Einfluss der Pyrolysetemperatur von Biochar aus Tomatenstängeln auf die Auswaschungsdynamik von Ammonium, Nitrat und gelöstem organischen Kohlenstoff in Sandböden

Aus landwirtschaftlichem Abfall einen Bodenhelfer machen

Die moderne Landwirtschaft ist stark auf Stickstoffdünger angewiesen, um eine wachsende Bevölkerung zu ernähren; in leichten Sandböden wird ein großer Teil dieses Düngers jedoch mit Regen- oder Bewässerungswasser ausgewaschen. Das verschwendet nicht nur Geld für Landwirte, sondern kann auch das Grundwasser mit überschüssigem Nitrat verschmutzen, was insbesondere für Säuglinge ein Gesundheitsrisiko darstellt. In dieser Studie stellten die Forschenden eine einfache Frage mit weitreichenden Folgen: Lassen sich übrig gebliebene Tomatenstängel in ein kohleähnliches Material – Biochar – umwandeln, das sandigen Böden hilft, Nährstoffe zu halten, statt sie entweichen zu lassen?

Warum durchlässige Böden ein verborgenes Problem sind

Sandböden wirken ein wenig wie ein Sieb. Ihre großen Partikel lassen weite Zwischenräume, durch die Wasser schnell hindurchströmt und gelöste Nährstoffe wie Ammonium und Nitrat mitreißt. Wenn Stickstoff unter die Wurzelzone gelangt, können Pflanzen ihn nicht mehr nutzen, weshalb Landwirte mehr Dünger ausbringen müssen. Gleichzeitig kann Nitrat, das ins Grundwasser gelangt, zu Umwelt- und Gesundheitsproblemen beitragen. Einen Weg zu finden, diese abwärts gerichtete Flucht von Nährstoffen zu verlangsamen – vor allem in Sandregionen – ist entscheidend für sowohl Nahrungsmittelproduktion als auch sauberes Wasser.

Tomatenstängel ein zweites Leben geben

Die Forschenden sammelten übrig gebliebene Tomatenstängel von Höfen in Südägypten und erhitzten sie unter sauerstoffarmen Bedingungen bei drei verschiedenen Temperaturen: relativ niedrig, mittel und hoch. Dabei entstanden drei Arten von Biochar mit unterschiedlichen Eigenschaften, etwa im Alkalinitätsgrad, im Kohlenstoffgehalt und in der Anzahl geladener Stellen, die Nährstoffe anziehen. Diese Biochar-Typen mischten sie jeweils in drei Dosierungen in einen sehr sandigen Boden – von geringer bis hoher Zugabe – und füllten die Mischungen in hohe Kunststoffsäulen. Über mehrere Wochen gaben sie Wasser und eine bekannte Menge Ammoniumnitratdünger hinzu und sammelten das Wasser, das unten abfloss, um zu verfolgen, wie viel Stickstoff und gelöster organischer Kohlenstoff verloren ging.

Wie Biochar Boden und Auswaschung veränderte

Die Zugabe von Biochar aus Tomatenstängeln verbesserte mehrere grundlegende Eigenschaften des Sandbodens. Die behandelten Böden hielten mehr Wasser, enthielten mehr organische Substanz und wiesen eine höhere Kationenaustauschkapazität auf – ein Maß dafür, wie gut ein Boden positiv geladene Nährstoffe festhalten kann. Biochar aus mittlerer Temperatur war besonders effektiv darin, diese Kapazität zu erhöhen, während Biochar aus höherer Temperatur den Boden stärker alkalisch machte. Alle Biochar-Typen steigerten deutlich die Verfügbarkeit von Kalium und Phosphor, wichtigen Nährstoffen für Pflanzen. Diese Veränderungen zeigen, dass die verkohlten Tomatenstängel weit mehr bewirkten, als nur im Boden zu liegen: Sie formten aktiv die Fähigkeit des Bodens, Wasser und Nährstoffe zu speichern.

Am wichtigsten war, dass Biochar die Menge an Stickstoff verringerte, die aus dem Sandboden ausgewaschen wurde. Über alle Behandlungen sank die Gesamtmenge an Ammonium und Nitrat, die die Säulen verließ, verglichen mit unbehandeltem Boden. Biochar aus mittlerer Temperatur hielt Ammonium am besten zurück, während Biochar aus der höchsten Temperatur die Nitratverluste am stärksten reduzierte und die kumulative Nitratauswaschung um bis zu etwa ein Drittel verringerte. Gleichzeitig trat ein Teil des im Biochar gebundenen Kohlenstoffs als gelöster organischer Kohlenstoff im Sickerwasser auf, insbesondere bei niedriger Pyrolysetemperatur und hoher Dosierung. Dieser zusätzliche Kohlenstoff nahm überwiegend im Zeitverlauf ab, was darauf hindeutet, dass der leichter auswaschbare Anteil schnell ausgespült oder zersetzt wurde.

Was das für Landwirte und Wasser bedeutet

Am Ende des Experiments verloren Böden mit Tomatenstängel-Biochar nicht nur weniger Stickstoff, sondern hielten oft auch mehr pflanzenverfügbaren Stickstoff als unbehandelter Boden, insbesondere wenn Biochar mittlerer und hoher Temperatur in höheren Raten angewendet wurde. Praktisch bedeutet das: Landwirte, die solche angereicherten Sandböden nutzen, könnten mehr Nutzen aus derselben Düngermenge ziehen und gleichzeitig weniger Nitrat in das darunter liegende Grundwasser gelangen lassen. Die Studie legt nahe, dass sorgfältig hergestelltes Biochar aus einem weit verbreiteten landwirtschaftlichen Rückstand sandigen, nährstoffarmen Boden in ein effizienteres und umweltfreundlicheres Substrat verwandeln kann.

Ein Schritt zu saubererer, klügerer Landwirtschaft

Für Nichtfachleute lautet die Kernaussage schlicht: Statt Tomatenstängel zu verbrennen oder zu entsorgen, können sie „gebacken“ werden zu einem langlebigen Bodenverbesserer, der hilft, Dünger im Feld zu halten und aus dem Trinkwasser fernzuhalten. Die Arbeit zeigt, dass die Pyrolysetemperatur bei der Herstellung von Biochar von Bedeutung ist, weil sie steuert, wie gut das Material verschiedene Stickstoffformen zurückhält und wie viel zusätzlicher Kohlenstoff freigesetzt wird. Obwohl diese Tests in Labor-Säulen und nicht in Feldversuchen durchgeführt wurden, weisen sie auf einen praktikablen Weg zu einer kreislauforientierteren Landwirtschaft hin — einer, in der Erntereste zu Werkzeugen für verbesserte Bodengesundheit, höhere Düngerwirksamkeit und Grundwasserschutz werden.

Zitation: Amer, A.E., El-Desoky, M.A., Amin, A.EE.A.Z. et al. Pyrolysis temperature effects of tomato stems biochar on leaching dynamics of ammonium, nitrate, and dissolved organic carbon in sandy soil. Sci Rep 16, 9228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41017-0

Schlüsselwörter: Biochar, Sandboden, Nitratauswaschung, Grundwasserverschmutzung, Tomatenanfall