Biokohle und KI verbessern die Phosphorverfügbarkeit im Boden

Aus verkohlten Pflanzenresten hergestellte und in Ackerböden eingebrachte Biokohle gewinnt als kostengünstige Möglichkeit an Bedeutung, die Bodenqualität zu verbessern und Düngerverluste zu verringern.

Landwirte, die Biokohle ausbringen, wollen meist den bereits auf ihren Flächen vorhandenen Phosphor besser nutzbar machen.

Doch die Wirkung von Biokohle auf Phosphor war bislang kaum vorhersehbar. Sie kann gebundene Nährstoffe freisetzen, aber ebenso unbemerkt demjenigen schaden, der sie ausgebracht hat. Neue Forschungsergebnisse könnten das nun ändern.

Der verborgene Verlust

Nutzpflanzen nehmen den für sie vorgesehenen Phosphor erstaunlich schlecht auf. Während einer Vegetationsperiode gelangt nur ein kleiner Anteil tatsächlich in die Pflanzen; Schätzungen liegen häufig bei 15 bis 20 Prozent.

Der übrige Phosphor verschwindet nicht. Ein Teil bindet sich an Eisen, Aluminium oder Kalzium und wird chemisch fixiert – für die Kulturpflanze an der Oberfläche nicht verfügbar. Der Rest wird in Bäche und Teiche abgeschwemmt, wo er Algenblüten fördert und dem Wasser Sauerstoff entzieht.

Dieser Abfluss wird Eutrophierung genannt. Er lässt gesunde Gewässer vergrünen und leblos werden. Für Landwirte entsteht damit ein doppelter, oft wenig sichtbarer Verlust: unnötige Düngerausgaben und Schäden flussabwärts, die sie nie verursachen wollten.

Der Phosphor selbst stammt aus abgebautem Gestein, dessen Entstehung Millionen Jahre dauerte. Dass diese Quelle nicht erneuerbar ist, macht die Verschwendung noch problematischer.

Pflanzenkohle für den Boden

Ein vielversprechender Ansatz ist Biokohle, ein holzkohleähnliches Material. Sie entsteht, wenn Ernterückstände, Holz oder andere pflanzliche Stoffe unter stark begrenzter Sauerstoffzufuhr erhitzt werden. Dabei bleibt ein poröser, schwarzer Feststoff mit hohem Kohlenstoffgehalt zurück, den Landwirte in ihre Böden einarbeiten können.

Biokohle hat jedoch ein Imageproblem. In manchen Böden setzt sie gebundenen Phosphor für Pflanzen frei. In anderen hält sie Phosphor dort fest, wo die Wurzeln ihn nicht erreichen können – mitunter hilfreich zur Verringerung der Gewässerbelastung, mitunter einfach frustrierend.

Genau diese Unberechenbarkeit ist das Kernproblem. Wer vor einem Sack Biokohle steht, kann bislang nicht verlässlich einschätzen, ob sie einem bestimmten Feld nützt oder schadet, welche Menge ausgebracht werden sollte oder unter welchen Bodenbedingungen sich das Ergebnis umkehrt.

Vorhersagen mit KI

Yutao Peng von der Sun-Yat-Sen-Universität im chinesischen Shenzhen und sein Team wollten diese Unsicherheit durch verlässliche Prognosen ersetzen.

Dafür werteten sie 32 frühere Studien aus und stellten 534 Messwerte zusammen. Jeder davon dokumentierte, wie sich der Bodenphosphor nach der Zugabe von Biokohle verändert hatte.

Diese Daten flossen in drei verschiedene Systeme des maschinellen Lernens. Sie sollten Muster zwischen Eigenschaften der Biokohle, Bodenbedingungen und den Folgen für Phosphor erkennen. Die Modelle mussten 19 Variablen gleichzeitig berücksichtigen – deutlich mehr, als ein Mensch manuell zuverlässig verfolgen könnte.

Ein System war den anderen klar überlegen. Das Random-Forest-Modell erzeugt seine Vorhersage, indem es die Daten in Hunderten separaten Analysen verarbeitet und deren Ergebnisse mittelt.

Bei Daten, die es zuvor nicht gesehen hatte, erreichte das Modell ein R² von ungefähr 0,91. Damit erklärte es den größten Teil der Unterschiede bei der Frage, wie Biokohle Phosphor im Boden verändert.

Die Temperatur bestimmt die Biokohle

Als das Team das Modell fragte, welcher Faktor den größten Einfluss hatte, stach eine Antwort deutlich heraus: Entscheidend war vor allem die Temperatur, bei der die Biokohle ursprünglich hergestellt wurde – ihre Pyrolysetemperatur.

Bei mittleren Temperaturen produzierte Biokohle war strukturell ausgewogen. Vermutlich bildete sie ausreichend viele feine Poren und reaktive Oberflächen aus, um Phosphor zu regulieren, ohne dabei zu stark zu wirken.

Das Modell identifizierte einen optimalen Bereich. Die besten Ergebnisse häuften sich bei Herstellungstemperaturen von 460–482 °C und moderaten Ausbringungsmengen.

Bei höheren Temperaturen hergestellte Biokohle verhielt sich anders: Sie verringerte die Phosphorverfügbarkeit, statt sie zu erhöhen. Das kann durchaus sinnvoll sein, wenn verhindert werden soll, dass Phosphor in nahe gelegene Gewässer gelangt. Die Temperatur fungiert somit als Stellgröße.

Bodenbedingungen sind entscheidend

Die Temperatur wirkte jedoch nicht allein. Die ausgebrachte Biokohlemenge war der zweitstärkste Einflussfaktor, gefolgt vom Säuregrad des Bodens und seinem bereits vorhandenen Gesamtphosphorgehalt.

Der pH-Wert des Bodens lenkte die gesamte Wechselwirkung. In sauren Böden bindet sich Phosphor tendenziell an Eisen und Aluminium und wird schwer zugänglich; dadurch bleibt Biokohle weniger Spielraum für eine Wirkung.

Neutrale bis leicht alkalische Böden bieten der Biokohle bessere Voraussetzungen. Wenn diese Metallionen weniger stark reagieren, kann eine durch Biokohle ausgelöste pH-Anhebung Phosphor in Formen überführen, die Pflanzenwurzeln tatsächlich erreichen.

Keine dieser Einflüsse verlief geradlinig. Das Modell zeigte komplexe Wechselwirkungen, die eine einfache Gleichung übersehen würde.

Das erklärt, weshalb ein Ansatz zur Verarbeitung unübersichtlicher, nichtlinearer Zusammenhänge herkömmliche statistische Verfahren übertraf.

Unbehandelte Biokohle reicht aus

Ein Ergebnis widerspricht einer Annahme, die in diesem Forschungsfeld lange verbreitet war. Chemisch modifizierte Biokohle – im Labor entwickelt, um die Leistung zu steigern – galt häufig als hochwertigere Option und vermeintlicher Goldstandard.

Die Studie deutet darauf hin, dass dies nicht nötig sein könnte. Unter passenden Bedingungen kann einfache, unbehandelte Biokohle Phosphor ebenso gut regulieren oder sogar besser als die modifizierte Variante.

Das Modell wies außerdem auf etwas Unerwartetes hin: Der Nutzen von Biokohle könnte weniger auf enthaltenem Phosphor beruhen als auf ihrem Einfluss auf den Phosphor, der bereits im Boden vorhanden ist.

Das verändert die Kostenrechnung. Ohne chemische Behandlung sinken Kosten und Umweltbelastung. Biokohle aus Pflanzenresten oder Holz benötigt bei vergleichbarer Wirkung weniger Energie in der Herstellung als Biokohle auf Mistbasis.

Neues Werkzeug für die Landwirtschaft

Bis zu dieser Studie beruhte die Zuordnung einer bestimmten Biokohle zu einem bestimmten Feld weitgehend auf Versuch und Irrtum. Die Kosten jeder falschen Entscheidung trugen die Landwirte. Eine verlässliche Methode, das Ergebnis vor dem Ausbringen vorherzusagen, gab es nicht.

Nun gibt es eine solche Möglichkeit. Ein datenbasiertes Modell kann vor dem ersten Ausbringen prognostizieren, ob eine bestimmte Biokohle Phosphor für nährstoffbedürftige Pflanzen freisetzt oder ihn zurückhält, um ein Einzugsgebiet zu schützen.

Peng beschrieb den Fortschritt als einen Schritt weg vom Rätselraten bei der Nutzung von Biokohle und hin zu datenbasierten Entscheidungen.

Für Landwirte und ihre Berater könnte dies weniger verschwendeten Dünger, geringere Nährstoffeinträge in örtliche Gewässer und eine nachvollziehbarere Grundlage für den Einsatz im Boden bedeuten.

Das Modell ist eher ein erster Rahmen als ein fertiges Produkt; erst reale Felder werden zeigen, wie weit seine Vorhersagen tragen.

Es weist die Landwirtschaft jedoch in Richtung einer Zukunft, in der ein preiswertes, kohlenstoffreiches Material aus Pflanzenabfällen mit etwas angewandt wird, das eher Präzision als Hoffnung entspricht.