In einer Zeit, in der die Aufmerksamkeit des Planeten auf Diskussionen über den Schutz der Umwelt und den Ausstoß von Treibhausgasen gerichtet ist, leisten Forscher von Embrapa in São Carlos (SP) einen wichtigen Beitrag zum Nachweis von Kohlenstoff im Boden.
Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass die laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (LIFS) – eine photonische Technik –, die in Produktionssystemen wie integriertem Nutztierbestand (Integrated Crop-Viehstock Forest, ILPF) eingesetzt wird, in der Lage ist, den Grad der … chemische Stabilität des im Boden zurückgehaltenen Kohlenstoffs. Das Konzept der Photonik ist recht weit gefasst und umfasst jede Technik, die Photonen nutzt oder manipuliert.
In der Studie konnte mit der Technik festgestellt werden, dass der Humifizierungsindex (Humusbildung) der organischen Bodensubstanz (SOM) in tieferen Bodenschichten im ILPF-System um 36 % höher ist als in einheimischen Waldgebieten, Referenzen, die für die Suche berücksichtigt wurden. Sowohl der OBS-Bestand als auch die Baumbiomasse nehmen im Rahmen dieses integrierten Systems zu und binden mehr Kohlenstoff, was das Anbaumodell mit verschiedenen Kombinationen zu einer nachhaltigen Praxis und einem starken Verbündeten bei der Dekarbonisierung der brasilianischen Landwirtschaft macht.
Die Studie könnte dazu beitragen, die Mechanismen der Kohlenstoffakkumulation und -stabilisierung in tropischen Böden zu verstehen. Seine Ergebnisse sind relevant für die bevorstehende Etablierung des globalen Marktes für Boden-Kohlenstoffgutschriften mit Direktzahlungen an ländliche Produzenten für Umweltdienstleistungen.
Eine Prognose von WayCarbon, einem Beratungsunternehmen, das sich ausschließlich auf Nachhaltigkeit und Klimawandel konzentriert, zusammen mit ICC Brasil, dem lokalen Zweig der Internationalen Handelskammer, zeigt, dass das Land bis 493 zwischen 100 Millionen und 2030 Milliarden Dollar an Emissionsgutschriften generieren könnte.
Das Thema ist eine der Tagesordnungen der 26. Klimakonferenz der Vereinten Nationen, COP26, die bis zum 12. November in Glasgow, Schottland, stattfindet.
Dies ist das erste Mal, dass die Technik der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (LIFS) verwendet wird, um den Grad der Humifizierung organischer Bodensubstanz in integrierten Systemen und mit Gräben von bis zu einem Meter Tiefe zu ermitteln. Traditionell wird der Humifizierungsgrad von OBS durch zeitaufwändige und kostspielige chemische Prozesse bestimmt. Erst zu einem späteren Zeitpunkt werden die aus dem Boden gewonnenen Huminstoffe spektroskopisch analysiert.
Der Vorteil von LIFS besteht darin, dass keine chemischen Extraktionen aus dem Boden durchgeführt werden müssen, sondern lediglich eine Tablette vorbereitet und abgemessen werden muss. Die photonische Technik hat sich daher als ökologisch nachhaltiges Werkzeug hervorgetan, da sie eine einfachere und schnellere Beurteilung der Qualität und Stabilität organischer Materie als herkömmliche Methoden ermöglicht.
An der Studie mit Langzeit-Feldexperimenten waren Forscher von Embrapa Instrumentação (SP) und Embrapa Pecuária Sudeste (SP) sowie die Postdoktorandin der Chemie Amanda Maria Tadini, Stipendiatin der São Paulo State Research Support Foundation, beteiligt (Fapesp), das feststellte, dass der Humifizierungsindex der organischen Bodensubstanz in ILPF um 36 % höher war als in einheimischen Wäldern.
Organische Bodensubstanz besteht aus pflanzlichen und tierischen Rückständen, deren Struktur Kohlenstoff enthält. An der Oberfläche oder eingebettet im Boden durchläuft SOM mehrere Zersetzungsstadien. Der letzte und stabilste Humus ist in der Lage, die physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen des Bodens zu verbessern, darüber hinaus Nährstoffe bereitzustellen und sein Produktionspotenzial zu verbessern.
Aufgrund all seiner Eigenschaften, ob Nährstoffkreislauf, Wasserretention oder Wärmekontrolle, gilt SOM als wichtiger Indikator für die Bodenfruchtbarkeit und spielt eine grundlegende Rolle für die Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Systeme. Somit haben die unterschiedlichen Bewirtschaftungspraktiken in der Landwirtschaft direkten Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte, die im Verhältnis zur einheimischen Vegetation reduziert, erhalten oder erhöht werden können.
Für Tadini, der vom Embrapa Instrumentação-Forscher Ladislau Martin Neto (Foto oben) betreut wurde, kann die Kenntnis der chemischen und molekularen Zusammensetzung von SOM und des in seiner Struktur vorhandenen Kohlenstoffs die Verbesserung nachhaltigerer Agrartechniken mit geringeren Auswirkungen auf die Eigenschaften der SOM ermöglichen Boden.
„Studien, die die strukturellen Eigenschaften organischer Stoffe bewerten, sind auch für das Verständnis des Nährstoffkreislaufs und ihrer Ablagerung im Boden von grundlegender Bedeutung“, sagt der Doktor mit einem Doppelabschluss in Analytischer und Anorganischer Chemie von der Universität São Paulo (USP) und dem Universität Toulon (Frankreich).
Im Jahr 2019 absolvierte Tadini außerdem ein einjähriges Postdoktorandenstipendium an der Old Dominion University, Norfolk, Virginia (USA), wo er Erfahrungen in mehreren fortschrittlichen Analysetechniken sammelte, um bei der detaillierten Charakterisierung von MOS in eingebetteten Systemen zu helfen.
Die mit finanzieller Unterstützung von Fapesp durchgeführte Forschung zielte darauf ab, den SOM-Humifizierungsindex in verschiedenen Systemen zu analysieren.
Im Feldversuch bewertete Amanda Tadini den Grad der Humifizierung der Nutzpflanzen-Vieh-Wald-Integration (ILPF), Nutztier-Vieh-Integration (ILP) und Nutztier-Wald-Integration (IPF) und verglich die Ergebnisse intensiv mit Referenzflächen Weideland, ausgedehntes Weideland und einheimischer Wald (NF).
In der Studie wurde die Hypothese aufgestellt, dass organisches Bodenmaterial eine größere Menge stabiler chemischer Formen – eine längere Lebensdauer im Boden – wie aromatische Ketten bewahrt, die bei der integrierten Produktion zur Stabilisierung von Kohlenstoff und seiner Anreicherung in tieferen Schichten zwischen 40 und 100 cm führen als in einheimischen Vegetationsgebieten. Eine der Schlussfolgerungen der Studie bestätigte diese ursprüngliche Hypothese.
„Wir haben dann LIFS verwendet und herausgefunden, dass diese Spektroskopie eine wirksame Technik zur Bewertung des SOM-Humifizierungsindex in praktisch intakten Proben unter verschiedenen landwirtschaftlichen Systemen ist. „In allen war die Humifizierung der OBS in tieferen Schichten im Vergleich zum heimischen Wald stärker“, beobachtete der Forscher.
Der Physiker Ladislau Martin Neto sagt, dass das ILPF-System mit verschiedenen Kombinationen vor allem in der kohlenstoffarmen Landwirtschaft in Brasilien heraussticht, da der Boden unter diesem Modell mehr Kohlenstoff in Form von SOM binden kann.
„Diese Systeme sind eine wesentliche Kohlenstoffsenke und helfen bei Minderungsstrategien zur Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen (THGs)“, sagt der Forscher und ehemalige Präsident der International Society of Humic Substances (IHSS, das englische Akronym).
Martin Neto sagt auch, dass beispielsweise in tropischen Regionen die chemischen Eigenschaften von OBS unter bodenschonendem Management, wie Direktanpflanzung und ILPF, noch selten detaillierter bewertet werden.
Die Studie ermöglichte es auch, in beispielloser Weise eine positive Korrelation zwischen dem Humifizierungsgrad der organischen Bodensubstanz, ermittelt durch LIFS, und der Kationenaustauschkapazität der Böden (ein wichtiger Indikator für die Bodenfruchtbarkeit) aller integrierten Systeme zu identifizieren , was die Verbesserung der chemischen Stabilität organischer Stoffverbindungen in größeren Tiefen bestätigt.
„Das Verständnis des Verhaltens von OBS in diesen überwiegend brasilianischen Agrarböden kann ein wesentliches Instrument für ein besseres Verständnis der Dynamik des Bodenkohlenstoffs darstellen“, sagt Martin Neto. Seiner Meinung nach sind in tropischen Regionen die Dynamik der organischen Bodensubstanz und die Bedeutung der Reaktivität größer und führen zu besonderen Herausforderungen.
Der Embrapa Pecuária Sudeste-Forscher José Pezzopane wiederum stellt fest, dass landwirtschaftliche Flächen wie integrierte Systeme eine relevante jährliche Biomasseproduktion aufweisen, mit deutlich größeren Mengen an Rückständen über und unter der Erde als ein einheimischer Wald. „Wir haben dies insbesondere in Gebieten beobachtet, in denen die chemischen Bedingungen und die Fruchtbarkeit der ursprünglichen Böden eingeschränkt sind, in Cerrado-Regionen oder in Übergangsgebieten Atlantischer Wald/Cerrado, wie im Fall des durchgeführten Feldversuchs.“
Der Embrapa Pecuária Sudeste-Forscher Alberto Bernardi, ein Spezialist für Bodenfruchtbarkeit, bekräftigt, dass die Studien nach fünf Jahren Implementierung des ILPF-Systems sehr interessante Ergebnisse zeigten.
„Die bei Embrapa Pecuária Sudeste durchgeführten Arbeiten haben bereits gezeigt, dass die Kohlenstoffmenge in Böden in integrierten Systemen größer ist. Diese Studie ermöglichte es jedoch, die Dynamik organischer Stoffe besser aufzuzeigen und die Gründe zu ermitteln, warum diese Systeme mehr Kohlenstoff ansammeln und warum das chemische Element länger im Boden verbleibt. Durch ausgefeilte Methoden beweist die Forschung eine höhere Qualität und stabilere organische Substanz und garantiert so die Umweltvorteile integrierter Systeme“, betont Bernardi, der auch Koordinator des Crop-Livestock Integrated Systems Network der Global Gas Research Alliance in Brasilien ist Landwirtschaft (Global Research Alliance in English, GRA) und die Kommission für Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenernährung der Brasilianischen Gesellschaft für Bodenkunde (SBCS)
Als Hauptgrund für die Ergebnisse sieht der Forscher die sehr hohe Biomasseproduktion. „Je mehr organische Substanz im Boden vorhanden ist, desto leistungsfähiger ist er biologisch und chemisch und auch physikalisch strukturierter.“ Organisches Material ist der Schlüssel zum ordnungsgemäßen Funktionieren des Bodens und ermöglicht eine höhere Produktivität, Grundwasserneubildung, Kohlenstoff und Artenvielfalt“, erklärt Bernardi.
Darüber hinaus erinnert er daran, dass gute Bewirtschaftungspraktiken wie die Anwendung von Kalk und Düngemitteln sowie die Einführung einer Direktbepflanzung wichtig sind, um Erosionsprozesse zu vermeiden und eine Erhöhung des OBS-Gehalts beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen Bodenbearbeitungsflächen zu ermöglichen.
Martin Neto, seit Februar 2012 Co-Koordinator der Farmland Research Group der Global Alliance for Research on Greenhouse Gases in Agriculture, fügt außerdem hinzu, dass die Möglichkeit besteht, den Gehalt an organischer Substanz im Boden zu erhöhen und damit Kohlenstoff zu binden die wichtigen globalen Strategien zur Dekarbonisierung der Wirtschaft.
„Es ist auch wichtig für die Etablierung des globalen Marktes für Bodenkohlenstoffgutschriften. Ende September erreichte die gebundene Tonne CO2-Äquivalent Werte um 70,00 US-Dollar, ein Anstieg von 90 % seit Januar dieses Jahres, so die Daten der europäischen Institution Ember“, erinnert sich der Forscher.
Für Alberto Bernardi ist ILPF ein Trend und Untersuchungen zeigen Möglichkeiten für Produzenten auf, CO2-Gutschriften in Zukunft zu verkaufen.
Die Integrationssysteme bei Embrapa Pecuária Sudeste, wo die Studien durchgeführt wurden, werden mit Unterstützung des ILPF-Netzwerks gepflegt.
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