Tracking global climate change in the Amazon

International Amazon expedition led by the University of Giessen – „Black Earth“ as a carbon store and forensic methods to combat illegal logging in focus

No 124 • 22 August 2023

Rainforest in the Amazon region. Photo: Christoph Müller
Rainforest in the Amazon region. Photo: Christoph Müller

Tropical forests are elementary for humankind. They play a decisive role in determining global climate and weather patterns and are crucial for biodiversity. This is particularly true for the Brazilian rainforest in the Amazon catchment area. In order to investigate important questions on global climate change, an international, interdisciplinary research team led by Prof. Dr. Christoph Müller, Institute of Plant Ecology at Justus Liebig University Giessen (JLU), will set off on a four-week expedition to the Brazilian rainforest on 26 August 2023.

From the city of Manaus in northwest Brazil, the eight-member research team will visit various study sites along the Amazon, covering a distance of over 700 kilometres on the Amazon. The research trip, which has been in preparation for years, has two goals: On the one hand, the so-called Terra preta soils will be explored, which have special carbon storage properties and are also very fertile. On the other hand, scientific forensic methods are to be developed to combat illegal logging – the latter at the request of the Brazilian government under President Lula, which wants to preserve the rainforest and protect it more strongly.

The research is being conducted in close cooperation with the Brazilian government and the EMBRAPA Agricultural Research Institute in Manaus, with which JLU has maintained close cooperation for many years. In addition, the International Atomic Energy Agency (IAEA) in Vienna is involved, which together with the Food and Agriculture Organisation (FAO) maintains a centre for issues of global food security and sustainable agriculture in Vienna.

Typical terra preta soil with pottery fragments. Photo: Christoph Müller
Typical terra preta soil with pottery fragments. Photo: Christoph Müller

Research focus Terra preta de Indio („Black Earth“)

The soil of the rainforest is generally poor and lacking in nutrients; unlike soils in temperate latitudes such as Central Europe, it does not have any humus formation worth mentioning. In some places, however, there are special soils in the Amazon rainforest called terra preta, „black earth“. These soils are fertile in the long term even without fertilisation and can store several times more carbon than the usual soil in the rainforest. Terra preta is therefore of global scientific interest in two aspects: as a carbon store against the backdrop of climate change and for the development of resource-saving and climate-sensitive farming methods. 
These are above all those forms of cultivation in which plants are used that can make best use of the soil’s nutrients and resist drought stress.

During the expedition, studies on greenhouse gas fluxes (carbon dioxide, methane and nitrous oxide) will be carried out and soil samples will be taken to analyse the soil structure as well as carbon storage and microbial activity. „Our previous studies on greenhouse gas emissions of the Brazilian terra preta soil show that investigations under laboratory conditions do not yield valid results,“ says expedition leader Prof. Dr. Christoph Müller. „Therefore, it is necessary to do these specific investigations in the field.

Wood core sample. Photo: Christoph Müller 
Wood core sample. Photo: Christoph Müller 

Terra preta soils are man-made. They were created by charcoal and food waste, manure and compost. People who lived in the Amazon several thousand years ago and cultivated fields there added these materials to the soil over a long period of time. Among other things, pottery fragments in the Terra preta bear witness to their quite large settlements.

Although Terra preta soil is unique, there are also millennia of experience with coal and charcoal in Europe that are significant for the assessment of current research. For example, charcoal kilns were operated more than 2000 years ago by the Celts who settled in Central Europe at that time. Particularly in the Siegerland region, such former kiln soils exist, which are roughly comparable to Terra preta soils, although these were not used for agriculture, unlike the areas in the Amazon.

At JLU, Prof. Müller’s team is trying to produce a kind of Terra preta. Since 2011, the scientists have been conducting a biochar experiment on an experimental plot at the Environmental Monitoring and Climate Impact Research Station in Linden-Leihgestern, in which plant charcoal made from Chinese reed was spread with pig manure. „Initial results show that the appropriately treated soil stores more carbon,“ says Prof. Müller. „Further research is needed to clarify questions of long-term storage capacity. Nevertheless, the so-called biochar application is currently the most effective method of removing carbon in the form of carbon dioxide from the atmosphere and storing it in a permanent form in the soil. This makes it an important piece of the mosaic in the fight against climate change.“

maps from amazonas-expedition
maps from amazonas-expedition (

Research focus illegal logging

The second research focus of the Amazon expedition deals with the question of how illegal logging can be combated more effectively with scientific support. Logging, which is often illegal and organised, is largely responsible for clearing large areas of rainforest. This increases the risk of reaching the tipping point in the loss of the Amazon rainforest – with fatal consequences for the global climate. So far, there is a particular lack of knowledge on how to identify illegal tropical timber, for example in timber warehouses in Germany. To do this, it is necessary to prove in a reliable and legally secure manner that this timber was illegally felled at a specific location.

Isotope analyses developed at JLU will be used to investigate whether the analytical methods that can be used for soils can also be transferred to trees (wood). During the expedition, samples of stem wood will be taken from the Terra preta sites visited and the wood cores will be documented. The long-term goal is to use the isotope analysis to create a tree cadastre that will enable the responsible international investigating authorities to allocate wood to be examined to the respective felling site. „It is a particular concern of ours that we bring together the scientific and forensic aspects for successfully combating illegal logging in a holistic approach and thus take it to a new level,“ Müller emphasises. At the wish of Brazil, follow-up research is to be carried out in Giessen, including by a Brazilian doctoral student from Manaus.

In addition to two scientists from the Institute of Plant Ecology and a JLU student, the eight-member Amazon expedition team includes two scientists from Brazil, a scientist from India and a charcoal maker and a criminalist from Germany.

Dem globalen Klimawandel am Amazonas auf der Spur

Internationale Amazonas-Expedition unter Leitung der Universität Gießen – „Schwarze Erde“ als Kohlenstoffspeicher und forensische Verfahren zur Bekämpfung des illegalen Holzeinschlags im Fokus

Nr. 124 • 22. August 2023 

Regenwald im Amazonasgebiet. Foto: Christoph Müller
Regenwald im Amazonasgebiet. Foto: Christoph Müller

Tropenwälder sind für die Menschheit elementar. Sie bestimmen das globale Klima- und Wettergeschehen entscheidend mit und sind maßgeblich für die Biodiversität. Dies gilt insbesondere für den brasilianischen Regenwald im Einzugsgebiet des Amazonas. Um wichtige Fragen zum globalen Klimawandel zu erforschen, bricht ein internationales, interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Müller, Institut für Pflanzenökologie der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU), am 26. August 2023 zu einer vierwöchigen Expedition in den brasilianischen Regenwald auf.

Von der im Nordwesten Brasiliens gelegenen Stadt Manaus aus wird das achtköpfige Forschungsteam verschiedene Untersuchungsflächen entlang des Amazonas aufsuchen und dabei eine Strecke von über 700 Kilometern auf dem Amazonas zurücklegen. Die seit Jahren vorbereitete Forschungsreise hat zwei Ziele: Zum einen wird der sogenannte Terra preta-Boden erforscht, der über besondere Eigenschaften der Kohlenstoffspeicherung verfügt und zudem sehr fruchtbar ist. Zum anderen sollen wissenschaftlich-forensische Verfahren zur Bekämpfung des illegalen Holzeinschlages entwickelt werden – Letzteres auf Wunsch der brasilianischen Regierung unter Präsident Lula, die den Regenwald erhalten und stärker schützen möchte. 

Die Forschungen werden in enger Kooperation mit der brasilianischen Regierung und dem EMBRAPA-Agrarforschungs-Institut in Manaus durchgeführt, mit dem die JLU seit vielen Jahren eine enge Kooperation pflegt. Zudem ist die Internationale Atomenergiebehörde (IAEO) in Wien beteiligt, die zusammen mit der Food and Agriculture Organisation (FAO) ein Zentrum für Fragen der globalen Ernährungssicherheit und der nachhaltigen Landwirtschaft in Wien unterhält.

Typischer Terra preta-Boden mit Tonscherben. Foto: Christoph Müller
Typischer Terra preta-Boden mit Tonscherben. Foto: Christoph Müller

Forschungsschwerpunkt Terra preta de Indio („Schwarze Erde“)

Der Boden des Regenwaldes ist im Allgemeinen karg und nährstoffarm; er weist – im Gegensatz zu Böden in gemäßigten Breiten wie Mitteleuropa – keine nennenswerte Humusbildung auf. An manchen Stellen befinden sich im Amazonas-Regenwald jedoch besondere Böden, die Terra preta genannt werden, „Schwarze Erde“. Diese Böden sind auch ohne Düngung langfristig fruchtbar und können im Vergleich zum üblichen Boden im Regenwald ein Mehrfaches an Kohlenstoff binden. Die Terra preta ist daher in zweifacher Hinsicht von globalem wissenschaftlichen Interesse: als Kohlenstoffspeicher vor dem Hintergrund des Klimawandels und zur Entwicklung von ressourcenschonenden und klimaresilienten Bewirtschaftungsmethoden. Das sind vor allem solche Anbauformen, bei denen Pflanzen genutzt werden, die sich primär der Nährstoffe des Bodens bedienen und dem Trockenstress widerstehen.

Während der Expedition sollen Untersuchungen zu den Treibhausgasflüssen (Kohlendioxid, Methan und Lachgas) durchgeführt und Bodenproben zur Analyse der Bodenstruktur sowie zur Kohlenstoffspeicherung und zur mikrobiellen Aktivität genommen werden. „Unsere bisherigen Studien zu Treibhausgasemissionen des brasilianischen Terra preta-Bodens zeigen, dass Untersuchungen unter Laborbedingungen keine validen Ergebnisse erbringen“, so Expeditionsleiter Prof. Dr. Christoph Müller. „Daher ist es notwendig, diese spezifischen Untersuchungen vor Ort zu machen.“ 

Karte der Amazonas-Expedition (die Terra preta-Vorkommen sind hellgrün dargestellt) nach Clement et al (2015) DOI: 10.1098/rspb.2015.0813
Karte der Amazonas-Expedition (die Terra preta-Vorkommen sind hellgrün dargestellt) nach Clement et al (2015) DOI: 10.1098/rspb.2015.0813

Die Terra preta-Böden sind menschengemacht. Sie entstanden durch Holzkohle und Nahrungsmittelabfälle, Dung und Kompost. Menschen, die vor mehreren Tausend Jahren am Amazonas lebten und dort Felder bewirtschafteten, haben diese Materialien über lange Zeit in den Boden eingebracht. Von ihren recht großen Siedlungen zeugen unter anderem Tonscherben in der Terra preta.

Obwohl der Terra preta-Boden einzigartig ist, gibt es auch in Europa Jahrtausende alte Erfahrungen mit Kohle und Holzkohle, die für die Beurteilung der aktuellen Forschung bedeutsam sind. So wurden bereits vor mehr als 2000 Jahren durch die damals in Mitteleuropa ansässigen Kelten Kohlenmeiler betrieben. Besonders im Siegerland existieren solche ehemaligen Meilerböden, die mit den Terra preta-Böden in etwa vergleichbar sind, obwohl diese im Gegensatz zu den Flächen am Amazonas nicht landwirtschaftlich genutzt wurden. 

An der JLU versucht das Team von Prof. Müller, eine Art Terra preta zu erzeugen. Seit 2011 führen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf einer Versuchsfläche der Umweltbeobachtungs- und Klimafolgenforschungsstation in Linden-Leihgestern ein Biokohle-Experiment durch, bei dem Pflanzenkohle aus Chinaschilf mit Schweinegülle ausgebracht wurde. „Erste Ergebnisse zeigen, dass der entsprechend behandelte Boden mehr Kohlenstoff speichert“, so Prof. Müller. „Weitere Forschung ist notwendig, um Fragen der langfristigen Speicherkapazität zu klären. Die sogenannte Biokohle-Applikation ist dennoch die derzeit effektivste Methode, um Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid der Atmosphäre zu entziehen und in einer dauerhaften Form im Boden zu speichern. Damit ist sie ein wichtiger Mosaikstein im Kampf gegen den Klimawandel.“

Forschungsschwerpunkt illegaler Holzeinschlag

Holzbohrkern. Foto: Christoph Müller
Holzbohrkern. Foto: Christoph Müller

Der zweite Forschungsschwerpunkt der Amazonas-Expedition befasst sich mit der Frage, wie der illegale Holzeinschlag mit wissenschaftlicher Unterstützung effektiver bekämpft werden kann. Der oftmals illegale und organisierte Holzeinschlag ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass große Flächen des Regenwaldes gerodet werden. Damit steigt das Risiko, den Kipppunkt beim Verlust des Amazonas-Regenwalds zu erreichen – mit fatalen Folgen für das globale Klima. Bislang fehlt es insbesondere an Erkenntnissen, wie illegales Tropenholz zum Beispiel in Holzlagern in Deutschland identifiziert werden kann. Dazu ist es erforderlich, belastbar und rechtssicher zu beweisen, dass dieses Holz an einem bestimmten Ort illegal geschlagen wurde.

Mit an der JLU entwickelten Isotopenanalysen soll erforscht werden, ob die für Böden nutzbaren Analyseverfahren auch auf Bäume (Holz) übertragen werden können. Im Rahmen der Expedition werden dazu an den aufgesuchten Terra preta-Standorten Stammholzproben genommen und der Holzbohrkern dokumentiert. Das langfristige Ziel ist es, mit Hilfe der Isotopenanalyse ein Baumkataster zu erstellen, das den zuständigen internationalen Ermittlungsbehörden eine Zuordnung von zu überprüfendem Holz zum jeweiligen Einschlagort ermöglicht. „Es ist uns ein besonderes Anliegen, dass wir die wissenschaftlichen und die forensischen Aspekte für eine erfolgreiche Bekämpfung des illegalen Holzeinschlages in einem ganzzeitlichen Ansatz zusammenführen und damit auf eine neue Ebene bringen“, betont Müller. Auf ausdrücklichen Wunsch Brasiliens sollen dazu im Nachgang Folgeforschungen in Gießen durchgeführt werden, unter anderem durch eine brasilianische Doktorandin aus Manaus.

Zum achtköpfigen Amazonas-Expeditionsteam gehören neben zwei Wissenschaftlern aus dem Institut für Pflanzenökologie und einem Studenten der JLU zwei Wissenschaftler aus Brasilien, ein Wissenschaftler aus Indien sowie ein Köhler und ein Kriminalist aus Deutschland. 

Skip to content