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Kohlenstoffbindung im Boden

Die Kohlenstoffbindung im Boden, oder auch CO2-Sequestrierung im Boden (auf Englisch "soil carbon sequestration", oder SCS) bezeichnet Methoden der Landbewirtschaftung, die den organischen Kohlenstoffgehalt des Bodens so erhöhen, dass der Atmosphäre netto CO2 entzogen wird.[1] Aufgrund dieser Netto-Kohlenstoffentnahme, handelt es sich bei SCS um eine Negativemissionstechnologie. In der Schweiz beläuft sich nach Schätzungen des Jahres 2019 das Potential von SCS, Kohlenstoff aus der Atmosphäre im Boden zu speichern, auf maximal 2.6 Mio Tonnen CO2 pro Jahr (für eine Zeitspanne von ca. 20 Jahren). Dies entspricht in etwa 6-7% der jährlichen CO2 Emissionen der Schweiz im Jahr 2018.

Praktiken 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.[1] Daher können Praktiken, die entweder die Einträge erhöhen oder die Verluste verringern oder beides, SCS fördern.[1] 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 Praktiken, 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, Tiefpflügen und Direktsaatverfahren.[2]       

Gegenwärtige Kohlenstoffsequestrierung in Schwezer Böden

Die jährlichen Veränderungen der Kohlenstoffvorräte der Schweizer Böden werden seit 2019 von Agroscope, einem Teil des WBFs, mit Modellen berechnet.[3] Diese Daten werden in einem Bericht über das Treibhausgasinventar der Schweiz, einer jährlich erscheinenden Publikation des BAFUs, zusammen mit weiteren Daten zusammengeführt.[4] 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.

Schätzungen des maximalen Potentials für Kohlenstoffbindung in Schweizer Böden

Schätzungen der für SCS verfügbaren Fläche in der Schweiz

Das BAFU verwendet die Digitale Bodenkarte der Schweiz 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.[4]

Beitrag aus konventionellen SCS Methoden

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).[5] 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.[6] Dies 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.[2] 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.[7][8]

Beitrag aus Tiefpflügen
Tiefpflügen

Ein weiterer Ansatz des Landmanagements, das Tiefpflügen, könnte zusätzliches SCS-Potenzial bieten. Studien aus Deutschland [9] und Neuseeland [10] 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.

Kombiniertes Potential aus konventionellen SCS-Methoden und Tiefpflügen

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)- liegt demnach bei 2.6 Mio. t CO2 pro Jahr.[2] 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.

Sättigung der Kohlenstoffaufnahme in Böden

Diese 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.[11] Beispielsweise schätzten West und Post, dass in 67 Langzeitexperimenten die Zeit bis zur Sättigung für Böden mit Fruchtfolge und Direktsaat etwa 15 Jahre beträgt.[12][13] Smith schätzt, dass die Kohlenstoffsättigung des Bodens nach 10-100 Jahren eintritt, je nach Boden, Klima und SCS-Merkmalen.[7] Der IPCC verwendet eine Standard-Sättigungszeit von 20 Jahren.[1]

Die kumulative Gesamtsumme für SCS in Schweizer Böden würde dann 37,4 Mio. t CO2 in zwanzig Jahren betragen.[2] Dies entspricht etwa einem vollen Emissionsjahr in der Schweiz. Beim Tiefpflügen würde die kumulative SCS-Gesamtsumme über zwei Jahrzehnte 15.4 Mio. t CO2 betragen.[2] 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.

Vergleich zu globalen SCS Potentialen

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.[1] 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.[13] 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 Schweiz

In der wissenschaftlichen Literatur werden mehrere Schätzungen zu den Kosten einer Tonne bodengebundenen Kohlendioxids gegeen, 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.[7][8][14] 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.[7][8][14] Etwa 80% könnten zu Kosten zwischen 0$ - 10$ pro t CO2-Äq. realisiert werden.[1] 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.[2] 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.[15]

Technische Herausforderungen und Risiken für die Umsetzung in der Schweiz

Eine zentrale Herausforderung für die Umsetzung von SCS in der Schweiz 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.[16]

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.[7]

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.[1] Die Zugabe dieser Nährstoffe ohne geeignete Bewirtschaftungstechniken könnte zu einer Verschärfung der mit Düngemitteln verbundenen Auswaschung in Wasserläufe führen.

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c d e f g 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. ↑ a b c d e f 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. ↑ Nationale Bodenbeobachtung (NABO). Agroscope, abgerufen am 16. Mai 2020.
  4. ↑ a b 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 (sciencedirect.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  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 (sciencedirect.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  7. ↑ a b c d e 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 (wiley.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  8. ↑ a b c 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 (royalsocietypublishing.org [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  9. ↑ 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 (wiley.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  10. ↑ 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 (wiley.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  11. ↑ 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 (wiley.com [abgerufen am 28. Juni 2020]).
  12. ↑ 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 (wiley.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  13. ↑ a b 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.
  14. ↑ a b 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 (wiley.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
  15. ↑ 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]).
  16. ↑ 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 (wiley.com [abgerufen am 16. Mai 2020]).
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