Wissenschaft erklärt: Die Mechanismen und Vorteile von Humusaufbau im Boden verstehen

Heutzutage wird viel über die Erhöhung der organischen Substanz (Humus oder SOM) im Boden gesprochen, als wirksame Maßnahme um dem Klimawandel entgegenzuwirken und gleichzeitig Geld mit dem Verkauf von CO₂ Zertifikaten zu verdienen. In diesem Artikel werden die natürlichen Prozesse, die dem Humus zugrunde liegen, erläutert, die Mechanismen der Humusbildung veranschaulicht und sowohl die Vorteile als auch Grenzen beleuchtet.

Was ist Bodenkohlenstoff?

Bodenkohlenstoff ist der im Boden in verschiedenen festen Formen gespeicherte Kohlenstoff. Man kann ihn folgendermaßen klassifizieren:

• Organischer Bodenkohlenstoff: Maß für den im Boden enthaltenen organisch gebundenen Kohlenstoff (C).
• Anorganischer Kohlenstoff im Boden: Maß für den im Boden enthaltenen mineralisch gebundenen Kohlenstoff (C).
• Organische Substanz (OS, Humus): sich allmählich zersetzende organische Verbindungen pflanzlichen, tierischen und mikrobiellen Ursprungs; Verbindungen bestehen aus C, O, H, N, S, P¹; der C-Anteil beträgt 50-58%.

Organische Substanz befindet sich in einem ständigen Wandel, wird mineralisiert, freigesetzt und durch neue Kohlenstoffeinträge ersetzt. Es ist wichtig zu verstehen, dass es sich dabei nicht um einen einzigen Stoff handelt, sondern um ein Gemenge verschiedener organischer Verbindungen, die sich z. B. hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, ihres Energiegehalts oder ihrer Neigung, sich mit anderen Materialien zu verbinden, unterscheiden. Kohlenstoff ist in dieser organischen Substanz in verschiedenen physikalischen oder chemischen Formen gebunden, und dementsprechend kann die Zersetzung schneller (1-2 Jahre) oder langsamer (> 1.000 Jahre) erfolgen. Vor allem die schneller zirkulierenden Pools (schneller Abbau) beeinflussen den Ernteertrag, da der Abbau von organischer Substanz im Boden Nährstoffe freisetzt, die für das Pflanzenwachstum verfügbar werden (wie bereits erwähnt, enthält organische Substanz verschiedene Nährstoffe, die beim Abbau alle verfügbar werden). Langsamere Kreisläufe sind für die langfristige Kohlenstoffspeicherung im Boden und die Abschwächung des Klimawandels von größerer Bedeutung.

Es gibt noch andere Ansätze zur Unterteilung des Bodenkohlenstoffs in verschiedene Gruppen (z.B. Huminsäuren / Fulvosäuren; stabile / labile Pools), die jedoch eher konzeptionell als messbar sind und in der Wissenschaft umstritten sind².

Kohlenstoffkreislauf

Wie bereits erwähnt, ist der Bodenkohlenstoff ein Kontinuum – ein dynamischer Prozess, der kontinuierliche Kohlenstoffzufuhr und -abgabe beinhaltet. Der Kohlenstoff gelangt durch die Photosynthese der Pflanzen in den Boden, vor allem über die Rhizodeposition und die Zersetzung der Streu. Die Rhizodeposition umfasst Kohlenstoffverbindungen, die durch Wurzelexsudate, Schleim und den Abrieb von Wurzelzellen freigesetzt werden, während die Streu bei der Zersetzung von Pflanzen oder Pflanzenteilen Kohlenstoff liefert.

Mikroben und Fauna spielen eine entscheidende Rolle bei der Zersetzung von Streu und Exsudaten und beim Recycling von Kohlenstoff in seine verschiedenen Formen. Bei diesen Prozessen werden Nährstoffe freigesetzt, die dann wiederum von Mikroben und Fauna verwertet werden, aber auch für die Pflanzenaufnahme zur Verfügung stehen und so die Bodenfruchtbarkeit erhöhen. Organische Substanz kann somit als vorübergehender Speicher für Nährstoffe angesehen werden.

Während dieser mikrobiellen Zersetzungsprozesse, die als mikrobielle Atmung bezeichnet werden, geben die Mikroben Kohlenstoff zurück in die Atmosphäre ab, und zwar unter aeroben Bedingungen hauptsächlich als CO₂ und unter anaeroben Bedingungen als CH₄ (Methan). Organische Substanz und damit Bodenkohlenstoff kann aber auch durch Auswaschung, Erosion und die Ernte von Pflanzenteilen verloren gehen. Das Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend für die Steuerung des Bodenkohlenstoffgehalts und die Optimierung der Bodengesundheit und der Ökosystemfunktionen.

Wichtig zu wissen:

• Der Bodenkohlenstoff wird erhöht, wenn Anreicherung > Zersetzung und Auswaschung.
• Das Gleichgewicht zwischen C-Input und C-Output bestimmt das Potenzial der Kohlenstoffanreicherung im Boden.
• Generell verlaufen die Prozesse des Bodenkohlenstoff Abbaus schneller als die des Aufbaus, d.h. er wird eher abgebaut als das er angereichert werden kann.

Faktoren, die die Anreicherung und Zersetzung von Kohlenstoff beeinflussen

Während des Zersetzungsprozesses von organischem Material wird der Kohlenstoff in verschiedene Verbindungen eingebaut, von denen einige weniger anfällig für Zersetzung bzw. weniger zugänglich für Organismen sind und daher über Jahrtausende im Boden verbleiben können. Es gibt verschiedene Formen der Stabilisierung, z. B. physikalische Aggregation (z. B. bilden Feinwurzeln, Ton und mikrobielle Rückstände sich zu Klumpen), chemische Bindungen (organische Substanz bindet sich an mineralische Bodenpartikel), biochemische Bindungen (z. B. Verbindungen wie Wachse oder Lipide)³.

Es gibt verschiedene Faktoren, die das Ausmaß der Stabilisierung sowie die Prozesse der Anreicherung und Zersetzung beeinflussen.

1. Bodenart

Die Bodenart hat erheblichen Einfluss auf den Bodenkohlenstoffgehalt durch verschiedene Faktoren wie beispielsweise Textur. Feiner strukturierte Böden weisen tendenziell einen höheren Bodenkohlenstoff Gehalt auf, da die Tonteilchen eine größere Oberfläche für chemische Bindung von organischer Substanz aufweisen und damit die Stabilisierung verbessern. Folglich weisen Böden mit feiner Textur unter ähnlichen klimatischen Bedingungen in der Regel einen höheren Bodenkohlenstoff Gehalt auf als Böden mit grober Textur.

Darüber hinaus spielt die Bodentiefe eine entscheidende Rolle bei der Kohlenstoffanreicherung, wobei tiefere Bodenprofile insgesamt mehr organische Substanz enthalten, da es mehr Bodenvolumen gibt bis zum Erreichen des Ausgangsgesteins. Schüttdichte und Durchlüftung beeinflussen ebenfalls die Kohlenstoffdynamik. In Böden mit geringerer Durchlüftung, wie sie in Feuchtgebieten zu finden sind, wird die organische Substanz aufgrund der geringeren mikrobiellen Aktivität langsamer abgebaut, was sich auf die Kohlenstoffanreicherung auswirkt.

2. Klima

Neben der Bodenbeschaffenheit beeinflusst auch das Klima die Kohlenstoff Dynamik, vor allem in Form von Feuchtigkeit und Temperatur. Kälteres und feuchteres Klima begünstigt die Anreicherung von organischem Kohlenstoff im Boden. Unter diesen Bedingungen verlangsamt sich der Zersetzungsprozess, sodass sich im Laufe der Zeit mehr organische Substanz anreichern kann. Umgekehrt sind die Bodenmikroben unter wärmeren Klimabedingungen in der Regel aktiver, was zu einer höheren Zersetzungsrate organischer Substanz führt. Diese erhöhte mikrobielle Aktivität beschleunigt den Abbau von organischem Kohlenstoff und verringert seine Speicherung im Boden.

Es ist daher wichtig zu verstehen, dass eine Aktivität, die auf einem Bodentyp und in einem bestimmten Klima zum Aufbau organischer Substanz beiträgt, auf einem anderen Boden unwirksam sein kann.

3. Bewirtschaftung

Die Einführung zusätzlicher Kulturen, wie z. B. Zwischenfrüchte, erhöht die Biomasseproduktion und führt dem Boden organische Substanz zu. Bleibt der Acker hingegen brach, wird nahezu keine organische Substanz dem Bodenzugeführt, was mit der Zeit zu einem Rückgang des Bodenkohlenstoff Gehalts führt. Die Düngung ist eine weitere Strategie, um die Produktivität der Pflanzen zu steigern und damit die Biomasse und den Kohlenstoffeintrag in den Boden zu erhöhen. Organische Düngungsmethoden tragen zu erhöhter organische Substanz bei, indem sie dem Boden kohlenstoffreiche Materialien zurückgeben. Wenn Ernterückstände auf dem Feld verbleiben, trägt dies zur Erhaltung der organischen Substanz im Boden bei. Diese Praxis gewährleistet eine kontinuierliche Versorgung mit organischem Material für die mikrobielle Zersetzung und die Akkumulation von Bodenkohlenstoff.

Jüngste Studien haben die Bedeutung der lebenden Wurzeln für den Kohlenstoffeintrag in die Böden hervorgehoben. Während oberirdische Einträge in Form von Rückständen oder Düngemitteln von Bedeutung sind, spielen lebende Wurzeln eine entscheidende Rolle bei der kontinuierlichen Zufuhr von Kohlenstoff in den Boden durch Wurzelexsudation und Umsatzprozesse. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Förderung der Bodengesundheit und die Verbesserung der Kohlenstoffbindung in landwirtschaftlichen Systemen⁴.

Drainage- und Bewässerungspraktiken spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Wassergehalts im Boden, der wiederum die Aktivität der an der Zersetzung beteiligten Mikroorganismen beeinflusst. Ein optimaler Wassergehalt ist für die Aufrechterhaltung der mikrobiellen Aktivität unerlässlich, da sowohl übermäßige Feuchtigkeit als auch Wassermangel die mikrobielle Funktion beeinträchtigen können.

Auch die Bodenbearbeitung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Bodenkohlenstoff Dynamik. Bei der Bodenbearbeitung werden die Bodenaggregate mechanisch zerstört, wodurch der zuvor in den Aggregaten geschützte Kohlenstoff freigelegt und die Zersetzungsprozesse beschleunigt werden. Außerdem kann die Bodenbearbeitung den Verlust organischer Substanz durch Erosion erhöhen. Darüber hinaus beeinflusst die Bodenbearbeitung die Bodentemperatur, wobei sich bearbeitete Böden in der Regel schneller erwärmen als unbearbeitete Böden. Dieser Temperaturanstieg fördert die mikrobielle Aktivität, was die Zersetzungsraten weiter beschleunigt.

Die Auswirkungen der Bodenbearbeitung auf die Bodenkohlenstoff Dynamik sind jedoch von der Bodenstruktur und den klimatischen Bedingungen abhängig. Studien haben gezeigt, dass der Verlust durch die Bodenbearbeitung in Regionen mit höheren Niederschlagsmengen noch verstärkt wird. Umgekehrt sind die Vorteile der pfluglosen Bodenbearbeitung in feuchten oder subhumiden Klimazonen stärker ausgeprägt.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Bodenkohlenstoff Gehalt nicht unbegrenzt ansteigt. Jede Bewirtschaftungsanpassung wird zu einem neuen Gleichgewicht führen⁵.

Abbildung 1: SOM und Fruchtfolge. Nach Sousa et al. (2004)

Darüber hinaus gibt es einen natürlichen Sättigungsgrad des Bodenkohlenstoff Gehalts, bei dem der Gehalt unabhängig von den Bewirtschaftungsmaßnahmen nicht weiter erhöht werden kann. Die meisten landwirtschaftlich genutzten Böden haben jedoch in der Regel einen zu geringen C-Input, um die Sättigung zu erreichen⁶.

Abbildung 2: Erhöhung  und Sättigung des Bodenkohlenstoffs. Nach West und Six (2007)

Vorteile des organischen Kohlenstoffs im Boden

Organische Substanz spielt eine zentrale Rolle in der Bodendynamik und beeinflusst verschiedene Aspekte der Bodenstruktur und -funktion. Durch die Bindung an mineralische Bodenpartikel, sogenannte Ton-Humus-Komplexe, verändert sich die Bodenstruktur, was zu einer höheren Bodenfestigkeit, einer geringeren Schüttdichte, einer besseren Porengrößenverteilung und einer geringeren Erodierbarkeit führt. Diese verbesserte Bodenstruktur erhöht die Wasserspeicherkapazität und fördert die Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenheit. Außerdem sind Ton-Humus-Komplexe negativ geladen und binden positive Kationen wie Kalium, Magnesium und Eisen, wodurch die Auswaschung verringert und die Verfügbarkeit von diesen Nährstoffen für die Pflanze verbessert wird.

Bei der Zersetzung von organischer Substanz werden wichtige Nährstoffe freigesetzt, die die Pflanzen nähren und die Fähigkeit zur Nährstoffaufnahme und Wasserrückhaltung verbessern. Gleichzeitig dient organische Substanz als Schutz vor Schadstoffen, indem sie diese im Boden zurückhält, ihre Auswaschung in das Grundwasser verhindert und zu Wasserreinigungsprozessen beiträgt. Darüber hinaus beeinflusst sie den pH-Wert und die Pufferkapazität des Bodens, wobei Böden mit hohem Gehalt resistenter gegen Versauerung sind.

Darüber hinaus fördert die Anreicherung von organischer Substanz die biologische Vielfalt im Bodenökosystem und begünstigt eine florierende Gemeinschaft von Mikroorganismen und anderen lebenden Organismen. Diese reiche biologische Vielfalt trägt zur Gesundheit des Bodens und zur Widerstandsfähigkeit des Ökosystems bei. Letztendlich steigert ein hoher Anteil an organischer Substanz die Fruchtbarkeit und Produktivität des Bodens.

Zusätzlich zu den agronomischen Vorteilen bietet ein erhöhter Anteil an organischer Substanz enormes Potenzial zur Kohlenstoffanreicherung dar, wodurch der Atmosphäre effektiv CO₂ entzogen wird. Dieser Prozess stellt eine kostengünstige Möglichkeit dar, den Klimawandel abzumildern und gleichzeitig die Bodengesundheit zu verbessern. Böden speichern wesentlich mehr Kohlenstoff im Vergleich zu pflanzlicher Biomasse, was die Bedeutung des Kohlenstoffmanagements im Boden für den Kohlenstoffkreislauf verdeutlicht.

Abbildung 3: Verteilung des terretrischen (Boden und Vegetation) organischen Kohlenstoffs nach Klimaregion des IPCC. Nach Trivedi et al. (2018)

In vielerlei Hinsicht sind diese beiden Ziele miteinander verbunden: z. B. sind tiefere Wurzeln entscheidend für die Steigerung des Ertrags und gleichzeitig für die Erhöhung der Kohlenstoffspeicherung im Boden. Die Wurzelentwicklung ist wiederum mit der Bodenstruktur und der Wasserverfügbarkeit verknüpft: Eine verbesserte Bodenstruktur verbessert das Wurzelwachstum sowie die Wasserspeicherkapazität, was wiederum dazu führt, dass mehr Kohlenstoff in Form von organischer Substanz im Boden gespeichert wird.

Es gibt Hinweise darauf, dass in Aggregaten stabilisierter Kohlenstoff mehr Kohlenstoff im Boden speichert, aber nicht ertragsfördernd ist⁹. In vielen der heutigen landwirtschaftlich genutzten Böden ist der Anteil an organischer Substanz jedoch so weit erschöpft, dass jede Erhöhung sowohl für die agronomischen Aspekte als auch für die Kohlenstoffspeicherung von Vorteil ist.

Carbon Credits

An dieser Stelle kommen die Emissionsgutschriften ins Spiel. Viele Unternehmen versuchen, ihre Lieferketten zu dekarbonisieren und ihren Kohlenstoff-Fußabdruck zu verringern, indem sie die Emissionen aus ihren Betrieben reduzieren. Daher hat sich ein Markt entwickelt, auf dem Unternehmen (in diesem Fall Landwirte) der Atmosphäre zusätzlichen Kohlenstoff entziehen,
z. B. durch Bindung im Boden in organischer Substanz, und diesen dann in Form von Gutschriften an andere verkaufen können, die wiederum ihre Emissionen über diese Gutschriften kompensieren, anstatt ihre Emissionen tatsächlich zu reduzieren. Es gibt mittlerweile viele Softwareanbieter für Landwirte, mit der sie die aufgebauten Gutschriften verfolgen und verkaufen können.

Trotz des beträchtlichen Kohlenstoffspeicherpotenzials der Böden bleibt es in vielen Fällen eine Herausforderung, den Anteil an organischer Substanz innerhalb der für den Klimaschutz relevanten Zeiträume wieder auf sein ursprüngliches natürliches Niveau zu bringen. Dennoch kann die Priorisierung nachhaltiger Landbewirtschaftungspraktiken, die die Anreicherung von Bodenkohlenstoff fördern, sowohl zum Klimaschutz als auch zur Widerstandsfähigkeit der Bodenökosysteme und zur Steigerung der Produktivität beitragen. Ziel sollte es sein, ein Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffeintrag und -verlust auf einem optimalen Niveau für die Anpassung an die lokalen Bedingungen aufrechtzuerhalten.