Bäume in Strassen und auf Plätzen sind wichtig für das Mikroklima im städtischen Raum. Knappe Platzverhältnisse, Streusalz, Hitze und Trockenheit setzen den Bäumen zu. Substrate mit Pflanzenkohle können dazu beitragen, diesen Stress zu reduzieren. Gleichzeitig sind solche Substrate dank ihrer Kombination aus wasserdurchlässigen mineralischen Komponenten und wasserspeichernder Pflanzenkohle ein wichtiges Element der Schwammstadt.
Damit Bäume lange und gesund leben, brauchen sie genügend Raum für die Durchwurzelung. Als Faustregel gilt: Der Durchmesser der Baumkrone sollte dem Durchmesser des Wurzelraums entsprechen, das Wurzelraumvolumen sollte pro m2 Kronenprojektionsfläche etwa 0,75 m³ betragen. Wichtig ist zudem, dass der Wurzelraum gut durchlüftet ist, Wasser speichern kann, aber gleichzeitig wasserdurchlässig ist, damit sich keine Staunässe bildet. Schliesslich muss die Nährstoffversorgung durch organisches Material gewährleistet sein. Im Strassenraum sind diese Faktoren häufig nicht ausreichend gegeben: Der Boden ist verdichtet, sodass kaum Luft zu den Wurzeln gelangt, und die Oberflächen sind versiegelt, sodass zu wenig Wasser in den Wurzelraum versickern kann.
Schwammstadt heisst das neue Konzept im Bereich der Entwässerung im Siedlungsgebiet: Niederschlagswasser soll wo möglich vor Ort versickert und gespeichert statt über die Kanalisation abgeleitet werden – unversiegelte Flächen, sicker- und speicherfähige Untergründe sind neben ober- und unterirdischen Wasserspeichern wichtige Elemente. Zusammen mit der Vegetation bilden diese Schwammstadt-Elemente die blau-grüne Infrastruktur, die Starkniederschläge aufnehmen, das Klima im Siedlungsgebiet verbessern und die Hitze reduzieren kann.
Für Baumpflanzungen kommen heute spezielle Substrate zum Einsatz. Dabei sorgen verschiedene Gesteinskörnungen für eine gute Belüftung des Untergrunds und eine gute Drainage. Im Zuge des Klimawandels mit zunehmenden Starkniederschlägen und Trockenperioden rücken Schwammstadtkonzepte in den Fokus. Dabei kommt zunehmend auch der Wasserspeicherfähigkeit von Substraten grosse Bedeutung zu.
Die Beimischung von Pflanzenkohle in Substraten unterstützt die Wassers- und die Nährstoffspeicherung und bietet Lebensraum für Mikroorganismen in den traditionell stark mineralisch geprägten, unbelebten Baumsubstraten. Dazu wird die Pflanzenkohle vorab mit Nährstoffen «aufgeladen» (vgl. Behandlung / Beladung im Abschnitt Anwendungshinweise). Vor allem wenn der Wurzelraum limitiert ist, kann Pflanzenkohle ein entscheidender Faktor sein: Pro Volumen lassen sich mit Pflanzenkohle viele Nährstoffe und eine grosse Wasserspeicherkapazität in ein verdichtbares Substrat einbringen.
Ein entscheidendes Argument für Pflanzenkohle ist die Langzeitstabilität. Der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in der Pflanzenkohle liegt in stabilen Verbindungen vor und wird biologisch nicht abgebaut, die Funktion der Wasser- und Nährstoffspeicherung bleibt also weit über die Lebensdauer eines Baumes erhalten – Humus, der ähnliche Funktionen erfüllen könnte, würde sich mit der Zeit abbauen.
80–90% des Kohlenstoffs in der Pflanzenkohle bleibt langfristig gebunden, nach heutigem Erkenntnisstand über 1000 Jahre (vgl. Pflanzenkohle als C-Senke). Damit gilt Pflanzenkohle grundsätzlich als langfristige C-Senke, wenn sie mit dem Baumsubstrat im Boden verbleibt. Sollte das Substrat wieder ausgehoben werden, kann es aufbereitet und wiederverwendet werden. Teilweise gelangen Aushube auch in Deponien. Dass die Pflanzenkohle verbrannt wird, ist kaum denkbar. Aus diesem Grund kann Pflanzenkohle in Baumsubstraten als permanente Senke angesehen werden und einen Beitrag zur Erreichung der Netto-Null-Ziele einer Gemeinde leisten.
Studien mit Baumsubstraten zeigen, dass Pflanzenkohle organische Mikroverunreinigungen wie Biozide oder Schadstoffe aus Reifenabrieb wirksam adsorbieren kann. Der Rückhalt von Schwermetallen erfolgt dagegen hauptsächlich durch die Filtration partikelgebundener Metalle sowie durch die Bindung gelöster Metallionen an Huminstoffe und Tonminerale. Pflanzenkohle kann diesen Rückhalt unterstützen, steht dabei jedoch nicht im Vordergrund.
Wie gut ein Substrat Schadstoffe bindet, hängt von der Zusammensetzung, der Mächtigkeit der Schichten und der Verweildauer des eingeleiteten Wassers ab. Werden Substrate zur Versickerung von Strassenabwasser eingesetzt, sollte die Filterleistung bestimmt werden, um den Grundwasser- und Gewässerschutz zu gewährleisten.
Die Fachhochschule Ost hat die Filterleistung des «Zürcher Baumsubstrats» untersucht, das aus drei Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen besteht und eine Gesamttiefe von 1,2 m aufweist. In jeder Schicht kommt unter anderem Pflanzenkohle zur Anwendung. Die Untersuchung kommt zum Schluss, dass die Versickerung über die drei Schichten einen hohen mittleren Rückhalt (> 90 %) von ungelösten Stoffen (GUS), Schwermetallen und Mikroverunreinigungen erreicht und eine Reinigungsleistung bringt, die sehr guten Adsorberanlagen gleichkommt. Das Baumsubstrat eignet sich für die Versickerung von schwach bis mittel belastetem Strassenabwasser und wurde vom Kanton Zürich dafür zugelassen (Merkblatt).
Substrate mit Pflanzenkohle entfalten vor allem in den ersten Jahren nach der Pflanzung der Jungbäume eine positive Wirkung: Studien zeigen häufig ein verbessertes Wachstum, eine stärkere Wurzelentwicklung und eine höhere Vitalität, was die Resilienz der Bäume bei Stresssituationen verbessern kann.
Pflanzenkohle ist ein sehr poröses Material und kann je nach Qualität bis zu fünfmal so viel Wasser speichern, wie sie wiegt. Dank dieser hohen Wasserspeicherfähigkeit trocknen Substrate mit Pflanzenkohle weniger schnell aus.
Der Einsatz von Pflanzenkohle im Boden ist in der Düngerverordnung geregelt. Diese gilt grundsätzlich auch für Böden im Siedlungsraum. Die Pflanzenkohle muss also eine Zulassung des Bundesamts für Landwirtschaft haben bzw. den Qualitätsstandard EBC Agro Bio erreichen.
Für Bäume im Strassenraum, wo der Boden eine technische Natur aufweist, von Rohren und Kabeln durchzogen ist und Schadstoffbelastungen aus dem Verkehr aufweist, verursachen mögliche Schadstoffeinträge durch Pflanzenkohle eine nur minime zusätzliche Belastung. Mit diesem Argument wird teilweise auch Pflanzenkohle geringerer Qualität (EBC Urban) eingesetzt. Es wird jedoch stark empfohlen, die höchste Pflanzenkohlequalität (EBC Agro Bio) mit einer Zulassung des Bundesamts für Landwirtschaft zu verwenden.
Pflanzenkohle wird vor der Beimischung in Substrate in der Regel mit Nährstoffen angereichert oder mit Düngern kombiniert. Ansonsten würde sie dem Boden Nährstoffe entziehen. Diese «Beladung» oder «Konditionierung» wird mit unterschiedlichen Ansätzen erreicht.
Kombination mit Kompost: Die Pflanzenkohle wird mit Komposttee oder Kompost vermischt. Das Pflanzenkohle-Kompost-Gemisch sollte dabei mindestens vier Wochen gelagert werden.
Noch besser ist es, wenn die Pflanzenkohle bereits während der Kompostierung hinzugegeben wird. Im Kompostierprozess lädt sich die Pflanzenkohle nicht nur mit Nährstoffen auf, ihre Eigenschaften verändern sich während der Kompostierung positiv (vgl. Kompostierung).
Kombination mit Flüssigdüngern: Untersucht wurde auch die Anwendung von unbehandelter Pflanzenkohle in Kombination mit Flüssigdüngern. Potenzial zeigen dabei organische Flüssigdünger auf der Basis von Urin oder mineralische Dünger kombiniert mit Mikroorganismen.
Schwarzerden: Schwarzerden bestehen typischerweise aus Pflanzenkohle, organischer Substanz (z. B. Kompost oder Mist) sowie mineralischen Zuschlagstoffen. Je nach Verfahren werden zusätzliche mikrobielle Präparate eingesetzt. Der Pflanzenkohle-Anteil beträgt dabei 10 bis 30 %.
Das sogenannte Stockholmer Modell bildet die Basis für den Aufbau vieler Stadtbaum-Substrate. Die Idee dahinter: Nicht nur die eigentliche Baumgrube bildet den Wurzelraum für die Bäume, sondern auch die Erdschicht unterhalb von Strassen, Wegen und Plätzen. Diese meist verdichtete und kaum durchlüftete Schicht wird bei Strassensanierungen ersetzt durch das sogenannte Stockholmer-Substrat, das im Kern nur aus zwei Komponenten besteht: 85 % Gestein für eine hohe Wasser- und Luftdurchlässigkeit, Durchwurzelbarkeit und Tragfähigkeit, und 15 % kompostierte Pflanzenkohle als Wasser- und Nährstoffspeicher. Das Material wird vor Ort gemischt und schichtweise eingebaut: Das Schotter- und Gesteinsmaterial wird verdichtet und anschliessend mit Pflanzenkohle-Kompost eingeschlämmt. Darüber folgen entweder der normale Strassenaufbau oder Pflanzgruben mit Substraten für Bäume und Stauden. Deren Wurzeln können sich so auch unter Verkehrsflächen ausbreiten.
Auf diesem Grundprinzip bauen verschiedene Konzepte für Schwamm- und Stadtbaum-Substrate auf. Die Basis bilden Schotter und Grobschlag, der Feinanteil kann angepasst werden an die Bedürfnisse, z.B. bezüglich Wasserspeicherfähigkeit, Nährstoffverfügbarkeit Versickerungsleistung oder Schadstoffrückhalt.
Verschiedene Untersuchungen, darunter der ZHAW, haben gezeigt, dass Baumsubstrate mit einem Volumenanteil von 5 % bis 10 % Pflanzenkohle am Gesamtsubstrat gute Resultate erzielen. Höhere Anteile zeigen häufig nur noch geringe Zusatzwirkungen. Da in der Regel Pflanzenkohle zum Einsatz kommt, die mit Nährstoffen beladen ist, werden bei höheren Gaben auch mehr Nährstoffe zugeführt. Höhere Gaben sollten deshalb hinsichtlich Nährstoffhaushalt und Substrateigenschaften projektspezifisch geprüft werden.
In der Stadt Bern wird in einem Pilotprojekt untersucht, ob die Wurzeln mit sogenannten Nährstofflinsen mit Pflanzenkohle und Kompost gelenkt werden können. Anstelle einer grossflächigen Beimischung von Pflanzenkohle und Kompost in das überbaubare Substrat sollen gezielt Nährstofflinsen mit beladener Pflanzenkohle das Wurzelwachstum in die erwünschte Richtung fördern. Noch ist das Pilotprojekt nicht ausgewertet.
Baumgrubensubstrate werden teilweise fertig gemischt angeboten. Alternativ werden sie vor Ort gemischt, nach Möglichkeit mit lokal vorhandenen Materialien. Dabei kann auch der Aushub sortiert werden: Während Lehm abgeführt wird, kann Oberboden und Koffermaterial wieder eingesetzt werden. Zugeführt wird dann vor allem Pflanzenkohle und Kompost. Dies ist eine günstige und nachhaltige Variante, weil weniger Transporte anfallen.
Verschiedene Städte in Europa oder spezialisierte Unternehmen für Substrate haben ihre eigenen Substratmischungen entwickelt:
Wer ein Baumsubstrat oder Pflanzenkohle zur Beimischung in ein Substrat bestellt oder ausschreibt, sollte folgende Punkte beachten:
Ob Anwendererfahrung, Ergebnisse aus Praxisversuchen oder Resultate aus wissenschaftlichen Studien:
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Risiken im Griff
Pflanzenkohle ist über Jahrzehnte bis Jahrhunderte stabil. Vorbehalte, dass mit der Pflanzenkohle Schadstoffe in den Boden eingetragen werden und sich dort kumulieren, sind aufgrund der Klärschlammproblematik verständlich – bei Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften jedoch kein Problem.
Lesen Sie, wie Landwirte Pflanzenkohle anwenden, welchen Nutzen sie beobachten und wie sie die Wirtschaftlichkeit beurteilen.
Lesen Sie, wie Landwirte Pflanzenkohle anwenden, welchen Nutzen sie beobachten und wie sie die Wirtschaftlichkeit beurteilen.
