Der Begriff Humus beschreibt die gesamte unbelebte organische Bodensubstanz. Humus entsteht durch mikrobiellen Ab- und Umbau der Überreste von Pflanzen und anderer Lebewesen. Er lockert schwere Böden auf und festigt die Struktur leichter Böden. Gleichzeitig wirkt er der Bodenverdichtung entgegen Auf diese Weise verbessert er Durchwurzelbarkeit, Gasaustausch, Wasserinfiltrationsvermögen (Wasserverdaulichkeit) und die Wasserspeicherkapazität des Bodens. So kann bereits eine Erhöhung des Humusgehaltes um 0,2 Prozent die Infiltrationskapazität von Niederschlägen bis um das Zehnfache verbessern. Dadurch wird die Erosionsgefahr deutlich verringert und den Pflanzen steht mehr Wasser zur Verfügung, da es länger in der Landschaft gehalten wird. Darüber hinaus werden Nährstoffe in seiner Struktur und an seiner Oberfläche zurückgehalten und die Toxizität von Schwermetallen und anderen Schadstoffen verringert.

Aufgrund dieser pflanzenwachstumsfördernden Eigenschaften unterstützt Humus seit hunderten von Millionen Jahren die Besiedlung von Land durch Pflanzen. Humus ist dabei nicht einfach ein Abbauprodukt ohne weiteren Nutzen für Mikroorganismen, sonder auch sie profitieren von seinen bodenverbessernden Wirkungen. Zudem bietet er den Bodenorganismen Lebensraum und Nahrung zugleich. Der Humusbildung zugrundeliegenden wechselseitigen und förderlichen Beziehungen zwischen Pflanzen und Bodenorganismen können somit als Symbiose(n) betrachtet werden. Allerdings ist die Gesamtheit der Mechanismen hochkomplex und noch nicht gänzlich erforscht.

Da sich Humus im Boden anreichern kann und zu 58 Prozent aus Kohlenstoff besteht, ergibt sich durch Humusaufbau ein Potenzial atmosphärisches CO₂ im Boden zu binden. Gemäß der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft des Thünen-Institutes sind auf deutschen landwirtschaftlichen Flächen rund 2,5 Milliarden Tonnen Kohlenstoff im obersten Meter des Bodens gespeichert. Dies entspricht 48 Prozent aller Kohlenstoffvorräte in deutschen Ökosystemen. Zudem zeigen die Ergebnisse und Modellrechnungen der Bodenzustandserhebung einen Verlust an organischem Kohlenstoff von im Mittel 0,2 Tonnen pro Hektar und Jahr für Mineralböden unter Ackernutzung. Dies ist sowohl für das Klima als auch für die Bodenfruchtbarkeit von großer Bedeutung.

Um Humus im Boden zu stabilisieren braucht es Tonminerale, die man sich als kleine Plättchen vorstellen kann. Diese Tonminerale verbinden sich mit dem Humus und stabilisieren und schützen ihn so vor mikrobiellem Abbau. Obwohl tonarm, verfügen auch Sandböden über einen bestimmten Anteil Tonminerale. Dies ermöglicht Humusanreicherung auch in leichten Böden, wenn auch unter erschwerten Bedingungen. Als Faustregel gilt, dass in einem Sandboden 10 Prozent einer eingearbeiteten Biomasse nach einigen Jahren als Humus verbleiben. Zum Vergleich: In Tonböden sind es etwa 12 Prozent. Zudem fällt die Biomasseproduktion auf Sandböden geringer aus, was sich ebenfalls negativ auf die Humusentwicklung auswirkt.

Das Verbesserungspotential durch Humus auf Sandböden ist jedoch deutlich höher. Dies liegt daran, dass Humus als Wasserspeicher und Infiltrationshilfe die Wassernutzungseffizienz verbessert. Außerdem bietet Humus Schutz vor Erosion. Besonders wichtig ist Humusaufbau zudem auf stark tonigen Böden, da er deren Bodenstruktur verbessert.

Laut der diesjährigen nationalen Emissionsberichterstattung des Thünen-Instituts verlieren Deutschlands landwirtschaftliche Böden ohne Landnutzungsänderung Humus in Höhe von sieben Millionen Tonnen in CO₂-Äquivalienten. Dies ist sehr warscheinlich auf den Klimawandel zurückzuführen: Erhöhte Temperaturen fördern die mikrobielle Aktivität und führen so zu einer gesteigerten Mineralisierung von Humus. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Entwicklung nicht auf alle Böden zutrifft, da es sich um Mittelwerte handelt. Diese Erkenntnis unterstreicht die Bedeutung für Maßnahmen zum Humusaufbau: Denn, wenn schon aufgrund bestimmter Gegebenheiten kein Humusaufbau erreicht werden kann, gibt es zumindest die Möglichkeit, weitergehenden Verlusten vorzubeugen.

Bei der Bodenbearbeitung kommt es zu einer Vermischung des Bodens auf Bearbeitungstiefe. Durch die herkömmliche Bodenbearbeitung mit dem Pflug kommt es so zu einer Verlagerung von Humus in tiefere Bodenbereiche. Bei der reduzierten Bodenbearbetung hingegen ist die Bearbeitungstiefe und damit die Tiefe Humusverlagerung deutlich geringer. Somit kommt es hier im Wesentlichen zu einer Anreicherung von Humus in den oberen fünf Zentimetern des Bodens. Die Unterschiede in der Humusanreicherung zwischen den beiden Bearbeitungsintensitäten sind jedoch gering. 

Zudem besteht bei reduzierter Bodenbearbeitung die Gefahr erhöhter klimarelevanter Lachgasemissionen. Unter Berücksichtigung weiterer Faktoren ergibt sich jedoch aus einer systemischen Betrachtung keine zwangsläufige Erhöhung der Treibhausgasemissionen. So verringert die Direktsaat die Anzahl der Überfahrten und dadurch den Dieselverbrauch. Ferner wird die reduzierte Bodenbearbeitung häufig mit Zwischenfruchtanbau kombiniert, u.a. um Unkräuter zu unterdrücken. Neben einer erhöhten Humusbildung durch den Zwischenfruchtanbau, die zu einer CO₂-Bindung führt, kann bei erfolgreicher Umsetzung der Stickstoffdüngeaufwand reduziert werden. Dieser ist potenziell für zusätzliche Lachgasemissionen verantwortlich und kann folglich für mehr Lachgasemissionen sorgen.

Zu erwähnen ist auch, dass eine reduzierte Bodenbearbeitung nützliches Bodenleben wie Regenwürmer und Mykorrhizapilze fördert. Sie hat auch deutliche Vorteile auf erosionsgefährdeten Standorten und verbessert die Wasserversorgung der Pflanzen. All dies ermöglicht auch unter ungünstigeren Bedingungen eine höhere Biomasseproduktion, was sich wiederum positiv auf die Humusbildung auswirkt.

Zur Herstellung von Pflanzenkohle wird Biomasse bei sehr hohen Temperaturen unter Sauerstoffausschluss verkohlt. Dabei geht die Hälfte der Biomasse verloren. Auf den Acker ausgebracht, bleiben etwa 80 Prozent der Kohle über Hunderte von Jahren stabil im Boden und werden in ihn eingebaut. Die große Oberfläche bietet Lebensraum für Mikroorganismen und erlaubt das Anlagern und Speichern von Nährstoffen und Wasser. Herkömmliche Bodenanalysen unterscheiden Pflanzenkohle nicht von normalem Humus. 

Hinsichtlich ihrer biologischen Wirkung im Boden gibt es jedoch einen entscheidenden Unterschied. Im Gegensatz zu Pflanzenkohle dient Humus dem Bodenleben auch als Nahrung. Sein Auf- und Abbau ist somit ein wesentlicher Bestandteil eines gesunden Bodens. Mit dem richtigen Management lässt sich über Humus Kohlenstoff dauerhaft im Boden speichern, wobei sich ab einem bestimmten Punkt ein Gleichgewicht einstellt. Hier halten sich für die Bodenfruchtbarkeit notwendige humusaufbauende und –abbauende Prozesse die Waage. Die Lage dieses Gleichgewichtspunktes hängt unter anderem von den klimatischen Bedingungen und den Anbaumethoden ab. Pflanzenkohle hingegen kann aufgrund ihrer Stabilität nicht durch das Bodenleben verwertet werden und ermöglicht eine kontinuierliche Anreicherung von Kohlenstoff im Boden. Daher kann Pflanzenkohle Humus in all seinen Funktionen nicht ersetzen.

Obwohl Pflanzenkohle teuer ist, wird von einer Eigenproduktion abgeraten, da bei der Verkohlung organische Schadstoffe entstehen können. Beim Kauf sollte daher auf das europäische Biokohlezertifikat (EBC) geachtet werden.

Das Verbesserungspotenzial durch Pflanzenkohle ist auf deutschen Böden meist gering. Die hiesigen Böden weisen in der Regel bessere Eigenschaften auf als tropische Böden, von denen die Pflanzenkohlenutzung ausging. In Anbetracht der hohen Kosten ist ihr Einsatz höchstens auf zum Beispiel stark sandigen Böden als Bodenverbesserungsmaßnahme sinnvoll. Möglicherweise könnten aber kombinierte Nutzungen (z.B. Nutzung der Abwärme bei Verkohlung zum Heizen, Verwendung der Pflanzenkohle als Einstreu im Stall und als Futterzusatzstoff) den finanziellen Aufwand rechtfertigen und den Einsatz sinnvoll machen.

Es ist richtig, dass Humusaufbau Stickstoff benötigt. Für eine Tonne zusätzlichen Kohlenstoff in Humusform sind etwa 100 Kilogramm Stickstoff erforderlich. Das Verhältnis ist also ungefähr 1 zu 10. Allerdings gibt es in Deutschland im Schnitt 70 Kilogramm Stickstoffüberschuss pro Hektar. Dieser wird nicht von der Pflanze aufgenommen und belastet in verschiedenen Formen Gewässer und Atmosphäre. Es steht also Stickstoff zum Humusaufbau zur Verfügung. Doch die Situation änder sich je nach Bodenart und Wirtschaftsweise. Negative Auswirkungen können vor allem dort auftreten, wo bereits sehr effizient mit Stickstoff umgegangen wird. Auch in roten Gebieten und im ökologischen Landbau kann es zu Stickstoffmangel kommen, der den Humusaufbau einschränkt. 

Besonders die Wurzelmasse ist für den Humusaufbau sehr wichtig. Untersuchungen haben ergeben, dass eine reduzierte Stickstoffdüngung die Wurzelmasse um bis zu 9 Prozent verringern kann. Um Stickstoff möglichst emissionsarm ins System zu bringen, empfiehlt sich die Integration von Leguminosen in die Fruchtfolge oder als Zwischenfrucht.

Humusaufbau nimmt längere Zeiträume in Anspruch. Längerfristiges Handeln ist dabei notwendig und wird über die Zeit durch eine verbesserte Bodenfruchtbarkeit durch Humus belohnt. Probleme beim Humusaufbau ergeben sich daher insbesondere auf Pachtflächen: Hier muss von Pachtenden für den Humusaufbau Geld investiert werden, ohne die Gewissheit darüber zu haben, ob sie selber davon in Zukunft profitieren werden. Dies gilt insbesondere bei kurzer Pachtdauer oder Unsicherheiten über die Zeitspanne der Pacht. Um dem entgegenzuwirken, könnte der Humusaufbau im Pachtvertrag durch reduzierte Pachtzinsen berücksichtigt werden. Auch das gesellschaftliche Bewusstsein für die herausragende Rolle von Humus für die Bodenfruchtbarkeit und das Klima sollte gestärkt werden, um hier Veränderungen herbeizuführen.