Im internationalen Bodenklassifikationssystem World Reference Base for Soil Resources (WRB) wird Terra preta als Prätisches Anthrosol bezeichnet. Der häufigste ursprüngliche Boden, bevor er in eine Terra Preta umgewandelt wurde, ist der Ferralsol. Terra Preta hat einen Kohlenstoffgehalt von hoch bis sehr hoch (mehr als 13-14% organische Substanz) in seinem Horizont, aber ohne hydromorphe Eigenschaften. Terra Preta präsentiert wichtige Varianten. Zum Beispiel erhielten Gärten in der Nähe von Wohnungen mehr Nährstoffe als weiter entfernte Felder. Die Variationen der amazonischen dunklen Erden verhindern eindeutig, ob alle absichtlich zur Bodenverbesserung geschaffen wurden oder ob die leichtesten Varianten ein Nebenprodukt der Besiedlung sind.
Die Fähigkeit von Terra preta, ihr eigenes Volumen zu erhöhen — also mehr Kohlenstoff zu binden – wurde erstmals vom Pedologen William I. Woods von der University of Kansas dokumentiert. Dies bleibt das zentrale Geheimnis von Terra Preta.
Die Prozesse, die für die Bildung von Terra Preta-Böden verantwortlich sind, sind:
- Einarbeitung von Holzkohle
- Einarbeitung von organischen Stoffen und Nährstoffen
- Wachstum von Mikroorganismen und Tieren im Boden
Holzkohleedit
Die Umwandlung von Biomasse in Holzkohle erzeugt eine Reihe von Holzkohlederivaten, die als pyrogener oder schwarzer Kohlenstoff bekannt sind und deren Zusammensetzung von leicht verkohlten bis organische Substanz, zu Rußpartikeln, die reich an Graphit sind und durch Neuzusammensetzung freier Radikale gebildet werden. Alle Arten von karbonisierten Materialien werden Holzkohle genannt. Konventionell wird Holzkohle als jede natürliche organische Substanz angesehen, die thermisch oder durch eine Dehydratisierungsreaktion mit einem Sauerstoff / Kohlenstoff (O / C) -Verhältnis von weniger als 60 umgewandelt wird; kleinere Werte wurden vorgeschlagen. Aufgrund möglicher Wechselwirkungen mit Mineralien und organischen Stoffen aus dem Boden ist es fast unmöglich, Holzkohle zu identifizieren, indem nur der Anteil an O / C bestimmt wird.
Indigene Völker fügten armen Böden Niedrigtemperaturkohle hinzu. In einigen Terra Preta wurden bis zu 9% Ruß gemessen (gegenüber 0, 5% in umliegenden Böden). Andere Messungen ergaben einen 70-mal höheren Kohlenstoffgehalt als in den umliegenden Ferralsolen mit ungefähren Durchschnittswerten von 50 Mg / ha / m.
Die chemische Struktur der Holzkohle in Terra Preta-Böden ist durch mehrfach kondensierte aromatische Gruppen gekennzeichnet, die eine verlängerte biologische und chemische Stabilität gegen mikrobiellen Abbau bieten. Holzkohle der niedrigen Temperatur (aber nicht die von den Gräsern oder von den hohen Zellulosematerialien) hat eine interne Schicht biologische Erdölkondensate, die die Bakterien verbrauchen, und ist Zellulose in seinen Effekten auf Mikrobenwachstum ähnlich. Verkohlung bei hohen Temperaturen verbraucht diese Schicht und bringt wenig Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit. Die Bildung kondensierter aromatischer Strukturen hängt von der Art der Herstellung von Holzkohle ab. Durch die langsame Oxidation von Holzkohle entstehen Carboxylgruppen; Diese erhöhen die Austauschkapazität der Kationen im Boden. Der von der Biomasse erzeugte Kern aus Rußpartikeln bleibt auch nach Tausenden von Jahren aromatisch und weist die spektralen Eigenschaften von Frischkohle auf. Um diesen Kern herum und auf der Oberfläche der Rußpartikel befinden sich höhere Anteile von Formen von Carbon- und Phenolkohlenstoffen, die sich räumlich und strukturell vom Kern des Partikels unterscheiden. Die Analyse der Molekülgruppen liefert Beweise sowohl für die Oxidation des Rußpartikels selbst als auch für die Adsorption von Nicht-Ruß.
Diese Holzkohle ist somit entscheidend für die Nachhaltigkeit von terra preta. Die Kombination von Ferralsol mit Holzkohle erhöht die Produktivität erheblich. Weltweit haben landwirtschaftliche Flächen durch intensiven Anbau und andere Schäden menschlichen Ursprungs durchschnittlich 50% ihres Kohlenstoffs verloren.
Frischkohle muss „aufgeladen“ werden, bevor sie als Biotop fungieren kann. Mehrere Experimente zeigen, dass ungeladene Holzkohle eine vorläufige Erschöpfung der verfügbaren Nährstoffe bewirken kann, wenn sie zuerst in den Boden eingebracht wird, dh bis sich seine Poren mit Nährstoffen füllen. Dies wird überwunden, indem die Holzkohle zwei bis vier Wochen lang in einem flüssigen Nährstoff (Urin, Pflanzentee usw.) eingeweicht wird.).
Biokohle
Biokohle ist Holzkohle, die bei relativ niedrigen Temperaturen aus einer Biomasse aus Holz und Blattpflanzen in einer Umgebung mit sehr wenig oder keinem Sauerstoff hergestellt wird. Es wurde beobachtet, dass die Änderung des Bodens mit Pflanzenkohle die Aktivität von arbuskulären Mykorrhizapilzen erhöht. Versuche mit hochporösen Materialien wie Zeolith, Aktivkohle und Holzkohle zeigen, dass sich das mikrobielle Wachstum mit Holzkohle deutlich verbessert. Es kann sein, dass kleine Holzkohlestücke im Boden wandern und Bakterien einen Lebensraum bieten, die die Biomasse in der oberflächlichen Bodenbedeckung zersetzen. Dieser Prozess kann eine wesentliche Rolle bei der Selbstvermehrung von Terra Preta spielen; Ein positiver Zyklus entwickelt sich, wenn sich der Pilz aus der Holzkohle ausbreitet, zusätzlichen Kohlenstoff fixiert, den Boden mit Glomalin stabilisiert und die Nährstoffverfügbarkeit für nahe gelegene Pflanzen erhöht. Viele andere Mittel tragen dazu bei, von Regenwürmern bis zum Menschen sowie zum Verkohlungsprozess.
Sollte Biokohle in großem Umfang zur Bodenverbesserung eingesetzt werden, würde ein Nebeneffekt global signifikante Mengen an Kohlenstoffbindung erzeugen und zur Vermittlung der globalen Erwärmung beitragen. „Bio-Char-Bodenmanagementsysteme können handelbare C-Emissionsreduktionen bewirken, und C-Sequestrierung ist leicht rechenschaftspflichtig und überprüfbar.“
Es wurde gezeigt, dass Pflanzenkohle die Kationenaustauschkapazität im Boden erhöht, was zu einer verbesserten Nährstoffaufnahme der Pflanzen führt. Gleichzeitig war es besonders nützlich in sauren tropischen Böden, da es aufgrund seiner leicht alkalischen Natur den pH-Wert erhöhen kann. Pflanzenkohle zeigt, dass in Bezug auf einen Boden die Produktivität von oxidierten Rückständen besonders stabil, reichlich vorhanden und in der Lage ist, die Bodenfruchtbarkeit zu erhöhen.
Die Stabilität von Pflanzenkohle im Vergleich zu anderen Formen von Holzkohle beruht auf ihrer Bildung. Der Prozess des Verbrennens von organischem Material bei hohen Temperaturen und niedrigem Sauerstoffgehalt führt zu einem porösen, kohlereichen und aschearmen Produkt. Pflanzenkohle hat das Potenzial, langfristig einen nährstoffreichen Beitrag zur Bodenfruchtbarkeit zu leisten.
Organische Stoffe und Nährstoffebearbeiten
Die Porosität der Holzkohle bewirkt eine bessere Retention organischer Stoffe, von Wasser und gelösten Nährstoffen sowie von Schadstoffen wie Pestiziden und aromatischen polyzyklischen Kohlenwasserstoffen.
Organische Materiebearbeiten
Das hohe Absorptionspotential von Holzkohle an organischen Molekülen (und an Wasser) beruht auf ihrer porösen Struktur. Die hohe Konzentration an Holzkohle in Terra preta unterstützt eine hohe Konzentration an organischem Material (im Durchschnitt dreimal mehr als in den umliegenden armen Böden) von bis zu 150 g / kg. Organische Substanz kann bei 1 bis 2 Metern (3 ft 3 in bis 6 ft 7 in) tief gefunden werden.
Bechtold schlägt vor, Terra Preta für Böden zu verwenden, die bei einer Tiefe von 50 Zentimetern (20 in) einen Mindestanteil an organischem Material von über 2,0-2,5% aufweisen. Die Anhäufung organischer Stoffe in feuchten tropischen Böden ist paradox, da optimale Bedingungen für den Abbau organischer Stoffe herrschen. Es ist bemerkenswert, dass sich Anthrosole trotz der Prävalenz dieser tropischen Bedingungen und ihrer schnellen Mineralisierungsraten regenerieren. Die Stabilität organischer Stoffe liegt hauptsächlich daran, dass die Biomasse nur teilweise verbraucht wird.
Nährstoffebearbeiten
Terra-Preta-Böden weisen auch höhere Nährstoffmengen und eine bessere Retention dieser Nährstoffe auf als umgebende unfruchtbare Böden. Der Anteil von P erreicht 200-400 mg /kg. Die Menge an N ist auch in Anthrosol höher, aber dieser Nährstoff wird wegen des hohen Anteils von C über N im Boden immobilisiert.
Anthrosols Verfügbarkeit von P, Ca, Mn und Zn ist höher als Ferrasol. Die Absorption von P, K, Ca, Zn und Cu durch die Pflanzen nimmt zu, wenn die Menge der verfügbaren Holzkohle zunimmt. Die Biomasseproduktion für zwei Kulturen (Reis und Vigna unguiculata) stieg ohne Düngung um 38-45% (P < 0,05) im Vergleich zu Kulturen mit gedüngtem Ferralsol.
Messungen mit Holzkohlestücken mit einem Durchmesser von etwa 20 Millimetern (0,79 Zoll) anstelle von gemahlener Holzkohle änderten die Ergebnisse nicht, mit Ausnahme von Mangan (Mn), bei dem die Absorption erheblich zunahm.
Die Nährstoffauswaschung ist in diesem Anthrosol trotz ihres Überflusses minimal, was zu einer hohen Fruchtbarkeit führt. Wenn jedoch anorganische Nährstoffe auf den Boden aufgebracht werden, übersteigt die Drainage der Nährstoffe in Anthrosol die in gedüngtem Ferralsol.
Als potentielle Nährstoffquellen können nur C (über Photosynthese) und N (aus biologischer Fixierung) in situ produziert werden. Alle anderen Elemente (P, K, Ca, Mg usw.) muss im Boden vorhanden sein. In Amazonien scheitert die Versorgung mit Nährstoffen aus dem Abbau von natürlich verfügbarem organischem Material, da die starken Regenfälle die freigesetzten Nährstoffe und die natürlichen Böden (Ferralsole, Acrisole, Lixisole, Arenosole, Uxisole usw.) wegwaschen.) fehlen die Mineralstoffe, um diese Nährstoffe bereitzustellen. Die Tonsubstanz, die in diesen Böden vorhanden ist, kann nur einen kleinen Teil der Nährstoffe aufnehmen, die durch Zersetzung zur Verfügung gestellt werden. Im Falle von Terra Preta sind die einzigen möglichen Nährstoffquellen primär und sekundär. Die folgenden Komponenten wurden gefunden:
Die Sättigung des pH-Werts und der Base ist wichtiger als in den umliegenden Böden.
Mikroorganismen und Tierebearbeiten
Bakterien und Pilze (Mykoorganismen) leben und sterben in den porösen Medien der Holzkohle und erhöhen so ihren Kohlenstoffgehalt.
Es wurde eine signifikante biologische Rußproduktion festgestellt, insbesondere unter feuchten tropischen Bedingungen. Es ist möglich, dass der Pilz Aspergillus niger hauptsächlich verantwortlich ist.
Der Wanderregenwurm Pontoscolex corethrurus (Oligochaeta: Glossoscolecidae) nimmt Holzkohle auf und vermischt sie in fein gemahlener Form mit dem Mineralboden. P. corethrurus ist in Amazonien und insbesondere auf Lichtungen nach Verbrennungsprozessen weit verbreitet, da es einen geringen Gehalt an organischer Substanz im Boden verträgt. Dies ist ein wesentliches Element bei der Erzeugung von Terra preta, verbunden mit agronomischen Kenntnissen, bei denen die Holzkohle in dünnen, regelmäßigen Schichten geschichtet wird, die für die Bestattung durch P. corethrurus günstig sind.
Einige Ameisen werden von frischer Terra Preta abgestoßen; Ihre Dichte ist etwa 10 Tage nach der Produktion im Vergleich zu Kontrollböden gering.