Einfluss von Pflanzenkohle auf den N- und P-Haushalt von …€¦ · Pflanzenkohle-Feldversuche in Europa 9/28 Mengeneffekt (Petershagen, Brandenburg) Kompostierung (Bayreuth) Regionales

Naturwissenschaftliche

Fakultät III

Einfluss von Pflanzenkohle auf den N- und P-Haushalt von Böden

Bruno Glaser

Inhalt:

Pflanzenkohle vs. Terra Preta

Effekte (Gewächshaus, Freiland)

Thermochemische Klärschlamm-Verwertung

Kommerzielle Anwendungen

Gesetzgebung

Take home

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Bruno Glaser

Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta


Fakultät III

Terra Preta – ein 2000 Jahre alter Feldversuch

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Terra PretaFerralsol

Pflanzenkohle

ExkrementeStreu

Organische Abfälle (nährstoffreich)

Mikroorganismen

Küchenabfälle Knochen

Anreicherung großer Mengen an N und P (15 Mg ha-1)

Anreicherung von Verkohlungsrückständen (50 Mg ha-1)

Mikrobelle Umwandlung (Humusaufbau, Mineralisation)

Relikt einer früheren Besiedelung und Konzept für kreislaufbasierte Bioökonomie

Glaser et al. (2001) Naturwissenschaften 88: 37–41

Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home

Bruno Glaser



Fakultät III

„Nordic Dark Earth“ (Elbslawen, Wendland)

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Wiedner et al. (2015) Catena 132: 114–125

Elbslawen-Schwarzerde

SandigeBraunerde

Alte Siedlungsflächen, ähnliche Entstehung wie Terra Preta

Mikroorganismen

KompostExkremente

Streu

Biomasse-“Abfälle“

Pflanzenkohle

Lebensmittelreste

Knochen


Bruno Glaser



Fakultät III

Terra Preta ≠ Pflanzenkohle

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Glaser and Birk (2012) Geochimica et Cosmochimica Acta 82: 39-51


Bruno Glaser



Fakultät III

Modernes Terra Preta-Konzept

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Biochar Eruope (2010)

Kreislaufwirtschaft

SEWAGESLUDGE


Bruno Glaser



Fakultät III

Rolle der Pflanzenkohle

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Biochar Eruope (2010)

PorositätKondensierte AromatenFunktionelle GruppenLabiler org. KohlenstoffAsche

Wasserspeicherung C-Speicherung Nährstoff-Speicherung Nahrung für Mikroorganismen Sofortiger Dünger

Struktur Ökosystemfunktion


Bruno Glaser



Fakultät III

Bodeneigenschaften (N=112)

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Vorwiegend neutrale pH-Werte und geringe Humusgehalte


www.cost.european-biochar.org

Bruno Glaser



Fakultät III

Pflanzenkohle-Effekt auf pflanzenverfügbare Nährstoffe

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Stickstoff (n = 52) Phosphat (n = 15)

N-Verfügbarkeit vermindert (N-Immobilisierung?)

P-Verfügbarkeit erhöht (pH-Effekt?)



Bruno Glaser



Fakultät III


Pflanzenkohle-Feldversuche in Europa

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Mengeneffekt(Petershagen, Brandenburg)

Kompostierung(Bayreuth)

Regionales Nährstoff-Recycling(Gartow, Wendland)

Pyrokohle vs. Hydrokohle

(Halle)


Bruno Glaser



Fakultät III

Regionales Nährstoff-Recycling (Wendland 2012)

Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: 667-678

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Bruno Glaser



Fakultät III

Varianten


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Bruno Glaser



Fakultät III

0

2

4

6

8

10

12Y

ield

[M

g h

a-1]

a a aa

a

ababab

b

bc

Positiver Pflanzenkohle-Effekt

Mineral fertilizer

DigestateFermented digestate

Compost

Maiserträge (2012)


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Bruno Glaser



Fakultät III

Nitratauswaschung: Pflanzenkohle-Effekt (Feldexperiment Wendland)

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Glaser et al. 2016 BMBF-Bericht ClimaCarbo

Bruno Glaser



Fakultät III

Phosphatauswaschung: Pflanzenkohle-Effekt (Feldexperiment Wendland)

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Glaser et al. 2016 BMBF-Bericht ClimaCarbo


Bruno Glaser



Fakultät III

N P Ca K Mg Na Mn Cu Ni Co Cr Pb Cd

BC (1) + NPK s s

BC (40) + NPK s s s s s s s s

BC (1) + Dig. s s s s

BC (40) + Dig. s s s s s s

BC (40) + Dig. + ferm. s s s s s

BC (10) + Compost s s s s

s = significant (p < 0.05) increase decrease

Nährstoff- und Schwermetall-Aufnahme (Mais 2012)

Pflanzenkohle erhöht meist Nährstoff-Aufnahme Pflanzenkohle vermindert meist Schwermetall-Aufnahme


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Bruno Glaser



Fakultät III

Elementkonzentration und -Bilanz vs Pyrolysetemperatur

Hossain et al. (2011) Journal of Environmental Management 92: 223-228

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N-Konzentration sinkt, P- und K-Konzentration steigt Hohe N-Verluste: 50-70%

Fast vollständiges Recycling aller anderen Nährstoffe


Bruno Glaser



Fakultät III

P-Bilanz und –Verfügbarkeit von Kohlen aus Kuhdung (MAe) und Klärschlamm (BSe) im Vergleich zu Ca-Phosphat (CaP) und Gesteinsmehl (SPR)

Wang et al. (2012) Plant Soil 357:173 – 187

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Vollständiges P-Recycling (temperaturunabhängig) P-Aufnahme CaP >MAe biochars >BSe biochars Nach 6 Ernten alle P-Quellen vergleichbar


Bruno Glaser



Fakultät III

P-Transformation durch thermochemische Behandlung

Qian and Jiang (2014) Sustainable Chem. Eng 2: 1411−1419

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Bruno Glaser



Fakultät III

Pyrolyse vs. hydrothermale Carbonisierung

Huang and Tang (2015) Environ. Sci. Technol. 49: 14466−14474

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Bruno Glaser



Fakultät III

Kombination Pflanzenkohle - Biogas

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Lacroix et al (2014) Waste Management & Research 32: 608 –613


Bruno Glaser



Fakultät III

Sonnenerde / Ökoregion Kaindorf (Österreich)

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Bruno Glaser



Fakultät III

Biologische Aktivierung (Kompostierung – Fermentation)

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Glaser et al. (2013) Eurosoil Bari

Synergismen mit organischen Düngern Wechselwirkung mit organischer Bodensubstanz Biologische „Aktivierung“ von Pflanzenkohle

0/7.5/15% BC, CO/EM0/0.5/1/2% BC 0/5/7.5/15/25/40%BC

Wenig BC Viel BC KompostierungFermentierung


Bruno Glaser



Fakultät III

Kommerzielle Pflanzenkohle-Produkte

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Bruno Glaser



Fakultät III

Kommerzielle Pflanzenkohle-Substrate (+BC) vs. Torf-Substrate (-BC)

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+BC -BC

Einziges vernünftiges Produkt: Sonnenerde (Pflanzenkohle-Klärschlamm-Kompost)

Terra Magica und Palaterra vergleichbar mit reinem Sand, z.T. negativer Mengeneffekt

Torfsubstrate auch nicht viel besser als reiner Sand (v.a. Dehner mit Vorratsdünger)


Asomah et al. (unpublished)

Bruno Glaser



Fakultät III

Rechtliche Grundlagen

Freiwillige Zertifikate: EBC, BQM, IBI

(TOC > 30%, H/C < 0,7)

Teil des Ecolabels in: UK, Schweden

Legal in: Schweiz, Österreich, Italien

Teil der neuen European Fertilizer Directive

(Annex A)

Ungeklärt: REACH

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Keine klare legale Situation Dennoch kommerzielle Nutzung


Bruno Glaser



Fakultät III

Pflanzenkohle in der Tierernährung

Historische Nutzung von Holzkohle in der Tier- und Humanernährung

Bekannt und angewandt bei Verdauungs-Störungen

Weltweite Anwendung als Additiv für Tiernahrung (meist als Präventiv)

Positive Effekte

Adsorption von organischen Molekülen (z.B. Geruchsstoffe)

Adsorption von Mikroorganismen und Toxinen

Höhere Nährstoff-Verwertung

Negative Effekte

Evtl. auch Sorption von Vitaminen und Therapeutika

Gesetzgebung

(EG) Nr. 68/2013 EC 16.01.2013

Product no. 7.13.1 (Pflanzliche Kohle [Holzkohle] aus Pyrolyse von pflanzl. Biomasse

Product quality mandate: (EG) Nr. 178/2002, v.a. Schwermetalle, Dioxine, Furane

Schweiz: Futterkohle als Teil der FIBL-Liste für Biolandbau

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Schmidt et al. (2016) Ithaka Journal 95, 364-394


Bruno Glaser



Fakultät III

Pflanzenkohle in der Humanernährung (E 153)

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Bruno Glaser



Fakultät III

Take Home

Erträge anfangs mehr oder weniger gleich Vorteile der Pflanzenkohle-Substrate mit zunehmender Versuchsdauer Sonnenerde mit Abstand die höchsten Erträge Palaterra mit Abstand die niedrigsten Erträge Nährstoff-Speicherfähigkeit: Torf > Pflanzenkohle Nährstoffe: Ca > K > Mg, Torf tendenziell abnehmend Massenverluste +/- 10% 10-30% Humusverlust, keine eindeutigen Unterschiede 1-5% stabiler Kohlenstoff (5-12% bezogen auf TOC) Auch Torf enthält vergleichbare Mengen stabilen Kohlenstoff !!! Struktur vergleichbar, obwohl Torf ähnlich HTC-Kohle Pflanzenkohleprodukte höhere mibi Rückstände bezogen auf TOC Alle Produkte bakteriendominiert Pflanzenkohle fördert Pilze !!! Offene Fragen: Langzeitverhalten, +/- Mulch, +/- Mykorrhiza

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Pflanzenkohle als Option in der kreislaufbasierten Bio-Ökonomie Interessante Option für NÄHRSTOFF-ARME Biomasse

(evtl. auch für Klärschlamm?)

Co-Kompostierung mit NÄHRSTOFF-REICHER Biomasse (z.B. Klärschlamm)

100% Substitution von Mineraldünger möglich

Teilweise Ertragssteigerung im Vergleich zu bisherigen Maximalerträgen

Einmal-Applikation < 20 Mg ha-1

Besser regelmäßig kleinere Mengen applizieren (z.B. 1 Mg ha-1 jährlich)


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