Degradation: Wie Böden, ihr Humusgehalt, Übernutzung und Klima zusammenhängen
Die Qualität der Böden verschlechtert sich, sie verlieren organischen Kohlenstoff – befördert von Klimawandel und unausgewogener Agrarwirtschaft. Hat das Regeneriern von ausgelaugter Erde Potenzial?
Als Boden bezeichnet man die vierdimensionale, etwa einen Meter dicke oberste Schicht der Erdoberfläche (Geoderma), die aus biogeochemisch umgewandeltem Fels und Sedimenten besteht. Die vier Dimensionen sind Länge, Breite, Tiefe und Zeit. Die Bodenschicht produziert mehr als 95 Prozent aller Nahrung der Menschen und ist das Habitat von ungefähr zwei Drittel aller Biodiversität. (Frühere Schätzungen gingen noch von nur einem Viertel aus.) Unsere begrenzte und wertvolle Lebensgrundlage wird aber mehr und mehr übernutzt und verliert dadurch ihre Fähigkeit, durch natürliche und planetarische Prozesse lebenswichtige Ökosystem-Dienstleistungen für Mensch und Natur bereitzustellen. Dies betrifft ein Drittel aller eisfreier Böden – 39,3 Millionen von 131 Millionen Quadratkilometern sind durch menschliches Tun degradiert. Dieser Verlust an fruchtbaren Böden sollte daher als ein zehnter Erdsystem-Prozess bei der Beschreibung der Belastungsgrenzen der Erde betrachtet werden.
Die Degradierung des Bodens wird vom menschengemachten Klimawandel befördert und trägt gleichzeitig zu ihm bei. Umfang und Ausmaß der globalen Bodenverschlechterung haben negative Auswirkungen auf den Gehalt an organischem Kohlenstoff (SOC) und das Angebot von weiteren Nährstoffen im Boden (wie etwa Stickstoff N, Phosphor P, Schwefel S), auf die Qualität und Erneuerung der Gewässer, die Qualität und Menge der produzierten Nahrung und damit auf den Weltfrieden und die globale Stabilität.
Die wesentlichen Bodendegradierungsprozesse lassen sich aufteilen in physische Prozesse (Verkrustung, Verdichtung, Anfälligkeit für sich abwechselnde Dürren und Überschwemmungen, beschleunigte Erosion durch Wind und Wasser), chemische Prozesse (Versalzung, Versauerung, Verlust von Nährstoffen, Verunreinigung und Vergiftung), biologische Prozesse (Verlust an organischem Material, Verringerung der Aktivität und Vielfalt der Bodenlebewesen) und Umweltprozesse (Veränderungen der Bodentemperatur und des Niederschlags, drastische Veränderungen der Lebensgebiete von Flora und Fauna, Störungen von Ökosystemen und Verringerung der Produktivität).
Ein wesentlicher Beitrag zum menschengemachten Klimawandel erfolgt durch größere Verluste beim organischem Bodenkohlenstoffgehalt, die auf die Umwandlung von Waldgebieten, Grasland und Feuchtgebieten in Agrarflächen zurückgehen. Außerdem wurden zwischen 1960 und 2020 etwa eine Million Quadratkilometer von zuvor ungenutzter Fläche in landwirtschaftliche Anbaufläche umgewandelt.
Schwund durch Umnutzung
Der Schwund des organischen Bodenkohlenstoffs (SOC) – und damit des Humusgehalts – kann bei der Umwandlung von naturbelassenen Flächen in Agrar- oder Weideland von 15 bis 25 Prozent reichen. Wenn hingegen landwirtschaftliche Nutzfläche oder Weideland in Grasland oder Wald umgestaltet wird, kann sich der Kohlenstoffgehalt um 25 bis 60 Prozent erhöhen, je nach Grad des vorherigen Verlusts, des Klimas und der Art der Böden. Doch kann es nach einer Veränderung der Nutzung bis zu 80 Jahre dauern, bis sich der Humusgehalt auf dem neuen Stand eingepegelt hat.
Der Klimawandel kann einen zusätzlichen direkten Einfluss auf den Kohlenstoffgehalt des Bodens haben: durch Temperaturanstieg, Kohlendioxid-Düngung (Wachstumsförderung durch höheren CO2-Gehalt der Luft, Anm.d.Red.), Extremereignisse und eine Veränderung der Niederschlagsmenge und -verteilung. Ein indirekter Einfluss ist auch durch Waldbrände möglich. Die Häufigkeit von Waldbränden hat sich in den vergangenen 40 Jahren verdoppelt. Weitere indirekte Einflüsse des Klimawandels sind Dürren und Überschwemmungen und die Häufung von Extremwetterereignissen.
Ein Drittel der Böden unserer Erde (39,3 Millionen Quadratkilometer) ist mäßig oder stark übernutzt. Die weltweite Bodenerosion durch Wasser kann sich durch den gegenwärtigen und zukünftigen Klimawandel verschärfen. Es lässt sich beobachten, dass Böden im globalen Norden vor allem durch Verdichtung geschädigt sind, im globalen Süden durch Erosion und weltweit durch einen zu geringen Kohlenstoffanteil im Erdreich.
Landwirtschaftlich genutzte Böden in den Tropen sollten optimal im Wurzelbereich einen Kohlenstoffanteil von 1,0 bis 1,5 Prozent aufweisen, in der gemäßigten Zone von 1,5 bis 2 Prozent. Doch ein großer Teil der landwirtschaftlichen Böden, vor allem jene, die von etwa 500 bis 600 Millionen Landbesitzern in sich entwickelnden Ländern bewirtschaftet werden, hat nur einen Humusanteil von vielleicht 0,1 Prozent in der durchwurzelten Oberschicht bis 30 Zentimeter Tiefe. Das verringert die Produktivität der Böden erheblich, vor allem, wenn auch sonst wenig Betriebsmittel zur Verfügung stehen.
Wenn die klimaschädlichen Emissionen bis 2050 tatsächlich auf netto Null reduziert werden sollen, spielen die umfassende Nutzung nichtfossiler Energieträger und die Bewahrung oder sogar Steigerung des organischen Kohlenstoffgehalts der Böden eine wichtige Rolle für naturbasierte Klimastrategien. Das weltweite Potenzial der Kohlenstoffspeicherung in zuvor übernutzten und ausgelaugten landwirtschaftlichen Böden ist vielversprechend.
Sinkender Kohlenstoffanteil durch verstärkte Nutzung
Weltweit wurde ein durchschnittlicher Netto-Abbau von jährlich etwa 60 Tonnen Kohlenstoff pro Quadratkilometer beobachtet. Dies addiert sich innerhalb von etwa 25 Jahren auf insgesamt 3,1 Milliarden Tonnen Kohlenstoff auf einer Fläche von 2 Mio. Quadratkilometern (etwa 5-6 Mal die Fläche Deutschlands, Anm.d.Red.) Es wird geschätzt, dass es zwischen 2001 und 2015 in 79 Prozent aller Länder zu einem Netto-Verlust beim Humusgehalt des Bodens. Dies kann sich höchst negativ auf die Bereitstellung kritischer Ökosystem-Dienstleistungen auswirken, die doch für das menschliche Wohlergehen und die Bewahrung der Umwelt wesentlich sind. Außerdem können solche Böden nur Ernten von geringem Nährwert hervorbringen.
Bodenverdichtung
Eine optimale Dichte des Bodens in der durchwurzelten Schicht liegt bei einer Masse von 1,2 bis 1,3 Tonnen pro Kubikmeter vor. Doch der Einsatz schwerer Maschinen kann den Boden auf 1,4 bis 1,6 Tonnen pro Kubikmeter verdichten. Es kommt dabei auf die Beladung der Fahrzeuge, die Häufigkeit des Befahrens mit schwerem Gerät oder auch den Reifendruck an. Wie stark sich diese Faktoren auswirken, hängt vom Feuchtigkeitsgehalt, der Textur, der Rohdichte und dem Kohlenstoffgehalt des Bodens ab.
Wird er zu stark zusammengepresst, verringern sich im Boden die Durchwurzelung und die Fähigkeit, Wasser aufzunehmen und zu halten, sowie die Durchlüftung. Bodenverdichtung kann auch zu Anaerobie führen und die Freisetzung von stark wirksamen Treibhausgasen wie Methan und Stickstoffoxid beschleunigen. Durch das eingeschränkte Wurzelwachstum und die Verringerung des Bodenvolumens zur Aufnahme von Wasser und Nährstoffen kann die Bodenverdichtung sich dramatisch negativ auf die ackerbauliche Produktivität, die Nährstoffqualität und die Menge der erzeugten Lebensmittel auswirken, sowie auf die Filterung und Erneuerbarkeit des Wassers oder die Effizienz von Betriebsmitteln wie Dünger und Bewässerung.
Verlust landwirtschaftlicher Nutzfläche
Die verschiedenen Prozesse der Bodendegradierung, seien es physikalische, chemische, biologische oder Umweltprozesse, können Agrarland unbrauchbar machen. Meistens geschieht dies durch einen Verlust der Bodenstruktur aufgrund eines sinkenden Kohlenstoffgehalts. Deshalb stehen am Beginn eines Humusaufbaus Methoden der Landnutzung und Bodengestaltung, die Kohlenstoff wieder im Erdreich bzw. Ökosystem speichern und die Bodenstruktur verbessern sowie die Aktivität und Vielfalt der Bodenlebewesen vergrößern.
Humusgehalt im Boden und landwirtschaftliche Produktivität
Auf der Welt leben heute acht Milliarden Menschen, bis zum Jahr 2100 werden es mindestens 11,4 Milliarden sein. Deshalb ist die Übernutzung des Bodens ein globales Problem, das das Risiko von Nahrungsunsicherheit weiter erhöht. Wenn der Anteil organischen Kohlenstoffs im Wurzelbereich des Bodens deutlich sinkt, nehmen Quantität und Qualität der Ernten ab.
Eine Vielzahl Faktoren schädigt den Humusgehalt: der Einsatz von Pflügen oder die unausgewogene Ausbringung von Düngemitteln – zu viel Stickstoff und zu wenig Phosphor, Kaliumcarbonat, Kalzium, Magnesium und Mikronährstoffe –, Bewässerung durch Überflutung oder das Verbrennen von Ernteresten. Letzteres wird weltweit praktiziert, so wird in Südostasien das Reisstroh verbrannt, wenn man auf den Flächen Weizen aussäen will und die geeigneten technischen Mittel fehlen, um die Weizensaat durch das verrottende Reisstroh auszubringen.
Abbildung 1
Wenn es gelingt, den Kohlenstoffgehalt in ausgelaugten Böden wieder zu steigern, sind bessere Ernten möglich, wächst die Widerstandsfähigkeit des Erdreichs und muss weniger Dünger und Bewässerung eingesetzt werden. Ein höherer Kohlenstoffgehalt spielt nicht nur für die Bereitstellung von Nährstoffen eine kritische Rolle, sondern kann auch andere Bodenmerkmale verbessern, so die Bodenstruktur, die Durchlüftung, die Feuchtigkeit und Temperatur. Da der Kohlenstoffgehalt auf zwei Dritteln der weltweiten Anbaufläche für Mais und Weizen gering bis äußerst gering ist, eröffnet das bedeutenden Raum (s. Tabelle 1), hier den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen und so mit weniger Dünger und Bewässerung zu arbeiten. Dies würde die weltweite Ertragslücke verkleinern.
Risiken einer weltweiten Abnahme des Kohlenstoffgehalts durch den anthropogenen Klimawandel
Es ist möglich, dass neben den bereits genannten Auswirkungen schädigender landwirtschaftlicher Praktiken auch der aktuelle und vorausgesagte Klimawandel den Kohlenstoffgehalt der globalen Agrarsysteme verringert. Ein optimaler Humusgehalt schützt Bauern gegen den Klimawandel, weil sie mit stabileren Ernten und einer widerstandsfähigeren Produktion rechnen können. Unter guten Bedingungen können sie sogar ihre Ernten steigern und Verluste durch widrige Wetterereignisse verhindern.
Doch Anbaumethoden, die den Kohlenstoffgehalt durch Ausbringen organischer Biomasse zu steigern vermögen, können kurzfristig niedrigere Erträge zur Folge haben. Es braucht daher eine Landwirtschaftspolitik, die den Nutzen der Bodenerhaltung und -erneuerung für die Allgemeinheit belohnt. Wer den Humusgehalt des Bodens steigert und Stickstoff optimal steuert, kann mit weniger chemischem Dünger auskommen und trotzdem seine Erntemenge steigern.
Kohlenstoffanreicherung in landwirtschaftlich genutzten Böden („Carbon Farming“)
Landwirte können sich eine zusätzliche Einkommensquelle erschließen, wenn sie ihre Böden wieder aufbauen, die für die jeweiligen Nutzflächen bestmöglichen bodenschonenden Anbaumethoden nutzen und so Kohlenstoff im Ökosystem speichern. Auf europäischer Ebene wird z.B. darüber debattiert, ob Kohlenstoff aus der Atmosphäre, der sich wieder in Böden, Bäumen, Feuchtgebieten oder Küstenstreifen einlagern lässt und so der Umwelt nützt, im Emissionshandel als sogenannte Negativ-Emission Einkommen generieren kann. Eine Tonne CO2-Äquivalente entspricht gesellschaftlichen Kosten von 50 US-Dollar, basierend auf dem immanenten Wert des eingelagerten Kohlenstoffs. (Im EU-Emissionshandel liegt der Preis 2023 bei 80-100 Euro, Anm.d.Red.) Es wäre daher sinnvoll, Landwirte für Bemühungen zum Neuaufbau von Böden und regenerative Agrarpraktiken als Ökosystem-Dienstleistung finanziell zu belohnen.
Land der Natur zurückgeben
Zur Einhaltung der Pariser Klimaziele und Beschränkung der Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius bis 2100 müssen etwa 3.000 Gigatonnen CO2-Emissionen eingespart werden. Da die Fähigkeit von Agrarböden, Kohlenstoff einzulagern, begrenzt sind, kann es alternativ Sinn machen, Land wieder in einen natürlichen Zustand zu versetzen. Fast 38 Prozent allen eisfreien Bodens der Erde werden landwirtschaftlich genutzt, drei Viertel davon zur Tierzucht. 40 Prozent allen Agrarlands leidet zumindest unter einem von mehreren schädigenden Prozessen. Zudem wird 70 Prozent allen Frischwassers zur Bewässerung genutzt. Jedes Jahr werden bis zu 200 Millionen Tonnen chemischer Dünger auf die Felder ausgebracht. Die Landwirtschaft ist damit für 30 bis 35 Prozent aller Treibhausgasemissionen verantwortlich.
Doch jeder achte Mensch lebt weltweit in schwerer Nahrungsunsicherheit, zwei bis drei von acht sind fehlernährt oder leiden an Nährstoffmangel („verborgener Hunger“). Zur gleichen Zeit werden 1 Milliarde Tonnen Getreide oder etwa 30 Prozent allen Korns nicht für die menschliche oder tierische Ernährung genutzt. Bei frischem Obst oder Gemüse liegt dieser Anteil wohl sogar bei 40 bis 60 Prozent. Einfach weitermachen wie bisher ist inakzeptabel. Es ist dringend notwendig, Landwirtschaft und Ernährungssysteme radikal umzugestalten.
Globale Strategie
Die Strategie muss darin bestehen, auf weniger Land, mit weniger Wasser, Dünger und Energieeinsatz mehr zu erzeugen. Die naheliegendste Lösung wäre es, Boden der Natur zurückzugeben. Ein mögliches Szenario ist in Tabelle 1 dargestellt. Bis 2100 müsste die Hälfte der derzeitigen Ackerfläche (750 Millionen Hektar) und 60 Prozent der als Weideland genutzten Fläche (2,25 Milliarden Hektar) in Natur zurückverwandelt werden. Während die bewässerte Fläche bis 2100 von derzeit 350 Millionen Hektar auf 750 Millionen Hektar vergrößert werden muss, sollte die verwendete Wassermenge durch den Einsatz von Tropfdüngungssystemen, bei denen Bewässerung mit Düngung kombiniert wird, von derzeit 3.150 Kubikkilometer bis 2100 auf 1.000 Kubikkilometer reduziert werden. Will man bekannte wissenschaftliche Erkenntnisse in die Tat umsetzen, indem man Land und Wasser renaturiert und degradiertes Land wiederherstellt, sind politische Strategien erforderlich, die die Natur, die Landwirte und die Landwirtschaft als Priorität setzen.
Tabelle 1.Ein zeitliches Szenario für die Rückführung von Land und anderen Ressourcen in Natur und eine grobe Schätzung, wie viel Kohlenstoff in diesen Böden gespeichert werden kann.
Ressourcen-Gebrauch | Einheiten | 2020 | 2030 | 2050 | 2100 |
Dünger | Mio. Tonnen/Jahr | 200 | 150 | 100 | 50 |
Bewässerte Fläche | Mio. Hektar | 350 | 400 | 450 | 500 |
Ackerland | Mio. Hektar | 1500 | 1400 | 1000 | 750 |
konservierende Landwirtschaft (KL) | Mio. Hektar | 200 | 250 | 500 | 750 |
Weideland | Mio. Hektar | 3700 | 3500 | 2500 | 1500 |
Wasserverbrauch der Landwirtschaft | km3 | 3150 | 3000 | 2000 | 1000 |
Weltweiter Getreideertrag | Tonne/Hektar | 4.00 | 4.5 | 6.00 | 8.00 |
Kohlenstoffspeicherung (Boden und Bäume) | Mio. Tonnen Kohlenstoff/Jahr | 100 1 | (87 + 105 + 300) = 492 2 | (125 + 425 + 1700) = 2250 3 | (150 + 590 + 2950) = 3690 4 |
1 – Kohlenstoffspeicherung auf 200 Mio. Hektar konservierender Landwirtschaft (KL) bei 0,5 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr
2 – 250 Mio. Hektar bei 0,35 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr, 300 Mio. Hektar renaturierter Boden bei 0,35 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr im Boden und 1 Tonne Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr in pflanzlicher Biomasse.
3 – 500 Mio. Hektar bei 0,25 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr, 1700 Mio. Hektar renaturierter Boden bei 0,25 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr im Boden und 1 Tonne Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr in pflanzlicher Biomasse
4 – 750 Mio. Hektar bei 0,2 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr, nicht quantifizierbare Speicherung im Boden und 1 Tonne Kohlenstoff pro Hektar pro Jahr in pflanzlicher Biomasse. Die Menge des im Boden gespeicherten Kohlenstoffs wurde nach und nach reduziert, die Menge in pflanzlicher Biomasse bleibt bei 1 Tonne pro Hektar pro Jahr.
