Der Boden – die Lösung globaler Probleme liegt unter unseren Füßen

Der Boden – die Lösung globaler Probleme liegt unter unseren Füßen

Fr, 11.12.2015 - 10:28 — Rattan Lal

Rattan LalIcon GeowissenschaftenBöden sind nicht nur die Basis unserer Lebensführung, Nahrungsmittelproduktion und Wasserversorgung. Wie der weltbekannte Bodenwissenschafter Rattan Lal (Ohio State University) zeigt, besitzen Böden auch eine enorme Kapazität zur Kohlenstoffspeicherung und können damit wesentlich zur Regulierung der Treibhausgasemissionen beitragen*. Dieses Potential dürfte bei den Spitzen der Weltpolitik auf Resonanz stoßen: Als das „Internationale Jahr der Böden (IYS)“ im Hauptsitz der FAO am 5. Dezember 2015 feierlich zu Ende ging (die Klimakonferenz COP 21 in Paris läuft noch), appellierte Ban Ki Moon, der Generalsekretär der UNO an die Versammlung: “Wir müssen die nachhaltige Nutzung unseres terrestrischen Ökosystems sicherstellen, während wir den Klimawandel und seine Folgen bekämpfen. Die Speicherung von Kohlenstoff in den Böden bedeutet einen essentiellen Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels“. Der nachfolgende Essay ist die Fortsetzung des vor einer Woche erschienenen Artikels:“Der Boden – Grundlage unseres Lebens“**

„Böden sind die Grundlage irdischen Lebens, der Nutzungsdruck durch den Menschen erreicht aber kritische Grenzen. Ein sorgsamer Umgang mit dem Boden ist essentieller Bestandteil einer nachhaltigen Landwirtschaft und bietet auch einen wertvollen Ansatz zur Regulierung des Klimas und einen Weg die Leistungen des Ökosystems und die Biodiversität zu erhalten.“ (Präambel: World Soil Charter, FAO, 2015)

Was ist nachhaltige Bodennutzug?

Meiner Meinung nach bedeutet das:

  • Ersetze, was entfernt wurde – wenn Nährstoffe verloren gingen, ersetze sie.
  • Reagiere umsichtig auf veränderte Bedingungen - wenn die Struktur eines Bodens (die räumliche Anordnung der Bodenteilchen) geändert wurde, ist davon auch seine Wasserbindungskapazität betroffen.
  • Mach Dir bewusst, was anthropogene und natürliche Störungen bewirken können und sei bereit diesen zu begegnen.

Will man eine sichere Ernährungslage für die steigende Weltbevölkerung gewährleisten, muss die nachhaltige Landnutzung gleichzeitig aber auch mit einer nachhaltigen Intensivierung der Produktivität verbunden sein. Wir können ein „Mehr aus Weniger“ produzieren: ein Mehr

  • auf weniger Landfläche
  • pro jeden Tropfen Wasser
  • pro Menge an eingesetztem Dünger und Pestiziden
  • pro Energieeinheit pro Einheit der CO2-Emission

Dazu kommt, dass wir auch weniger verbrauchen und weniger vergeuden dürfen.

Ernterückstände zur Erzeugung von Biotreibstoff?

Die Erzeugung von Biotreibstoff ist zweifellos eine wichtige Strategie, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Ist es ökonomisch vertretbar Ernterückstände dafür einzusetzen? Welche Folgen hat das für den Boden?

Ich möchte dazu von einem Langzeitexperiment berichten, das wir von 1972 bis 1987 in Nigeria durchführten. Die Fragestellung war: was passiert, wenn ein Landwirt nach jeder Ernte die Ernterückstände komplett entfernt (in Afrika wird dieses Material ja für Zäune, Dächer, Einstreu, Brennmaterial, etc. verwendet) oder, wenn er sie am Feld belässt. In beiden Fällen wurden dieselben Pflanzen angebaut und es wurde in derselben Weise gedüngt. Nach 15 Jahren war der Unterschied nur zu deutlich (Abbildung 1).

Der Grund für diesen Unterschied: durch die exzessive Entfernung der Ernterückstände wurde den Mikroorganismen und Tieren, die im Boden leben, die Nahrungsquelle entzogen. Bodenorganismen sind aber der biologische Antrieb der Erde.

Abbildung 1. Was passiert, wenn über längere Zeit die Ernterückstände vom Feld entfernt wurden? Dies war auf dem Maisfeld im Vordergrund 15 Jahre lang der Fall, während auf dem ansonsten gleichbehandelten Feld im Hintergrund die Rückstände belassen wurden.

Sind ähnliche Auswirkungen auch in Gegenden mit gemäßigtem Klima zu erwarten?

Wir starteten dazu einen in gleicher Weise designten Langzeitversuch in Ohio. 8 Jahre nach Beginn der Studie – das war 2012 – gab es in den US ein besonders trockenes Jahr (es fielen 50 % der üblichen Regenmenge). Dort, wo die Ernterückstände immer entfernt worden waren fiel die Maisernte, um 60 % niedriger aus als auf dem Feld, auf dem die Rückstände belassen wurden. Der Verbleib der Rückstände machte den Boden offensichtlich gegen Trockenheit widerstandsfähiger!

Derartige Auswirkungen auf die Produktivität muss man sich überlegen, wenn man Ernterückstände zur Produktion von Bioethanol heranziehen möchte. Biotreibstoff aus Ernterückständen ist nicht gratis! Man zahlt dafür einen sehr hohen Preis.

Man sollte also die Biomasse liegenlassen – für die aktiven Bodenorganismen, die den Boden lebendig erhalten. Da Mikroorganismen die Kohlenstoffverbindungen der Biomasse in ihre eigene Biomasse umwandeln, ist dies eine sehr effiziente Strategie, um organischen Kohlenstoff in den Böden („soil organic carbon“ SOC) zu binden und zu speichern (Kohlenstoff-Biosequestrierung).

Biosequestrierung des CO2 der Atmosphäre

Wieviel CO2 aus der Atmosphäre in Biomasse umgewandelt wird, ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt:

Abbildung 2. Die globale terrestrische Bindung und Speicherung von Kohlenstoff. GPP: Bruttoprimärproduktion durch autotrophe Pflanzen. NPP: Nettoprimärproduktion (= GPP minus Abatmung durch autotrophe Pflanzen). NEP: Nettoproduktion des Ökosystem (= GPP minus Zersetzung: Abatmung durch heterotrophe Organismen/mikrobiellen Abbau). NBP: Nettoproduktion aller Ökosysteme (alle natürlichen und anthropogenen Störungen miteingerechnet). Gt: Gigatonne = 1Mrd t.

Von der Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, nutzen die Pflanzen nur etwa 0,05 % der Energie, um mittels Photosynthese das CO2 der Luft und Wasser in organische Kohlenstoffverbindungen – insgesamt 123 Gt/Jahr – umzuwandeln. Etwa die Hälfte dieser sogenannten Bruttoprimärproduktion (gross primary production - GPP) atmen die Pflanzen als CO2 wieder ab - die Nettoprimärproduktion (net primary production - NPP) beträgt jährlich also insgesamt 63 Gigatonnen (Gt) organisch fixierten Kohlenstoffs. Davon wird ein Großteil durch heterotrophe Atmung zersetzt – über Aufnahme und Abbau entlang der Nahrungskette und mikrobielle Zersetzung von totem Material – aber auch durch große Flächenbrände: die Nettoproduktion des Ökosystems (net ecosystem productivity - NEP) liegt bei 10 Gt organisch fixierten Kohlenstoffs. Alle durch natürliche und anthropogene Störungen verursachten Verluste zusammengerechnet verbleibt rund 1 Gt organisch fixierter Kohlenstoff (net biome productivity – NBP).

Kohlenstoffspeicherung im Boden

In der Nettoprimärproduktion entstehen jährlich 63 Gt organisch fixierten Kohlenstoffs: in der gleichen Zeit generieren wir 6 x so hohe Emissionen aus dem Verbrauch fossiler Brennstoffe und zusätzlich aus der landwirtschaftlichen Bodennutzung. Wenn wir steuern können, was mit der wichtigen Kohlenstoffquelle der Nettoprimärproduktion geschieht, können wir das Problem des CO2 in der Atmosphäre in den Griff bekommen.

Die Frage ist, wie wir das schaffen.

Wenn wir den globalen Kohlenstoffgehalt im Boden betrachten, so liegen bis zu einer Tiefe von 2 – 3 m rund 6 000 Gt C vor; zwei Drittel bis drei Viertel (in den obersten 30 cm) davon in Form von organisch gebundenem Kohlenstoff.

Wie und wieweit können wir diesen Kohlenstoffgehalt erhöhen?

Hier wird sehr schnell klar: mit dem Zufügen von Biomasse allein – beispielsweise in Form von Ernterückständen - ist es nicht getan. Diese bewirken zwar, dass der Boden seine Feuchtigkeit behält, die biochemische Umwandlung in Humus erfordert aber zusätzliche Nährstoffe. Denn: Im Vergleich zum Humus ist der Gehalt von N, P und Schwefel in den Rückständen stark abgereichert (Abbildung 3).

Abbildung 3. Es werden Nährstoffe gebraucht um Biomasse in Humus umzuwandeln

Ohne den Zusatz der Nährstoffe kann also keine Humusbildung erfolgen – der Kohlenstoff wird bloß als CO2 in die Atmosphäre abgeatmet.

Der Kohlenstoffkreislauf ist eng gekoppelt an die Kreisläufe von Wasser, Stickstoff, Phosphor und Schwefel.

Was kostet die Kohlenstoff-Sequestrierung?

Die Nährstoffe und damit die Kohlenstoff-Sequestrierung sind nicht gratis. Meine Schätzungen gehen dahin, dass der Gegenwert für die Speicherung von 1 t Kohlenstoff etwa 120 $ beträgt. Jemand muss also dafür zahlen. Da Landwirte der gesamten Gesellschaft nützen, wenn den atmosphärischen Kohlenstoff durch Sequestrierung reduzieren, müssen sie dafür entsprechend entschädigt werden.

Wir benötigen solide wissenschaftliche Daten

Die C-Sequestrierung setzt auch eine detaillierte Kenntnis des Kohlenstoffkreislaufs voraus. Dieser ist in groben Zügen in Abbildung 4 dargestellt: Abbildung 4. Der globale Kohlenstoffkreislauf – Kohlenstoffsenken und -emittenten (1Pg = 1Gt)

Der Kohlenstoffpool in der Atmosphäre beträgt zurzeit rund 840 Gt - Jährlich kommen 4 Gt aus der Verwendung fossiler Brennstoffe dazu und 1 Gt aus der Entwaldung. Die Photosynthese der Pflanzen entzieht CO2 der Atmosphäre und atmet die Hälfte davon wieder ab. Emissionen kommen auch aus den Böden, in denen (ohne Permafrostgebiete) etwa 4 000 Gt organischer Kohlenstoff gespeichert sind: Bodenatmung und beschleunigte Erosion führen zur Reduktion des organisch gebundenen Kohlenstoffs. (Aktuell wird der Verlust durch Erosion allerdings kaum diskutiert). Ein Teil des C im Boden geht auch in den Ozean, der das größte Kohlenstoffreservoir ist und Kohlenstoff ebenfalls emittiert.

Wir können dieses Geschehen modellieren, auch die Verweilzeit des Kohlenstoffs in den einzelnen Systemen berechnen – auf globaler Basis, auf nationaler Basis bis hin zur Verweilzeit auf einzelnen Landflächen (siehe Abbildung 4). Die Voraussetzung dazu: um die Modelle, die diesen Berechnungen zugrundeliegen, zu validieren, benötigen wir solide Daten, experimentell erhobene Daten.

Der Verlauf der Kohlenstoffanreicherung

Wenn Wälder oder Grasland in Ackerland umgewidmet werden, sinkt der Kohlenstoffgehalt im Boden auf etwa 50 % und wird durch Erosion weiter reduziert. Wird die Erosion unter Kontrolle gebracht, ist nach etwa 50 Jahren im gemäßigten Klima und nach vielleicht 10 Jahren im tropischen Klima (etwa in Nigeria) ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht. Wenn zu diesem Zeitpunkt Maßnahmen ergriffen werden –beispielsweise hinsichtlich der Ernterückstände -, so kann der C-Gehalt über Jahre hinweg wieder ansteigen bis ein neues Gleichgewicht erreicht ist, wobei der so erreichbare C-Gehalt aber niedriger ist als der ursprüngliche. Unter Einsatz weiterer Technologien – etwa Abdecken der Felder, Zugabe von Nährstoffen, Biokohle, Düngemitteln – kann vielleicht auch ein maximaler Kohlenstoffgehalt erreicht werden, der dem des Ausgangszustands entspricht, in manchen Fällen diesen sogar übertreffen kann. Der Unterschied zwischen Minimum und Maximum gibt die Kapazität des Bodens als Kohlenstoffsenke an.

Wie schnell die C-Anreicherung im Boden erfolgt, muss experimentell bestimmt werden. Und es muss auch herausgefunden werden, welche Verfahren sich dazu am besten eignen. Zur Anwendung können u.a. kommen: konservierender Ackerbau, Anwendung von Biokohle, Agrarforstwirtschaft, Aufforstung, Bekämpfung von Wüstenbildung, Wasserspeicherung, unterschiedliche Landwirtschaftssysteme. Es gibt kein einzelnes Verfahren, das für alle Böden der Erde (davon gibt es mehrere hunderttausende verschiedene Typen) taugt.

Für eine nachhaltige Bodenbewirtschaftung - 10 grundsätzliche Regeln

  • 1. Ursachen der Bodendegradation. Die Verschlechterung der Böden ist ein biophysikalischer Prozess, der ökonomische, soziale und politische Ursachen hat. Die Gefährdung der Böden liegt aber eher in dem „wie“ als in dem „was“ kultiviert wird.
  • 2. Verantwortung für die Böden und menschliches Leid. Bevor Menschen für ihre Böden verantworlich gemacht weden können, müssen zuerst ihre existenziellen Grundbedürfnisse gesichert sein.
  • 3. Nährstoffe, Kohlenstoff, Wasser. Ohne die Bodenqualität zu beeinträchtigen ist es unmöglich mehr dem Boden zu entnehmen als man eingesetzt hat. Nur, wenn das Entnommene – Kohlenstoff, Nährstoffe, Wasser - ersetzt wird, bleibt der Boden fruchtbar und lässt sich steuern.
  • 4. Marginalitätsprinzip. Schlechte Böden, die mit marginalem Einsatz bebaut werden, erbringen marginale Erträge und ein marginales Leben. Nur qualitativ gute Böden und gutes Saatgut erzielen gute Erträge und ermöglichen ein gutes Leben.
  • 5. Organische vs. mineralische Nährstoffe. Pflanzen können nicht unterscheiden ob Nitrate oder Phosphate aus Mineraldünger oder organischen Quellen stammen. Es ist eine Frage der Logistik – können wir auf 1 500 Mio ha jährlich 10 Tonnen Stallmist/Jauche aufbringen, transportieren? (Wenn ja, ist dies sicherlich die beste Lösung). Unsere Strategie muss lauten: mehr aus weniger zu erzeugen!
  • 6. Kohlenstoff im Boden und Treibhausgase. Es hat den gleichen Effekt auf das Klima ob nun CO2 aus dem organisch gebundenen Kohlenstoff der Böden emittiert wird oder ob es bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder der Trockenlegung von Mooren entsteht. Abhängig davon wie er bearbeitet wird, kann der Boden kann eine Quelle oder auch eine Senke von Treibhausgasen sein.
  • 7. Boden und Saatgut. Spitzensaatgut kann nur dort Erfolg haben, wo es unter optimalen Bedingungen wächst. Auch Spitzensorten können Wasser und Nährstoffe nicht aus jedem Boden (beispielsweise aus Felsen).
  • 8. Boden als Senke für atmosphärisches CO2 Böden sind integraler Bestandteil jeder Strategie zur Reduktion der Klimaerwärmung und zum Schutz der Umwelt.
  • 9. Motor der ökonomischen Entwicklung. Nachhaltige Bodenbearbeitung ist Motor der ökonomischen Entwicklung, der politischen Stabilität und des Wandels der Bevölkerung vor allem in den Entwicklungsländern.
  • 10. Moderne Innovationen - tradiertes Wissen. Nachhaltige Bodenbearbeitung bedeutet die Anwendung moderner Innovationen, die auf überliefertem Wissen beruhen. Wir können die Krankheiten von heute nicht mit der Medizin von gestern heilen – wir können aber auf dieser aufbauen!

Ausblick

Wenn ich nächstes Jahr die Präsidentschaft der International Union of Soil Sciences (IUSS) antrete, kommt die schwierige Aufgabe auf mich zu, einen Fahrplan für die Bodenwissenschaften im 21. Jahrhundert zu skizzieren.

Ich beginne also auf dieser Straße zu fahren und sehe ich meinen ersten Halt in der Periode 2015 – 2025. Welche Aufgaben kommen hier auf die Bodenwissenschaften zu? Ich denke es sind dies:

  • Nachhaltige Intensivierung der Produktivität
  • Steuerung des Phytobioms (d.i. alle Faktoren die Pflanzen beeinflussen oder von Pflanzen beeinflusst werden)
  • Entwicklung von Böden, die Pflanzenkrankheiten unterdrücken (sodass keine Pflanzenschutzmittel mehr nötig sind)
  • Urbane Landwirtschaft
  • Weltraum-Landwirtschaft (Versuche auf dem Mond oder Mars)
  • Sequestrierung von Kohlenstoff in Boden und Biosphäre (ich hoffe diese enorm wichtige Aufgabe wird bei der COP 21 Zustimmung finden)
  • Der Nexus Ansatz (die Sicherstellung von Wasser, Energie und Nahrung, die miteinander verknüpft sind).

Wenn ich auf dieser Straße weiterfahre, sehe ich für den nächsten Abschnitt in der Periode 2025 – 2050 weitere Herausforderungen:

  • Entwicklung einer Nährwert-bezogenen Landwirtschaft (wir müssen dem versteckten Hunger den Kampf ansagen, dem Mangel an Vitaminen und Mineralstoffen)
  • Auffinden von pharmazeutisch wirksamen Stoffen(der Großteil derartiger Substanzen sind Naturstoffe)
  • Herstellung synthetischer Böden und von
  • Böden aus extraterrestrischen Komponenten
  • Untersuchung von Bodenprozessen bei verringerter Schwerkraft
  • Bodenumwandlungen und Klimawandel

Als großes Ziel sollte eine Landwirtschaft mit Null Emissionen angestrebt werden.

*Rattan Lal; 27.11.2015 Boden - Der große Kohlenstoffspeicher **Prof. Rattan Lal hat seinen Vortrag „The Solutions Underfoot: The Power of Soil“ (gehalten am 2. November 2015 im Konferenzzentrum Laxenburg) freundlicherweise dem ScienceBlog zur Verfügung gestellt. Mit seinem Einverständnis wurde der Vortrag transkribiert, daraus eine deutsche Version geschaffen und diese geringfügig für den Blog adaptiert. Auf Grund der Länge des Artikels ist dieser in zwei Teilen erschienen (Teil 1 am 4. Dezember 2015). Ein Video-Mitschnitt des Vortrags kann abgerufen werden unter: https://www.youtube.com/watch?v=Uh0TwQyw37A&feature=youtu.be

Weiterführende Links

Artikel zum Thema „Boden“ im ScienceBlog:

inge Fri, 11.12.2015 - 10:28

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