sand, Ton, Lava und Boden getestet. Bei den Pflanzungen mit Pflanzenkohle wurden in den vergangenen zehn Jahren die besten Ergebnisse im Hinblick auf das Baumwachstum erzielt, was vor allem auf die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Substrate und hierbei besonders auf die Zunahme der Porosität durch die kompressionsbeständige und abbaustabile Pflanzenkohle zurückgeführt wurde (Embrén 2016).

Auch wenn diese Beobachtungen auf mögliche positive Einflüsse von Pflanzenkohle in Baumsubstraten hindeuten, fehlen bislang jedoch Versuche, in denen der Effekt von Pflanzenkohle auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Baumsubstraten, insbesondere der hierzulande üblichen Baumsubstrate nach FLL (FLL 2010) und ZTV-Vegtra-Mü (Landeshauptstadt München, Baureferat HA Gartenbau 2016), gezielt untersucht wurde. Denkbar ist, dass die Zugabe von Pflanzenkohle nicht nur den Luft- und Wasserhaushalt dieser Baumsubstrate beeinflussen kann, sondern sich zudem positiv auf den Nährstoffhaushalt der Substrate auswirkt, wie es nach Anwendung von Pflanzenkohle in Böden nachgewiesen wurde.

Eine Verbesserung der Nährstoffsituation in den derzeit gängigen Baumsubstraten durch Pflanzenkohle wäre von Bedeutung, da aufgrund der Zusammensetzung der Substrate fraglich ist, ob sie auf lange Sicht eine ausreichende Nährstoffversorgung der Bäume gewährleisten können.

Die Substrate bestehen überwiegend aus grobkörnigen mineralischen Komponenten und enthalten nur wenig Schluff und Ton, um die geforderten physikalischen Eigenschaften zu erfüllen. Der Anteil an organischer Substanz wird stark begrenzt, um nachträgliche Setzungen im Substrat zu verhindern und um eine tiefe Wurzelausbildung zu fördern. In den gut durchlüfteten Substraten wird die häufig in Form von Kompost zugegebene organische Substanz zudem schnell abgebaut. Der geringe Gehalt an feinkörnigen mineralischen Komponenten und organischer Substanz hat zur Folge, dass die Substrate Nährstoffe meist nur schlecht speichern können und dass kaum Nährstoffe durch das Substrat zur Verfügung gestellt werden.

Topfversuch an der LWG

Ziel eines Topfversuchs an der LWG Veitshöchheim war es daher, zu untersuchen, wie sich die Zugabe von Pflanzenkohle auf die chemischen Eigenschaften eines herkömmlichen Baumsubstrats auswirkt. Es sollte überprüft werden, ob die Pflanzenkohle die Speicherung und Bereitstellung von Nährstoffen im Substrat im Vergleich zur üblicherweise verwendeten organischen Komponente Kompost verbessert.

Der Topfversuch wurde im April 2018 angelegt. Für den Versuch wurden vier kommerziell hergestellte Pflanzenkohleprodukte ausgewählt, die in unterschiedlichen Mengenverhältnissen zu einem praxisüblichen Baumsubstrat gemischt wurden.

Als Basis für die Substratmischungen wurde ein für die FLL-Pflanzgrubenbauweise 2 geeignetes Baumsubstrat mit der Körnung 0/32 Millimeter verwendet, bei dessen Herstellung auf die organische Komponente Kompost verzichtet wurde. Das Substrat bestand aus Carbosand, Naturschotter und Natursand. Für die Kontrollvariante wurde das mineralische Substrat mit einem ausgereiften Grüngutkompost vermischt. Die anderen Varianten setzten sich aus dem mineralischen Baumsubstrat und den folgenden Pflanzenkohleprodukten zusammen (Abb. 1):

• Pflanzenkohle aus Dinkelspelzen und Papierfaserschlamm, mit Stickstoff aufgeladen und mitkompostiert (Pk aufgeladen)
• Pflanzenkohlekompost mit 30 Prozent Pflanzenkohle aus holzigem Ausgangsmaterial (Pk-Kompost)
• Pflanzenkohle aus kommunalem Grünschnitt und naturbelassenem Holz (Pk Holz)
• Pflanzenkohle aus Dinkelspelzen (Pk Dinkelspelzen)

Die vier Pflanzenkohleprodukte wurden in jeweils zwei unterschiedlichen Mengenverhältnissen zu dem Substrat gegeben, sodass insgesamt acht Substratmischungen mit Pflanzenkohle hergestellt wurden (Tab. 1, Abb. 2). Die zwei unbehandelten Pflanzenkohlen (Pk Holz, Pk Dinkelspelzen) wurden dabei zusammen mit dem Grüngutkompost zugemischt, der auch in der Kontrolle verwendet wurde. Die neun Varianten wurden dreimal wiederholt, sodass der Versuch aus insgesamt 27 Töpfen bestand.

In jeden Pflanztopf (1 l) wurde eine Menge von 11 Kilogramm Substrat eingefüllt. Die Töpfe wurden mit Liguster (Ligustrum vulgare 'Atrovirens') bepflanzt und im Freiland aufgestellt (Abb. 3). Von April bis Oktober 2018 wurden die Liguster bei Bedarf gleichmäßig bewässert.

Die Substrate wurden direkt nach der Herstellung im April 2018 zum ersten Mal beprobt, um die anfänglichen Eigenschaften der Substratmischungen zu untersuchen. Eine zweite und dritte Probeentnahme fanden im September 2018 sowie im März 2019 statt. Im Labor wurden der pH-Wert, der Salzgehalt, die Gehalte an löslichem mineralischem Stickstoff (CaCl2-Extrakt), Phosphor und Kalium (CAL-Extrakt) sowie die potenzielle Kationenaustauschkapazität (KAK, BaCl2-Methode, pH = 8,1) der Substrate bestimmt.

Ergebnisse der Substratuntersuchungen

Die neun Substrate wiesen zu Beginn pH-Werte zwischen 7,9 und 8,5 auf (Abb. 4). Demnach lagen die pH-Werte in einem hohen, aber gemäß dem FLL-Regelwerk akzeptablen Bereich. Im Verlauf des Versuchs nahmen die pH-Werte in allen Varianten ab. Bei der Beprobung im März 2019 zeigten die einzelnen Varianten mit Werten zwischen 7,4 und 7,6 kaum Unterschiede hinsichtlich ihrer pH-Werte. Die Zumischung der alkalischen Pflanzenkohlen hat somit positiverweise nicht zu einer Anhebung des pH-Werts im Baumsubstrat geführt.

Bezüglich der Salzgehalte hielten die frisch hergestellten Substrate mit Ausnahme der beiden Varianten mit aufgeladener Pflanzenkohle den in den FLL-Empfehlungen festgelegten Grenzwert von 150 Milligramm/100 Gramm ein. Die Substrate mit aufgeladener Pflanzenkohle übertrafen den Grenzwert deutlich. Im September 2018 und März 2019 hatten die Salzgehalte in allen Varianten abgenommen und lagen einheitlich bei unter 70 Milligramm/100 Gramm beziehungsweise 50 Milligramm/100 Gramm.

Bei Betrachtung der löslichen Nährstoffgehalte in den Substraten zeigte sich, dass die anfänglich hohen Salzgehalte in den Varianten mit aufgeladener Pflanzenkohle auf extrem hohe Gehalte an löslichem mineralischem Stickstoff zurückzuführen waren. Die anderen Varianten besaßen schon zu Beginn eher niedrige Gehalte an löslichem Nmin von unter 14 Milligramm/Liter. Bei den darauffolgenden Probenahmen wurden in allen Varianten sehr niedrige Nmin-Gehalte gemessen. Die Pflanzenkohlen haben demnach nicht zu einer verbesserten Stickstoffverfügbarkeit im Substrat beigetragen.

Die Gehalte an löslichem Phosphor waren mit Werten zwischen 200 und 400 Milligramm/Liter in allen Varianten und an allen drei Beprobungsterminen auf einem ähnlichen Niveau. In den Substraten mit aufgeladener Pflanzenkohle wurden bei der zweiten und dritten Untersuchung allerdings deutlich höhere Gehalte als am Anfang und als in der Kontrolle ermittelt. Höhere Phosphorgehalte als in der Kontrolle zeigten sich auch in der Variante mit Kompost und 3 Prozent Pflanzenkohle aus Dinkelspelzen. In den anderen Varianten ließ sich keine Erhöhung der Phosphorverfügbarkeit im Substrat gegenüber der Kontrolle erkennen.

Beim löslichen Kalium wurden mit Gehalten zwischen 200 und 900 Milligramm/Liter anfangs stärkere Unterschiede beobachtet als beim Phosphor. Die Substrate, denen zusätzlich zum Kompost eine Pflanzenkohle aus Holz oder Dinkelspelzen beigemischt worden war, wiesen dabei höhere Gehalte auf als die Kontrolle. Mit den Pflanzenkohlen wurde demnach pflanzenverfügbares Kalium zu dem Substrat hinzugefügt. Nach fünf Monaten hatten die Kaliumgehalte jedoch ähnlich wie beim Stickstoff in allen Varianten deutlich abgenommen. Im März 2019 wurden bei den Substraten mit der Pflanzenkohle aus Dinkelspelzen etwas höhere Gehalte gemessen als in der Kontrolle. Insgesamt konnte jedoch keine deutliche Erhöhung der Kaliumverfügbarkeit in den mit Pflanzenkohle versetzten Substraten festgestellt werden.

Die Kationenaustauschkapazitäten der Substrate lagen in allen Varianten und an allen drei Messterminen in einem niedrigen Bereich zwischen 40 und 100 mmolc/Kilogramm. Die Kationenaustauschkapazitäten entsprachen damit in etwa der KAK eines sandigen, mäßig humosen Bodens. In keiner der Substratmischungen hatte die Pflanzenkohlezugabe eine Zunahme der KAK im Vergleich zur Kontrolle zur Folge. Stattdessen wurden in den Varianten mit aufgeladener Pflanzenkohle und Pflanzenkohlekompost sogar niedrigere Kationenaustauschkapazitäten ermittelt als in der Kontrolle oder in den Varianten mit Grüngutkompost und Pflanzenkohle.

Schlussfolgerungen aus dem Topfversuch

Im Topfversuch ließ sich nach elf Monaten Versuchslaufzeit kein positiver Effekt auf die chemischen Eigenschaften eines herkömmlichen Baumsubstrats durch Zugabe von verschiedenen Pflanzenkohleprodukten feststellen. Mit Ausnahme der erhöhten Phosphorverfügbarkeit in drei der acht Pflanzenkohlevarianten wurde keine wesentliche Zunahme der Nährstoffverfügbarkeit oder der Kationenaustauschkapazität in den Substraten beobachtet. Der starke Rückgang der löslichen Stickstoff- und Kaliumgehalte in allen Varianten weist darauf hin, dass diese Nährstoffe in hohem Maße aus dem Substrat ausgewaschen wurden. Die Zumischung von Pflanzenkohle hat die Auswaschung nicht verhindert.

Der knapp einjährige Versuchszeitraum lässt allerdings keine Aussagen hinsichtlich der langfristigen Wirkung von Pflanzenkohle in Baumsubstraten zu. Es ist möglich, dass positive Einflüsse auf die Nährstoffversorgung in Baumsubstraten erst nach längerer Zeit sichtbar werden. Hinzu kommt, dass im Versuch eher geringe Pflanzenkohlemengen gewählt wurden, da Pflanzenkohle mit gegenwärtigen Marktpreisen von 500 Euro/Tonne (Baumgarten et al. 2017) im Vergleich zu anderen Substratausgangsstoffen nach wie vor teuer ist und bei der Anwendung in Substraten allgemein eher zu niedrigen Pflanzenkohlezugaben geraten wird. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass mit höheren Anteilen an Pflanzenkohle ein anderes Ergebnis erzielt wird.

Nachdem die Untersuchung der chemischen Substrateigenschaften im Topfversuch im Vordergrund stand und es nur eine geringe Anzahl an Pflanzen pro Variante gab, wurde auf eine genaue Bonitur der gepflanzten Liguster verzichtet. Es konnte jedoch beobachtet werden, dass sich die Liguster, bis auf vier Pflanzen, die schon zu Beginn des Versuchs nicht angewachsen sind, in allen Varianten entwickelten. Das optisch beste Wachstum ließ sich in der Variante mit 8 Prozent Pflanzenkohlekompost erkennen.

Welche Auswirkung die Pflanzenkohlezugabe auf die physikalischen Eigenschaften des Baumsubstrats hatte, wurde nicht untersucht. Allerdings wurde bei den Laboranalysen festgestellt, dass die Varianten, denen zusätzlich zum Grüngutkompost eine Pflanzenkohle aus Holz (1 und 3 %) oder Dinkelspelzen (3 %) beigemischt worden war, sowohl im September 2018 als auch im März 2019 deutlich höhere Wassergehalte besaßen als die Kontrolle, die nur den Grüngutkompost enthielt. In Anbetracht der Tatsache, dass die Stadtbäume in den heißen und trockenen Sommermonaten zunehmend mit Wassermangel zu kämpfen haben, sollte in zukünftigen Versuchen daher besonders auf eine mögliche Erhöhung der Wasserhaltefähigkeit in Baumsubstraten durch Pflanzenkohle eingegangen werden.

Literaturverzeichnis

Baumgarten, A. et al. (2017): Biokohle - Potential und Grenzen der Anwendung in der Land- und Forstwirtschaft. Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Wien, Österreich.

Embrén, B. (2016): Planting Urban Trees with Biochar. The Biochar Journal, 77, 44-47.

FLL - Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e. V. (2010): Empfehlungen für Baumpflanzungen - Teil 2: Standortvorbereitungen für Neupflanzungen; Pflanzgruben und Wurzelraumerweiterung, Bauweisen und Substrate.

Glaser, B. (2007): Prehistorically modified soils of central Amazonia: a model for sustainable agriculture in the twenty-first century. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 362, 187-196.

Kuzyakov, Y., Bogomolova, I., Glaser, B. (2014): Biochar stability in soil: Decomposition during eight years and transformation as assessed by compound-specific 14C analysis. Soil Biology and Biochemistry, 70, 229-236.

Landeshauptstadt München, Baureferat HA Gartenbau (2016): Zusätzliche Technische Vorschriften für die Herstellung und Anwendung verbesserter Vegetationstragschichten (ZTV-Vegtra-Mü). Version vom 15.07.2016.

Shackley, S., Ruysschaert, G., Zwart, K., Glaser, B. (Hrsg.) (2016): Biochar in European soils and agriculture: science and practice. Routledge, London.