Böden des Klimawandels

Am Boden des Klimawandels III

Moglebaum, Düsseldorf/Köln, Erde LIVE (Music @ Studio One), 2014 und

>>(…) We've got the whole world at our fingers.
We've got the whole world in our hands.
We get the blues as we grow richer.

Cause we need to fix our loose connection.
Out in natural World Wide Web.
Where humans evolved in three dimensions.

We were tuned in by natural selection.
And we need to go online each day.
But inside we don't get no reception.

So join the new revolution
To free the battery human
'Cause we were born to be free range (...)<<

(Stornoway, " We Are The Battery Human", aus dem Album „Beachcomber's Windowsill“,2010)

Die Kryosphäre - Der Permafrost- Boden wird aufgetaut

Passend zur Pariser Klimakonferenz veröffentlichte die NGO International Cryosphere Climate Initiative (ICCI) ihren lesenswerten Bericht „Thresholds and Closing Windows“, „Schwellen und sich schließende Fenster“. Darin wird die derzeitige Situation der kalten Regionen der Erde, mit Bezug zum Klimawandel, sowie der Zustand der arktischen und subarktischen Böden auf dem neuesten Stand des Wissens allgemeinverständlich abgehandelt.

Zu Recht verweisen die Autoren darauf, dass zwar die zwei- bis dreimal schnellere Erwärmung der Polregionen mittlerweile bekannt ist (Heute schon ø2- 3,5° C, statt 1° C global, seit dem Beginn der globalen Industrialisierung). Aber bisher nur wenige Erdenbürger begreifen, wie sehr die Dynamik der Aufheizung der Kälteregionen sich schon in der Nähe von Schwellen bewegt, die diesen Prozess in deren eigener Lebensspanne irreversibel machen, selbst wenn – mittels erfolgreicher Klimapolitik und der Neuausrichtung der Gesellschaften – die Treibhausgas - Emissionen nachhaltig gesenkt würden.

Das Fazit der NGO zu den Ergebnissen der Pariser Konferenz: <<Unfortunately, this report’s analysis of current Paris climate commitments indicates that they will fail to prevent many, if not most of these irreversible cryosphere processes from beginning.>> (Leider zeigt die Analyse der aktuellen Pariser Klimaverpflichtungen, dass sie daran scheitern, viele, wenn nicht die meisten, dieser irreversiblen Kryosphären- Prozesse an deren Einsetzen zu hindern).

Allein zwischen 1998 und 2013 haben sich nach Drew Shindell (Duke Universtät, Durham), der die dazu verfügbaren NASA - Daten auswertete, die Arktis - Temperaturen um mehr als 1,4 °C und die der Antarktis um fast 1,1 °C erhöht.

Die sogenannte „globale Pause“ des Temperaturanstiegs, ein Lieblingsthema der Klimawandel-Skeptiker in den letzten Jahren, gab es, wenn überhaupt, nur in mittleren Breiten.

Die UNEP und die Internationale Energieagentur (IEA) errechneten, dass die gegenwärtigen beabsichtigten, nationalen Beiträge für Paris mindestens in einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur von 2,7- 3,5 Grad bis 2100 im Vergleich zur präindustriellen Zeit enden. Mit den gleichen Messdaten kommen auch die europäischen Climate Action Tracker (CAT) und die MIT (USA) basierten Carbon Tracker zu düsteren Prognosen.

Ungefähr ein Viertel der Böden der Nordhalbkugel unserer Erde liegt derzeit noch dauerhaft gefroren vor. Um genau zu sein: Auch diese Böden tauen an der Oberfläche im Sommer auf, sonst gäbe es dort kein Tundrenleben. Aber in der Tiefe bleiben sie dauerhaft vereist.

Selbst wenn es unter der optimistischen Annahme, die Erwärmung ließe sich auf 1,5° Celsius begrenzen, nur zu einem prognostizerten Verlust von 30% der heute existierenden Permafrostböden kommt, setzen diese Flächen zusätzlich 50 Gigatonnen (Gt) CO₂ und Methan (CH₄)- Äquivalent frei. Mit den derzeit vereinbarten, laxen Pariser Beschlüssen, sofern sie denn umgesetzt würden, wären es immer noch 100 Gigatonnen. Die ungünstigsten Szenarios aus dem IPCC- Bericht gehen gar von 160 Gt aus.

Kommt es so, wäre das ohnehin schon optimistische CO₂-Budget, um die Zwei-Grad-Verpflichtung überhaupt noch einhalten zu können, es liegt aktuell bei 275 Gigatonnen klimarelevanter Emissionen, allein schon durch diesen, bisher noch gar nicht angerechneten Beitrag, zu 2/5 bis 3/5 ausgeschöpft.

Polar greening

Nun wird das kalte Quartier der Erde grüner. Schließlich wirkt die Klimaerwärmung dort doppelt und dreifach. Auf der Nordhalbkugel wächst – Satellitenbilder zeigen es seit Jahren – die immer noch spärliche Pflanzenbedeckung. Besonders die langen Reihen der NASA-Landsat-Messungen zeigen den Trend. Leider ist, was viele Medien optimistisch und gerne verbreiten, auch ein Zeichen für das beschleunigte Schwinden der Permafrostböden und damit ein Hinweis darauf, dass relativ kurzfristig mit weiteren deutlichen Treibhausgasanstiegen (Methan und CO-2) zu rechnen sein wird.

Die Polarregion kennt bisher drei, bei manchen Forschern vier, Vegetationszonen. Die arktische Wüste, die nördliche Thundra, die südlichere Strauchthundra und darunter die Waldthundra.

In der arktischen Wüste überleben gerade einmal Flechten, Moose, vaskuläre Pflanzen in Miniform und in typischen Vegetationsnestern, an geschützten Stellen, auf gerade einmal 1-5% der Flächen. Die nördliche Thundra zeigt neben den nun deckender wachsenden vaskulären Pflanzen (Bärlapp, Farne), Moosen und Flechten, sehr viele krautige Pflanzen, erste Gräser, dazu Miniwuchs Birken, ebensolche Weiden und Beerenstäucher, bis zu einer Wuchshöhe von etwa 40 cm. Die folgende Strauchthundra hat dann eine Wuchshöhe von bis zu 3 Metern. Diese Zone und die anschließende Waldthundra, eine Art nördliche Savanne, allerdings mit Birken und Koniferen, dehnen sich nun gegen Norden aus.

Die Permafrostböden sind nicht besonders nährstoffreich. Wenn sie auftauen, länger und höher bewachsen sind, schafft das keinen Ausgleich für die Böden der gemäßigten und trockenen Zonen, die durch Wüstenbildung und Austrocknung wegfallen.

Und die Erde ward wüst und leer - Böden der öden Viertel

Das „Comité Scientifique Français de la Désertification“ kümmert sich um die Böden an der Taille der Welt.

Lange Zeit dachte man, die Wüste habe mit dem Kohlendioxid und der Erderwärmung nur so viel zu tun, als die Ödflächen eben wachsen, wenn es wärmer wird. In den Trockenzonen der Erde gibt es meist deutlich weniger organischen Kohlenstoff in den Böden und die mineralischen Kohlenstofflager der ariden und semiariden (trockenen und halbtrockenen) Böden sind, aufgrund der oftmals spärlichen Pflanzenbedeckung und der mangelnden Humusbildung, extrem sensibel für Erosion, sowie Schäden durch die Bodenbearbeitung der Agrar- und Forstwirtschaft. Oftmals ist der mineralische Kohlenstoff von der Flora nicht nutzbar. Er liegt inert vor, weil es an Mikroorgansimen und Kleinstlebewesen im Boden mangelt, die ihn für die Pflanzen ausreichend aufschließen könnten.

Eine vielleicht noch wichtigere Zone der Nordhalbkugel, nämlich die Landmasse der zentralasiatischen Hochebenen, blieb leider bis heute eher zu wenig beachtet, obwohl dort nicht nur die Temperaturanstiege deutlicher sind, sondern auch die Wasserdargebote massiv angegriffen werden. Hier macht sich die Desertifikation und die Degradation der Steppenböden und Agrarflächen ganz besonders bemerkbar. Klar ist, dass vom „Gesetz der schlechten Böden“, mit Krustenbildung, Verdichtung und Austrocknung, vor allem die äquatornahen Gebiete und Zentralasien betroffen sind.

Die Subsistenz - und Lokalwirtschafts - Ackerbauern haben über Jahrtausende gegen die Bodenverschlechterung wirksame, aber sehr arbeitsaufwendige Kleinsteingriffe erfunden und wenden sie bis heute an. Sie bauen Mauern um Vegetationsinseln (Erosionsschutz und Feuchtesicherung). Sie decken die Bodenschicht mit ihrem spärlichen Heu ab, sie mulchen oberflächlich und punktuell (Maßnahmen gegen Austrocknung und zur Erhöhung der Aktivität von Bodenlebewesen, die den Boden fruchtbar machen). Sie legen meist konzentrische Pflanztrichter an und geben nur dort die organischen Reste aus der Nutztierhaltung zu (Schutz und Effizienzsteigerung des kostbaren organischen Düngers). Das ist wirksam, aber nicht ausreichend und zudem kaum konkurrenzfähig zum industriellen Ackerbau auf den Lagegunst-Böden mittlerer Breiten. Ein Ende dieser angepassten Bodenbearbeitung würde jedoch unweigerlich zu weiterer Wüstenbildung führen.

Bodenteilchen: klebrig und porös zugleich

Was macht den guten Boden so einzigartig? Es ist seine besondere Mischstruktur, die, anders als man es vielleicht 150 Jahre lang glaubte, nicht aus einem Nebeneinander von Mineralstoffen, Poren für Wasser und Luft, totem und lebendem organischen Material entsteht, sondern aus ihrer innigen Verbindung.

Das Grundelement lässt sich schon makroskopisch, mit einer Lupe und besser noch, schwach lichtmikroskopisch, erkennen. Alle Bestandteile sind miteinander verwoben. Es entstehen unendlich viele, enge Austauschflächen. Diese kleinsten Grundgebilde eines guten Bodens sind haptisch klebrig, sowie zugleich luftig porös und feucht, wenn sie nicht durch Bodenbearbeitung verdichtet oder von Erosion zerrieben, schnell ausgewaschen werden.

Nur so funktioniert der Austausch. Nur so kommen chemische Reaktionen und physikochemische Materialflüsse zustande, die die Böden erhalten und fruchtbar machen. Alles, was dieses Bodenelement schwächt, verhindert Artenvielfalt, reduziert die Vegetation und schädigt in den Ackerböden und Plantagen die Ertragsfähigkeit. Schäden daran lassen sich kaum mit noch mehr Dünger, Bewässerung und Bodenbearbreitung kompensieren. Was aber hält die Masse zusammen?

Bodenlebewesen - Winzige Produzenten der Klebemasse Leben

Regenwümer hat wohl selbst jeder Digitalnerd schon einmal gesehen, vielleicht als Kind ´mal einen gekostet. Ein knirschend sandiges und zugleich schleimiges Erlebnis. Auch ein paar Asseln, Gliederfüßler, Käfer, Maulwürfe oder ihre Hügel, sowie zig Ameisen, dürften aufgefallen sein. Aber unterhalb der Stufe des direkt Sichtbaren wirkt eine schier unüberschaubare Anzahl an Kleinstlebewesen, ohne deren Aktivität kaum eine Pflanze wüchse.

Artenarme und biologisch schwach aktive Böden sind defekt und ihre Erträge bleiben mit der Zeit aus. Kleinstlebewesen, Bakterien und Pilze unterhalten, ganz grob als Destruenten und Produzenten klassifiziert, die Versorgung der Flora mit Mineralstoffen, Kohlenstoff, Spurenstoffen und ersten Eiweißen, beziehungsweise Stickstoff.

Sie bilden einen „Materiekleber“, der die einzigartige Biophysik der guten Böden erklärt, nämlich bis zu einer gewissen Tiefe Feuchte (Wasser) und Sauerstoff gleichzeitig vorzuhalten, Säure zu puffern, weich genug für die Wurzelbildung zu sein und die Aktivität von „Wühlern“ aller Größen gegen den enormen Bodendruck zuzulassen, sowie Kohlenstoff und Stickstoff für die Pflanzen verfügbar zu machen. Bodenbakterien und Bodenpilze liefern, vom Mikronetz bis zu gelartig- viskösen Schichten um die Wurzeln, eine Matrix, die Muttersubstzanz des Lebens. Sogar bei Pflanzen, Tieren und Menschen wirksame Antibiotika, produziert diese Mikrowelt.

Biochar und Terra preta

Wenn es also möglich ist, CO-2 längerfristig und nutzbringend in agrarischen Böden zu fixieren, wenn es gleichzeitig möglich ist, damit erschöpfte und wenig ergiebige Flächen aufzubessern, dann sollten die geeigneten Methoden dazu bald genutzt werden.

Terra preta do Indio, die Schwarze Erde Südamerikas, ist das Ergebnis einer alten Anbaumethode, die in der Regenwaldzone, seit mindestens 2500- 3000 Jahren, von indigenen Völkern angewendet wird. Durch die sauerstoffarme Verkohlung von Holz und Pflanzenresten (Pyrolyse), bei niedrigen Temperaturen, angereichert mit Fischgräten, Knochenmehl oder Knochenfragmenten, Tonscherben, organischem Zivilisationsabfall und Fäkalien, entsteht, anschließend besiedelt durch eine artenreiche Destruentenfauna, von Pilzkulturen durchsetzt, eine hoch ertragreiche, CO-2 speichernde, oberste Bodenschicht, die von Menschenhand gepflegt, Profile bis zu drei Metern ausbilden kann.

Die Terra preta sicherte die originäre Landwirtschaft der ersten Südamerikaner im eigentlich nährstoffarmen – gerade darum aber maximal artenreichen – Regenwald. Sie ermöglichte ihnen, auf relativ kleinen Standortarealen langfristig Pflanzenbau zu betreiben, ohne die Böden zu erschöpfen. Wieviel Fläche diese Gebiete einst einnahmen, ist noch heftig umstritten. Skeptische Schätzungen gehen von 0,3- 0,5 % aus. Andere Forscher vermuten, dass gar 10 % der Böden im Amazonasgebiet Terra preta waren und davon bis zu 20 Millionen präkolumbianische Südamerikaner lebten.

Die heutige Praxis ist jedoch, beständig auf neue, gerodete Urwaldflächen weiterzuziehen oder aber, monokulturelle Ackerschläge der Industrielandwirtschaft anzulegen, die kontinuierlich enorme externe Masseneinträge und chemische Bodenverbesserungen erfordern.

Das hochkomplexe Anthroposol Terra preta (ein von Menschen gestaltetes Bodenprofil) funktioniert nur, wenn kontinuierlich die eingebrachte Holzkohle, ca. 7-9% des Bodenanteils, mit bioorganischem Material aus bestehenden aktiven Böden versetzt wird. In einer feuchten Umgebung, damit regelrecht getränkt, können Bodenlebewesen in ausreichender Anzahl die sogenannte Bioturbation, die Bodenumwälzung und Durchmischung, sowie den Abbau von Cellulose, Hemicellulose und Lignin aus den Pflanzen bewirken. - Diese „Impfung“ der Biokohlesubstrate wird Aktivierung genannt.

Wie funktioniert die Aktivierung?

Das Biokohle- Material aus der langsamen und niedrigtemperaturigen Pyrolyse ist unglaublich porös. Entsprechend zerkleinert weisen die Kohle-Partikel zudem eine große äußere Oberfläche auf.

Aber in dieser Struktur ist kein Leben! Durch die Vermischung mit aktiver Erde siedeln sich Bakterien und Pilze an, sowie eine Mikrofauna. Die schiere Anzahl der Organismen und deren Stoffwechselprodukte, zusammen mit einem sich ausdehnenden Pilzgeflecht, erzeugen eine Biomatrix in den Poren. An der Oberfläche entstehen komplexe Verbindungen, die elektrische Ladungen tragen. Das macht die Biokohle bindungsfähig, „klebrig“, zugleich wasseraufnahmefähig und luftig. Die vielen Mikrorganismen und Pilze stellen dann die Verbindung zu den Pflanzenwurzeln her. Teilweise dringen Pilzfäden in die Pflanzenzellen ein.

Bisher sind kommerzielle und industrielle Versuche diesen Effekt nachzuahmen, eher durch einen zu hohen Energie-, Arbeits- und Materialeinsatz gekennzeichnet und daher auf wissenschaftliche Pilotprojekte, sowie ein paar Angebote für Kleingärtner begrenzt. Die schwarze Erde ist kein Allheilmittel, das nun einfach aus dem Regenwald exportiert oder überall synthetisch nachgeahmt werden könnte, um die Erträge nochmals deutlich zu steigern.

In Mitteleuropa stehen zudem, wegen der intensiv landwirtschaftlichen Ausrichtung und der massiven Flächennutzungskonkurrenz, nur wenige Böden zur Verfügung. Ganz anders sähe es jedoch aus, setzte sich das Konzept für die ertragsschwachen und klimasensiblen Böden in den Tropen und Subtropen, sowie auf Flächen der sich ausbreitenden Trockenzonen durch.

Was kann mit einer vereinfachten, technischen Variante der schwarzen Erde erreicht werden?

Die Biochar-/Biokohle - Forschung ist gerade in Deutschland gut verankert. An zahlreichen Universitätsstandorten und einigen agrarwirtschaftlichen Landesanstalten laufen ambitionierte Projekte, z.B. in Potsdam, Berlin, Halle, Bayreuth, Gießen. Max-Planck- und Leibniz -Institute sind eingebunden. Über Agrarwissenschaften und Agrarsystemforschung bis zur Umwelttechnologie und -Ökonomie, sind zahlreiche Fakultäten beteiligt. Das Umweltbundesamt gab jüngst einen amtlich vorsichtigen Überblick zum Forschungsstand heraus.

Biokohlen werden bisher in geringem Umfang kommerziell produziert und vor allem auf Mangelböden, in der speziellen Nutz- und Ziergärtnerei und auf Restrukturierungsflächen eingesetzt. Was fehlt, das sind ausreichende Investitionen in mehrere großflächige und langfristig angelegte Pionierprojekte im Ackerbau.

Worin liegt nun der Hauptvorteil der kohlebasierten Bodenverbesserung? Die bisherigen Methoden, z.B. mit vorproduziertem Humus und mineralischen Düngermischungen, sowie Direkteintrag der Gülle, bringen den pflanzenverwertbaren Kohlenstoff, vor allem aber, den Stickstoff, sowie viele weitere Nährstoffe in großen Mengen und sehr schnell ein. Genauso rasch werden diese Stoffe wieder an die Luft abgegeben, mit der Erosion abgetragen, vom Niederschlag abgeschwemmt. Überschüsse, die nicht unmittelbar in der Wachstumsperiode in die Agrarpflanzen wandern, sind extrem labil.

Statt Kohlenstoffsenke zu sein und damit CO₂ zu binden, produzieren diese Böden Kohlendioxid und sie geben reichlich Stickstoff, als Ammoniak (NH₃) und Nitrat (NO₃^-), bzw. als Lachgas (N₂O, Treibhausgas) ab.

Das ist bei Terra preta und Biochar/Biokohle meist anders. Die technisch hergestellten Produkte der schwarzen Erde halten den Kohlenstoff für Jahrzehnte (hydrothermale Biokohle) und gar Jahrtausende, wenn bestimmte Pyrolyseverfahren eingesetzt werden. Das wäre ein denkbarer und nachhaltiger Beitrag zur CO₂-Speicherung, mit dem zusätzlichen Vorteil, nicht mit einem hohen Umweltrisiko aus der Anwendung einer Großtechnologie verbunden zu sein.

Der größte Nachteil der technischen Produktion unter den heutigen Bedingungen der Intensivlandwirtschaft sind die noch hohen Prozess- und Verfahrenskosten. Die Tatsache, dass die Lagegunst Böden Mitteleuropas bereits auf Maximalerträge optimiert sind, die auch durch Biokohlen nicht mehr deutlich gesteigert werden können, setzt Grenzen. Die Mehrinvestitionen müssten durch Ausgleichsprogramme, die die CO₂ Speicherung honorieren, mitgetragen werden. - Das sehr pessimistische Umweltbundesamt geht von maximal 1,5% der politisch angestrebten Klimagas-Reduktion Deutschlands aus.

Aktivierte Biokohlesubstrate lassen sich, wissenschaftlich gesichert, besonders auf sandigen, kranken, sauren und wenig aktiven Böden einsetzen. Da sind die Erfolge schon mittelfristig, ganz erstaunlich.

Was läge also näher, als für die Mangelböden der Erde, für die verwüsteten und ausgezehrten Böden der Plantagenwirtschaft, die ja zusätzlich immer stärker vom Klimawandel betroffen werden, diese Art der Agrarkultur anzuwenden? Ein Gemeinschaftsprojekt Deutschland-Malaysia wurde jüngst vom Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim,mit Partnern vor Ort, auf den Weg gebracht. Entwicklungs- und Schwellenländer zeigen länger schon Interesse und starteten eigene Programme. Manche entdecken dabei die Agarkultur ihrer Vorfahren.

Christoph Leusch