Klimapositive Baumsubstrate mit Pflanzenkohle

Im Artikel "Klimapositive Baumsubtrate mit Pflanzenkohle" in der Ausgabe 2/2024 von Wagner et al. wurden bereits positive Ergebnisse zu erhöhter Bodenfeuchte, verringertem CO2 in der Bodenluft und Stammzuwachs vorgestellt. Dieser Artikel schließt hieran an, und beleuchtet baumbiologische Parameter wie den Dickenzuwachs, Wasserhaushalt und die Nährstoffversorgung von vier Stadtbaumarten. Die gewonnenen Ergebnisse, welche im Rahmen einer Masterarbeit in der AG Ökologie der Pflanzen der Freien Universität Berlin erforscht wurden, zeigen, dass Pflanzenkohle unter der richtigen Anwendung zu besserer Baumvitalität und erhöhter Trockenstressresistenz beiträgt.

Stadtbäume sind weit mehr als bloße Begrünung – sie verbessern Luftqualität, bieten Schatten, erhöhen die Lebensqualität in Städten und tragen wesentlich zur Reduzierung der Überhitzung von Innenstädten bei. Ob in Parkanlagen, auf Friedhöfen oder entlang von Straßen: Ihre positive Wirkung ist unverzichtbar. Doch die Bedingungen, denen sie ausgesetzt sind, sind alles andere als ideal. Kleine Pflanzgruben, verdichtete Böden und zunehmend extreme Witterungsverhältnisse durch den Klimawandel stellen Stadtbäume vor immense Herausforderungen. Wie schaffen es Stadtbäume, inmitten der urbanen Hektik, zu überleben und welche Strategien könnten ihnen künftig helfen?

Die Anwendung von Pflanzenkohle bietet vielversprechende Möglichkeiten, um die Widerstandsfähigkeit von Bäumen in städtischen Gebieten zu verbessern. Diese besondere Form eines kohlenstoffhaltigen Materials, zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, Wasser und Nährstoffe zu speichern, den Boden aufzulockern und Verdichtung entgegenzuwirken und somit die Wachstumsbedingungen zu optimieren. Um das Potenzial von Pflanzenkohle genauer zu untersuchen, wurde ein Experiment mit vier Straßenbaumarten durchgeführt: Säulenulme (Ulmus hybrid 'Columella'), Vogelkirsche (Prunus avium 'Plena'), Winterlinde (Tilia cordata 'Greenspire') und Amberbaum (Liquidambar styraciflua 'Worplesdon'). Die Bäume wurden in drei Behandlungsgruppen mit unterschiedlichen Beimischungen in den Bodensubstraten eingeteilt – 30-Vol. Prozent Pflanzenkohle (PK30), 70-Vol. Prozent Pflanzenkohle (PK70) und ohne Pflanzenkohle (Kontrolle). Es wurde Pflanzenkohle (Hersteller: FETZER Rohstoffe + Recycling GmbH) mit über 90 Prozent Kohlenstoffgehalt, zertifiziert nach dem Europäischen Pflanzenkohlezertifikat verwendet.

Im Februar 2022 wurden die Bäume an drei Standorten in Berlin Steglitz-Zehlendorf gepflanzt und zwischen März 2023 und Oktober 2023 umfassend untersucht (Thonemann 2024). Neben der Bodenfeuchtigkeit wurden das Baumwachstum, das Blattwasserpotential nach Scholander (Matyssek et al. 2019) (Abb. 1, 2 und 3) sowie die Blattstickstoffkonzentration gemessen. Die Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt und könnten wegweisend für die Entwicklung nachhaltiger Stadtbaumkonzepte sein.

Zuwachs

Der Dickenzuwachs ist ein einfach zu bestimmender Parameter zur Untersuchung von Vitalität und allgemeiner Versorgung von Bäumen. Abb. 4 zeigt die Ausgangs-BHD (Brusthöhendurchmesser) und den Dickenzuwachs nach 6 Monaten der beobachteten Straßenbäume. Die höchsten Zuwachsraten sind in den Pflanzenkohle-Gruppen zu sehen. Je nach Baumart gibt es entweder bei PK30 oder bei PK70 ein schnelleres Wachstum. Die Kontrolle weist in allen Arten ein langsameres Wachstum auf. Eine Studie von Fransson et al. (2023) hat gezeigt, dass Prunus-Arten welche mit 50-Vol. Prozent Pflanzenkohleanteil behandelt wurden, einen um 35 Prozent höheren BHD-Zuwachs haben, als die Kontrolle. Diese Ergebnisse decken sich mit unseren Beobachtungen. Prunus zeigt generell die höchsten Zuwachsraten und steigt auch in Abhängigkeit mit dem Pflanzenkohleanteil weiter an, so auch Liquidambar. Dieser starke Effekt zeigt sich allerdings nicht bei allen Arten. Ulmus und Tilia haben die höchsten Zuwachsraten bei 30-Vol. Prozent Pflanzenkohle. Thomas et al. (2015) berichten, dass die Anwendung von Pflanzenkohle zu einem Biomassezuwachs von bis zu 41 Prozent führen kann. Dieser Effekt zeige sich jedoch besonders ausgeprägt in frühen Wachstumsstadien und soll in borealen und tropischen Systemen stärker sein als in gemäßigten Zonen. Zudem sollen Laubbäume (Angiospermen)

stärker auf Pflanzenkohle reagieren als Nadelbäume (Koniferen). Dies deutet darauf hin, dass der Einfluss von Pflanzenkohle stark vom jeweiligen Ökosystem und vor allem von der Baumart abhängt. Unterschiedliche Reaktionen könnten durch spezifische Wurzelstrukturen, Wasserhaushalt der Pflanzen, Nährstoffaufnahme, Stressresistenz, Krankheitsanfälligkeit und andere Faktoren bedingt sein. Xiang et al. (2017) fanden heraus, dass Pflanzenkohle das Wurzelwachstum erheblich beeinflusst, wobei besonders die Parameter der Pyrolyse eine entscheidende Rolle spielen. Wenig erforscht ist allerdings, wie unterschiedliche Baumarten auf Pflanzenkohle reagieren.

Wasserhaushalt

Eine wichtige Kenngröße für den Wasserhaushalt in Pflanzen ist das Blattwasserpotential. Dieser Wert steht für die Spannung, mit der das Wasser in der Pflanze gehalten wird, je negativer der Wert, desto höher die Spannung. Er ergibt sich aus der Wasserverfügbarkeit, der Transpirationsrate, dem osmotischen Druck und dem Druckpotential. Das Zusammenspiel dieser Faktoren entscheidet, wie effizient die Pflanze Wasser aufnehmen, transportieren, transpirieren und für Wachstumsprozesse nutzen kann. In Abb. 5 sind charakteristische Tagesgänge des Blattwasserpotentials "Psi" für jeweils einen Baum pro Behandlungsgruppe der vier Arten dargestellt. Vor Sonnenaufgang ist das Blattwasserpotential entspannt, die Wasserspannung am geringsten (schwach negative Werte). Mit steigender Transpiration der Blätter am Vormittag sinken die Tagesgänge trotz ausreichender Wasserverfügbarkeit im Boden stark ab und erreichen die höchsten (negativen) Blattwasserpotential-Werte am frühen Nachmittag. Zum Abend, mit abnehmender Transpiration bei konstanter Wasseraufnahme, steigen die Tagesgänge des Blattwasserpotentials wieder auf schwach negative Werte an. Bei den mit Ulmus, Prunus und Tilia bepflanzten Substraten nimmt die Bodenfeuchtigkeit mit steigendem Pflanzenkohleanteil zu. Bei Liquidambar erscheint die hohe Bodenfeuchtigkeit in der Kontrolle unklar, möglicherweise wurde hier von Anwohnenden gegossen. Liquidambar zeigt im Tagesgang viel entspanntere Blattwasserpotential-Werte im Vergleich zu den anderen Baumarten. Diese entspannten Werte können durch eine hohe hydraulische Leitfähigkeit für Wasser aufgrund anatomischer Anpassungen in dieser Baumart erklärt werden (Domec et al. 2010). Aus den Tagesgängen lässt sich der Trend ablesen, dass sich das Blattwasserpotential der Kontrollbäume langsamer entspannt als in den Pflanzenkohlebehandlungen.

Um den Wasserverbrauch der Baumarten in den einzelnen Behandlungsgruppen zu beschreiben, wurde die Abnahme der Bodenfeuchtigkeit in einem bestimmten Zeitraum gemessen (Tabelle 1). Zwischen 25.08.23 und 11.09.23 wurde die Bewässerung ausgesetzt und kaum Niederschläge verzeichnet. Weshalb davon auszugegangen werden kann, dass die Unterschiede der Bodenfeuchte hauptsächlich mit dem Pflanzenentzug zusammenhängen. Die Klimabedingungen im Spätsommer 2023 waren nicht die eines Dürresommers, weshalb die erwartete Trockenstresssituation ausblieb. Dennoch liefern die Messwerte Hinweise auf die Wassernutzung der einzelnen Baumarten und Behandlungsgruppen. In Abb. 5 ist die Bodenfeuchte zwei Tage vor Versuchsbeginn zu entnehmen. Obwohl die Bodenfeuchtigkeit je nach Pflanzenkohleanteil höher ist, unterscheiden sich die Abnahmewerte bei Ulmus kaum zwischen den Behandlungen. Unabhängig vom verfügbaren Bodenwasser scheinen Ulmen einen recht hohen Wasserverbrauch aufrechtzuerhalten. Im Vergleich dazu ist die Abnahme der Bodenfeuchte bei Prunus stark an die Behandlung und somit an das vorhandene Bodenwasser gekoppelt. Bei Tilia besteht eine Behandlungsgruppe teilweise nur aus einem Baum. Trotzdem hat die Kontrolle wesentlich weniger Entzug als die PK-Behandlungen, was ebenfalls für eine Anpassung an die Wasserverfügbarkeit spricht. Die Bodenfeuchte bei Liquidambar lässt sich nicht so einfach erklären, dennoch scheint auch hier der Wasserverbrauch stark an die Wasserverfügbarkeit angepasst.

Das pre-dawn Blattwasserpotential beschreibt den Wasserzustand einer Pflanze vor Sonnenaufgang und ist ein aussagekräftiger Wert für die Wasserspannung im Blatt. Dieser Wert stellt den Ruhewert dar, welcher sich über Nacht in der Pflanze einstellt, wenn keine nennenswerten Wasserverluste über die Transpiration bei geschlossenen Spaltöffnungen erfolgen und ist abhängig vom verfügbaren Wasser im Boden (Bartell et al. 2021). Betrachtet man diesen Wert gemeinsam mit der Bodenfeuchtigkeit, lässt sich ablesen, wie gut die Pflanze mit dem verfügbaren Wasser umgeht (s. Abb. 6). Die pre-dawn Blattwasserpotential-Werte unterscheiden sich stark zwischen den Baumarten, weshalb davon auszugehen ist, dass sehr unterschiedliche Strategien im Umgang mit Wasser angewandt werden.

Über alle untersuchten Baumarten hinweg zeigt sich, dass die Trendlinie der Behandlungsgruppe von PK30 die geringste Steigung aufweist und durchweg entspanntere Wasserpotential-Werte, selbst bei geringer Bodenfeuchte, erreicht. Die Steigung von PK70 ähnelt bei den meisten Baumarten derjenigen der Kontrollgruppe, steigt jedoch bereits bei höheren Bodenfeuchten an. Dies deutet darauf hin, dass trotz eines höheren Wassergehalts im Boden, dieses nicht vollständig für die Pflanzen verfügbar ist. Liquidambar scheint beide Pflanzenkohle-Behandlungen (PK30 und PK70) ähnlich gut zu tolerieren, wobei nur die Kontrollgruppe stärkerem Stress mit negativen Blattwasserpotential-Werten anzeigt. Insgesamt scheint mit zunehmendem Pflanzenkohlegehalt im Boden, das Wasser besser gespeichert zu werden. Jedoch ist das Wasser entsprechend weniger für die Pflanzen verfügbar. In unserer Studie bietet PK30 einen ausgewogenen Ansatz, während in der Kontrollgruppe und bei PK70 entweder zu wenig Wasser gespeichert wird oder dieses zu stark gebunden ist. Schaffert et al. (2022) zeigten, dass 5 bis 10 Prozent Pflanzenkohle positive Effekte auf die Bodenfeuchte und das Pflanzenwachstum haben können, während Anwendungen über 25 Prozent negative Auswirkungen wie geringere Produktivität und sogar Phytotoxizität verursachen können (Sarauer et al. 2018).

Der Wertebereich für die Baumarten Ulmus und Prunus im Vergleich zu Tilia und Liquidambar weist negativere Blattwasserpotentiale bei niedrigeren Bodenwassergehalten auf. Hier macht sich der höhere Wasserverbrauch bei Ulmus und Prunus im Vergleich zu Tilia und Liquidambar bemerkbar. Die beiden erstgenannten Baumarten unterliegen somit einem erhöhten Trockenstressrisiko.

Nährstoffversorgung

Um die Nährstoffversorgung in Bezug auf die Pflanzenkohle-Behandlungsgruppen zu beurteilen, wurden die Blattstickstoffgehalte der Baumarten analysiert. Die Blattstickstoffgehalte spiegeln den Ernährungszustand der Bäume wieder (Chapin et al. 2002, Marschner 2011). Abb. 7 zeigt, dass die PK70-Behandlung bei allen untersuchten Baumarten die geringsten Stickstoffwerte aufweist und somit schlechtere Nährstoffversorgung signalisiert. Joseph et al. (2021) berichten in ihrem Review über Befunde aus verschiedenen Studien, die negative Effekte hoher Pflanzenkohle-Konzentrationen auf die Verfügbarkeit von Stickstoff (N) und Phosphor (P) im Boden belegen. Thomas et al. (2015) stellen fest, dass Pflanzenkohle generell sehr wenig Stickstoff enthält und eine starke Bindung von Ammonium aufweist, was den für Pflanzen verfügbaren Stickstoff reduziert. Bei Prunus avium und Tilia cordata zeigt die PK30-Gruppe im Durchschnitt höhere Blattstickstoffgehalte als die Kontroll- oder PK70-Gruppe. Bei Ulmus columella weist die Kontrollgruppe den höchsten Blattstickstoffgehalt auf. Die Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit, Pflanzenkohle mit ausreichend Nährstoffen anzureichern, bevor sie zur Wachstumsförderung von Bäumen eingesetzt wird, beispielsweise über Kompostierung der Kohle.

Zusammenfassung und Fazit

Die Beimischung von Pflanzenkohle in Bodensubstrate beeinflusst die Baumgesundheit und Bodendynamik durch ein komplexes Zusammenspiel von Bodeneigenschaften und Baumphysiologie. In der vorliegenden Untersuchung wurden positive Effekte auf den Wasserzustand, insbesondere auf das Blattwasserpotenzial, nachgewiesen. Pflanzenkohle zeigt großes Potenzial als Bodenverbesserer – sei es zur Steigerung der Bodenfruchtbarkeit und Wasserhaltekapazität oder zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen. Unsere Ergebnisse betonen jedoch die Notwendigkeit, artspezifische Reaktionen und ökologische Auswirkungen sorgfältig zu berücksichtigen. Die Wirkung von Pflanzenkohle scheint stark von den Strategien abzuhängen, die Baumarten bei der Wasser- und Nährstoffaufnahme verfolgen. Arten mit hohem Stoffwechsel können Mechanismen besitzen, um stärker gebundene Nährstoffe und Wasser zu erschließen, während Arten mit konservativen Strategien möglicherweise nicht über die nötigen Strukturen verfügen, um diese Ressourcen effizient zu nutzen. Bei der 70-Vol. Prozent-Pflanzenkohle-Behandlung überwiegen die negativen Effekte offenbar die positiven, während die 30-Vol. Prozent-Pflanzenkohle-Behandlung sehr positive Effekte erzielt. Pflanzenkohle kann dem Boden Nährstoffe entziehen, insbesondere in der Anfangsphase nach der Anwendung, was die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen vorübergehend verringern kann. Diesem Prozess könnte von vornherein entgegengewirkt werden, beispielsweise durch das "Aufladen" der Kohle mit nährstoffreichen Materialien wie Kompost, bevor sie in den Boden eingebracht wird. Lehmann et al. (2021) weisen darauf hin, dass diese Vorbehandlung den Nährstoffentzug mindern und die positiven Effekte der Pflanzenkohle auf Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenwachstum maximieren kann. Aber auch ohne diesen Vorgang überwiegen die positiven Effekte der 30-Vol. Prozent-Pflanzenkohle-Behandlung. Zukünftige Studien sollten diese komplexen Wechselwirkungen weiter untersuchen – insbesondere im Hinblick auf den Wurzelraum, die Mykorrhizierung und die optimale Pflanzenkohlekonzentration –, um eine nachhaltige und effiziente Nutzung von Pflanzenkohle im Baummanagement zu fördern.

Danksagung

Wir bedanken uns für die Kooperation beim Grünflächenamt Steglitz-Zehlendorf, insbesondere bei Frau Jahn, Herr Zuch, Frau King. Für die Bodenfeuchtigkeitsmessungen bedanken wir uns bei Luise Sontag (Bachelorstudentin). Werner Herppich vom ATB Potsdam-Bornim gilt unser besonderer Dank für die Unterstützung bei den Wasserpotentialmessungen.

Referenzen

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