Bodenkohlenstoff

Humus aufbauen – wie geht das?

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Max Schmidt, Kalk- und Bodenspezialist
am Mittwoch, 12.05.2021 - 11:25

Humus, das ist Bodenfruchtbarkeit, das ist CO2-Speicher und das ist modern. Doch Humus ist auch ein echtes Rätsel. Allerdings eines, das sich lösen lässt.

Humus aufbauen und damit sowohl die Bodenfruchtbarkeit steigern, als auch CO2 zur Entlastung der Atmosphäre binden – das ist momentan ein großes Thema. Findige Start-up-Unternehmen haben bereits Geschäftsmodelle entwickelt und versprechen den Landwirten für den Humusaufbau zusätzliche Einnahmen aus dem Erlös von CO2-Zertifikaten. Dabei stellt sich die Frage, wie Humus überhaupt entsteht?

Kohlenstoffgehalt im Boden

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Die schnelle Antwort darauf ist: Humus ist der gemessene Kohlenstoffgehalt (Corg) im Boden, mit dem Faktor 1,72 multipliziert.

Doch diese Antwort hilft nicht weiter, wenn es darum geht, wie sich Humus aufbauen lässt. Doch das ist genau jene Frage, an der Ackerbauern grundsätzlich interessiert sein müssen.

Der Motor für alles organische Leben auf der Erde ist die Photosynthese – also die Fähigkeit unserer Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie und Wasser aus dem CO2 der Atmosphäre einfache Zuckermoleküle herzustellen.

Dies ist die Quelle, die Kohlenstoff und Energie auf und in den Acker bringt. 20 bis 30 % der bei der Photosynthese gebildeten Energie verbraucht das Wurzelsystem – welches wiederum über abgestorbene Wurzelhaare und Exsudate die Mikroorganismen im Boden füttert.

Nach Kutschera scheidet ein guter Maisbestand in einer Vegetationsperiode 1000 t/ha (100 l/m2) kohlehydratreiche Exsudate über die Wurzel aus und bringt Kohlenstoff direkt in den Boden. Wegen dieser Leistung des Wurzelwerkes ist auch bei den Zwischenfrüchten ein intensives Wurzelsystem wichtiger als die Blattmasse.

Traditionelle und neue Lehre zur Humusbildung

Die traditionelle Humusforschung ging davon aus, dass kohlehydrat- und eiweißreiche Pflanzenrückstände und der daraus entstehende Nährhumus die Nahrung für das Bodenleben darstellen, aus dessen mineralischen Abbauprodukten sich wiederum die Pflanzen ernähren. Der Dauerhumus, so dachte man, wird überwiegend aus ligninreichen Pflanzenrückständen gebildet. Wenn jedoch der Standort passt – also nicht zu nass, zu trocken, zu kalt oder zu sauer ist – werden alle Pflanzenrückstände, abgestorbene Mikroorganismen und Wurzelausscheidungen bis zum CO2 abgebaut. Humus entsteht nur, wenn der Abbauprozess unterbrochen und der Kohlenstoff dabei stabilisiert wird.

Die neuere Humusforschung konnte nachweisen, dass erst durch die Stabilisierung der Huminstoffe (Corg) durch Metalloxide in Bodenaggregaten und an der Oberfläche von Tonmineralen Dauerhumus gebildet wird. Der Kohlenstoff kann dabei auch von Kohlehydraten und Proteinen stammen, wie sie vor allem die Wurzeln liefern.

pH-wert spielt wichtige Rolle

In sauren Böden (pH<5) geschieht die Sorption von Kohlenstoff (Corg) zunehmend über Eisen(Fe)- und Aluminium(Al)-Komplexe. In Podsolböden unter Nadelwald und pH-Werten um 3 wird Corg in der Ortsteinschicht dauerhaft gespeichert. Eine landwirtschaftliche Nutzung ist auf solchen Böden nicht möglich.

Landwirtschaftliche Böden in unseren Breiten sind im pH-Bereich von 5,5 bis 6,5 durch Ton/Schluff-Trennung verschlämmungs- und erosionsgefährdet und wenig belastbar (Verdichtung). In sandigen Böden liegen die Humusgehalte meist unter 1 % Corg und sind alleine durch die Zufuhr organischer Masse kaum zu steigern. Günstig wird es erst bei pH-Werten von über 6,5 und höheren Tongehalten, die idealerweise bei 20 bis 30 % liegen. Hier verbindet Kalzium den Corg mit den Tonmineralen zu stabilen Ton-Humuskomplexen. Freier Kalk, der ab einem pH-Wert von 7 zu erwarten ist, kann den Prozess zusätzlich unterstützen.

Wurzelinput ist entscheidend

Untersuchungen in österreichischen Schwarzerden (pH>7 und freier Kalk) zeigten, dass über 90 % des Kohlenstoffs an Tonmineralen und in Aggregaten gebunden sind. Der stabilste Kohlenstoff an den Tonmineralen stammt von Ausscheidungen und Resten von Mikroorganismen. Vom Wurzel-Input verbleiben 46 % und von den Sprossteilen nur 8 % als stabiler Humus im Boden.

Die Wurzeln und das Bodenleben haben deshalb für die Humusbildung eine zentrale Bedeutung. Die Vegetationszeit möglichst vollständig mit Hauptfrüchten, Untersaaten (Gräser) und Zwischenfrüchten zu nutzen, ist daher der effektivste Weg zu humusreichen, fruchtbaren Böden. Weitere einflussreiche Faktoren wie Klima, Bodenart, Fruchtfolgen, organische Düngung und Nutzungsarten sind in diesem Artikel bewusst weitgehend ausgeklammert.

Doppelt positiv geladenes Kalzium verbindet Tonminerale mit Huminstoffen

Huminstoffe und Tonminerale sind Kolloide mit negativer elektrischer Ladung. Das Geheimnis der mehrwertigen Kationen liegt darin, dass ihre positiven Ladungen die negativen Ladungen der Kolloide aufheben und so stabile Verknüpfungen ermöglichen. Am effektivsten kann das in landwirtschaftlichen Böden das doppelt positiv geladene Kalzium (Ca++), das Ton mit Humus verbindet und Aggregate bildet.

Dieser auch als Flockung bezeichnete Prozess ist die Vorstufe der Bildung stabiler Krümel durch die sogenannte Lebendverbauung. Die Kolloide müssen dabei im Lehmboden zu 70 bis 80 % mit Ca, zu 10 % mit Mg und zu weniger als 5 % mit K abgesättigt sein. Dabei stellt sich die Frage, ob nicht der Kohlenstoff (Corg), sondern die Tonminerale und Ca++-Ionen die begrenzenden Faktoren bei der Humusbildung sind. Tonreiche Böden mit freiem Kalk haben jedenfalls die höchsten Humusgehalte.

Ton- und Humusgehalt stehen im Verhältnis

Eine Studie der ETH Zürich geht davon aus, dass die speicherbare Menge an Corg vom Tongehalt der Böden abhängig ist, und sieht als anzustrebendes Optimum ein Verhältnis von 10 : 1 als erreichbar an. Ein leichter Boden mit einem Tonmineralgehalt von 10 % kann demnach also mit 1 % Corg (ca. 1,7 % Humus) angereichert werden, ein schwerer Boden mit 30 % Ton mit über 5 % Humus. Sinnvoll ist ein Humusgehalt, der die biologischen, chemischen und physikalischen Prozesse – und damit die Bodenfruchtbarkeit – optimiert.

Da Humus im Wesentlichen aus Kohlenstoff und Stickstoff besteht, kann auch der Stickstoff ein begrenzender Faktor sein. Um eine 20 cm mächtige Krume mit 0,1 % Kohlenstoff (ca. 0,2 % oder ca. 5000 kg/ha Humus) anzureichern, sind bei einem C/N-Verhältnis von 10 : 1 circa 300 kg N/ha erforderlich. Außerdem sind im Humus noch Phosphat und Schwefel gespeichert

Unsere Böden hinsichtlich Erosion, Infiltration, Wasserspeicherung und Durchwurzelung zu verbessern, ist angesichts des Klimawandels eine große Aufgabe. Mit besseren Fruchtfolgen, pflugloser Bearbeitung, Zwischenfrüchten und Mulchsaaten alleine ist das nicht auf allen Böden zu schaffen. Der Erfolg dieser Maßnahmen und der Humusaufbau scheitern wohl oft an der unzureichenden Kalkversorgung und dem fehlenden Gleichgewicht der Kationen in unseren Böden.

Kali- und Magnesiumgehalte beachten

Die LUFA-Bodenuntersuchung ist in Verbindung mit einer Nährstoffbilanzierung eine gute Basis für eine harmonische Düngung, die den Boden ins Gleichgewicht bringt. Dabei sollte man aber immer im Kopf behalten, dass überhöhte Kali- und Magnesiumgehalte negativ für die Bodenstruktur sind. Eine Untersuchung der KAK (Kationenaustauschkapazität) ist darum bei Bodenstrukturproblemen trotz optimaler pH-Werte und bei überdüngten Böden sinnvoll.

Wenn der pH-Wert passt und im feuchten und beschatteten Boden genug Nahrung und Sauerstoff zu Verfügung stehen, entwickelt sich automatisch ein reiches Bodenleben für die Lebendverbauung des Bodens. Das Kalzium sorgt dabei für die Flockung der Kolloide als Vorstufe der Aggregatbildung (Krümel) und stabilisiert den Humus.
Eine verbesserte Bodenstruktur lässt das Wasser versickern und speichert es für Trockenperioden. Nicht der Humus speichert das Wasser, sondern der Porenraum des Bodens, der durch Humus und Kalzium günstig beeinflusst wird. Betriebe, die bereits erfolgreich standorttypisch optimale Humusgehalte erreicht haben, hatten entweder das Glück, auf kalkreichen Böden zu wirtschaften oder haben den Wert von Kalk und Gips erkannt und damit ihre Böden ins Gleichgewicht gebracht.