Agrarforschung
Einsatz von Holzasche in Wäldern

U. Nell, K. v. Wilpert, Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt; Freiburg, Abteilung Bodenkunde und Waldernährung
1996-1998

Problemstellung

Die Ausbringung von Holzasche in Wälder wird als eine mögliche Alternative zur Deponierung der Verbrennungsrückstände im Sinne eines Biomasse-Kreislaufkonzeptes diskutiert. Derzeit existieren jedoch keine rechtlichen Rahmenbedingungen, die die Ausbringung von Holzasche in Wälder regeln.

Analog zur Bioabfallverordnung (BioAbfV, 1998) könnten diese durch eine Verordnung über mineralische Sekundärrohstoffe gemäß §8 Abs. 1 und 2 des KrW/AbfG geschaffen werden. Denkbar wäre auch die Qualifizierung der Holzasche nach dem Düngemittelrecht.

Die Definition von kontrollierbaren Qualitätsnormen, die in rechtlichen Vorgaben verankert werden müssen, setzen jedoch die Beurteilung möglicher Risiken (Schadstoffaspekt) und Meliorationseffekte (Wertstoffaspekt) voraus. Erfahrungen über die Auswirkung von Holzascheausbringungen auf Waldökosysteme, die sich in der Regel jedoch auf nur kurze Untersuchungszeiträume beziehen, liegen in Skandinavien und in geringerem Umfang aus den USA und Österreich vor. Insbesondere die skandinavischen Ergebnisse sind jedoch auf mitteleuropäische Verhältnisse nicht übertragbar.

Ziele

Die Laborversuche sowie die langfristig und in unmittelbarer Nähe zu den Stoffhaushaltsmessstationen "Conventwald" und "Ochsenhausen" angelegten Versuchsflächen sollen einen Beitrag zur Abschätzung der Meliorationseffekte (Verbesserung der Säure-/Basenrelation, Verbesserung der Nährelementverfügbarkeit und damit der Bestandesernährung) sowie der Risken (z.B. Freisetzung von Nitrat, Aluminium oder von Schwermetallen) einer Holzascheausbringung leisten.

Im "Conventwald" sowie auf einer aschegedüngten Variante des Düngungsversuches "Ochsenhausen" werden hierzu die Auswirkungen unterschiedlich hoch dosierter Aschegaben auf die chemischen Bodenzustandsparameter und die Stoffflüsse untersucht.

Die räumliche und zeitliche Dynamik der Freisetzung von Aschebestandteilen wurde unter standardisierten Rahmenbedingungen in Laborversuchen in hoher Auflösung untersucht.

Aus den Ergebnissen soll eine Bewertung der Ascheausbringung im Sinne einer Verträglichkeitsprüfung abgeleitet werden, die eine wesentliche Grundlage für die Schaffung rechtlicher Vorgaben geeignet sind.

Die räumliche Nähe zu den Intensivmonitoringflächen bietet dabei die Chance der Übertragbarkeit von technischen und methodischen Weiterentwicklungen sowie der Verifikation von Ergebnissen anhand der dort abgeleiteten Stoffhaushaltsmodelle.

Standörtliche Einflüsse auf das Lösungsgeschehen werden sowohl in den Laborversuchen als auch in den Freilandversuchen durch Berücksichtigung unterschiedlicher Bodentypen und Baumarten bei der Versuchsflächenauswahl und den Laborversuchen berücksichtigt.

Untersuchungsmethode

In unmittelbarer Nähe zur Ökosystem-Fallstudie "Conventwald" wurde 1996 eine Versuchsanlage mit jeweils drei unterschiedlich hoch dosierten Aschevarianten (2.4 t/ha, 12 t/ha und 18 t/ha) und einer Kontrollfläche in einem Fichten- und einem Buchenstangenholz angelegt.

Die Versuchsanlage liegt in einer Höhenlage von 750 bis 850 m über NN. auf einer mäßig versauerten Braunerde auf Paragneis. Durch die atlantische Klimacharakteristik und die hohe Wasserleitfähigkeit des Substrates ist mit hohen Transportraten zu rechnen.

Die Versuchsfläche in Ochsenhausen (680 m über NN.) wurde bereits 1994 in einem Fichtenbaumholz angelegt. Der Bodentyp entspricht einer Parabraunerde aus Riß-Grundmoränenmaterial. In Ochsenhausen ist aufgrund der kontinentalen Klimatönung und des lehmigen Substrates im Vergleich zur Versuchsfläche im Conventwald mit geringeren Transportraten zu rechnen.

Auf den Freilandversuchsflächen werden die Stoffeinträge im Bestandesniederschlag sowie die Stoffkonzentrationen in der Bodenlösung entlang der Fließpassage durch den Waldboden in unterschiedlichen Bodentiefen (Conventwald: unter Humusauflage, in 10 cm, 50 cm und 100 cm; in Ochsen-hausen: unter Humusauflage, in 20 cm und 80 cm) in einem 14-tägigen Probeentnahmerhythmus erfasst. Für die Berechnung der Stoffflüsse kann auf die an den Stoffflussmessstationen hergeleiteten Modelle zurückgegriffen werden. Ergänzt werden die Untersuchungen zu den Stoffflüssen in der Bodenlösung durch begleitende Untersuchungen der Bodenfestphase. Ernährungsphysiologische Auswirkungen der Holzaschegaben werden durch konventionelle Nadelanalysen ermittelt.

Im Labor wurden die Freisetzungsraten von Asche-bestandteilen unter kontrollierbaren Rahmenbedingungen durch Perkolation mit angesäuerten Lösungen ermittelt. Neben Untersuchungen von Lösungsvorgängen durch Perkolation von mit Asche beaufschlagten internen Quarzsandsäulen wurden auch Versuche an natürlich gelagerten Bodenproben durchgeführt. Mit den Perkolationsversuchen kann der zeitliche Verlauf der Lösungsprozesse sowie die räumlichen Quellen und Senken für gelöste Ascheinhaltsstoffe detektiert werden.

Ergebnisse

1. Die Zusammensetzung der Holzasche entspricht einem durch Calcium dominierten Mehrnährstoffdünger. Die Aschebestandteile liegen zumeist in oxidischer und carbonatischer Form vor. Neben leicht löslichen Calcium- und Kaliumfraktionen enthält die Holzasche die für die Bestandesernährung essentiellen Elemente Magnesium und Phosphor, die jedoch durch deutlich geringere Freisetzungsraten gekennzeichnet sind. Die Anteile der Elemente in der Holzasche werden wesentlich durch das Verbrennungsmaterial und die Verbrennungstechnik bestimmt.

Hohe Schwermetallgehalte treten im Verbrennungsrückstand v.a. bei der Mitverbrennung von Hölzern aus der Weiterverarbeitung bzw. bei der Mischung von Filter- und Brennraumaschen auf. Durch thermische Abreicherung sind die im Brennraum anfallenden Aschen durch geringere Schwermetallgehalte ausgezeichnet wie Zyklon- und Filterstäube, die die aus dem Brennraum verdampften Schwermetalkomponenten als Sublimat enthalten.

2. Der meliorative Aspekt von Holzascheapplikationen ließ sich durch eine Verbesserung der Säure-/Basenrelation nachvollziehen.

Die Erhöhung des pH-Wertes um zwei bis drei pH-

Stufen unter der Auflage war sowohl unter Buche als auch Fichte nachzuweisen, wobei eine Abstufung nach der Aschedosierung nur unter Fichte deutlich wurde. Dies dürfte auf die im Vergleich zur Buche mächtigere Auflage mit höherer Pufferkapazität zurückzuführen sein. Bereits im oberen Mineralboden haben sich die pH-Werte nach kurzer Zeit wieder dem Vergleichswert der Kontrollvarianten angenähert.

Hohe Anteile der basischen Kationen Calcium, Magnesium und Kalium traten bedingt durch hohe Freisetzungsraten aus den leichtlöslichen oxidischen Calciumanteilen und karbonatischen Kaliumanteilen (Pottasche) der Holzasche auf. Hohe Magnesiumanteile in der Lösung werden durch hohe Calcium- und Kaliumkonzentrationen in der Bodenlösung und den damit verbundenen Verdrängungsprozessen von den Austauscherplätzen erzwungen.

Eine Verbesserung der Phosphatverfügbarkeit, die jedoch nicht durch die Lösung phosphatischer Aschebestandteile sondern Mobilisierungsprozesse in der Auflage verursacht wurden, konnten für die Auflage nachgewiesen werden.

Auch die Ergebnisse der Festphasenbeprobung (Abb.1), die die Konzentrationsverhältnisse in der Bodenlösung in zeitlich integrierender Form bein-halten, spiegeln die durch die Ascheausbringung modifizierten Elementrelationen wieder. Während sich für das Calcium deutlich nach Dosierung abgestuft höhere Anteile an der Austauscherbelegung im oberen Mineralboden ergeben, reichte der Lösungspuls des Kaliums offensichtlich tiefer in den Mineralboden und lässt sich noch bis 50 cm Bodentiefe verfolgen.

Die Ergebnisse der Festphasenbeprobung und der Ermittlung der Konzentrationsprofilen in der Bodenlösung konnten durch die Laboruntersuchungen verifiziert werden.

3. Ökosystemare Risiken können sich durch erhöhte Nitrat- und Aluminiumanteile oder auch durch die Mobilisierung von Schwermetallen in der Bodenlösung und der damit verbundenen Gefahr einer ungepufferten Auswaschung aus dem Waldboden ergeben.

Nach der Ascheausbringung wurden initial hohe Nitratgehalte in der Bodenlösung ermittelt, die in 100cm Bodentiefe selbst für die hoch dosierte
Aschevariante den Grenzwert der Trinkwasser-verordnung unter Fichte und Buche nur kurzfristig überschritten hat. Der Nitratpuls klang sehr schnell wieder auf das Niveau der Kontrollfläche ab, sodass mittelfristig von einer Stabilisierung des Stickstoffhaushaltes auszugehen ist.

Abb. 1: Austauschbares Calcium und Kalium in der Bodenfestphase 14 Monat nach Ascheausbringung bei verschiedenen Dosierungen unter Fichte

Bei einer Aschedosierung von 2.4 t/ha war weder unter Buche noch unter Fichte ein gegenüber der Kontrolle signifikanter Unterschied der Aluminiumgehalte in der Bodenlösung festzustellen. Bei höherer Aschedosierung führt der hohe Input an basischer Kationen zu einer Verdrängung von Aluminium von seinen Austauscherplätzen. Die dadurch aktivierte Aluminiumverlagerung äußert sich v.a. unter der hoch dosierten Buchenvariante in anhaltend erhöhten Aluminiumgehalten im tieferen Mineralboden.

Für die untersuchten Schwermetalle Blei und Kupfer konnte kein ascheinduzierter Anstieg der Konzentrationen in der Bodenlösung festgestellt werden. Lediglich für Cadmium war ein initialer Lösungspuls nachzuweisen, der sich jedoch auf einem unbedenklichen Niveau bewegte. Durch die Ascheausbringung wurde kein Mobiliserungsprozess von Schwermetallen in Gang gesetzt, der zu einer Beeinträchtigung der Ökosystemstabilität führen könnte.

Trotz der schwellenartigen Erhöhung des pH-Wertes und der Ionenstärke in der Bodenlösung wurde die Bodenrespiration nicht wesentlich eingeschränkt. Die Aktivität der Bodenmikrofauna konnte nach einer kurzen Adaptionsphase wieder stabilisiert werden. Langfristig ist aufgrund des verbesserten bodenchemischen Zustandes im Oberboden sogar mit einer Erhöhung der Aktivität zu rechnen.

Konsequenzen und Empfehlungen für die Praxis

Die vorliegenden Ergebnisse zur Ausbringung von Holzasche auf Waldböden zeigen, dass diese ökosystemverträglich gestaltet werden kann. Bevor jedoch der Einstieg in ein Biomassekreislauf-Konzept möglich sein wird, ist eine Erweiterung des Kenntnisstandes über die längerfristigen Auswirkungen der Holzascheausbringung erforderlich. Für die Qualifizierung der Holzasche nach Düngemittelrecht oder als mineralischer Sekundärrohstoffdünger ist ein kontrollierbares Anforderungsprofil an die Holzasche zu erstellen und der Nachweis des Wertstoffaspektes zu erbringen. Folgende Grundsätze für ein Kreislaufkonzept, das die Belange des vorsorglichen Bodenschutzes berücksichtigt, lassen sich bereits heute mit hinreichender Sicherheit definieren.

Im Wald sollten nur Aschen aus reinem Waldholz ausgebracht werden. Die Ascheanalysen von Brennanlagen, in denen neben Waldholz auch Holzwerkstoffe mitverbrannt werden, weisen stark erhöhte Schwermetallgehalte auf.

Flugaschen aus Filtern oder Zyklonentstaubungsanlagen beinhalten erhöhte Schwermetallkonzentrationen. Im Wald sollten reine Brennraumaschen ausgebracht werden und Filter- und Zyklonstäube getrennt entsorgt werden.

Bei Dosierungen bis 2,4 t/ha traten auch auf dem sensibleren Buchenstandort trotz der hohen Durchlässigkeit des Substrates kurzfristig keine erkennbaren Risiken wie Überschussnitrifikation oder stark erhöhte Aluminiumausträge auf. Bei 12 t/ha war die Aluminiumfracht im Bodenwasser schubweise stark erhöht. Eine Grenzdosierung, die ökosystemare Risiken mit hoher Sicherheit ausschließt, sollte daher 2-3 t/ha nicht überschreiten.

Die Einhaltung von Schwermetallgrenzwerten, wie sie von der RAL für kohlensauren Kalk und der Klärschlammverordnung (AbfKlärV) empfohlen werden, erscheinen in Brennraumaschen aus reinem Waldholz mit Ausnahme von Kupfer (Grenzwert nach RAL:35 mg/kg, nach AbfKlärV: 60 mg/kg TS) und Cadmium (RAL: 2 mg/kg, nach AbfKlärV: 1,5 bzw. 1 mg/kg TS) realistisch. Es ist zu diskutieren, ob hier die Grenzwerte für Kupfer auf 100 mg/kg und für Cadmium auf 10 mg/kg angehoben werden können.

Die aus Mitteln des BML und durch das Land Baden-Württemberg geförderte Studie zur Wirkung der Holzascheausbringung auf Waldökosysteme konnte nur aufgrund der Synergieeffekte, die durch den direkten Bezug zum Conventwald-Projekt gegeben waren, in der vorliegenden Intensität bearbeitet werden. Die Übertragung der gewonnenen Prozesskenntnisse im Conventwald leistete dabei einen Schlüsselbeitrag zum Gelingen der Aschestudie.

Abb. 2: Entwicklung der Nitratkonzentration unter der Auflage unter Buche bei verschiedenen Dosierungen

Literatur

ENDBERICHT zum Forschungsvorhaben "Einsatz von Holzasche in Wäldern", Förderkennzeihen 94 NR 058-F, 253 S

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