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BAUMGESUNDHEIT: Was Pflanzenkohle als Zuschlagstoff für Substrate bringt


Friedhofskultur - epaper ⋅ Ausgabe 3/2020 vom 02.03.2020

Baumsubstrate im urbanen Bereich müssen hohe Anforderungen erfüllen. Um den Ansprüchen an die physikalischen Eigenschaften gerecht zu werden, ist der Gehalt an organischer Substanz sowie an feinkörnigen mineralischen Komponenten gering. Dies wiederum hat eine geringe Nährstoffspeicherfähigkeit zur Folge. An der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG) in Veitshöchheim wurden deshalb Versuche mit Pflanzenkohle als Zuschlagstoff gemacht, um die Nährstoffsituation zu verbessern, ohne die physikalischen Eigenschaften der Substrate zu beeinträchtigen.


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Bildquelle: Friedhofskultur, Ausgabe 3/2020

Versuchsanstellung des Topfversuchs in ...

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... der Bayerischen Landesanstalt für Gartenbau in Veitshöchheim.


Foto: Manfred Klemisch

Der Einsatz von mineralischen Substraten bei Pflanzungen an urbanen Standorten soll eine bestmögliche Bereitstellung der von den Zielpflanzen benötigten Ressourcen, wie Durchwurzelbarkeit und Versorgung mit Wasser, Luft und Nährstoffen gewährleisten. Während zum Beispiel bei Dachbegrünungen Wasser- und Nährstoffspeicherung bei geringem Gewicht zu optimieren sind, erfordern Baumpflanzungen besonders eine langfristig vorhandene Verfügbarkeit der genannten Eigenschaften im Wurzelraum mit einem Schwerpunkt auf einer ausreichenden Durchlüftung. Im Allgemeinen werden dazu vorwiegend grobkörnige, mineralische Komponenten ergänzt mit organischen Komponenten verwendet, welche die Pufferkapazität sowie die biologische Aktivität der Substrate positiv beeinflussen sollen. Gerade Bäume im urbanen Bereich sind einer Vielzahl von Stressfaktoren ausgesetzt. Außerdem haben die Bäume mit den höheren Temperaturen in der Stadt und Trockenheit zu kämpfen. Dies führt zu einer höheren Anfälligkeit für Krankheiten und Schädlinge und damit zu einer deutlich reduzierten Lebenserwartung. Nach Standzeiten von wenigen Jahren werden Nachpflanzungen notwendig. Neben einem erhöhten Kostenaufwand für Pflege- und Pflanzmaßnahmen können Stadtbäume vielfach ihre wichtigen Funktionen, die eng mit dem Alter der Bäume verknüpft sind, nicht erfüllen.

Insofern sind Qualitätsanforderungen für mineralische Substrate, welche geeignet sind, die Ansprüche von Bäumen im städtischen Umfeld bestmöglich zu erfüllen, formuliert und veröffentlicht.

Grundsätzlich werden bei den Baumsubstraten in erster Linie Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften gestellt. Im Vordergrund stehen langfristige Verdichtungsstabilität, großes Porenvolumen, hohe Luft- und Wasserkapazität, gute Durchwurzelbarkeit sowie hohe Wasserdurchlässigkeit, um Staunässe nach Starkregenereignissen zu vermeiden. Die Anforderungen an chemische und biologische Eigenschaften der Substrate beschränken sich zumeist auf den pHWert, den Salzgehalt und den Gehalt an organischer Substanz.

Damit die gewünschten physikalischen Eigenschaften erreicht werden, bestehen die Substrate zum überwiegenden Teil aus grobkörnigen mineralischen Gerüstbaustoffen. Der Ton- und Schluffgehalt ist hingegen gering. Typische Substratkomponenten sind Sand, Kies, Schotter, Splitt, Lava und sandig-kiesige Unterböden, mitunter ergänzt durch poröse mineralische Zuschlagstoffe wie etwa Perlit und Bims.

Die Substrate sind allgemein humusarm, da eine gleichmäßige und tiefe Durchwurzelung im Substrat gefördert und eine nachträgliche Setzung durch Abbau der organischen Substanz verhindert werden soll. Der Gehalt an organischer Substanz in den Substraten wird daher stark begrenzt. Als organische Komponente wird häufig Kompost verwendet, der allerdings aufgrund der guten Durchlüftung im Substrat jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb relativ kurzer Zeit abgebaut wird.

Der geringe Gehalt an feinkörnigen mineralischen Komponenten und organischer Substanz hat zur Folge, dass die Substrate meist nur eine geringe Nährstoffspeicherfähigkeit besitzen und dass kaum Nährstoffe durch das Substrat zur Verfügung gestellt werden. Es muss deshalb davon ausgegangen werden, dass eine ausreichende Nährstoffversorgung der Bäume oftmals nicht gewährleistet ist. Aus diesem Grund wird nach neuen mineralischen oder organischen Zuschlagstoffen gesucht, die in der Lage sind den Nährstoffhaushalt im Substrat positiv zu beeinflussen, dabei jedoch keine negativen Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Substrate haben.

Pflanzenkohlen aus pyrolytischer Verkohlung von organischen Ausgangsmaterialien könnten eine geeignete organische Komponente sein, um die Nährstoffsituation in Baumsubstraten langfristig zu verbessern. Die Verwendung von Baumsubstraten mit Pflanzenkohle in Stockholm wirkte sich sehr positiv auf das Baumwachstum aus.

Potenzielle Kationenaustauschkapazität (KAKpot) von 16 unterschiedlichen Pflanzenkohlen.


Abbildung: Manfred Klemisch

Konkrete Auswirkungen von Pflanzenkohle auf physikalische und chemische Eigenschaften von Baumsubstraten in anderen Umgebungen sind bisher allerdings kaum dokumentiert. Abhängig von der Herkunft des Ausgangsmaterials für die Pflanzenkohle sind abfall- beziehungsweise düngerechtliche Gesichtspunkte zu beachten. Wirtschaftlichkeit der Substratbereitstellung und Gewährleistung einer fortwährenden Produktqualität sind weitere Kriterien, welche bei der Nutzung von Pflanzenkohlen in mineralischen Baumsubstraten zu beachten sind.

Herstellung, Zertifizierung und rechtliche Einordnung

Pflanzenkohlen werden durch Pyrolyse von organischen Ausgangsmaterialien hergestellt, was bedeutet, dass die Ausgangsstoffe unter weitgehendem Ausschluss von Sauerstoff auf Temperaturen zwischen 350 und 1.000 Grad Celsius erhitzt werden. Infolgedessen findet eine Neuordnung der chemischen Struktur des Materials statt. Die bestehenden, leichter abbaubaren Kohlenstoffverbindungen werden in kondensierte aromatische Kohlenstoffverbindungen umgewandelt, die äußerst stabil sind. Mit steigender Pyrolysetemperatur nimmt der Grad der Karbonisierung und damit der Gehalt an komplexen aromatischen Kohlenstoffstrukturen in der Pflanzenkohle zu, während der Anteil an labilen Kohlenstoffverbindungen abnimmt. Es entsteht ein schwarzer Feststoff, dessen Struktur an das ursprüngliche Ausgangsmaterial erinnert, der jedoch durchschnittlich nur etwa ein Drittel des Gewichts der Ausgangsbiomasse hat und einen hohen Kohlenstoffgehalt besitzt. Der Anteil an Kohlenstoff in der Pflanzenkohle ist dabei definitionsgemäß größer als 50 Prozent und kann bei bis zu 90 Prozent liegen. Darüber hinaus enthält Pflanzenkohle anorganische Komponenten wie Minerale, Metalle, Metalloxide und Salze, die in ihrer Gesamtheit als Asche bezeichnet werden.

Als mögliche Ausgangstoffe für Pflanzenkohle eignen sich zahlreiche biogene Reststoffe aus der Landwirtschaft, der Forstwirtschaft, der Industrie und den Kommunen. Pyrolysiert werden beispielsweise Baum-, Strauch-, Reb- und Grünschnitt, Nussschalen, Hackschnitzelsiebreste, Papierfasern, Trester, Getreidespelzen, Mist und Gärreste. Bei Reststoffen, die bislang nur unzureichend verwertet werden, wie etwa durch energetische Nutzung, besteht dabei die Möglichkeit, eine zusätzliche Wertschöpfung durch die stoffliche Nutzung dieser Materialien in Form von Pflanzenkohle zu erreichen.

Pflanzenkohle aus Holzhackschnitzeln.


Foto: Manfred Klemisch

In den modernen Produktionsverfahren wird sichergestellt, dass die Pflanzenkohlen frei von organischen Schadstoffen (wie PAKs, Dioxine, Furane) sind, die bei ungeeigneter Prozessführung entstehen können. Durch die Verwendung von unbelastetem Ausgangsmaterial wird zudem garantiert, dass die Pflanzenkohlen keine anorganischen Schadstoffe wie Schwermetalle enthalten.

Mit dem 2012 eingeführten „Europäischen Pflanzenkohle Zertifikat“ (European Biochar Certificate, EBC) werden Qualitätskriterien für die verwendeten Ausgangsstoffe, die Pyrolyseanlagen und die produzierte Pflanzenkohle festgelegt und geeignete Verfahren für die Laboruntersuchung von Pflanzenkohlen beschrieben. In der Richtlinie werden unter anderem Materialeigenschaften und Schadstoffgrenzwerte für Pflanzenkohlen definiert.

Während die Einhaltung der EBCKriterien in der Schweiz für die Genehmigung des Einsatzes von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft verpflichtend ist, gibt es in Deutschland noch keine gesetzliche Regelung für die Qualitätssicherung und Anwendung von Pflanzenkohle. Laut der Deutschen Düngemittelverordnung sind bislang nur Holzkohlen aus unbehandeltem Holz mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 80 Prozent als Ausgangsstoff für Kultursubstrate und als Trägersubstanz von Düngemitteln zugelassen. Einige Hersteller lassen sich für ihre Pflanzenkohlen eine zeitlich befristete Einzelgenehmigung als Bodenhilfsstoff nach österreichischem Düngemittelgesetz (§ 9a DMG 1994 (AUT)) ausstellen, die damit auch den europaweiten Einsatz erlaubt. In Österreich ist EBC-zertifizierte Premium- Pflanzenkohle seit 2018 im Biolandbau zugelassen.

Pflanzenkohle und Substrat-Qualität

Laboruntersuchungen der LWG an marktgängigen Pflanzenkohlen bestätigten die Erkenntnis anderer Studien, dass sich Pflanzenkohlen stark in ihren Eigenschaften unterscheiden können. Die Unterschiede ließen sich dabei für gewöhnlich nicht vom verwendeten Ausgangsmaterial und der Pyrolysetemperatur ableiten. Insofern ist es schwierig, bei den im industriellen Maßstab hergestellten Pflanzenkohlen, die für die Nutzung in Substraten relevanten Eigenschaften aus den zwei wichtigsten Produktionsparametern vorherzusagen.

Grundsätzlich ging aus den Laboruntersuchungen hervor, dass Pflanzenkohlen auf dem Markt verfügbar sind, die aufgrund ihres vergleichsweise niedrigen pH-Werts, ihres niedrigen Salzgehalts, ihres hohen Gehalts an stabilem Kohlenstoff und ihrer hohen Kationenaustauschkapazität vermutlich besser für einen Einsatz in Baumsubstraten geeignet sind und daher vorrangig als Zuschlagsstoff getestet werden sollten. Die Wirkungsbeurteilung wird auch dadurch erschwert, dass die Pflanzenkohlen im Boden einem Alterungsprozess unterliegen und die anfänglich im Labor festgestellten Eigenschaften sich deshalb verändern. Zudem werden die Pflanzenkohlen in der Regel nicht unbehandelt in das Substrat eingebracht, sondern können auf unterschiedlichste Art und Weise mit Nährstoffen und Mikroorganismen aktiviert oder mit anderen organischen Materialien kombiniert werden. Um gesicherte Aussagen über die Wirkung von verschiedenen Pflanzenkohleprodukten in Baumsubstraten machen zu können, sind daher langfristig angelegte, praxisnahe Versuche erforderlich, in denen die Einflüsse auf den Luft-, Wasser- und Nährstoffhaushalt, die Strukturstabilität, das Bodenleben, die Bindung von Schadstoffen etc. untersucht werden.

In einem 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. Erstaunlich war, dass sich die chemischen Substrateigenschaften trotz Zumischung von unterschiedlichen Arten und Mengenanteilen von Pflanzenkohle in den einzelnen Varianten im Verlauf des Versuchs häufig sehr ähnelten. Der starke Rückgang der Salzgehalte und der Gehalte an löslichem Stickstoff und Kalium in allen Varianten deutet darauf hin, dass diese Nährstoffe in hohem Maße aus dem Substrat ausgewaschen wurden. Die Zumischung von Pflanzenkohle hat die Nährstoffauswaschung 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 pro Tonne 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.

Linke Grafik: Potenzielle Kationenaustauschkapazität (KAKpot) von Pflanzenkohle-Substraten im Vergleich zu einem Substrat mit Kompost (Kontrolle). Rechte Grafik: Wassergehalte von Pflanzenkohle-Substraten an zwei Beprobungsterminen (Kontrolle mit Kompost; Pka4, Pka6 mit aufgeladener Pflanzenkohle; Pk-K4, Pk-K8 mit Pflanzenkohlekompost; K+PkH1, K+PkH3, K+PkD1, K+PkD3 mit Kompost und Pflanzenkohle).


Abbildungen: Manfred Klemisch

Die Auswirkungen von Pflanzenkohlen auf die physikalischen Eigenschaften des Baumsubstrats wurden nicht untersucht. Allerdings wurde bei den Laboranalysen festgestellt, dass die Varianten, denen zusätzlich zum Grüngutkompost eine Pflanzenkohle aus Holz (1 und 3 Prozent) oder Dinkelspelzen (3 Prozent) beigemischt worden war, 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 Verbesserung der Wasserhaltefähigkeit in Baumsubstraten durch Pflanzenkohle eingegangen werden.

Erfahrungen mit Pflanzenkohle

In der Forschung und in der Praxis gibt es bereits erste Anwendungen von Pflanzenkohle in Baumsubstraten. In der Schweiz wurden ein Freiland- und ein Containerversuch mit einem weitgehend aus regionalen Materialien hergestellten, einschichtigen Baumsubstrat durchgeführt, das aufgeladene Pflanzenkohle als Substratkomponente enthielt. Dabei wurde unter anderem untersucht, welchen Einfluss die Pflanzenkohle auf das Wurzelwachstum von jungen Winterlinden (Tilia cordata) hat. In dem Containerversuch, in dem die Pflanzenkohle nicht gleichmäßig, sondern punktuell im Substrat eingebaut worden ist, wurde ein zielgerichtetes Wachstum der Wurzeln in die mit Pflanzenkohle versetzten Bereiche und eine verstärkte Ausbildung von Feinwurzeln in diesen Bereichen beobachtet.

Bei Baumpflanzungen in Stockholm wird Pflanzenkohle bereits seit 2009 als Substratbestandteil eingesetzt. Die Baumgruben werden dort nach einem eigens in den letzten Jahren entwickelten System befüllt, das deshalb häufig als „Stockholm-System“ bezeichnet wird. Bei dieser Bauweise bilden grobe Steine das Bodenskelett, in das ein Feinsubstrat mit aktivierter 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 an der Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Substrate - besonders an der Zunahme der Porosität durch die kompressionsbeständige und abbaustabile Pflanzenkohle - liegt.

Hinweise für die Praxis

Die Verwendung von Pflanzenkohlen als Substratkomponente bietet interessante Möglichkeiten, die komplexen Anforderungen an mineralische Substrate in urbanen Räumen zu erfüllen. Einschlägige Erfahrungen zur verbesserten Vitalität von Stadtbäumen in Pflanzenkohle-Substraten liegen vor. Die bestmögliche Realisierung der positiven Aspekte des Materials als Komponente von Baumsubstraten erfordert jedoch ein Gesamtkonzept für Pflanzungen, bei dem Art und Qualität der verwendeten Komponenten, Mischungsanteile, Einbautechnik, Standraum, Überbauung, Pflege und anderes eng auf einander abgestimmt sind. Voraussetzung dafür ist eine eindeutige Zielformulierung mit konsequenter Abwägung der benötigten Leistungen des Substrats etwa „Wachstumssicherheit“, Standfestigkeit, Wurzelentwicklung, Regenwasseraufnahme und -retention, Reduktion von Stoffausträgen und der Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Materialien.

Dabei ist zu beachten, dass das deutsche Düngemittelrecht aktuell der Verwendung von Pflanzenkohlen bei Vegetationsarbeiten im Freiland enge Beschränkungen auferlegt.

Dr. Manfred Klemisch, Sachgebietsleiter Boden und Substrat an der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau in Veitshöchheim

1 Dieser Artikel basiert auf einem Referat des Autors bei den 52. Veitshöchheimer Landespflegetagen (21. + 22.01.2020). Ein Literaturverzeichnis zu diesem Beitrag findet sich in den Tagungsbänden zu dieser Veranstaltung.