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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
Naturwissenschaftliche
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
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
Naturwissenschaftliche
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
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Fakultät III
Terra Preta ≠ Pflanzenkohle
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Glaser and Birk (2012) Geochimica et Cosmochimica Acta 82: 39-51
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Modernes Terra Preta-Konzept
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Biochar Eruope (2010)
Kreislaufwirtschaft
SEWAGESLUDGE
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Bodeneigenschaften (N=112)
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Vorwiegend neutrale pH-Werte und geringe Humusgehalte
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
www.cost.european-biochar.org
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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?)
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
www.cost.european-biochar.org
Bruno Glaser
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www.cost.european-biochar.org
Pflanzenkohle-Feldversuche in Europa
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Mengeneffekt(Petershagen, Brandenburg)
Kompostierung(Bayreuth)
Regionales Nährstoff-Recycling(Gartow, Wendland)
Pyrokohle vs. Hydrokohle
(Halle)
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Regionales Nährstoff-Recycling (Wendland 2012)
Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: 667-678
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Varianten
Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: 667-678
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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0
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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)
Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: 667-678
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Nitratauswaschung: Pflanzenkohle-Effekt (Feldexperiment Wendland)
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Glaser et al. 2016 BMBF-Bericht ClimaCarbo
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Phosphatauswaschung: Pflanzenkohle-Effekt (Feldexperiment Wendland)
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Glaser et al. 2016 BMBF-Bericht ClimaCarbo
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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
Glaser et al. (2015) Agron Sust Dev 35: 667-678
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
Naturwissenschaftliche
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P-Transformation durch thermochemische Behandlung
Qian and Jiang (2014) Sustainable Chem. Eng 2: 1411−1419
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Pyrolyse vs. hydrothermale Carbonisierung
Huang and Tang (2015) Environ. Sci. Technol. 49: 14466−14474
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Kombination Pflanzenkohle - Biogas
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Lacroix et al (2014) Waste Management & Research 32: 608 –613
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
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Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Sonnenerde / Ökoregion Kaindorf (Österreich)
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
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Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
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Kommerzielle Pflanzenkohle-Produkte
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
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Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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)
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
Asomah et al. (unpublished)
Bruno Glaser
Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
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Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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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
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
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Nachhaltiges Ressourcenmanagement à la Terra Preta
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Pflanzenkohle in der Humanernährung (E 153)
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Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home
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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)
Terra Preta ♦ Gewächshaus ♦ Freiland ♦ Klärschlamm ♦ Anwendung ♦ Recht ♦ Take Home