Biokohle in Böden –Segen oder Gefahr? · -Name "Amazonas": …er hatte angeblich "Amazonen"...

BiokohleBiokohle in in BBöödenden –– SegenSegen oderoder GefahrGefahr??HintergrundHintergrund, , aktuelleraktueller ForschungsstandForschungsstand und und eigeneeigene ErgebnisseErgebnisse

Claudia KammannClaudia Kammann

Institut für Pflanzenökollogie, Justus-Liebig University Gießen, Germany

Chemnitz, 17. Juni 2011

Ferralsol & Terra Preta,

© B. Glaser

NN

++

CC

????Feldversuch Gießen

© J. Senkbeil

COCO22NN22OO

CHCH44

Abb. TS.2, IPCC 2007

THG: Die letzten 20.000 Jahre


GWP 298GWP 298GWP 1GWP 1

GWP 25GWP 25

thawingthawing permaforstpermaforst: CH: CH44, CO, CO22

KKöörner, 2003: "rner, 2003: "SlowSlow in in –– rapid out"rapid out". Carbon flux studies

and Kyoto targets, Science 300, 1242-1243

Positive Feedback-Mechanismen

Beschleunigung der Globalen Erwärmung





Britisch Columbia, Britisch Columbia, barkbark beetlebeetle destroyeddestroyed Mio. haMio. ha







Britisch Columbia, Britisch Columbia, barkbark beetlebeetle destroyeddestroyed Mio. haMio. ha

N2O

em

issio

n s

um

(k

g N

ha

-1)

0

5

10

15

20

25

30

CO

2 e

qu

iva

len

ts (

t h

a-1

)

0

2

4

6

8

10

12

14

ambient CO2 elevated CO

2

100%

221%

N-fertilization

Vegetative growth

Off-season

Kammann et al. 2008, SBB 40




Vorkommen von ADE- (TP-) soilsFerralsol

(Oxisol)

Antroposol

(Terra Preta)

©© B. GlaserB. Glaser ©© B. GlaserB. Glaser

Francisco de Orellana (* 1511 - † 1546)

- erster Europäer, der die Amazonas-Region bereiste (Rio Negro)

- Name "Amazonas": …er hatte angeblich "Amazonen" gesichtet

Terra preta: Geschichte, Vorkommen


Terra Preta mit (gealtertem) biochar: wie alles begann….

• Increased soil nutrients (NPK), CEC, pH (Glaser 2001; Steiner et al., 2003)

• Improved WHC (Bsp. Glaser 2002), aeration or porosity (BD; Bsp. Oguntunde et al. 2005)

• Soil microbes: higher diversity (+25%, Kim et al. 2007; O'Neill et al. 2009), larger microbial

biomass and respiratory efficiency (e.g. Steiner et al. 2003, 2007)

�Increased SOC stocks in addition to the black carbon

Recent biochar studies: limited number of publications (many: tropics)

• Positive effects on crop yield…

a)…with moderate fertilization (N, N-P-K, or organic) or with nutrient-rich BC

b)…on poor, degraded soils (sand > clay)(eg. Oguntunde et al. 2004; Chan et al. 2007, 2008; Steiner et al. 2008; Rondon et al. 2007,

Kimetu et al. 2008; Blackwell et al. 2010, Solaiman et al. 2010…..)

• Negative effects on crop yield without fertilization; BC application too low….(?)

Biochar? – Basierend auf TP Wissen

Terra Preta mit (gealtertem) biochar: wie alles begann….

• Increased soil nutrients (NPK), CEC, pH (Glaser 2001; Steiner et al., 2003)

• Improved WHC (Bsp. Glaser 2002), aeration or porosity (BD; Bsp. Oguntunde et al. 2005)

• Soil microbes: higher diversity (+25%, Kim et al. 2007; O'Neill et al. 2009), larger microbial

biomass and respiratory efficiency (e.g. Steiner et al. 2003, 2007)

�Increased SOC stocks in addition to the black carbon

Recent biochar studies: limited number of publications (many: tropics)

• Positive effects on crop yield…

a)…with moderate fertilization (N, N-P-K, or organic) or with nutrient-rich BC

b)…on poor, degraded soils (sand > clay)(eg. Oguntunde et al. 2004; Chan et al. 2007, 2008; Steiner et al. 2008; Rondon et al. 2007,

Kimetu et al. 2008; Blackwell et al. 2010, Solaiman et al. 2010…..)

• Negative effects on crop yield without fertilization; BC application too low….(?)

????(chernozem)(chernozem)

IRRI field trials with biochar© Koyro & Linsel

Biochar? – Basierend auf TP Wissen

Mit steigender Mit steigender TempTemp.:.:

• C -Ausbeute sinkt

• Innere Oberfl. steigt

• pH – Wert steigt

• KAK steigt

Figure 5 aus: Lehmann, 2007 (Front. Ecol. Environ.)

Alterung: Oxidation der Biochar-Oberflächen

� KAK steigt (Cheng et al. 2006)

© Koyro & Linsel(peanut hull biochar, EPRIDA, USA)

Biochar ist nicht gleich Biochar!


Biochar Biochar ≈≈ Holzkohle (Koks)Holzkohle (Koks)•"dry pyrolysis"

•~über 400°C

•Hoch-aromatischer C

•+/- stabil

•MRT ~2000 Jahre(Kuzyakov et al. 2009)

"Hydrochar" ~ Braunkohle"Hydrochar" ~ Braunkohle•Hydrothermale Carbonisierung

•up to ~250°C, ~25 bar

•weniger aromatische Strukturen

•Weniger stabil

•MRT 4-29 Jahre (Steinbeiss et al. 2009)

Prototype, 100 kWth

Durchsatz: ca. 40 kg/h (DM)ca. 120 kg/h (DM)

Review Biochar vs Hydrochar: Libra, Ro, Kammann et al., 2011, Biofuels

Biochar ≠ HTC-Biokohle!


????

Biokohle – eine

win-win-win

Strategie…?

COCO22--negativenegativeenergyenergy

generationgeneration

SoilSoilimprovementimprovement,,YieldYield increaseincrease

CC--SequestrationSequestrationGHG emission

reduction

Die Biokohle-Hoffnungen…


Biokohle: Fragen und Mechanismen


1. Toxizität: Kann man alle Biokohlen unbedenklich in Böden

einbringen?

2.2. ErtrErträägege: Bewirkt Biokohle: Bewirkt Biokohle--Applikation immer eine Applikation immer eine

Ertragsteigerung?Ertragsteigerung?

3.3. FunktionsprinzipFunktionsprinzip: Welche Mechanismen verbergen sich : Welche Mechanismen verbergen sich

hinter positiven Wirkungen?hinter positiven Wirkungen?

4.4. THGTHG--EmissionenEmissionen: Kann man die THG: Kann man die THG--Emissionen Emissionen

reduzieren?reduzieren?

5.5. CC--SequestrierungSequestrierung: Wie stabil ist der Biokohle: Wie stabil ist der Biokohle--Kohlenstoff Kohlenstoff

wirklich langfristig?wirklich langfristig?

1. Toxizität: Testverfahren


1. Toxizität: Kann man alle Biokohlen unbedenklich in Böden

einbringen?

Vier Testverfahren (Kompostgüte; ISO kontaminierte Böden)

a) Kressekeimung (phytotoxische Gase)

b) Salatkeimung (ISO-17126)

c) Gerstetest (Keimung und Wachstum) � Erweiterung

d) Regenwurmvermeidungstest (ISO-17512-1)

Langfristiges Ziel: Verknüpfung von Testverfahren mit

Schadstoffspezies bzw. Belastungsart!

1. Toxizität: Gasförm. Phytotoxen


Kressetest: HTCKressetest: HTC--ÜÜberraschungen!berraschungen!



KontrolleKontrolle HTC Rüben

1. Toxizität: Gasförm. Phytotoxen


Kressetest: HTCKressetest: HTC--ÜÜberraschungen!berraschungen!



KontrolleKontrolle HTC Rüben

fresh

we

igh

t (m

g)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

* *

tr 1

EE0 BC EE0 BC EE0 BC EE0 BC EE0 BC EE0 HC HC EE0 HC

hyp

oc

oty

l le

ng

th (

mm

)

0

5

10

15

20

25

30*

tr 2 tr 3

A

B

tr 4 tr 5wet dry

(prod.-fresh)

*

dry, age

+2 weeks

**

*not

measured

*

74 8593 96

113

9

102

*

1. Toxizität: Testverfahren




Salatkeimungstest: Sehr sensitives TestverfahrenSalatkeimungstest: Sehr sensitives Testverfahren

A

0 2 4 816 0 1 2 4 8 0 1 2 4 8 0 1 2 4 816 0 1 2 4 8 0 2 4 816 0 1 2 4 816 0 2 4 816 0 2 4 81632 0 1 2 4 816 0 2 4 816 0 2 4 816 0 1 2 4 8 0 1 2 4 8 0 2 4 816 0 1 2 4 816

ge

rmin

ati

on

(%

of

co

ntr

ol)

0

20

40

60

80

100

120

140

n.s. n.s.0.019 n.s. n.s.<0.001

BC-1 BC-2 BC-3 BC-8 BC-9 CC-1 CC-2 BC-5 HC-3new

HC-3aged

HC-5 HC-6 BC-7 HC-7 LC-1 LC-2

0.012 n.s. n.s.0.029<0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.015

B

0 2 4 816 0 1 2 4 8 0 1 2 4 8 0 1 2 4 816 0 1 2 4 8 0 2 4 816 0 1 2 4 816 0 2 4 816 0 2 4 81632 0 1 2 4 816 0 2 4 816 0 2 4 816 0 1 2 4 8 0 1 2 4 8 0 2 4 816 0 1 2 4 816

fre

sh

we

igh

t (%

of

co

ntr

ol)

0

50

100

150

200

n.s.

n.s.

<0.001

BC-1 BC-2 BC-3 BC-8 BC-9 CC-1 CC-2 BC-5 HC-3new

HC-3aged

HC-5 HC-6 BC-7 HC-7 LC-1 LC-2

<0.001 n.s. <0.001<0.001<0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001<0.001 <0.001 0.098

control (0) +2% +4% +8% +16% +32%+1% BC's mit PAK schneiden schlecht ab!

HTC's schneiden oft schlecht ab –Grund noch unbekannt!

Busch, Kammann

et al., JEQ,

accepted

2. Ertrag-Steigerungen?


2.2. ErtrErträägege: Bewirkt Biokohle: Bewirkt Biokohle--Applikation immer eine Applikation immer eine

Ertragsteigerung?Ertragsteigerung?

2. Ertragsteigerungen….?


Chronosequence: years after deforestation

Mai

zeyi

eld

(t /

ha

)

Biochar effects (on maize yield)

• declining/neutral in fertile soil

• strong increase in degraded soil

• highest C content remaining in

soil after 2 years from BC appl.

• effects not to be explained solely

by nutrients

3. Mechanismen positiver Wirkung


3.3. FunktionsprinzipFunktionsprinzip: Welche Mechanismen verbergen sich : Welche Mechanismen verbergen sich

hinter positiven Wirkungen? hinter positiven Wirkungen? -- Beispiel WasserversorgungBeispiel Wasserversorgung

Beispiel "Wasserversorgung"

Studie zum Effekt der Wasserversorgung

mit steigender Biochar-Zugabe

(Kammann, Linsel et al., Plant and Soil,

in press)

amount of Biochar applied (t ha-1

, 20 cm depth)

0 100 200

maxim

um

WH

C (

g H

2O

g-1

so

il)

0.0

0.1

0.2

0.3

control, 0 t BC/ha

100 t BC/ha

200 t BC/ha

a

bc

+23.9%

+36.1%

Studie zur Verringerung von Kupfer-

Toxizitätseffekte mit Biochar in Sandboden

(Buss, Kammann et al., JEQ, accepted)

biochar application (%)

0 2 4

so

il w

ate

r c

on

ten

t (v

ol.-%

)

0

10

20

30

40

a

b

c

60 % WHCmax

(der Kontrolle)

0 100 200 0 100 200

WU

E (

mg

Bio

mass

e / g

H2O

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

a

b b

c

d

d

20 % WHCmax

(der Kontrolle)

Significantly higher yield & larger WUE,

in partiuclar at moderate drought

0 50 200 0 50 200 0 50 200

pla

nt

bio

mass

(g

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

shoots

leaves

A

0% BC 2% BC 4% BC

Significant amelioration of Cu stress,

improved seedling survival

3. Mechanismen positiver Wirkung

Kammann, Linsel et al., Plant

and Soil, in press

Buss, Kammann, et al., JEQ,

accepted





Week in 2011

1 2 3 4 5 6 7

CO

2 e

fflu

x (

mg

CO

2 k

g-1

h-1

)

0

10

20

30

40

50

no addition

feedstock

HTC

BC

HTC+BC

B

treatment

control Feedst. HTC BC HTC+BC

0

2

4

6

8

10

12

14

A

ab

c

d

d

100

583

334

83

231

+ 15% C to SOC

of top soil,ground to 1 cm

Miscanthus:

Feedstock, HTC, BC

1. Control: no application

2. Feedstock: Edukt (Miscanthus)

3. HTC: Hydrochar

4. BC: Biochar

5. HTC+BC: ½ HTC + ½ BC

4. Sinken die THG-Emissionen?




Week in 2011

1 2 3 4 5 6 7

CO

2 e

fflu

x (

mg

CO

2 k

g-1

h-1

)

0

10

20

30

40

50

no addition

feedstock

HTC

BC

HTC+BC

B

treatment


0

2

4

6

8

10

12

14

A

ab

c

d

d

100

583

334

83

231

+ 15% C to SOC


Miscanthus:

Feedstock, HTC, BC



3. HTC: Hydrochar

4. BC: Biochar


B

treatment


0

50

100

150

200

250

300

A

ab

cd

d

100

390

163

73

134

Week in 2011

1 2 3 4 5 6 7

N2O

em

issio

n (

ng

N k

g-1

h-1

)

0

200

400

600

800

no addition

feedstock

HTC

BC

HTC+BC

A





Week in 2011

1 2 3 4 5 6 7

CO

2 e

fflu

x (

mg

CO

2 k

g-1

h-1

)

0

10

20

30

40

50

no addition

feedstock

HTC

BC

HTC+BC

B

treatment


0

2

4

6

8

10

12

14

A

ab

c

d

d

100

583

334

83

231

+ 15% C to SOC


Miscanthus:

Feedstock, HTC, BC



3. HTC: Hydrochar

4. BC: Biochar


B

treatment


0

50

100

150

200

250

300

A

ab

cd

d

100

390

163

73

134

Week in 2011

1 2 3 4 5 6 7

N2O

em

issio

n (

ng

N k

g-1

h-1

)

0

200

400

600

800

no addition

feedstock

HTC

BC

HTC+BC

A

Week in 2011

1 2 3 4 5 6 7

CH

4 f

ku

xes (

ng

CH

4 k

g-1

h-1

)

-400

-300

-200

-100

0

100

no addition

feedstock

HTC

BC

HTC+BC

B

treatment


-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

A

c

a

c

b

b

100

130 137

156 159


Archaeologists in Brazil peer into a pit dug into terra preta. Thepottery shards sticking out ofthe walls of the pit reflect centuries’worth of settlement—and soil amendment with biochar.

Title picture from Environmental Health Perspectives, Vol. 117, Feb. 2009

……HTC?HTC?CompostCompost

BiocharBiochar

HydrocharHydrochar

5. C-Sequestrierung von Grund auf…

Archaeologists in Brazil peer into a pit dug into terra preta. Thepottery shards sticking out ofthe walls of the pit reflect centuries’worth of settlement—and soil amendment with biochar.

Title picture from Environmental Health Perspectives, Vol. 117, Feb. 2009

Aus Lehmann et al., 2009, Kapitel 11

……HTC?HTC?CompostCompost

BiocharBiochar

HydrocharHydrochar

5. C-Sequestrierung von Grund auf…

5. Feldstudie angelegt…!

+ 15% C of SOC+ 15% C of SOC

of of thethe toptop soilsoil,,

groundground to 1 cmto 1 cm

4 l Schweinegülle, +/- char pro m²

Regelmäßige THG flux Messungen Start 12./13.4.2011

Miscanthus:

Edukt, HTC, BC

Done…finish

ed!


...Zusammenfassung


1. Toxizität: alle Biokohlen unbedenklich?

Nein, natürlich nicht – bitte nicht unkontrolliert verwenden!

2.2. ErtrErträägege: immer Ertragsteigerung?: immer Ertragsteigerung?

Nein, nur wenn "Mangel" behoben wird; NNein, nur wenn "Mangel" behoben wird; Näährstoffe!hrstoffe!

3.3. FunktionsprinzipFunktionsprinzip: Mechanismen positiver Wirkungen?: Mechanismen positiver Wirkungen?

"Wasser", "N"Wasser", "Näährstoffe", "hrstoffe", "pHpH", ", …………

4.4. THGTHG--EmissionenEmissionen: reduziert?: reduziert?

Ja, fast immer (biochar); HTCJa, fast immer (biochar); HTC--Biokohle: Vorsicht! Biokohle: Vorsicht!

5.5. CC--SequestrierungSequestrierung: langfristige Stabilit: langfristige Stabilitäät?t?

Biochar: Nicht Biochar: Nicht inertinert, aber stabil; HTC, aber stabil; HTC--Biokohle: weniger stabilBiokohle: weniger stabil

Ausblicke


1. HTC-Biokohle

Brennstoff

Torfersatz-Substrat – Matrix;

weniger zur C-Sequestrierung;

evtl. Nährstoffrückgewinnung

2.2. BiocharBiochar

Bodenverbesserung Bodenverbesserung v.av.a. f. füür r

CC--armearme, sandige B, sandige Bööden;den;

CC--Sequestrierung;Sequestrierung;

BiokohleBiokohle--KomposteKomposte

3. Beide Biokohlen

N- und P-Retention: Stalleinstreu?

NH3-Filter (biochar; HTC?): Mastbetriebe

Trägermatrix für Langzeitdünger (biochar; HTC?)

Aufbau von Boden-C / Humus in C-verarmten Böden……

Kein Feenstaub, aber eine Chance!

"With eight billion people, we're going to have to

start getting interested in soil. We're simply not

going to be able to keep treating it like dirt."

David Montgomery, Geologe, University of Wisconsin

(National Geographic, Sept. 2008)

Kein Feenstaub, aber eine Chance!

Vielen Dank fVielen Dank füür Ihre Aufmerksamkeit!r Ihre Aufmerksamkeit!

Biochar strategies??

You are HERE!

Vielen Dank fVielen Dank füür Ihre Aufmerksamkeit!r Ihre Aufmerksamkeit!

Biochar strategies??

You are HERE!

HERZLICHEN DANK

an alle Mitwirkenden und "Biokohle-Infizierten":

Daniela Busch, Sonja Schimmelpfennig, Stefan Ratering,

Sebastian Linsel, Hans-Werner Koyro, Johannes Gößling,

Wolfram Buss, Christoph v. Bredow, Yvette Kühnel, Nicol

Strasilla, Angelika Bölke, Gerhard Mayer, Jürgen Franz, Jochen

Senkbeil, Christian Eckhard, Gloria Wagner, Yvonne

Lehmann, Simone Hepp, Cara Augustenborg,

und natürlich Christoph Müller…

Biokohle in Böden –Segen oder Gefahr? · -Name "Amazonas": …er hatte angeblich "Amazonen"...

Documents

Transcript of Biokohle in Böden –Segen oder Gefahr? · -Name "Amazonas": …er hatte angeblich "Amazonen"...