Agrarholzproduktion und Agroforstsysteme Chancen und Risiken für den Gewässerschutz

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1 Wirkung und Folgen der Nutzung von Biomasse zur Biogasgewinnung auf Böden und Gewässer Oktober 2011, Suderburg Agrarholzproduktion und Agroforstsysteme Chancen und Risiken für den Gewässerschutz Dr. Christian Böhm, Ansgar Quinkenstein, Prof. Dirk Freese Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung

2 Inhalt Agrarholzanbau allgemein Agrarholzanbau und Bodenwasserhaushalt Agrarholzanbau und Grundwasserneubildung Agrarholzanbau und Sickerwasserqualität Agrarholzanbau und Qualität von Oberflächengewässern Zusammenfassung und Schlußfolgerungen Literatur

3 Energiepflanzenanbau in Deutschland Flächenanteil an Energiepflanzenanbau (%) Quelle: FNR, 2011 Pflanzen für Biogas 35,4 40,7 Pflanzen für Festbrennstoffe (u.a. Agrarholz) 0,2 0,3

4 Agrarholzanbau schnellwachsende Baumarten (Pappel, Weide, Robinie, Erle, Esche, ) Anlage i. d. R. im zeitigen Frühjahr (Steckhölzer/Steckruten bei Pappel, Weide, bewurzelte Pflanzen bei Robinie, Erle ) hohe Pflanzendichte (8.000 bis Bäume/ha) Pflanzverband variabel (einreihig, doppelreihig) kurze Umtriebszeiten (3 bis 6 Jahre); Ernte im Winter; 6-12 (20) t atro ha -1 a -1 ; Bäume treiben nach Ernte wieder aus Gesamtnutzungszeit der Bäume 20 bis 30 Jahre

5 Agrarholzanbau Quelle:

6 Agrarholzanbau

7 Agrarholzanbau Stockrodung (Bodenfräse) zur Rückführung einer Agrarholzfläche in konventionelles Ackerland

8 Anbauformen von Agrarholz Kurzumtriebsplantage (flächige Anlage) Agroforst (z.b. streifenförmige Anlage Alley Cropping )

9 Alley-Cropping-Systeme (ACS) Jänschwalde, Brandenburg Scheyern, Bayern Welzow, Brandenburg Dornburg, Thüringen

10 Agrarholzforschung BTU Cottbus Berlin Cottbus Cottbus Deutschland Niederlausitz

11 Niederlausitzer Bergbauflgelandschaft Jahresniederschlagssumme: 560 mm; Jahresdurchschnittstemperatur: 9,3 C strukturarme, weitflächige Landschaft; ausgeprägte Trockenperioden, hohe Evapotranspirationsraten kein Grundwassereinfluß Bodenentwicklung im Initialstadium; geringe Gefügestabilität; hoher Anteil von (schwach lehmigen) Sanden (geringe Wasserhaltekapazität), allg. geringer Humus- und Nährstoffgehalt

12 Agrarholzanbau und Bodenwasserhaushalt konv. Ackerfläche Kurzumtriebsplantage Interzeption Transpiration perm. Bewuchs, höherer Blattflächenindex längere Vegetationszeit, allg. niedrigere Wassernutzungseffizienz geringere Windgeschwindigkeit, höhere Luftfeuchte, geringere Temperaturmaxima Evaporation Oberbodenfeuchte! Merkmale Kurzumtriebsplantage Streuauflage, höherer Bodenbedeckungsgrad Der Einfluß des Agrarholzanbaus auf den Wassergehalt des Bodens ist im Kontext der Relation zwischen Interzeption, Transpiration, Evaporation (und Tiefensickerung) zu beurteilen, die wiederum stark von den standörtlichen Gegebenheiten abhängen

13 Agrarholzanbau und Bodenwasserhaushalt Gehölzstreifen konv. Ackerfläche Gehölzstreifen Quelle: Freese et al., 2010

14 Agrarholzanbau und Bodenwasserhaushalt Reduzierung der Windgeschwindigkeit in einem Alley-Cropping-System 11 m -1 Windgeschwindigkeit [m s ] 4,50 3m Meßhöhe Ackermitte (12 m) Ackerrand (3 m) Agrarholz Freif läche 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0, m ,00 Standort: Rekultivierungsbereich Tagebau Welzow-Süd Baumart: Robinie; Ackerstreifenbreite: 24 m Freifläche: 100 %, Ackermitte: 62 %, Ackerrand: 54 %, Agrarholzbest.: 11 %

15 Agrarholzanbau und Bodenwasserhaushalt Wassergehalt des Bodens 25 5 cm Standort: Ackerstreifen Alley Ackerrand (3m) Ackermitte (12 m) Agrarholz cm Ø: Ackermitte: 100 %, Agrarholz: 159 % cm Ø: Ackermitte: 100 %, Agrarholz: 119 % 0 Baumart: Robinie (4-jährig) Ackerfrucht: Luzerne Ackerstreifenbreite: 24 m Messung mittels TDR Sonden in 5 cm, 20 cm und 50 cm Bodentiefe Ø: Ackermitte: 100 %, Agrarholz: 124 % Wassergehalt des Bodens [vol%] 5 Cropping und Kurzumtriebsplantage im Rekultivierungsbereich Tagebau Welzow-Süd

16 Ackerrand (3m) Ackermitte (12 m) Agrarholz cm Ertrag Luzerne Wassergehalt des Bodens Änderung des Wassergehaltes 5 6,0 cm 5 cm 200 Juni 2009 Mai ,0 1,0 Mitte (12 m) Änderung des Wassergehaltes in Bezug zum Anfangswert [%] Position in Ackerstreifen (Entfernung zum Gehölzstreifen) 20 cm Rand (3 m) Ackerrand (3m) Ackermitte (12 m) Agrarholz , , , ,5 50 cm 2, , ,5 20 cm 25 4, [tatro ha ] Wassergehalt des Bodens-1 [vol%] Agrarholzanbau und Bodenwasserhaushalt

17 Agrarholzanbau und Grundwasserneubildung Agrarholzbestände: höhere Interzeption, höhere Transpiration geringere Tiefensickerung Ø Gesamtsickerwasserrate auf 4 sächsischen Modellstandorten unter Winterweizen und Pappel-Kurzumtriebsplantagen (KUP) Rückgang der rel. Sickerrate nach Nutzungswechsel von Weizen zu KUP: Tharandt (Staubereich des Erzgebirges): 150 mm a-1 (40 %) Methau und Pommritz (Sächsisches Hügelland): 110 mm a-1 (65 %) Köllitsch (Nordsächsisches Tiefland): 40 mm a-1 (84 %) Quelle: Lamersdorf et al., 2010

18 Agrarholzanbau und Grundwasserneubildung Fallbeispiel Region Suderburg (Quelle: Busch, 2009) Untersuchungsregion: Samtgemeinde Suderburg Fläche ~ 250 km²; Ø Jahresniederschlag: 708 mm; Anteil Ackerland: 28 % (vorw. Gerste, Weizen, Zuckerrübe, Kartoffel) Festlegung eines unteren (Min) und oberen (Max) Grenzbereiches des jährlichen Wasserverbrauchs von KUP auf der Grundlage der Beziehung zwischen Jahresniederschlag und aktueller Evapotranspiration (Datenbasis: Literaturrecherche = zahlreiche Messungen aus verschiedenen Regionen) Übertragung auf Ackerflächen der Region Suderburg unter Quelle: Busch, 2009 Berücksichtigung der Varianten Min und Max

19 Agrarholzanbau und Grundwasserneubildung Niedriger Wasserverbrauch (Min) Hoher Wasserverbrauch (Max) [vorw. kurze Umtriebszeiten, Wurzelsystem nicht vollständig ausgeprägt] [vorw. lange Umtriebszeiten, tief reichendes Wurzelsystem] Rückgang der Grundwasserneubildung [ %] Sickerrate bei konventioneller Landwirtschaft : 35 % von Jahresniederschlag Sickerrate bei KUP: % Sickerrate bei KUP: 7,5-13 % Ø Rückgang der GWN um 30 % Ø Rückgang der GWN um 74 % [5-10 % bei Berücksichtigung der aktuell stattfindenden Bewässerung von Ackerflächen] [70 % bei Berücksichtigung der aktuell stattfindenden Bewässerung von Ackerflächen] Quelle: Busch, 2009

20 Agrarholzanbau und Grundwasserneubildung Bewertung der Einflußnahme des Agrarholzanbaus auf die Grundwasserneu- bildung sollte auf Landschaftsebene und nicht auf Standortsebene erfolgen Untersuchungen bei Aufforstungen zeigen, daß Neuwaldfläche % des Einzugsgebietes betragen muß, um den Rückgang des Gebietsabflusses mittels Pegelmessungen oder in Modellstudien sicher nachweisen zu können (Quellen in Lamersdorf et al., 2009)! Mögliche Maßnahmen zur Minderung des Grundwasser senkenden Effektes: + Vermeidung großflächiger, zusammenhängender KUP-Flächen, + kurze Umtriebszeiten (2-4 Jahre)

21 Agrarholzanbau und Sickerwasserqualität Agrarholzbestände: + im Allgemeinen keine oder nur sehr geringe Düngergaben notwendig (bei Weide z.t. N-Düngung) + Zunahme des Humusgehaltes Erhöhung der Kationenaustauschkapazität + tiefer reichendes Wurzelsystem unter KUP sehr geringe Nährstoffverlagerung und N-Auswaschungsraten (zahlreiche Studien) Nitratstickstoff-Konzentration im Sickerwasser unter KUP aus Pappeln und Weiden (England; Beprobungstiefe = 65 cm unter GOF) KUP-Etablierungsphase Niederschlag [mm] Nachpflanzung 40 kg N ha-1 09/04/01 09/05/01 Niederschlag Nitratstickstoff -1 Nitratstickstoff [mg l ] Herbizid Pflügen Pflanzung 22/03/00 30/05/00 09/06/00 21/09/99 21/01/00 21/05/00 21/09/00 21/01/01 21/05/01 21/09/01 21/01/02 Quelle: Goodlass et al. (2007)

22 Agrarholzanbau und Sickerwasserqualität Erntephase (20-30 Jahre) Niederschlag [mm] 60 kg N ha-1 09/05/01 Niederschlag 100 kg N ha-1 15/04/02 Nitratstickstoff [mg l ] Rückschnitt 40 kg N ha-1 07/02/00 30/05/00 Nitratstickstoff -1 21/09/99 08/04/00 25/10/00 13/05/01 29/11/01 17/06/02 03/01/03 Rodungsphase Niederschlag [mm] -1 Nitratstickstoff [mg l ] Nachpflanzen 40 kg N ha-1 09/04/01 09/05/01 Rodung Pflanzung Pappel Weide 06/03/00 09/06/00 21/09/99 21/01/00 21/05/00 21/09/00 21/01/01 21/05/01 21/09/01 21/01/02 Quelle: Goodlass et al. (2007)

23 Agrarholzanbau und Sickerwasserqualität Konventionell bewirtschaftete Ackerfläche Weizen Gerste WOSR drillen 40 kg N ha kg N ha-1 drillen 40 kg N ha-1 90 kg N ha-1 drillen 13/10/01 14/03/01 04/05/01 11/09/01 13/03/02 04/05/02 19/08/02 Niederschlag Niederschlag Nitratstickstoff Nitratstickstoff -1 Nitratstickstoff [mg l ] Niederschlag [mm] Weizen drillen 40 kg N ha kg N ha-1 24/10/99 09/03/00 04/04/00 21/09/99 21/01/00 21/05/00 21/09/00 21/01/01 21/05/01 21/09/01 21/01/02 21/05/02 21/09/02 21/01/03 Quelle: Goodlass et al. (2007) Während Etablierungsphase von KUP höhere N-Konzentrationen im Sickerwasser und folglich höhere N-Auswaschungsraten möglich jedoch nur 1 Mal in Jahren Regelmäßige Anordnung kleinerer Agrarholzflächen (z.b. ACS) könnte sich großflächig auch positiv auf die Grundwasserqualität der angrenzenden Ackerflächen auswirken (Ryszkowski und Kędziora, 2007)

24 Agrarholzanbau und Qualität von Oberflächengewässern Bodenerosion Austrag von Nährstoffen (P!) und Pflanzenschutzmitteln Agrarholzbestände bilden effektiven Schutz gegen Wind- und Wassererosion, fördern Infiltration des Niederschlagwassers, tragen zur Stabilisierung des Oberbodens bei (intensives, permanentes Wurzelsystem, Streuauflage) 5-15 m Sträucher, Bäume 7 m Rutenhirse, 9 m Bäume Sediment 3% % % Quelle: Vought et al. (1995) [Schweden, Deutschland] Nitrat-N Orthophosphat 15 % 9% Nitrat-N Phosphor Quelle: Lee et al. (2003) [Nordamerika]

25 Agrarholzanbau und Qualität von Oberflächengewässern Agrarholzbestände an Gewässerrändern besitzen großes Erosionsvermeidungspotential Agrarholzanbau könnte wesentlichen Beitrag zum Schutz von Oberflächengewässern hinsichtlich des Stoffeintrages aus landwitschaftlich genutzten Flächen leisten Kurzumtrieb würde zudem direkten ökonomischen Nutzen gestatten Jedoch: in Deutschland existiert keine zufriedenstellende Datengrundlage Kurzumtriebswirtschaft an Gewässerrändern nicht gesetzeskonform (Wasserrahmenrichtlinie)

26 Zusammenfassung Der Agrarholzanbau +/o führt zu einem konstanteren Feuchteregime des Oberbodens und kann im Randbereich angrenzender Ackerflächen zu einer höheren Wasserverfügbarkeit beitragen, /o kann zu einer Reduzierung der Grundwasserneubildung führen (insb. bei großen zusammenhängenden Flächen und langen Umtriebszeiten), + trägt im Vergleich zu anderen Energiepflanzen (konv. Ackerbau) zu einer Verbesserung der Sicker- bzw. Grundwasserqualität bei, + birgt ein großes Erosionsvermeidungspotential und trägt somit zu einer Reduzierung des Stoffaustrages in Oberflächengewässer bei.

27 Schlußfolgerungen und Ausblick Der Agrarholzanbau ist zwar hinsichtlich des Gewässerschutzes differenziert zu betrachten; die Vorteile überwiegen jedoch. Aufgrund der extensiven Bewirtschaftungsform und der u.a. damit verbundenen positiven Auswirkungen auf den Gewässerschutz, sollte der Agrarholzanbau im Rahmen der Energiepflanzenproduktion erheblich stärker berücksichtigt werden. Kleinflächige Anbaustrukturen (z.b. Alley-Cropping-Systeme) sollten aus Sicht des Gewässerschutzes prinzipiell bevorzugt werden. Datenbestand in Deutschland immer noch mangelhaft ( )²

28 Literatur Busch, G. (2009): The impact of short rotation coppice cultivation on groundwater recharge a spatial (planning) perspective. Landbauforschung vti Agriculture and Forestry Research 59, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (2011): Anbau nachwachsender Rohstoffe in Deutschland. abgerufen am Freese, D., Böhm, C., Quinkenstein, A., Schneider, B. U., Hüttl, R. F. (2010): Agroforst flächenschonende Alternative für die Energieholzproduktion (Feld und Wald auf einem Schlag). Neue Landwirtschaft 9/2010, Goodlass, G., Green, M., Hilton, B., McDonough, S. (2007): Nitrate leaching from short-rotation coppice. Soil Use and Management 23, Lamersdorf, L., Petzold, R., Schwärzel, K., Feger, K.-H., Köstner, B., Moderow, U., Bernhofer, C., Knust, C. (2010): Bodenökologische Aspekte von Kurzumtriebsplantagen. In: Bemmann, A., Knust, C. (Hrsg.): Kurzumtriebsplantagen in Deutschland und europäische Perspektiven. Weißensee Verlag, Berlin, Lee, K. H., Isenhart, T. M., Schultz, R. C. (2003): Sediment and nutrient removal in an established multi-species riparian buffer. Journal of Soil and Water Conservation 58, 1 8. Ryszkowski, L., Kędziora, A. (2007): Modification of water flows and nitrogen fluxes by shelterbelts. Ecological Engineering 29, Vought, L. B.-M., Pinay, G., Fuglsang, A., Ruffinoni, C. (1995): Structure and function of buffer strips from a water quality perspective in agricultural landscapes. Landscape and Urban Planning 31,

29 Agrarholzanbau und Gewässerschutz Vielen Dank