Organic carbon stocks of soil types in the geological regions of Schleswig-Holstein (Northern Germany)

Die Humus-/Kohlenstoffspeicherung und die Änderung der organischen Kohlenstoffgehalte (C_org) in Böden werden gegenwärtig sehr intensiv diskutiert. Die von einer Vielzahl von Staaten ratifizierte „4 pro Tausend Initiative (quatre per mille)“ der französischen Regierung anlässlich der Vertragsstaatenkonferenz (Conference of the Parties, COP) in Paris führt derzeit zu einer weltweit steigenden Aufmerksamkeit hinsichtlich der Erreichung der Klimaziele, welche in den „Sustainable Development Goals (SDG)“ präzisiert worden sind (IPCC, 2006; 4p1000, 2017; Conrad et al., 2017; van Groenigen et al., 2017; Zomer et al., 2017). Neben der Erfassung der aktuellen Vorräte gilt es auch die Auswirkungen der Bodenbewirtschaftung für die Speicherung und damit die Entlastung der Atmosphäre von CO₂-Emissionen im In- und Ausland zu quantifizieren, um darüber eine bodenschonende und standortangepasste Landbewirtschaftung im Hinblick auf die Einhaltung bzw. Erreichung der Klimaziele zu definieren (Balesdent und Arrouays, 1999; Cosentino et al., 2006; Wiesmeier et al., 2012; Chenu et al., 2018). Diese Quantifizierung geschieht auch vor dem Hintergrund einer durch Humus verbesserten Bodenstruktur, günstigeren Wasser-, Nährstoff- und Gaszusammensetzung, eines gleichmäßigen Wärmehaushalts sowie einer höheren mikrobiellen Aktivität im Boden, die gleichzeitig sogar zum Aufbau stabiler C-Verbindungen im Boden beitragen kann (Liang et al., 2017). Darüber hinaus erhöhen die bei der Mineralisation freigesetzten organischen Säuren über die Bildung organo-mineralischer Verbindungen die mechanische Stabilität, wobei je nach Zusammensetzung der organischen Säuren durchaus große Unterschiede hinsichtlich der mechanischen Stabilisierung auftreten können (Blume et al., 2010; Hartge und Horn, 2014).

Es muss allerdings berücksichtigt werden, dass bei kontinuierlicher Bodenbearbeitung auf Ackerböden nicht von einer gleichmäßig steigenden Humusspeicherung ausgegangen werden kann, da im Zuge der Mineralisierung der organischen Pflanzenreste durch die Mikroorganismen wiederum Nährstoffe für die nachwachsenden Pflanzen im Boden zur Verfügung gestellt werden. Von daher ist nur mit einer begrenzten zusätzlichen Speicherung von C_org im Boden zu rechnen. In diesem Kontext berechneten Lugato et al. (2014), dass ein Umstieg auf alternative Bodenbewirtschaftungsformen (z. B. reduzierte Bodenbearbeitung, Zwischenfruchtanbau, Futtergräser/Leguminosen als Fruchtfolgeglieder, kein vollständiger Abtransport von Ernterückständen) für mindestens 12–28 % der Ackerböden Europas notwendig ist, um die gesetzten Klimaziele 2020 hinsichtlich der CO₂-Einsparung zu erreichen. Abgesehen von der Bodenbewirtschaftung ist die Bodentextur (Tongehalt) und damit auf jungen Landoberflächen wie dem norddeutschen Tiefland das geologische Ausgangsmaterial für die C-Speicherkapazität und das langfristige C-Speicherungspotenzial der Böden von Bedeutung (Six et al., 2002; Chen et al., 2018). Ein Überblick über die weltweiten Humusvorräte in den obersten 30 cm lässt sich aus der anlässlich der FAO-Tagung in Rom 2017 publizierten C_org-Vorratskarte ableiten (FAO, 2017). Hierbei muss berücksichtigt werden, dass der Kohlenstoffvorrat in den obersten 30 cm unter Geländeoberfläche (GOF) aufgrund der Bodenbearbeitung besonders intensiven Veränderungen unterworfen ist. Nach der gegenwärtigen Berechnung befinden sich weltweit 677 Pg (= 677 * 10₉ t) C_org in den obersten 30 cm mit allerdings deutlichen Unsicherheiten. Bezogen auf 1 m Tiefe variieren die berechneten C_org-Vorräte weltweit zwischen 1400–1600 Pg (Batjes, 2016). Gemessene C_org-Vorräte bis 1 m Bodentiefe sind allerdings relativ wenig publiziert, obwohl gerade diese Vorräte für eine langfristige Humusspeicherung von Bedeutung sind, da die organische Bodensubstanz (Humus) im Unterboden für Mikroorganismen schlechter zugänglich (z. B. C-Okklusion in Aggregaten) und damit stärker vor mikrobiellem Abbau (Mineralisation) geschützt ist als im Oberboden (Rumpel und Kögel-Knabner, 2011; Chen et al., 2018).

Humus ist nicht nur für die Nährstoffsorption und verbesserte Wasserspeicherung sowie für eine erhöhte mechanische Stabilisierung der Böden von Bedeutung, sondern führt zu einer entsprechenden Entlastung der Atmosphäre hinsichtlich der CO₂-Emissionen. Diese positiven Aspekte unterliegen allerdings durchaus kurzzeitigen Schwankungen, denn der Humusauf- und -abbau wird neben den entscheidenden Standortfaktoren wie u. a. der Hydromorphie, dem Mikroklima und der biologischen Aktivität auch von der Landnutzung (Zu- und Abfuhr von organischer Substanz/Biomasse, Bodenbearbeitung, Be- und Entwässerungsmaßnahmen) beeinflusst.

In den vier Hauptnaturräumen in Schleswig-Holstein weisen die Grünlandstandorte im Vergleich zu den Acker- und Waldstandorten die höchsten Humusvorräte im Oberboden (0–30 cm unter GOF) auf (Abbildung 3). Hier ist zu beachten, dass es sich um einen Status quo der Humusvorräte in Böden unter den drei Landnutzungsformen Ackerland, Grünland und Wald in Schleswig-Holstein handelt, der bisher weder die zeitliche Veränderung der Humusvorräte noch die jeweiligen Standortgegebenheiten berücksichtigt. So findet die Grünlandnutzung vorzugsweise auf feuchteren Standorten (hydromorphen Böden) statt, die aufgrund des Wassereinflusses und der dadurch reduzierten Mineralisation der organischen Substanz bereits von Natur aus über erhöhte Humusgehalte (primär oder sekundär angereicherte organische Substanz) verfügen, während anhydromorphe Böden vorzugsweise für den Ackerbau genutzt werden. Hinzu kommt, dass feuchtere Standorte durch Dränung ackerbaulich nutzbar gemacht wurden, wodurch die zunehmende Belüftung zu einem verstärkten Humusabbau geführt hat. Der anthropogen bedingte Landnutzungseinfluss auf die Humusspeicherung steht dabei in Wechselwirkung mit der oben genannten standortspezifischen Humusanreicherung, wodurch der anthropogene Effekt der Grünlandnutzung überschätzt sein könnte.

Das bedeutet gleichzeitig, dass das Speicher- und Verlustpotenzial von Humusmengen durch einen Landnutzungswechsel (z. B. Acker- zu Grünland und umgekehrt) bodentypspezifisch zu bewerten ist (Tabelle 1). Dies betrifft auch die Humusverluste nach einem Grünlandumbruch, die in Abhängigkeit des Standortes (Bodentyp, Tongehalt, Klima) unterschiedlich hoch ausfallen, wobei mit Spannbreiten von 20–80 % zu rechnen ist (Springob et al., 2001; Freibauer et al., 2004; Poeplau et al., 2011; Lugato et al., 2014; LfULG, 2015). Bezogen auf den Oberboden (0–30 cm) kann damit ein hoher Anteil (ca. 60 %, vgl. auch Waldmann und Weinzierl, 2014) der C_org-Vorräte durch eine standortangepasste Landnutzung (u. a. Vegetation, Bodenbearbeitung) beeinflusst werden. Vor diesem Hintergrund sind auch die bekannten Vorteile einer Minimal- Bodenbewirtschaftung erneut zu diskutieren, da eine erhöhte Freisetzung von Kohlenstoff aus dem Aggregatverband durch den Verzicht der Pflugarbeit reduziert werden kann (Six et al., 2002; Mordhorst et al., 2013; Wiesmeier et al., 2014).

Im Gegensatz dazu ist die C_org-Speicherung im Unterboden stärker von geogenen sowie pedogenen Eigenschaften der Böden geprägt, sodass sich bodentypspezifische Unterschiede im C_org-Vorrat herausstellen. Während das meeresbürtige Ausgangssediment der Marschböden bereits über hohe, primäre C_org-Gehalte verfügt, beruhen die C_org-Gehalte im Unterboden der (Gley-)Podsole in der Vor- und Hohen Geest auf Verlagerungsprozessen von metallorganischen Verbindungen. Bei der Bewertung der Humusqualität ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Nährstoffverfügbarkeit (weites C/N-Verhältnis und die Erreichbarkeit für Pflanzenwurzeln) in den z. T. verkitteten Bhs-Horizonten (Orterde und Ortstein) (Wiechmann, 1995) im Vergleich zu den humusreichen Unterböden der Marsch mit engem C/N-Verhältnis gering ist (Janetzko & Fleige, 1995).

Vergleicht man die in den schleswig-holsteinischen Böden gespeicherten C_org-Mengen mit Daten anderer Bundesländer, so finden sich in Abhängigkeit von der Landnutzung vergleichbare Größenordnungen: Wiesmeier et al. (2012) haben die Daten für Bayern auf der Grundlage von 1500 Bodenprofilen ausgewertet. Auch sie finden auf Grünlandstandorten die höchsten C_org-Vorräte bis in 1 m Bodentiefe mit einem mittleren Wert von 118 t/ha, während geringere Vorräte von 90–98 t/ha in Acker- und Waldböden errechnet worden sind.

Werden nur die am stärksten von der Landnutzung beeinflussten 0–30 cm betrachtet, wird deutlich, dass die C_org-Vorräte bis zu ca. 130 t/ha in 0–30 cm Tiefe auf den Grünlandstandorten der Geest (ohne Berücksichtigung der Moore) im Vergleich zu denen in Wiesmeier et al. (2012) aufgeführten europäischen Böden (< 95 t/ha für 0–30 cm Tiefe) sogar deutlich höher liegen. Dagegen sind die geringeren C_org-Vorräte (60 t/ha) in den Oberböden des Östlichen Hügellands und der Marsch mit denen aus Baden-Württemberg vergleichbar (Neufeldt, 2005). Eine Studie aus der Schweiz zeigt in Bezug auf die Landnutzung gleiche Tendenzen in den Humusvorräten, allerdings mit geringeren Unterschieden zwischen Ackerland (54 t/ha) und Dauergrünland (64 t/ha für 0–30 cm Tiefe) (Leifeld et al., 2005). In Bezug auf die Waldnutzung stimmen die C_org-Vorräte von durchschnittlich 70 t/ha (0–30 cm Tiefe) mit denen von Wördehoff et al. (2012) für Geschiebesande und -lehme in Schleswig-Holstein überein, während höhere Vorräte in schwach verlehmten Sandböden vorgefunden wurden, die vorwiegend mit Podsolierungsprozessen in Verbindung standen (Wördehoff et al., 2012). Vergleichsweise höhere C_org-Vorräte (> 70 t/ha) in den Oberböden der Vorgeest und Hohen Geest mit einem hohen Anteil podsolierter Böden (siehe Tab. 1) zeigt ebenfalls Abbildung 3.

Auf die gesamte Fläche Schleswig-Holsteins bezogen ist festzustellen, dass im Vergleich zu anderen Bundesländern Deutschlands relativ hohe Humusvorräte bis in 90 cm Tiefe vorhanden sind. Der Gesamtvorrat von 244 Mt C_org übersteigt beispielsweise den von Sachsen-Anhalt mit den dort verbreiteten humusreichen Schwarzerden (185 Mt bei ähnlicher Flächengröße) und liegt nicht weit unter dem Gesamtvorrat des Bundeslandes Baden-Württemberg (342 Mt C_org), das eine im Vergleich zu Schleswig-Holstein mehr als doppelt so hohe Flächengröße, jedoch geringere bzw. keine Vorkommen von Mooren bzw. Marschen aufweist (LAGB, 2014; Waldmann und Weinzierl, 2014).

Während die Erhaltung der Moore in Schleswig-Holstein als größte C-Senke (siehe Abbildung 1) und die Nutzung grundwassernaher Standorte, der hydromorphen Bodentypen (Gleye, Anmoorgleye), als Dauergrünland bereits zu den hohen C_org-Vorräten beitragen, variieren die C_org-Vorräte und das Humussteigerungspotenzial unter Ackernutzung in Abhängigkeit der Standortgegebenheiten (u. a. Textur und ertragswirksame Faktoren wie pH-Wert, Nährund Wasserhaushalt des Bodens). Folgt man den von Schiefer et al. (2015) entwickelten Intensivierungspotenzialen, sind die fruchtbaren Ackerstandorte aus der Marsch und dem Östlichen Hügelland aufgrund ihrer verbesserten Nährstoffverfügbarkeit und feinkörnigeren Textur (hoher Ton- und Schluffanteil) im Vergleich zu sandigen Geeststandorten auch als Standorte mit hohem zusätzlichen C-Sequestrierungspotenzial anzusehen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nach Schiefer et al. (2015) eine Intensivierung des Ackerbaus (höherer Ertrag pro Flächeneinheit) eine nachhaltige und umweltverträgliche Landbewirtschaftung (geringere Umweltbelastung pro Ertragseinheit) voraussetzt, die daher nur durch eine flächendeckendere Umstellung auf konservierende Verfahren (wie pfluglose oder reduzierte Bodenbearbeitung, Rückführung von Ernterückständen oder Gärresten, Zwischenfruchtanbau, Futtergräser/Leguminosen als Fruchtfolgeglieder (Lugato et al., 2014) auf Ackerböden gewährleistet werden kann.

Der Humusvorrat in schleswig-holsteinischen Böden variiert in Abhängigkeit von den in den Hauptnaturräumen vorliegenden Ausgangsgesteinen und den Bodentypen sowie der Landnutzung. In Bezug auf den gesamten (absoluten) C_org-Vorrat bis 90 cm Tiefe der vier Hauptnaturräume Schleswig-Holsteins steigen die C_org-Mengen der Böden mit der Flächengröße der Hauptnaturräume an. Die größten Humusmengen verzeichnet daher das Östliche Hügelland, während der flächenmäßig kleinste Hauptnaturraum (Vorgeest) die geringsten Mengen aufweist. Betrachtet man das C-Speicherungsvermögen der Hauptnaturräume jedoch pro Flächeneinheit, ist der durchschnittliche C_org-Vorrat (t/ha) für Böden in der Marsch am größten und nimmt in der Reihenfolge Marsch > Vorgeest > Östliches Hügelland > Hohe Geest ab. Große C-Pools stellen hinter den Hoch- und Niedermoorböden folgend die stark verbreiteten Gley-Podsole (Hohe Geest und Vorgeest) und die gering verbreiteten Organomarschen dar, was im Alt- und Jungmoränengebiet (Hohe Geest und Östliches Hügelland) für die Kolluvisole zutrifft.

In Abhängigkeit von den Standorteigenschaften (Bodentyp und geologischem Ausgangsgestein) ergeben sich so unterschiedliche C-Sequestrierungspotenziale, die im Hinblick auf Strategien zur Humussteigerung in den Böden bzw. zur verringerten Freisetzung klimarelevanter Gase (CO₂, N₂O) durch eine standortangepasste und bodenschonende Landbewirtschaftung (z. B. reduzierte Bodenbearbeitung) zu berücksichtigen sind.