Unterstützung der Bodenregeneration durch Braunkohle – Fakten und Nutzen

Der Prozess der Degradation der Ackerböden auf der Erde schreitet seit den 1960er Jahren alarmierend schnell voran. Dazu tragen die Verschmutzung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, der massive Einsatz synthetischer Düngemittel, insbesondere Stickstoffdünger, sowie falsche Anbaumethoden bei – diese Faktoren beeinflussen die Erdatmosphäre und verursachen eine Reihe von Klimaveränderungen, die den Prozess der Degradation von Ackerland zusätzlich beschleunigen. Die Verbesserung der Bodenqualität, insbesondere die Erhöhung des Gehalts an organischer Substanz, die aus den Böden verschwunden ist und in Form von Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre gelangt ist, erfordert einen sehr langen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten. Man kann den Boden auch durch Zugabe von altem organischem Material verbessern, das sich vor Zehn- und Hunderttausenden von Jahren unter der Erdoberfläche angesammelt hat – Braunkohle –, wodurch eine schnelle Wiederherstellung der Fruchtbarkeit und eine Beschleunigung der weiteren effektiven Verbesserung, die bereits mit rein agronomischen Methoden durchgeführt wird, ermöglicht wird.

Ist jede Braunkohle zur Bodenverbesserung geeignet?

Braunkohle, oder besser gesagt verschiedene Braunkohlen, sind Sedimentgesteine organischen Ursprungs. Sie entstanden aus zuvor angesammeltem Pflanzenmaterial infolge von Veränderungen, die unter dem Einfluss biologischer, geologischer und geochemischer Faktoren stattfanden. Sie bilden eine Zwischenstufe zwischen Torf und Steinkohle. Braunkohle gehört zu den primären und nicht erneuerbaren Rohstoffen mit sehr großen Schwankungen in den geologischen Parametern sowie den chemischen und technologischen Eigenschaften. Sie ist meist brüchig, hat eine braune bis schwarze Farbe und enthält in der Regel viel Schwefel (bis zu 6,0 %) und nichtflüchtige Mineralien (bis zu 50 %). Die größten Braunkohlevorkommen in Polen sind 20 Millionen Jahre alt und bereits stark karbonisiert. Es gibt auch jüngere Vorkommen, die für landwirtschaftliche Zwecke besser geeignet sind.

Die Beschaffenheit der Braunkohlevorkommen

Die Beschaffenheit von Kohlevorkommen hängt von vielen Faktoren ab: der Art des Pflanzenmaterials, der Zeit, der Temperatur, dem Druck, der Feuchtigkeit und der Art der Mikroorganismen, die sie verarbeitet haben. Die Bestandteile der Pflanzen (Proteine, Kohlenhydrate, Zellulose, Lignin, Rinde, Harze), die von Bakterien und Pilzen umgewandelt wurden, bildeten eine Materie ohne flüchtige Elemente und mit einem viel höheren Kohlenstoffgehalt. Diese Materie, die mit Wasser überflutet oder mit Sedimenten (meist Schiefer) bedeckt war, unterlag aufgrund von Druck und Temperatur weiteren geochemischen Prozessen. Die Art der pflanzlichen Substanz, aus der Braunkohle entstanden ist, sowie die Bedingungen ihrer Entstehung hatten also einen erheblichen Einfluss auf ihre Eigenschaften und Merkmale. Den größten Wert für die Landwirtschaft hat Humusbraunkohle (entstanden aus den Überresten der Landflora), etwas schlechter sind Kohlen, die aus den Überresten der Wasserflora (Sapropelkohle) oder aus harz- und wachsartigen Bestandteilen von Pflanzen (Liptobiolithkohle) entstanden sind.

Verunreinigungen der Braunkohle

Einige Braunkohlevorkommen enthalten Verunreinigungen, die für Pflanzen und auch für Verbraucher von aus diesen Pflanzen hergestellten Lebensmitteln von Bedeutung sein können. Meist handelt es sich dabei um Schwermetalle und andere Spurenelemente. Der Gehalt an Quecksilber, Blei, Arsen und Cadmium in polnischer Braunkohle ist gering, und ihre Konzentrationen sind im Vergleich zu den in Böden zulässigen Grenzwerten sehr niedrig. Eine Ausnahme bildete lediglich der Quecksilbergehalt im heute nicht mehr abgebauten Adamów-Vorkommen. Der Gehalt anderer Spurenelemente (Zinn, Zink, Mangan und Kupfer) in polnischer Braunkohle ist ebenfalls gering und stellt keine Gefahr für die Umwelt dar, während er gleichzeitig eine potenzielle wertvolle Quelle dieser Mikroelemente für den Anbau darstellt. Ebenso kann die weit verbreitete und relativ hohe Schwefelbelastung von Braunkohle für die Landwirtschaft wertvoll sein, insbesondere angesichts des Mangels an diesem Element in polnischen Böden.

Grad der Karbonisierung und thermischen Umwandlung organischer Stoffe (Pyrolyse)

Braunkohle enthält zwischen 58 und 78 % Kohlenstoff. Der Kohlenstoffgehalt steigt mit der Zeit durch die Verbindung von Kohlenstoffringen und die Entweichung anderer Atome, hauptsächlich Wasserstoff und Sauerstoff. Die natürliche Pyrolyse von Braunkohle ist ein Prozess der Zersetzung organischer Substanzen unter dem Einfluss von Druck und hoher Temperatur, der in den Schichten der Erdkruste stattfindet und der geologische Ursprung von Kohle und Sedimentgesteinen ist. Während der Pyrolyse finden Prozesse der Verdampfung organischer Substanzen, der Bildung und Freisetzung von Gasen statt, die zur Bildung von pyrolytischem Kohlenstoff führen. Intensive Emissionen aus dem erhitzten Material (200-350 °C) verhindern den Zufluss von Gasen aus der Umgebung. Ohne Sauerstoffzufuhr kommt der intensive Abbau organischer Verbindungen zum Stillstand, und der entstandene pyrolytische Kohlenstoff verbessert zusätzlich die Eignung dieses Materials für landwirtschaftliche Zwecke.

Was macht Braunkohle für die Bodenregeneration so wertvoll?

Gehalt und Beschaffenheit der organischen Substanz

Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung und die unterschiedlichen Eigenschaften von Braunkohle resultieren aus ihrer unterschiedlichen Herkunft und ihrem Karbonisierungsgrad (Verkohlungsgrad), der zwischen 58 und 78 % schwankt. Vereinfacht gesagt entsteht^{1 m³}Braunkohle aus etwa 8 ^m³fermentierter Pflanzenmasse, z. B. Torf. Am wertvollsten ist junge Braunkohle (Lignit), die aus Landpflanzen hergestellt wird. Nach dem Einbringen in den Boden verhält sie sich wie alter Humus.

 Freisetzung von Huminstoffen aus altem organischem Material

Die Freisetzung von Huminsäuren aus Humus erfolgt während dessen Zersetzung durch physikalische Einflüsse und Mikroorganismen. Derselbe Prozess führt unter Bodenbedingungen zur Freisetzung von Huminsäuren aus junger Braunkohle. Der Zerfall chemisch sehr komplexer Kohlenstoffstrukturen führt zur Bildung kleinerer Fragmente, die unter anderem in Wasser löslich sind und so für Pflanzen verwertbar werden. Das sind die Huminsäuren. Vereinfacht gesagt können wir die Substanzen, die beim Abbau von Humus oder Braunkohle entstehen, wie folgt darstellen:

●      Fulvosäuren – kleinste Partikel, sehr gut wasserlöslich, leicht von Pflanzen aufgenommen, stimulieren vor allem die Wurzelentwicklung, aber auch das Wachstum von grünem Gewebe;

●      Huminsäuren – größere Partikel, nicht immer wasserlöslich, aber noch in Alkohol löslich, gut von Pflanzen aufgenommen, in denen sie das Wachstum von Trieben und grünem Gewebe sowie die Wurzelentwicklung stimulieren;

●      Humine – große Partikel, die unlöslich und für Pflanzen nicht verfügbar sind, aber bei ihrer weiteren Zersetzung, z. B. durch die Aktivität von Bodenbakterien, eine Quelle für Huminsäuren darstellen;

●      Bitumin – bereits zu stark karbonisierte Substanzen, die ihre Humineigenschaften und damit ihre potenzielle Eignung für landwirtschaftliche Zwecke verloren haben.

Die Vorteile der Anwesenheit von Huminstoffen aus Humus oder Kohleaufbereitungsmitteln im Boden sind unbestritten. Dazu gehören unter anderem

●      Verbesserung der Bodenstruktur und der Wasserhaltefähigkeit,

●      die Erhöhung der Nährstoffaufnahmefähigkeit der Pflanzen,

●      die Biostimulation der Entwicklung sowohl des Wurzelsystems der Pflanzen als auch der grünen Teile,

●      Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegen Trockenheit, Frost und sogar chemische Belastungen.

Verfügbarkeit von Stickstoff und Phosphor

Der Stickstoffgehalt in Braunkohle ist unterschiedlich und schwankt zwischen etwa 0,45 % und 2,4 %, je nach Abbauort und den spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Lagerstätte. Dieser Stickstoff stammt hauptsächlich aus umgewandelten pflanzlichen Proteinen und Mikroorganismen, die in der ursprünglichen Pflanzenmasse enthalten waren, aus der die Braunkohle entstanden ist. Für die Versorgung der Pflanzen mit Stickstoff kann die Tatsache von viel größerer Bedeutung sein, dass die Strukturen der Braunkohle, die auch pyrolytischen Kohlenstoff enthält, ein idealer Lebensraum für frei lebende Stickstoffbakterien sind, die in der Lage sind, aus der Luft sogar mehr als 30 kg N/ha pro Jahr zu binden, das für Pflanzen verfügbar ist.

Braunkohle selbst ist keine reichhaltige Phosphorquelle. Sie entsteht aus pflanzlichem Material, das von Natur aus verschiedene Elemente enthält, darunter auch Phosphor, dessen Konzentration im Endprodukt jedoch gering ist. Flüssige Bodenverbesserungsmittel aus Braunkohle, insbesondere aus der Carbohumic-Serie, die als Bodenzusatz verwendet werden, erhöhen die Verfügbarkeit des im Boden enthaltenen Phosphors durch die Stimulierung biologischer Prozesse, ohne jedoch eine wesentliche Quelle dieses Elements zu sein.

Reichtum an Makro- und Mikroelementen

Braunkohle enthält zahlreiche Mikroelemente wie Zink, Kupfer, Mangan, Molybdän und Bor sowie Makroelemente wie Kalzium, Magnesium, Schwefel und Eisen. Die darin enthaltene organische Substanz ist reich an diesen Elementen, und ihre Verwendung in der Landwirtschaft verbessert die Ernährung von Pflanzen und Bodenmikroorganismen und wirkt sich positiv auf die Bodenfruchtbarkeit aus. Insgesamt kann Braunkohle mehr als 80 verschiedene Mikroelemente enthalten, was sie zu einer sehr wertvollen Quelle dieser Elemente für Kulturpflanzen macht. Darüber hinaus sind die verzweigten chemischen Strukturen von Huminsäuren und Huminstoffen die natürlichsten und wirksamsten Chelate, die hauptsächlich Kationen binden. Sie dringen über die Wurzelhaare oder das grüne Gewebe in das Pflanzengewebe ein und versorgen es mit einer ganzen Reihe von Spurenelementen und chemischen Strukturen, die Vitaminen und Pflanzenhormonen ähneln.

Enorme Sorptionskapazität für austauschbare Ionen

Die chemischen Strukturen der organischen Substanzen von Braunkohle sind sehr komplex und ihr Molekulargewicht kann sogar in Millionen Einheiten berechnet werden. Diese Vielfalt an chemischen Strukturen führt dazu, dass sie eine große Anzahl aktiver Carboxyl-, Keton-, Ester- und anderer Gruppen enthalten, die in der Lage sind, viele Elemente, insbesondere Kationen, periodisch oder dauerhaft zu binden. Dies verleiht Kohle und den daraus gewonnenen Substanzen (Huminsäuren) die Fähigkeit, austauschbare Ionen zu binden und freizusetzen, was die Grundlage für die Sorptionskomplexfunktion jedes Bodens bildet. Es wird geschätzt, dass alte, humushaltige organische Substanzen eine bis zu 800-mal höhere Sorptionskapazität haben als tonhaltige Bodensubstanzen. Die Anreicherung des Bodens mit Braunkohle oder deren Derivaten erhöht sprunghaft seinen Sorptionskomplex, verbessert die Fruchtbarkeit und Produktivität für viele Jahre und erleichtert die Regeneration des Bodens durch natürliche Humifizierungsprozesse.

Pufferung des pH-Werts des Bodens

Die Vielzahl der chemischen Strukturen in Braunkohle und ihren Derivaten bewirkt, dass sowohl Kationen als auch bestimmte Anionen einen Bindungsort finden und so periodisch aus der Bodenlösung „herauskommen”. Dies führt zu einer sehr effizienten Pufferung des pH-Wertes des Bodens, selbst bei erheblichen Einflüssen, die seinen Wert drastisch verändern könnten.

 Wasserrückhaltevermögen

Braunkohle und daraus gewonnene Produkte zeichnen sich durch ein entwickeltes poröses Molekülsystem aus, wodurch sie große Mengen an Wasser speichern können, sogar bis zu 70 % der Ausgangsmasse, während frische Biomasse nur bis zu 58 % speichern kann. Umgerechnet auf die Wasserrückhaltefähigkeit des Bodens unter landwirtschaftlichen Bedingungen kann jedes Prozent des Gehalts an alter organischer Substanz im Boden bis zu 160 Tonnen Niederschlagswasser pro Hektar zurückhalten.

Verbesserung der Bodenstruktur

Die Strukturen, aus denen Braunkohle besteht, sind porös und sogar schwammartig. Dies ermöglicht sowohl die Speicherung großer Mengen an Wasser als auch an Luft. Während der Wasseraufnahme nimmt die Kohle an Volumen zu, quillt auf und schrumpft beim Wasserverlust, was zu ständigen Veränderungen des Bodenvolumens führt, wodurch mehr Bodenräume unterschiedlicher Größe entstehen, die für die Wasseraufnahme und -abgabe, den Gasaustausch und die Bewegung von Bodentieren und Pflanzenwurzeln notwendig sind.

Verbesserung der gesamten biologischen Eigenschaften

Bodenverbesserungsmittel (d. h. Bodenverbesserer), die aus junger, humushaltiger Braunkohle (Lignit) hergestellt werden, verändern die Gesamteigenschaften des behandelten Bodens grundlegend. Neben einer deutlichen Verbesserung des Gehalts an Makro- und Mikroelementen, einer Erleichterung des Zugangs zu Stickstoff und Phosphor, einer Stabilisierung des pH-Werts, einer Erhöhung des Potenzials austauschbarer Kationen, einer Verbesserung des Wasser-Luft-Verhältnisses und damit auch der Bodenstruktur und des Wasserhaushalts haben sie einen direkten Einfluss auf alle im Boden vorhandenen Lebewesen:

1. Sie sind eine Quelle von Nährstoffen und Energie für Bodenbakterien.
2. Sie sind ein idealer Lebens- und Vermehrungsort für Bakterien und Pilze, darunter auch Mykorrhizapilze.
3. Sie haben einen erheblichen Einfluss auf das Vorkommen und die Vielfalt der Bodenfauna, insbesondere der Regenwürmer.
4. Sie haben (bei entsprechenden Konzentrationen) das Potenzial, die Fruchtbarkeit und Schädlichkeit von Boden-Nematoden zu hemmen.
5. Sie sind als Huminsäuren ein Biostimulator für die Lebensprozesse der Pflanzen, regen die Entwicklung von Wurzelhaaren und jungen grünen Teilen an und beeinflussen indirekt die biologische Kraft der Kulturpflanzen, ihre Produktivität und die Qualität der Produkte.
6. Sie wirken entgiftend auf den Boden, indem sie sowohl Pflanzenschutzmittel als auch deren Metaboliten sowie das gesamte Spektrum an Schwermetallen binden und deaktivieren, indem sie diese dauerhaft binden und so ihre Verfügbarkeit für Kulturpflanzen wirksam verringern.

Alle Daten deuten darauf hin, dass Braunkohle, insbesondere junge, humushaltige Braunkohle, die ordnungsgemäß zu Bodenverbesserungsmitteln verarbeitet und richtig angewendet wird, die Fruchtbarkeit des Bodens schnell und effektiv steigern und seine biologischen und produktiven Funktionen regenerieren kann. Dies wird durch Dutzende von wissenschaftlichen Studien und Feldversuchen bestätigt, die in den letzten 30 Jahren in Europa und den Vereinigten Staaten durchgeführt wurden.