terra preta - Stand der Forschung und Anwendungsbeispiele im Öko

Transcription

terra preta:
- Stand der Forschung und
Anwendungsbeispiele im ÖkoLandbau
Vortrag am 05.02.2015 zu den Tellower Vortragsveranstaltung 2015
Terra preta
Dipl. Ing. agr. Alfons-E. Krieger (MA)
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Gliederung des Vortrages
• Einleitung – und terra preta - was ist das?
• Entwicklung der Terra Preta Nova / Pflanzenkohlesubstraten
• Einsatzmöglichkeiten in der Umweltsanierung.
• Versuchsergebnisse mit Terra Preta Nova- / Pflanzenkohlesubstraten
und Erfahrungen im Obstanbau.
• Ökonomische Betrachtungen des Pflanzenkohlesubstrateeinsatzes
• Schliessung von Stoffströmen am Beispiel des Terra BoGa-Projektes
• Rechtliche Aspekte des Pflanzenkohleneinsatzes in der Landwirtschaft
• Verkohlungstechniken und Stabilität der Kohlen
• Kompostierung versus Fermentation/Silierung
• Zusammenfassung
Terra preta
IfN – Ingenieurbüro für Nachhaltigkeit; Ludwigsfelde
2
Zunehmende Probleme des Klimawandels
und der Anbausysteme
Quelle: DSV/Felgentreu 2008
Mais in Brandenburg 2008
Terra preta
3
Terra preta
Quelle: DSV/Felgentreu 2008 4
Gegenmaßnahmen
Neue Anbausysteme:
z. B. Direktsaat von Mais in
abgespritztes Grünland mit
Grünland-Untersaat
oder oberflächliche
Mulchschichten z. B. mit auch
mit org. Düngern (Kompost,
Pflanzenkohlesubstraten etc.)
hilft gegen Erosion
Weiterhin: ausgewogene Düngung mit
Kationen: Verhinderung von
Kaliumüberschüssen! ((Biogas-) Gülle!)
Terra preta
Quelle: DSV/Felgentreu 2008
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Terrestrische Anthropogene Böden
Kulturböden, Kultosole i. w. S., Bezeichnung für natürliche
Böden, die insbesondere durch die landwirtschaftliche Tätigkeit
des Menschen mehr oder weniger stark beeinflußt sind.
Anthropogene Böden, die in ihrem gesamten Profil durch den
Menschen künstlich geschaffen sind, werden auch als
anthropomorphe Böden bezeichnet, z. B. Plaggenesch,
Hortisol, Rigosol (Wein- Obstbauböden) und Treposol
(Tiefumbruchboden).
In der aktuellen Auflage 16. (2010) von Scheffer /
Schachtschnabel: Lehrbuch der Bodenkunde kein Hinweis auf
„Terra Preta do indio“;
Weiterhin: AfDE (African Dark Earth); „shifting cultivation“in
Australien an Siedlungsplätzen der Aborigines.
Nordische Schwarzerden (Nordic Dark Earth) ...
Terra preta
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Terra Preta in Deutschland?
Nordische Schwarzerden hier bei Lenzen
(Elbe; slavischer Siedlungsplatz)!
Terra preta
Quelle: Wiedner, K., et al., Anthropogenic Dark Earth in
Northern Germany — The Nordic Analogue to terra preta de
Índio in Amazonia, Catena (2014),
http://dx.doi.org/10.1016/j.catena.2014.10.024
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Nordische Schwarzerden bei Gerswalde /
Pfingstberg (Uckermark)
Foto: Alfons-E. Krieger
Terra preta
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Nordische Schwarzerden bei
Neubrandenburg
Terra preta
Foto: Alfons-E. Krieger
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Francisco de Orellana,
16. Jahrhundert
Terra preta
The secret of El Dorado, BBC, 2004
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Das Phänomen „Terra Preta do indio“
• Schwarze Erde der Indianer mit hoher Fruchtbarkeit
• Terra Preta (TP) ist anthropogenen Ursprungs bis 2 m mächtig
• Vor 500 bis ca. 7000 Jahren entstanden
• TP ermöglichte eine hoch entwickelte Zivilisation – trotz
extrem unfruchtbarer natürlicher Böden
(mind. 5 bis 6 Mio. Menschen, wahrscheinlich > 10 Mio.)
• Heute leben auf diesem Territorium etwa 350 000 Menschen
• etwa 10 % der Fläche Amazoniens an den Flüssen mit terra
preta bedeckt
• TP als System einer urbanen Waldgartenkultur auf Basis
eines intelligenten und nachhaltigen Stoffstrommanagements
• Trotz des Alters von mehreren tausend Jahren heute noch:
- hohe Fruchtbarkeit durch hohe Nährstoffgehalte die trotz hoher
Niederschläge (2500 mm/Jahr) nicht ausgewaschen wurden
- hohes Wasserspeichervermögen
- hohe Pufferkapazität
TP-Böden weisen einen deutlich reduzierten Abbau
organischer Biomasse auf – stattdessen Entstehung
von stabilen organischen Strukturen (Dauerhumus)!
Terra preta
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Foto: Bruno Glaser
Verbreitung der
Terra Preta do Indio
Glaser (2007)
Terra preta
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GEO, März 2009
Bodenprofile im Vergleich
Ferralsol/Oxisoils
Natürlicher Boden
des Amazonas
Terra preta
Terra Preta do indio
Terra Preta oberhalb
des natürlichen
Bodenhorizonts
Fotos: Alfons-E. Krieger
Auffällig:
viele Tonscherben
(8.000 bis
12.000 Gefäße/ha)
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Abb.: Bruno Glaser (2001)
Die besonderen Eigenschaften der Terra Preta
Terra preta wird vor Ort (Novo Airäo) kaum
beachtet und gewürdigt!
• Hohe Dauerhumusgehalte – hoher Anteil an stabiler organischer
Substanz neben einem Anteil leicht abbaubarer organischer
Bodensubstanz (OS)
• 3 x höhere Gehalte an stabiler OS als umliegende Böden (Glaser 2007)
• Höhere Qualität der OS: enthält höhere Mengen an Carboxyl-Gruppen und
aromatischen Strukturen (Zech et al., 1990; Cunha et al., 2009)
Terra preta
IfN – Ingenieurbüro für Nachhaltigkeit; Lichtenow
Dipl. Ing. agr. Alfons-E. Krieger
Foto: Alfons-E. Krieger 14
Die besonderen Eigenschaften der Terra
Preta
Zusammensetzung:
Holzkohle
(Pflanzenkohle/Biokohle),
Asche,
Pflanzenrückstände,
Knochen, Fischgräten,
Exkremente,
Tonscherben
Nährstoffreiche
organische
Abfälle
Terra preta
Mikrobielle Umsetzung
und Stabilisierung durch
Humifizierung und
Bildung von organomineralischen Komplexen
(besondere Rolle von Pilzen)
Biokohle/Pflanzenkohle
als zentraler Bestandteil
(Katalysatorwirkung?)
Pflanzenkohle
Mineralien
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inerter
Kohlenstoff
inerter
Kohlenstoff
Wasser
Terra Preta: effizientes
Verfahren zur Herstellung
von Ton-Humus-Komplexen
Terra preta
Quelle: Pieplow (2012)
inerter
Kohlenstoff
(Holzkohle) 16
Biokohle ist der Schlüssel
für die Terra-Preta-Genese
Terra preta
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Pflanzen- (Bio- ) Kohle ist der Schlüssel
für die Terra-Preta-Genese
Die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Terra Preta (Pflanzenkohle-) Substraten hängt von der regionalen
Verfügbarkeit von kostengünstiger Pflanzenkohle ab.
mögliche Verfahren zur Herstellung
von Pflanzenkohle:
- Holzkohle < 450 oC
50 % C in der Kohle
- Pyrolyse > 450 oC
25 % C in der Kohle
- Hydrothermale Carbonisierung (HTC)
90 % C in der „Naßkohle“
Terra preta
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HTC- (Nass-) Kohle weniger für
Landwirtschaftliche Nutzung
Verfahren hat noch recht großen Forschungsbedarf, obwohl das
Verfahren schon von Friedrich Bergius erforscht und erstmals im
Jahre 1911/1913 beschrieben.
• Problem mit den Begleitstoffen, die pflanzenunverträglich sein
können.
• Großes Interesse durch Abfallwirtschaft und
Energieindustrie (Energiekonzentration):
• AVA-CO2 Anlage in Karlsruhe weltweit erste Praxisanlage
• HTC-Anlage im Multibatchverfahren im Energiepark
Ostpommern
(Problem ist die Prozeßwasseraufbereitung = Achillesferse der
HTC-Anlagen)
Terra preta
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Abbaustabilität verschiedener Kohlen
Terra preta
Quelle: Kammann et. al. 2012
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Die neue Terra Preta – Ein Beitrag zum
nachhaltigen Klimaschutz
• Aufbau stabiler Ton-Humus-Komplexe und Einlagerung von Kohlenstoff (C) in
Böden und Substraten.
• Steigerung der Humusgehalte in Nutzböden auf 8 - 9 % möglich
(Durchschnittsböden 1,5 % Humus).
• Reduzierung der Dissimilationsleistung in Böden und Substraten.
• Reduzierung des Gesamtverlusts an organischer Biomasse.
• Zugabe organischer Biomasse auf Terra Preta behandelten Böden erhöht
organische Bodensubstanz und damit C-Gehalt.
• Steigerung der Bodenfruchtbarkeit führt zu verstärktem Entzug von
CO2 aus der Atmosphäre durch höhere Erträge.
• Pro ha Ackerland können mindestens 250 t C dauerhaft und wertschöpfend im
Boden gebunden werden.
• Jeder hergestellte m³ der neuen Terra Preta leistet einen Beitrag zum Klimaschutz!
Erhebliches CO2-Sequestrierungspotential durch Anwendung als
Bodenhilfsstoff oder als Kultursubstrat
Terra preta
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Ertragswirkung der
Pflanzenkohlesubstrate
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Was bewirkt Biokohle?
effiziente energetische Nutzung von Biomasse / verzögerter CAbbau labiler C-Verbindungen.
Als Zuschlagstoff zur Kompostierung (15 - 30 Volumen %) oder
auch zu Gülle, Gärrückstände um 20 – 30 % geringere N und CVerluste.
Ab 10 % Kohlezusatz: messbare Vorteile (Dunst (2012).
Durch Kombination mit 10 % Steinmehl + 20 % Kohle: Annäherung
der Mikrobiologie an Terra Preta (Dunst (2012).
Bodenverbesserung (Ertragssteigerung, Nährstoff- und
Wassernutzungs-Effizienz, Wasserinfiltration, Erosionsschutz).
C-Sequestrierung in Böden durch stabilere C-Verbindungen.
Bindung von Toxinen und Schwermetallen.
Förderung der Biodiversität und Biologische Aktivität im Boden.
Verminderung von Treibhausgas-Emissionen aus der
Quelle: verändert nach Kammann et. al. (2010)
Landwirtschaft.
Terra preta
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Ertragswirkung der
Wirkungsmechanismen
• Chemisch: verbesserte Nährstoff-Versorgung und pH-WertSteigerung durch Erhöhung der Kationen-AustauschKapazität).
• Physikalisch: verbesserte Wasserversorgung aufgrund der
erhöhten Wasserkapazität der Böden mit Biokohle (Holzkohle
kann etwa das 5 fache des Eigengewichtes an H2O speichern).
• Biologisch: gesteigerte mikrobielle Aktivität (NährstoffNachlieferung, Adsorption, Freisetzung) und Diversität (v. a.
in Terra preta nachgewiesen) sowie positive symbiotische
Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und
Pflanzen. So wurde beispielsweise eine gesteigerte N2Fixierung in Sojabohnen nachgewiesen, die auf BiocharBöden wuchsen.
Terra preta
Quelle: Kammann et. al. 2010
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Warum befinden sich in TP die Scherben unzähliger
Tongefäße?
Gefäße mit Fassungsvolumen von 200 – 300 Liter
• Teilweise Löcher in den Böden - zur Speicherung
von Flüssigkeiten und Lebensmitteln nicht geeignet!
Liegt hier möglicherweise ein wichtiges Indiz für
die Entstehung?
Toiletten/Abfallkonverter/Fermentationsgefässe?
Terra preta
Fotos: Peter Adler, : Neves 2010
Alfons-E. Krieger
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Hypothese der Entstehung von Terra Preta de Indio
Naturbeobachtung
Religion, Tabus und
Verhaltensregeln
Waldgarten / AgroForst-System
Holzkohle: Energiespeicherung,
Kochen, Hygiene
Kokos-, Paranüsse
Bananen, Papaya,
Mangos
Maniok,
Mais,
Bohnen
Lebens
mittelkonser
vierung
Quelle: Pieplow (2007)
Trennung von
Urin und Fäkalien
Terra preta
anaerobe Fermentation der
org. Reste in Tongefäßen
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regionales Stoffstrommanagement
landwirtschaftlicher Betrieb, Siedlung, Landkreis
holzartige organische
Substanz
inerter
Kohlenstoff (BC)
Fermentierung /
Kompostierung
Terra Preta
Substrat
leicht zersetzbare
organische Substanz
Optionale Nutzung von
Schwarzwasser,
Gelbwasser und
Grauwasser
Durch Terra Preta
könnten
ca. 20 % CO2 langfristig
der Atmosphäre entzogen
und im Boden
gespeichert werden!
Nachhaltiges Anbausystem
Quelle: geä. n. Pieplow (2007)
Terra preta
Biomasse: Ernährung, Rohstoffe, Energie, Klimatisierung
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Terra preta
Dipl.
Ing.
agr. Vortrag
Alfons-E.
KriegerKomposttag 2012
Quelle:
Glaser;
Hunsrücker
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2006/2007 die ersten Versuche
mit Sauerkraut, Grasschnitt,
Fäkalien und Holzkohle in
Brandenburg durch Dr. Haiko
Pieplow/Alfons-E. Krieger
Terra preta
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Anschließende Pflanzenversuche und
mikrobiologische Untersuchungen
Terra preta
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Vergleich eines PCR-Fingerprints zwischen einer Terra Preta do Indio (TP)
und eines Oxisols aus Amazonien
Terra preta
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Meine Erfahrungen in Rüdersdorf, OT Lichtenow, BB; MOL
vom 20-er Sandboden zur terra preta ...?
Terra preta
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Ab 2006: Erste eigene Feldversuche zur
Reproduktion von Terra preta in Brandenburg und
Rheinland Pfalz
Boxenherstellung
Flächenherstellung
Versuchspflanzung
Neben organischer Biomasse und Holzkohle spielen
biologische Bodenbildungsprozesse eine entscheidende Rolle!
Terra preta
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Fotos: Joachim Böttcher, Hengstbacherhof
Terra preta
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Fotos: Joachim Böttcher, Hengstbacherhof
Vegetationsversuche auf der Versuchsfläche
Hengstbacherhof
(Bewirtschaftung seit 2006: ohne Düngung und künstliche
Bewässerung)
Terra preta
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Fotos: Joachim Böttcher
Vegetationsversuche: Kartoffelernte 2008
Ertrag pro Pflanze zwischen 2,9 und 3,6 kg!
= theoretisch 120 t/ha! (Normalertrag 25 bis 35 t/ha unter ÖkoBedingungen und ohne Bewässerung)
Fazit: Die Welternährung wäre gesichert …
Terra preta
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Fotos: Joachim Böttcher
Herstellung und Untersuchung verschiedener
TPN-Substrate
• Im Rahmen einer Studie wurden am Hengstbacherhof 16 verschiedene Substrate mit
regional verfügbaren Inputstoffen in Rheinland-Pfalz hergestellt.
• Untersuchung gem. Gütegemeinschaft Kompost u. Gärsubstrate sowie zusätzlicher
Substrateigenschaften.
• Vergleich mit nativer TP (u. a. genetischer Fingerprint).
Ergebnis: die meisten Pflanzenkohlesubstrate erreichten und übertrafen
bei den Parametern Kationenaustauschkapazität, Wasserhaltefähigkeit und
Nährstoffgehalte (N,P,K) die native terra preta.
Mietenanlage
Terra preta
Fertige Substrate
Fotos: Joachim Böttcher 36
Weitere Untersuchungsergebnisse gemäß
Gütegemeinschaft Substrate für Pflanzenbau e.V.
Chemische Parameter:
Salzgehalte:
• zwischen 1,7 und 4 g/l FM (Richtwerte Gütegem. < 3 bzw. < 5 g/l FM)
• native TP 1,75 g/l FM
Hygiene Parameter:
Keimfähige Samen: teilweise nachweisbar (Grund: verwendete Holzkohle enthielt Samen)
Salmonellen:
negativ
Schwermetalle (mg/kg TM):
Blei:
11,1 - 22,3 (Richtwerte 150 mg/kg TM)
Cadmium: n. n. (Richtwerte 100 mg/kg TM)
Chrom:
Kupfer:
22,2 - 44,9 (Plausibilitätswerte)
Nickel:
Quecksilber: 0,09 – 0,3 (Richtwerte 1 mg/kg TM)
Zink:
79,5 – 132 (Plausibilitätswerte)
Genetische Fingerprintmethode:
Weitgehende Übereinstimmung der dominanten Stämme von Mikroorganismen und Pilzen
mit nativer Terra Preta!
Fazit: Die TPN-Substrate weisen sehr gute Substrateigenschaften auf
und erfüllen die Anforderungen der Gütegemeinschaft
Terra preta
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Prozeßablaufschema Palaterra-Terra Preta Nova-Herstellung
Grünschnitt &
Laub u. a.
OM
Fäkalien
Hackschnitzel
Pyrolyse
Biokohle
Urin,
Gülle,
GRS
Zerkleinern
&
Mischen
Wärme
Wärme
Belüftung
Austauschfilter (ATF)
Siebrückstände
Intensivrotte
Trocknung
Fermentation
&
Neutralisation
Ggf. Aufbereitung/
Siebung
Sickersaft
Klärwasser,
z. B. zur Beregnung
oder zur Reinigung in
Miscanthusbeete
Terra preta
Impfkulturen
Impfkulturen
Terra Preta Nova-Substrat
(Palaterra)
div. Zuschlagstoffe
(Kalk, Bims u.a.)
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ggf. Vererdungsprozess
Produktionsanlage Hengstbacherhof
Draufsicht
Längsschnitt
Ansicht Süd
Terra preta
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Produktionsanlage Hengstbacherhof
Terra preta
Produktionsbeginn: Herbst 2010
Foto: Alfons-E. Krieger 40
Pflanzenkohlesubstratherstellung in mühseliger Kleinarbeit
für Versuchszwecke in der Umweltsanierung 2007 / 2008
Terra preta
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Weitere Anwendungsgebiete in der Umweltsanierung als Pr
der CDM Consult GmbH im Jahr 2008
Container mit Reaktoren zur Wasserreinigung bei Tanne / ClausthalZellerfeld
Terra preta mit Terra preta nova Substrat (Huminstoff) – Reaktor zur
Eliminierung von TNT-Metaboliten
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2 Reaktoren mit Eisenspänen
2 Reaktoren mit
Terra preta novaSubstrat
Projektleiter André Dahn in der Versuchsanlage zur
Wasserreinigung in Tanne / Clausthal-Zellerfeld 2008
Terra preta
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Terra preta
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Vegetationsversuche
Gefäßversuch des ZALF Müncheberg mit verschieden hergestellten TPN /
Pflanzenkohle-Substraten mit Mais 2009 und Winterroggen 2009/2010 und
Mais in 2011 und Erdbeeren in 2012
Terra preta
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Terra preta nova – Herstellung 2008 in Krümmel / MVP
Terra preta
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Terra preta nova – Düngung bei Winterroggen
11.04.2009 in Rüdersdorf, OT Lichtenow
ohne Düngung
• Doppeltes Wachstum!
• und kein Mehltau etc.
Vorn links mit Terra preta - Substrat aus Krümmel mit
Hühnerkot
Terra preta
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Vegetationsversuche
Feldversuch beim Ingenieurbüro für Nachhaltigkeit mit
Winterroggen am 11.04.2009
ca. 25 cm
Wuchshöhe bei
Ökoroggen auf dem
benachbarten
Kirchacker mit frühen
Saattermin
Terra preta
ca. 30 cm trotz
späterer Saat auf
dem Versuchsfeld
ohne Terra Preta
Nova
ca. 55 cm trotz späterer
Saat (3 Wochen später)
auf dem Versuchsfeld
mit Terra Preta Nova
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Vegetationsversuche
Aprikosensämlinge April bis Oktober 2010:
1,40 m Zuwachs im Ansaatjahr!!
bei sehr kalten Mai und 6 mm Niederschlag im
Juni und 59 mm im Juli 2010 auf armen
Sandboden mit etwa 20 Bodenpunkten
Terra preta
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Vegetationsversuche
Studentische Versuche der FH Eberswalde (jetzt: HNEE) mit Terra Preta NovaSubstrat in der Bildungseinrichtung Buckow e.V. im Jahr 2009 mit
Salaten, Kohlrabi, Dill, Sellerie, Tomaten und Gurken
mit Terra preta Substrat aus Krümmel
Terra preta
ohne Terra preta
Substrat aus Krümmel
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Vegetationsversuche
Studentische Versuche der FH Eberswalde (jetzt HNEE) mit Terra Preta Nova
- Substrat 2009 bei Lollo blanco u. a. – eine Woche frühere Ernte!
mit Terra Preta Nova-Substrat
aus Krümmel
Terra preta
ohne Terra Preta NovaSubstrat aus Krümmel
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Vegetationsversuche
Studentische Versuche der FH Eberswalde mit Terra Preta Nova - Substrat 2009
Terra preta
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Vegetationsversuche
Terra preta
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Vegetationsversuche
Terra preta
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Vegetationsversuche
Terra preta
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Ertragswirkung der
Welche Ertragssteigerungen werden bei schlechten Böden
geschätzt?
• Nach mehreren Anwendungen zur jährlichen Düngung
bevorzugt im Frühjahr: 10 %.
• Nach 5 Jahren Anwendung sind 15 % Ertragssteigerungen
dauerhaft möglich.
• Nach 10 Jahren Anwendung sind 20 - 30 %
Ertragssteigerungen dauerhaft möglich.
Insbesondere auf Böden mit minderen Bonitäten ist der
Pflanzenkohlesubstrat-Einsatz sinnvoll und die
Ertragseffekte zu erwarten.
Terra preta
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Ertragswirkung der
Pflanzenkohlesubstrate Gefäßversuch mit
Hafer im Gewächshaus Uni Halle
Sandiger Boden
Lehmiger Boden
Schlussfolgerung: unter den gegebenen Bedingungen kann man
mit steigenden Mengen an Pflanzenkohle und Kompost den
Ertrag insbesondere auf dem sandigen Boden enorm steigern.
Quelle: Schulz, H., Dunst, G., Glaser, B. (2012): Interactive biochar and compost effects on plant growth and
properties of sandy and loamy substrates, Agronomy for Sustainable Development, submitted
Terra preta
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Feldversuch Uni Halle bei Seelow / BB
Herbert Mietke: „Wir haben …die
Humusvorräte um den Faktor drei erhöhen
können. .. Wir konnten die Erträge um 40
Prozent steigern und wir haben die
Wasserspeicherung um den Faktor zwei
gesteigert. Das wird in trockenen Jahren
dann zum Tragen kommen."
Quelle: Glaser; Vortrag Hunsrücker Komposttag 2012
Maren Schibilsky 2011
Terra preta
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Feldversuch Uni Halle bei Seelow
Quelle: Glaser; Vortrag Hunsrücker Komposttag 2012
Terra preta
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Ertragswirkung der Pflanzenkohlesubstrate
Pflanzenwachstum 2009, 2010 und 2011
Quelle: Glaser, unveröffentlicht;
Vortrag Hunsrücker Komposttag 2012
Terra preta
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Pflanzenkohleaktivierung
Terra preta
Quelle: Glaser, unveröffentlicht;
Vortrag Hunsrücker Komposttag 2012
61
Pflanzenkohleaktivierung
• Über das Tierfutter in die Mischration oder zur Silierung
(z.B. Botulismustherapie)
• Über die Einstreu oder in Güllekanäle, Gülle- ,
Biogasgärrückstandsspeicher (Verminderung von NVerlusten (NH3), weniger CH4 und Geruchs-Emissionen)
auch in Verbindung mit Gesteinsmehlen und
Milchsäurebakterien
• und Zuschlagstoff in der Kompostierung
• Zuschlagstoff in Fermentation (Stapelmist,
Palaterratechnologie)
• Carbondünger (Mischung mit N und P-haltigen
Mineraldüngern Ammonphosphat, ASS etc.)
• Über den Bodenhumusaufbau (langfristiger Prozess)
Terra preta
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Ertragswirkung der Pflanzenkohlesubstrate
(„gealtert“/“beladen“ - Fallstudie Uni Gießen
Msc cand. Messerschmidt, N. (2012)
Terra preta
Quelle: Kammann (2012)
Hunsrücker Komposttag
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Wissenschaftliche Auswertung von fast 800 Publikationen zur
Ertragswirkung von Pflanzenkohlen
Statistisch signifikanter Ertragszuwachs von 10 % bei Zugabe von Pflanzenkohle.
Metastudie aus 782 weltweit veröffentlichten Versuchen. (Jeffery 2011)
Terra preta
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Pflanzenkohle in Kleingärten - Aktion des Delinat-Institutes
– Resultate von 2010 und 2011
Gesamtbilanz aller 144 Versuche
Terra preta
Quelle: Schmidt, H.-P. & Niggli, C.: 2012
65
Ertragsdifferenzen nach Versuchsdauer
Terra preta
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Terra preta
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Ertragssteigerungen nach Pflanzenfamilien im Vergleich zum Mittelwert über
alle 144 Versuche.
Terra preta
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Quelle: Schmidt, H.-P. & Nig
Ökonomie der Terra Preta nova / Pflanzenkohlesubstrat
-Anwendung
Mehrwertberechnung der Pflanzenkohlesubstrate:
• Nährstoffwert: ähnlich wie bei Kompost bei min. NPK und Ca:
10 – 15 € / Kubikmeter Substrat.
• im Ökologischen Landbau 20 – 25 € / Kubikmeter Substrat.
• Humuswert (Ersatzwert für Strohdüngung oder Kosten einer
Zwischenfruchtgründüngung (0,2 €/kg Humus-C als
Alternative zum Ackergrasanbau):
10 - 15 € / Kubikmeter Substrat.
• + Mehrwert durch dauerhafte Mehrerträge durch den
„Terra preta – Effekt“ und geringere C-und N-Verluste bei
der Kompostierung und weniger Treibhausgase und CSequestrierung
Terra preta
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-Anwendung
Mehrwertansätze des Palaterrasubstrates Ökowinterweizen:
Ertragsniveau: 40 dt/ha
Marktwert: 35 Euro/dt:
8 dt Mehrertrag (20 %) entspricht 280 €/ha Mehrerlös.
Bei max. Aufwandmengen von durchschnittlich 30
Kubikmeter/ha/a (Grenzwert wegen Bioabfallverordnung) und
angenommenen Kosten für Palaterra 3 + Transport und
Ausbringung von 100 Euro/cbm sind das Kosten von 3 000 €/ha.
Abzüglich Nährstoffwert: 30 cbm * 25 €/qm = 750 €/ha
Humuswert: 30 qm * 15 €/qm = 450 €/ha
+ Mehrertrag von 20 %: 280 €/ha
Nutzen: 1480 €/ha/a versus Kosten von 3000 €/ha/a
Terra preta
70
-Anwendung
Mehrwertansätze des Pflanzenkohlesubstrates Ökokartoffeln:
Ertragsniveau: 200 dt/ha marktfähige Ware
Marktwert: 50 Euro/dt
40 dt Mehrertrag (20 %) entspricht 2000 €/ha Mehrerlös.
Bei max. Aufwandmengen von durchschnittlich 30
Kubikmeter/ha/a (Grenzwert wegen Bioabfallverordnung) und
angenommenen Kosten für Palaterra 3 + Transport und
Ausbringung von 100 Euro/cbm sind das Kosten von 3 000 €/ha.
Abzüglich Nährstoffwert: 30 cbm * 25 €/qm = 750 €/ha
Humuswert: 30 qm * 15 €/qm = 450 €/ha
+ Mehrertrag von 20 %: 2000 €/ha
Nutzen: 3100 €/ha/a versus Kosten von 3000 €/ha/a
Terra preta
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Bevorzugte Anwendungsgebiete für
Pflanzenkohlesubstrate/ Terra Preta nova
• Ökologischer Obst- Gemüsebau und Landbau, da hier
Einschränkungen bei den Betriebsmitteln insbesondere
bei der bedarfsgerechten Nährstoffversorgung bestehen.
Terra preta Substrate passen sehr gut in dieses
System, da über die Substrate die Nährstoffe zugeführt
werden und das Speicherungsvermögen für Nährstoffe
und Wasser stetig verbessert werden können.
• Weiterhin können durch die suppressive Wirkungen
der organischen Bestandteile der TP-Substrate die
Pflanzengesundheit gestärkt werden (induzierte
Resistenz)
Terra preta
72
Bevorzugte Anwendungsgebiete für Terra Preta nova
• Grenzertragsböden (die sandigen Böden Norddeutschlands
oder geringmächtige Böden der Gebirgslagen).
•
Terra Preta nova passt sehr gut in dieses System, da
über die Substrate die Nährstoffe zugeführt werden und das
Speicherungsvermögen für Nährstoffe und Wasser
stetig verbessert werden kann.
• Kulturen mit hohen Deckungsbeitrag (Obst- und
Gemüsebau, Hopfen, Spargel, Kartoffel)!
• Problemstandorte und Bodenmüdigkeit.
• Konversationsflächen (ehem. Militärgelände).
• schadstoffbelastete Flächen sanieren.
Terra preta
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Schwärtzel‘s innovativen Anbauversuche in
Müncheberg – „antiaging Technologie“
begann mit „Trogkultur“ und wechselte dann zur „Waldspreukultur“!
Das Substrat ernährt die Bäume und nicht der Mineraldünger direkt die Pflanze
„klassisch“
„Trogkultur“
„klassisch“
„Waldspreukultur“
Hackschnitzel
Terra preta nova
0,6 m
0,6 m 1,2 m
Pflanzbereich mit Spatenmaschine rigolen!
Bohrloch
Bis 30 % Mehrertrag bei Kirschen und 20 % Mehrertrag bei Birnen möglich
(beim Bundesbirnenversuch 2010)
Terra preta
Bodenmüdigkeit ist kein Thema mehr!
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Schwärtzel‘s innovativen Anbauversuche in
Müncheberg
Terra preta
Oben 60 – 80 l Kiefernsägespäne/lfm.
Unten ca. 10 – 20 l
Pflanzenkohlensubstrat/lfm.
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TerraBoGa – Pilotprojekt zur Herstellung von Terra Preta
nova im Botanischen Garten Berlin
Schließung von Kreisläufen durch Energie- und Stoffstrommanagement bei Nutzung
der Terra-Preta-Technologie im Botanischen Garten im Hinblick auf
Ressourceneffizienz und Klimaschutz – Modellprojekt Urban farming
Terra preta
Quelle: Stevens 2010
76
Stoffströme im Botanischen Garten Berlin
Terra preta
Quelle: Stevens 2010
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Angestrebte Verwertung der bisher entsorgten oder teilweise ineffizient genutzten organischen
Reststoffen
Terra preta
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Abfallströme intelligent nutzen durch vielseitige
Kaskaden-Nutzung
Klimafarming nach dem Motto „photosynthesize - carbonize".
Hans-Peter Schmidt, Delinat Institut, CH-Ayent
„Compost the best and carbonize the rest!“
Dr. Claudia Kammann, Gießen
Angestrebte Verwertung der bisher entsorgten oder teilweise ineffizient genutzten organischen
Reststoffen
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Jatznik / MVP
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Umsatz von organischer Substanz bei der Kompostierung
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Schema der Urinsammlung mit wasserlosen Urinalen, Vorratsbehälter, Pumpe, Bag-in-BoxSystem (IBC-Behälter Inliner) und Sammelfass
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Urinsammlung (vgl. schematische Darstellung) und auffaltbares Bag-in-Box-System
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N-Sperre durch Kohle?
Test der Pflanzenverträglichkeit mit Chinakohl
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Kressetest (Phytotoxische Gase)
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Zweikammergefäß mit eingesetzten Würmern
Terra preta
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100
Quelle: Abaecherli; Vortrag Hunsrücker Komposttag 2012
Terra preta
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Europäisches Pflanzenkohlenzertifikat
Quelle: Glaser, Vortrag Hunsrücker Komposttag 2012
Terra preta
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Zulässigkeit des Einsatzes von Pflanzenkohlen
in der Landwirtschaft
• Laut Düngemittelverordnung ist der Einsatz von „Holzkohle“
aus unbehandelten Holz zulässig.
• Es sollten die Grenzwerte aus der Bioabfall-VO eingehalten
werden.
• Problem bei der Karbonisierung aus Stroh / Miscanthus u. ä.
• Naßkohlen aus der HTC sind nur mit Sondergenehmigung
einsetzbar.
• In der EU-Öko-VO ist unbehandeltes Holz und Asche aus
unbehandeltes Holz zulässig; der Begriff Holzkohle oder
Kohle fehlt -> ggf. Ausnahmegenehmigungspflichtig.
Terra preta
104
Interessanter Ausblick!
Quelle: Flur & Furch
Terra preta
105
Mikrobielle Karbonisierung
MC-Carbon – ZIM-Kooperationsprojekt über die mikrobielle Karbonisierung
organischer Reststoffe
Projekt der Hochschule Harz, Wernigerode
Hohe Bestockungsraten und
höhere Erträge ohne
Mineraldüngung bei
Winterweizen (4 Jahre); keine
Auswaschung des Düngers!
Terra preta
Nach der mikrobiellen Karbonisierung –
Weichbraunkohleeigenschaften!
Kaum Kohlenstoff- und Nährstoffverluste bei
der Kompostierung, kein wenden nötig!
Fotos: W. Witte und Krieger
106
Fazit:
• Durch regionales Stoffstrommanagement und der Karbonisierung von geeigneten
Teilströmen der organischen Stoffe ist eine langfristige Speicherung von
Kohlenstoff in Böden und eine nachhaltige hohe Flächenproduktivität /
Wertschöpfung möglich.
• Pflanzenkohlesubstrate helfen bei der Stabilisierung der Erträge insbesondere
leichterer Böden, Erhöhen die Wasserspeicherfähigkeit und Nährstoffeffizienz und
mindern die Entstehung von Treibhausgasen und sind für den ökologischen
Landbau geeignet.
• Auf Grund der besonderen Eigenschaften von Pflanzenkohlen (-substraten) können
auch Grenzertragsböden und ggf. kontaminierte Böden / Konversionsflächen
nutzbar gemacht werden.
• Es gibt noch erheblichen Forschung- und Entwicklungsbedarf
insbesondere zu: - Wirkungsmechanismen der Terra Preta-Entstehung,
- Qualitätssicherung / Gefahrenpotentiale der
Pflanzenkohle und Terra-Preta – Substrate,
- Wirkung auf die einzelnen Pflanzenarten,
- wirtschaftlichen Anwendung u. a Dauerdüngungsversuche und
- wirtschaftliche Kleinpyrolyseanlagen die „saubere“ Kohle
produzieren.
• aus der Terra-Preta-Forschung gehen wichtige Impulse für eine erfolgreiche
Anpassungsstrategie an den Klimawandel aus.
Terra preta
107
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Terra preta
108
Zusätzliche Folien:
Terra preta
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Schottdorf-Meiler (250 kW/h therm.)
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PYREG-Reaktor mit FLOX-Brenner
Terra preta
114
PYREG-Reaktor mit FLOX-Brenner
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Technische Daten
Brennstoffleistung: 100 bis zu 500 kW pro Anlage
Brennstoffdurchsatz: 40-180 kg/h, bis zu 1200 t/Jahr (Trockensubstanz,
brennstoffabhängig)
Entsorgungsleistung (Klärschlamm) bis zu 40.000 Einwohnergleichwerte pro
Anlage
Betriebsgrenzwerte: Heizwert > 10 MJ/kg, Feuchte < 100 %, Partikelgrösse < 30
mm
Pflanzenkohle-Produktion: bis zu 40 kg/h - 350 t/Jahr. (brennstoffabhängig)
Heizwärmeleistung: bis zu 150 kW Abgaswärme. (brennstoffabhängig)
Leistungsaufnahme: ca. 5 kWel
Gewicht ca. 10 t
Abmessungen: Einbau in 20 Fuß ISO-Containerplattform (ca. 8 m x 2,5 m x 2,5 m)
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Mobile Pyrolyseanlage von BIG (Australien)
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Kompost
Biokohle
Organische
Substanz
Habitat &
NahrungsQuelle für
Biota
Langzeitstabilität
Bodenverbesserung Wasser- &
Habitat
Nährstoffnutzungseffizienz
Dünger
Hygienisierung
Höhere Biomasseerträge
Synergistische Effekte?
118
Terra preta
118
– Experimentelles Design
Ausgangsmaterial
Verunreinigungen
Grünschnitt
Endproduk
Biokohle
Hinzugabe
Pferdemist
Streu
Aussortierung
Bioabfälle
Homogenisierung
Kompostierung/
Fermentation
Klärschlamm
Urin
Siebrückstände
Lehmiger
Sand
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Holzasche
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Reifer
Kompost
 min. / max. Biokohlemenge
 Zeitpunkt der Biokohlezugabe
 Kompostierung vs Fermentation
 Bedeutung der org. Ausgangsstoffe
119
– Chemische Analysen
1) Elementaranalyse: C, H, N, O
- Elementaranalysator (Vario EL,
Elementar Analysen-systeme GmbH,
Hanau, Germany);
- Eurovector (EA) gekoppelt mit einem
Delta V Advantage IsotopenverhältnisMassenspektrometer (IR-MS) über ein
Conflow III interface)
Foto: D. Fischer
Foto: GeoPalaeontologie,
Uni Münster
2) Anorg. Gesamtkohlenstoffgehalt (TIC)
analysiert mittels Ströhlein-CMAT 550
120
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120
Black Carbon Analyse
Hydrolyse
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Oxidation
Clean-up
Gefriertrocknung
Derivatisierung
GC-FID
Fotos: D. Fischer
121
Ergebnisse: Elementaranalyse - Van Krevelen Diagramm
Quelle: Meunier 1962; IFRF 1999-2011,
modifiziert
122
Terra preta
122
Zonierung Biomassezentrum auf
Grenzertragsböden:
Übergangszone und potentielle Erweiterungszone
für Intensivzone
Intensivzone/Kernzone:
Bewässerung und
Wirtschaftszentrum:
ca. 5 km
(BGA, GSLager, TP /
Pyrolyse,
Gärrestspeicher
Terra preta – Aufbau (ca. 500 ha)
Fremde Flächen,
Landschaftselemente, Wald
Extensivzone mit
Extensivfruchtfolge
Extensivzone mit
Agrarholz (KUP)
Terra preta
Flächenanspruch: 1000 bis 2000 ha je nach Bodengüte
und Stand des Bodenaufbaus
(bei um die 20 BP sind zu Beginn sogar bis zu 2000 ha
nötig, um 30 T t Biomasse/a zu erzeugen.
Konzept Ökologischer Biomasseenergiehof
123
Terra preta
124
Johannes Lehmann: NATURE, Vol 447, 10. May 2007, S. 143-144
10 t CO2
pro
Kopf
und
Jahr
2,7 t C
2,7 t BC
CO2-Gleichgewicht
durch Terra Preta:
 5 kg
Pflanzenkohle/m2
> 9 % Humus,
540 m2 Gartenland,
ca. 4 cm Auflage
TP-Substrat

Terra preta
10 kg
Pflanzenkohle/m2
> 18 % Humus,
270 m2 Gartenland,
ca. 8 cm Auflage
125
TP-Substrat
Terra preta
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Lineares Abwassersystem - Schwemmkanalisation
Terra preta
127
Quelle: Otterpohl, 2007
Terra preta
128
Grauwasser
25.000 -100.000
Jährliche Menge
kg/(P*Jahr)
~ 10 %
~ 10 %
~ 87
%
~50 %
~ 34 %
~ 54 %
~ 12 %
~ 41 %
~ 12 %
~ 47 %
N
~ 4-5
~3 %
P
~ 0,75
K
~ 1,8
COD ~
30
an Spülwasser
kann eingespart werden
6.000 - 25.000
Fäkalien
~ 50
Urin
(Option:
~ 500
Bioabfall
zufügen)
S, Ca, Mg und Spuren- Behandlung
elemente
Wiederverwendung /
Terra preta
Wasserrecycling
~ 40 %
Behandlung Biogasanlage
Kompostierung
Dünger
Bodenverbesserer
129
Geigy, Wiss. Tabellen, Basel 1981, Vol. 1, LARSEN and GUJER 1996, FITSCHEN and HAHN 1998
Nahrung,
Rohstoffe,
Energie
CO2
Terra preta
CH4
130
• Humusgehalt von natürl. Habitaten; Wald/Wiese:
8 % Corg %
• Humusgehalt von Terra Preta:
über 13 % Corg
Humusgehalt v. intensiv genutzten Ackerböden:
1,0 – 2,0 % Corg ansonsten 4 %
• Humusakkumulation verläuft bei guter
fachlicher Praxis sehr langsam:
0,017 - 0,023 % Corg pro Jahr
• 1 % mehr Corg im Oberboden:
• dauert 40 - 60 Jahre
• Bei Verlust von 0,1 % Humus werden
25 t CO2 je ha freigesetzt
Quelle: Mückenhausen, 1993; Bechtold; Raggam u. a.
Terra preta
131
Abbauwege der Organischen Substanz und
die Kohlenstoffeffizienz (CE)
aerobe Atmung (mineralisieren)
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
Energiegehalt: 3240 kJ/mol
(CE = 0):
schnell freiwerdende Energie
Freiwerdende Energie: 2875 kJ/mol
anaerobe Abbau (faulen)
(CE = 0,5):
C6H12O6
3 CH4 + 3 CO2 (40 Grd. und 21 d)
langsam freiwerdende Energie
hydrothermale Karbonisierung (HTC)
(CE = 0,9 - 1):
C6H12O6
3 C6H2O + 5 H2O + etw. CO2 (200 Grd. u. 12 h)
sehr schnell freiwerdende Energie
alkoholische Gärung
C6H12O6
2 C2H5OH. + 2 CO2
Freiwerdende Energie: 2135 - 2300 kJ/mol
(CE = 0,66):
Milchsäuregärung z. B. heterofermentativ (konservieren)
(CE = 0,8) ca. 30 Grd. und 21 d):
C6H12O6
CH3-CH(OH)-COOH + C2H5OH o. Essigsäure
u. a.Terra
+ CO
preta 2
132
Quelle: verändert nach M. Antonietti, 2006; H.-J. Lehmann 2008
Hydrothermale Karbonisierung
Terra preta
M. Antonietti, 2006
Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung Potsdam
133

terra preta - Stand der Forschung und Anwendungsbeispiele im Öko

Transcription

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