Kohlenstoffbindung im Boden

Die Kohlenstoffbindung im Boden (englisch soil carbon sequestration, kurz SCS) bezeichnet Methoden der Bodenbewirtschaftung, die den organischen Kohlenstoffgehalt des Bodens erhöhen, indem der Erdatmosphäre netto CO₂ und andere klimaschädliche Kohlenstoffverbindungen entzogen werden. Aufgrund dieser Netto-Kohlenstoffentnahme handelt es sich bei SCS um eine Negativemissionstechnologie.

Methoden zur Kohlenstoffbindung im Boden

Wie viel Kohlenstoff im Boden verbleibt, hängt von der Bilanz der Kohlenstoffeinträge in den Boden (z. B. durch Ernterückstände wie Stoppeln oder Wurzeln, oder Hofdünger wie Mist) und der Kohlenstoffverluste aus dem Boden (meist durch Atmung, verstärkt durch Bodenstörungen) ab. Neben Kohlenstoffdioxid spielt hier auch Methan (CH₄) eine wichtige Rolle. Daher können Praktiken, die entweder die Einträge erhöhen oder die Verluste verringern oder beides, SCS fördern. Bei SCS handelt es sich also um eine Sammlung von Bewirtschaftungsarten, die das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffeinträgen und -austrägen zu Gunsten der Kohlenstoffbildung im Boden beeinflussen.

Dies umfasst Methoden der Regenerativen Landwirtschaft, bei denen davon ausgegangen wird, dass sie dem Boden netto Kohlenstoff zuführen: Verwendung von Deckfrüchten und das Zurücklassen von Ernterückständen auf dem Feld, Rückführung organischer Rückstände auf das Feld durch Düngung (hier sind die Düngemittel Hofdünger, Gülle, Kompost typisch), Anpflanzung tiefwurzelnder Pflanzen, Grasbedeckungs-Leys in Fruchtfolgen, Agroforstwirtschaft, diversifizierte Fruchtfolgen und Direktsaatverfahren.

Am Lehrstuhl für Forstliche Wirtschaftslehre, Fakultät für Wirtschaftswissenschaften, Technische Universität München, wurde zum Beispiel 2016 im Rahmen einer Dissertation die Kohlenstoffbindung in Kamerun bei der Waldbewirtschaftung untersucht.

Methoden zur Berechnung

Das Bundesamt für Umwelt (BAFU) in der Schweiz verwendet die Digitale Bodenkarte und zwei Methoden zur Kategorisierung der Bodennutzung, NOLU04 (mit 46 Kategorien) und eine AREA-abgeleitete Methode (mit 27 Kategorien), um ein eigenes Bodenkategoriesystem zu definieren: die sogenannten Kombinationskategorien (CC). Zwei dieser Kombinationskategorien sind Ackerland (CC Nummer 21) mit 390 kha im Jahr 2017 und Grasland (CC Nummer 31) mit 922 kha im Jahr 2017.

Ackerland und Grasland stellen die Bodentypen dar, auf die Schätzungen für optimale SCS-Raten aus der Literatur angewandt werden können. Eine französische Studie schätzte das Potenzial für SCS auf landwirtschaftlich genutzten Flächen auf 0,63 t C pro Hektar und Jahr (man beachte, dass hier C Kohlenstoff meint, und nicht CO₂). Eine lineare Extrapolation dieses Potenzials auf die gesamte Schweizer Ackerfläche ergibt ein Potenzial von 925 kt CO₂ pro Jahr. Schweizer Langzeitversuche für SCS auf Grasland ergeben ein SCS-Potenzial von 0,28 t C pro Hektar und Jahr.

Gegenwärtige Kohlenstoffsequestrierung am Beispiel der Schweiz

Die jährlichen Veränderungen der Kohlenstoffvorräte der Schweizer Böden werden seit 2019 von Agroscope, einem Teil des WBFs, mit Modellen berechnet. Diese Daten werden in einem Bericht über das Treibhausgasinventar der Schweiz, einer jährlich erscheinenden Publikation des BAFU, zusammen mit weiteren Daten zusammengeführt. Dabei werden verschiedene Komponenten der Veränderungen der Kohlenstoffvorräte in Schweizer Böden berücksichtigt. Eine Netto-Kohlenstoffbestandszunahme in Böden wird als Rate der SCS in der Schweiz interpretiert, die sich aus den wenigen derzeit verwendeten Landmanagementtechniken (die nicht für SCS optimiert sind) ergibt. Gemäß dem Treibhausgasinventar war die SCS-Rate in der Schweiz von 2000 bis 2020 vernachlässigbar gering.

So ergibt ein Schweizer Graslandpotenzial von insgesamt 945 kt CO₂ pro Jahr. Zusammen ergeben Ackerland sowie Grasland ein Potenzial von 1,87 Mio. t CO₂ pro Jahr. Dies entspricht etwa 4–5 % der gesamten produktionsbedingten CO₂-Emissionen der Schweiz im Jahr 2018. Diese Schätzungen liegen zwischen dem von Smith et al. angegebenen Minimum von 0,03 t C pro Jahr und dem Maximum von 1 t C pro Hektar und Jahr für Acker- und Grasland im globalen Durchschnitt und gelten deshalb als plausibel.

Das kombinierte Potenzial für SCS in der Schweiz – sowohl aus der Landwirtschaft (0,7 Mio. t CO₂ pro Jahr) als auch aus dem Boden (1,9 Mio. t CO₂ pro Jahr) – beläuft sich nach Schätzungen des Jahres 2019 auf 2,6 Mio. t CO₂ pro Jahr. Diese Schätzung ergibt sich aus der Kombination von Daten des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) über Ackerland sowie Schätzungen des Kohlenstoff-Sequestrierungspotenzials des Bodens pro Hektar (ha) aus der Literatur für geographische Standorte mit ähnlichen klimatischen und geologischen Eigenschaften wie die der Schweiz. Dies entspricht in etwa 6–7 % der jährlichen CO₂-Emissionen der Schweiz im Jahr 2018.

Tiefpflügen

Tiefpflügen

Ein weiterer Ansatz des Landmanagements, das Tiefpflügen, könnte zusätzliches SCS-Potenzial bieten. Studien aus Deutschland und Neuseeland zeigen, dass die Verlagerung von nicht leicht abbaubarem Kohlenstoff in größere Tiefen des Bodens, wo er aufgrund längerer Verweilzeiten gespeichert wird, substantielle Sequestrationsgewinne liefern kann. Beuttler et al. schätzen, dass die Anwendung dieser Tiefpflugstechnik auf 5000 ha Boden ein jährliches Sequestrierungspotential von 15,4 Mio. t CO₂ über 20 Jahre bieten könnte. Dies entspricht einem jährlichen Potential von 770 kt CO₂ pro Jahr.

Beim Tiefpflügen würde die kumulative SCS-Gesamtsumme in der Schweiz über zwei Jahrzehnte 15,4 Mio. t CO₂ betragen. Darüber hinaus müssten die SCS-Praktiken beibehalten werden, um zu vermeiden, dass Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre gelangt: Es besteht also die Gefahr einer Umkehrung der Kohlenstoffgewinne, wenn die Praktiken nicht stabilisiert werden. Dies bedeutet auch, dass die mit SCS-Praktiken verbundenen Kosten fortbestehen werden, sobald die Böden gesättigt sind.

In der Vergangenheit wurde Tiefpflügen häufig zur Bodenverbesserung eingesetzt. So wurden zum Beispiel Moorböden, die große Mengen organisches Material (also Kohlenstoff) enthalten, tiefgepflügt, um den Boden für die Landwirtschaft nutzbar zu machen. Dabei wurde das bisher unter Luftabschluss liegende organische Material mit Sauerstoff in Verbindung gebracht, was dazu führte, dass große Mengen CO₂ bei der Verrottung freigesetzt wurden. Das Tiefpflügen widerspricht auch dem Ansatz der regenerativen Landwirtschaft also den oben genannten weniger invasiven landwirtschaftlichen Maßnahmen. Die oberflächliche Humusschicht mit dem darin befindlichen Bodenleben und die tiefwurzelnden Pflanzen werden zerstört, was sich nachteilig auf die Bodenfruchtbarkeit auswirkt.

Sättigung der Kohlenstoffaufnahme in Böden

Die Schätzungen sind mit einem wesentlichen Vorbehalt verbunden: die Kohlenstoffvorräte in Böden neigen dazu, einen Sättigungspunkt zu erreichen. Sobald dieser Sättigungspunkt erreicht ist, hören weitere Kohlenstoffeinträge auf, sich in einen höheren Kohlenstoffgehalt des Bodens zu übersetzen. Beuttler et al. schätzen, dass bei den hier betrachteten Raten die Böden nach etwa zwei Jahrzehnten gesättigt sein werden. Die Schätzung der Sättigungszeit ist jedoch unsicher. Dies deshalb, weil der Zeitpunkt des Erreichens der Sättigung hauptsächlich von der aktuellen C-Speicherung im Vergleich zum Potential der maximalen C-Speicherung abhängt. Beispielsweise schätzten West und Post, dass in 67 Langzeitexperimenten die Zeit bis zur Sättigung für Böden mit Fruchtfolge und Direktsaat etwa 15 Jahre beträgt. Smith schätzt, dass die Kohlenstoffsättigung des Bodens nach 10–100 Jahren eintritt, je nach Boden, Klima und SCS-Merkmalen. Der IPCC verwendet eine Standard-Sättigungszeit von 20 Jahren.

Globale SCS-Potentiale

Die globalen SCS-Potentiale sind um Größenordnungen größer als die Schweizer Potentiale. Der Literaturüberblick von Fuss et al. über dreiundzwanzig verschiedene Studien gibt eine Schätzung des mittleren globalen SCS-Potenzials von 4,28 Gt CO₂ pro Jahr und ein mittleres Potenzial von 3,68 Gt CO₂ pro Jahr an. Dies entspricht etwa 9–11 % der gegenwärtigen globalen Emissionen. Eine neuere Schätzung von Lal ergibt ein viel höheres Potenzial von etwa 9 Gt CO₂ pro Jahr, was etwa 23 % der globalen Emissionen pro Jahr entspricht. Lenton schätzt, dass ein maximales jährliches Potential von ca. 3,3 Gt CO₂ pro Jahr für ca. 3,2 Gt CO₂ pro Jahr erreicht werden kann. 12,5 Jahren erreicht werden kann. Es ist jedoch zu beachten, dass aufgrund von Sättigungseffekten und einer möglichen Wiederfreisetzung von Kohlenstoff nach Beendigung der SCS-Praxis das kumulative Gesamtpotenzial von SCS begrenzt ist.

Kosten für die Umsetzung von SCS

In der wissenschaftlichen Literatur werden mehrere Schätzungen zu den Kosten einer Tonne bodengebundenen Kohlendioxids gegeben, die jedoch stark von der geographischen Lage und der Bodenzusammensetzung abhängen. In der Übersicht von Fuss et al. wurden nur drei Arbeiten gefunden, die Schätzungen für die Kosten der SCS liefern. Nach den Schätzungen der Autoren könnten etwa 20 % der globalen SCS zu negativen Kosten realisiert werden, die zwischen -45$ und 0 $ pro t CO₂-Äq. liegen. Etwa 80 % könnten zu Kosten zwischen 0 $ und 10 $ pro t CO₂-Äq. realisiert werden. Die Gesamtkosten für eine globale Implementierung würden unter diesen Bedingungen −7,7 Milliarden $ betragen. Diese Schätzungen deuten auf ein großes Potential für Skalierbarkeit hin. In der Schweiz wird die einzige Kostenschätzung für SCS von Beuttler et al. angegeben und beläuft sich auf 0–80 CHF pro t CO₂ . Diese Schätzungen ignorieren die Opportunitätskosten von Kohlenstoff: Die Kosten aus Klimaschäden, die durch die Nicht-Implementierung von SCS entstehen. Diese Kosten sind erheblich: Nordhaus schätzt sie auf rund 30 $ pro Tonne CO₂ .

Technische Herausforderungen und Risiken

Eine zentrale Herausforderung für die Umsetzung von SCS ist die Validierung oder unabhängige Überprüfung einer erfolgreichen Sequestrierung von Kohlenstoff im Boden. Dies wird als Voraussetzung für die Bildung eines viablen Marktes angesehen. Die Entwicklung von Methoden zur kostengünstigen Messung von Bodenkohlenstoff bilden aktives Forschungsgebiet.

Die Vermeidung der Emission anderer Treibhausgase (z. B. N₂O) ist ein potentieller unerwünschter Nebeneffekt von SCS. Smith stellt fest, dass viele der negativen Auswirkungen mit einem geeigneten Portfolio von SCS-Techniken überwunden werden können.

Es bleibt ungewiss, wo die Sättigungsniveaus für die Kohlenstoffrückhaltung bei einem bestimmten Bodentyp liegen.

Eine weitere Herausforderung ist die Reversibilität der Kohlenstoffbindung im Boden. Die Kohlenstoffbindung im Boden ist anfällig für eine Umkehrung, wenn die Bodenbewirtschaftungstechniken auf nachteilige Weise verändert werden. Es wird erwartet, dass eine Wiederfreisetzung innerhalb von Jahren erfolgen würde. Es bleibt ebenfalls ungewiss, wie dem Mangel an Dauerhaftigkeit des SCS-abgeleiteten Bodenkohlenstoffs mit verschiedenen Methoden begegnet werden kann, z. B. durch Ansätze, die die langlebige kohlenstoffhaltige Komponenten in den Pflanzenwurzeln erhöhen.

Die Anreicherung von Bodenkohlenstoff erfordert die Zugabe von Pflanzennährstoffen, insbesondere Stickstoff, Phosphor und Kalium. Die Zugabe dieser Nährstoffe ohne geeignete Bewirtschaftungstechniken könnte zu einer Verschärfung der mit Düngemitteln verbundenen Auswaschung in Wasserläufe führen.

Siehe auch

• Carbon Farming
• Chemische Bodeneigenschaften
• CO₂-Abscheidung und -Speicherung
• Kohlenstoffzyklus

Einzelnachweise

1. Sabine Fuss, William F Lamb, Max W Callaghan, Jérôme Hilaire, Felix Creutzig: Negative emissions—Part 2: Costs, potentials and side effects. In: Environmental Research Letters. Band 13, Nr. 6, 21. Mai 2018, S. 063002, doi:10.1088/1748-9326/aabf9f. 
2. Christoph Beuttler, Sonja G. Keel, Jens Leifeld, Martin Schmid, Nino Berta, Valentin Gutknecht, Nikolaus Wohlgemuth, Urs Brodmann, Zoe Stadler, Darja Tinibaev, Dominik Wlodarczak, Matthias Honegger, Cornelia Stettler: The Role of Atmospheric Carbon Dioxide Removal in Swiss Climate Policy. Hrsg.: Bundesamt für Umwelt BAFU. Bern August 2019. 
3. https://www.fwl.wzw.tum.de/forschung/dissertationen.html
4. Bundesamt für Umwelt BAFU: Switzerland’s Greenhouse Gas Inventory 1990–2017. (admin.ch). 
5. Bénédicte Autret, Bruno Mary, Claire Chenu, May Balabane, Cyril Girardin: Alternative arable cropping systems: A key to increase soil organic carbon storage? Results from a 16 year field experiment. In: Agriculture, Ecosystems & Environment. Band 232, 16. September 2016, ISSN 0167-8809, S. 150–164, doi:10.1016/j.agee.2016.07.008. 
6. Sonja G. Keel, Thomas Anken, Lucie Büchi, Andreas Chervet, Andreas Fliessbach: Loss of soil organic carbon in Swiss long-term agricultural experiments over a wide range of management practices. In: Agriculture, Ecosystems & Environment. Band 286, 1. Dezember 2019, ISSN 0167-8809, S. 106654, doi:10.1016/j.agee.2019.106654. 
7. Nationale Bodenbeobachtung (NABO). Agroscope, abgerufen am 16. Mai 2020. 
8. Pete Smith: Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies. In: Global Change Biology. Band 22, Nr. 3, 2016, ISSN 1365-2486, S. 1315–1324, doi:10.1111/gcb.13178. 
9. Pete Smith, Daniel Martino, Zucong Cai, Daniel Gwary, Henry Janzen: Greenhouse gas mitigation in agriculture. In: Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. Band 363, Nr. 1492, 27. Februar 2008, S. 789–813, doi:10.1098/rstb.2007.2184, PMID 17827109. 
10. Viridiana Alcántara, Axel Don, Reinhard Well, Rolf Nieder: Deep ploughing increases agricultural soil organic matter stocks. In: Global Change Biology. Band 22, Nr. 8, 2016, ISSN 1365-2486, S. 2939–2956, doi:10.1111/gcb.13289. 
11. Marcus Schiedung, Craig S. Tregurtha, Michael H. Beare, Steve M. Thomas, Axel Don: Deep soil flipping increases carbon stocks of New Zealand grasslands. In: Global Change Biology. Band 25, Nr. 7, 2019, ISSN 1365-2486, S. 2296–2309, doi:10.1111/gcb.14588. 
12. Annie Francé-Harrar: Die letzte Chance – für eine Zukunft ohne Not, Neuauflage 2007, Seite 564
13. Martin Wiesmeier, Rico Hübner, Peter Spörlein, Uwe Geuß, Edzard Hangen: Carbon sequestration potential of soils in southeast Germany derived from stable soil organic carbon saturation. In: Global Change Biology. Band 20, Nr. 2, 2014, ISSN 1365-2486, S. 653–665, doi:10.1111/gcb.12384. 
14. Tristram O. West, Wilfred M. Post: Soil Organic Carbon Sequestration Rates by Tillage and Crop Rotation. In: Soil Science Society of America Journal. Band 66, Nr. 6, 2002, ISSN 1435-0661, S. 1930–1946, doi:10.2136/sssaj2002.1930. 
15. Timothy M. Lenton: The potential for land-based biological CO₂ removal to lower future atmospheric CO₂ concentration. In: Carbon Management. Band 1, Nr. 1, 1. Oktober 2010, ISSN 1758-3004, S. 145–160, doi:10.4155/cmt.10.12. 
16. Pete Smith: Agricultural greenhouse gas mitigation potential globally, in Europe and in the UK: what have we learnt in the last 20 years? In: Global Change Biology. Band 18, Nr. 1, 2012, ISSN 1365-2486, S. 35–43, doi:10.1111/j.1365-2486.2011.02517.x. 
17. William D. Nordhaus: Revisiting the social cost of carbon. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 114, Nr. 7, 14. Februar 2017, ISSN 0027-8424, S. 1518–1523, doi:10.1073/pnas.1609244114 (pnas.org [abgerufen am 16. Mai 2020]). 
18. Pete Smith, Jean-Francois Soussana, Denis Angers, Louis Schipper, Claire Chenu: How to measure, report and verify soil carbon change to realize the potential of soil carbon sequestration for atmospheric greenhouse gas removal. In: Global Change Biology. Band 26, Nr. 1, 2020, ISSN 1365-2486, S. 219–241, doi:10.1111/gcb.14815.