Wuchsleistung und Bodenentwicklung von Pappel- und Robinienplantagen

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1 Ökologie / Naturschutz Produktion Forstwirtschaft Agro- Forstwirtschaft Energiowald Lagerung/ Aufbereitung Wandlung Wuchsleistung und Bodenentwicklung von Pappel- und Robinienplantagen Eberswalde, 27. November 2005 Tagung Holz - die kosteneffiziente Energie der Zukunft Uwe Schneider, Holger Grünewald & Reinhard F. Hüttl, LS Bodenschutz und Rekultivierung

2 Ausgangslage 1. Als zentrale Ursache des globalen Klimawandels wird die Verbrennung fossiler Brenn- und Kraftstoffe diskutiert 2. Fossile und nukleare Ressourcen gelten als endlich und mit Risiken behaftet 3. Langfristig stellt sich weltweit die Frage nach der Sicherstellung einer nachhaltigen Energieversorgung

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5 Vorzüge der Biomassenutzung Größtes noch unerschlossenes Potenzial Vielseitige und kontinuierliche Energiequelle: Wandlung zu Strom/Wärme/Treibstoff, speicherbar, grundlastfähig Impulse für den ländlichen Raum: Wertschöpfung, Arbeitsplätze, Investitionen Schonung fossiler Energiereserven, Diversifizierung der Energieversorgung und Erhöhung der Versorgungssicherheit Beitrag zum Klima- und Umweltschutz: CO 2 -Einsparung, Schließen von Nährstoffkreisläufen, reduzierte CH 4 -Emissionen

6 Ethanol aus Weizen Ethanol aus Zuckerrüben Rapsöl Rapsölmethylester 1 : 2,7 1 : 1,16 1 : 1,34 1 : 1,31 Energie Output-Input- Verhältnis Ganzpflanzengetreide 1 : 13 Energiewald 1 : 21 Energiebilanzen

7 Analyse der Energieholzpotenziale in Brandenburg Forstwirtschaft Hoher Anteil Privatwald Mobilisierungsprobleme Nutzungskonkurrenz Landwirtschaft Problem: Niedriges Ertragspotential pro Hektar (max. 3 t ha -1 a -1 ) Hoher Anteil marginaler Standorte (landwirtschaftl Brachen u.a. Neulandstandorten d. Braunkohlebergbaus) Vorteil: Hohes und entwicklungsfähiges Ertrgaspotential Welchen Beitrag können marginale Standorte zur Bereitstellung von Energieholz erbringen?

8 Sorte/Klon Umtrieb a Dichte Pflanzen/ha Ertrag t TS/ha*a Niederschlag mm Bodenart Quelle Pappeln Max ,0 650 ls Friedrich (1999) Max ,2 589 sl Raschka (1997) Muhle Larsen ,2 650 ls Friedrich (1999) Beaupré ,1 500 St3 Bungart (2003)* Aspe ,3 500 St3 Bungart (2003)* Hybride ,0 569 Su2 Grünewald (2005)* Weiden Tora ,2 660 sl Seedler (2000) Ulv ,1 660 sl Seedler (2000) 4/68T ,5 589 sl Raschka (1997) Jorr 3 8,1...8,4 690 Wolf (2002) Carmen ,1 500 St3 Bungart (2003)* Carmen ,0 569 Su2 Grünewald (2005)* Robinie ,5 569 Su2 Grünewald (2005)* *Kippenstandorte des Lausitzer Braunkohlereviers

9 Alternative Landnutzungssysteme Agroforst-Systeme: z. B. Alley-Cropping Energiewald

10 Kurzumtriebsplantage Welzow-Süd Lage: Tagebau Welzow-Süd Pflanzung: April 1995 Kulturpflege und Düngung Motormanuelles Zurückschneiden des Begleitwuchses (Luzerne) 1996, 1997, 1998 Düngung NPK in kg ha : 170/0/ : 100/100/ : 118/48/ : 100/120/ : 100/120/80 (nach Zuwachsabnahme 2002) Gesamtapplikation N/P/K (kg ha -1 ): 418/288/333 Umtriebszeit: 10 Jahre

11 Pflanzmaterial Versuchsfeld 1, Pflanzverband: 2 x 0,6 m, Bäume je ha, 3 Wdh. a 250 Bäume Klon Muhle Larsen Max 1 Max 3 Max 4 Androscoggin Hybride 275 Carmen Zieverich Botanischer Name Populus trichocarpa Torr. et Gray P. nigra L. x P. maximowiczii Henry P. nigra L. x P. maximowiczii Henry P. nigra L. x P. maximowiczii Henry P. maximowiczii Henry x P. trichocarpa Torr. et Gray P. maximowiczii Henry x P. trichocarpa Torr. et Gray Salix viminalis L. Salix viminalis L.

12 Standortscharakterisierung Sand / Schluff / Ton (%) Lagerungsdichte (g cm -3 ) Nutzbare Feldkapazität (mm) N t (mg g -1 ) 75.1 / 4.8 / Mitteltoniger Sand mittlere Lagerungsdichte Mittlere bis hohe Wasserkapazität Extrem geringe N-Verfügbarkeit P t (mg g -1 ) K t (mg g -1 ) Durchschnittliche Temperatur ( C) Durchschnittlicher Jahresniederschlag (mm) Geringe P-Verfügbarkeit Ausreichende K-Verfügbarkeit Temperaturextreme im Sommer Lang anhaltende Trockenperioden im Sommer

13 Biomasseakkumulation nach 10-Jähriger Versuchsdauer Muhle Larsen Max 1 Max 3 Max 4 Androscoggin Kurzumtriebsplantage Welzow- Süd Hybride 275 Zieverich Carmen t TM ha -1

14 Entwicklung der jährlichen Produktivität (t ha -1 und a -1 ) Klon 4. Jahr 5. Jahr 6. Jahr 7. Jahr 8. Jahr 10. Jahr Muhle Larsen 2,1 3,1 3,6 3,9 3,7 2,9 Max 1 2,1 2,9 3,3 3,5 3,3 2,9 Max 3 2,2 3,2 3,6 3,8 3,6 4,1 Max 4 1,7 2,6 3,0 3,1 3,0 2,6 Androscoggin 1,7 2,8 3,2 3,5 3,3 3,1 Hybride 275 2,3 3,7 4,2 4,5 4,2 3,6 Zieverich 1,9 2,2 2,2 2,1 1,9 1,2 Carmen 1,9 2,1 2,3 2,3 2,1 0,9 2001

15 Überlebensraten Klon Muhle Larsen Max 1 Max 3 Max 4 Androscoggin Hybride 275 Zieverich Carmen Überlebensrate (%)

16 N-Blattgehalte mg g -1 TS Muhle Larsen 19,5 a 14,2 a 20,7 c 23,8 a 20,5 a 18,6 a 20,5 a 15,3 a Max 1 19,5 a 14,4 a 17,2 ab 26,4 a 20,3 a 18,6 a 20,3 a 15,0 a Androscoggin 23,2 a 12,1 a 15,4 a 23,0 a 20,5 a 18,8 a 20,5 a 13,9 a Hybride ,8 a 11,1 a 15,0 a 21,8 a 20,9 a 15,9 a 20,9 a 13,1 a Zieverich 27,4 a 20,0 a 22,7 a 31,6 a 22,6 a 22,1 a 22,6 a 17,5 a Carmen 27,7 a 20,4 a 23,0 a 31,4 a 22,2 a 23,9 a 22,2 a 18,0 a

17 P-Blattgehalte Low P availability when nitrogen is appliedfoliar contents mg g -1 TS Muhle Larsen 0,95 a 1,52 a 2,42 ab 1,79 a 1,75 a 1,68 a 1,30 a 1,70 a Max 1 0,92 a 1,49 a 3,12 b 2,05 a 2,75 a 2,05 a 1,53 a 1,91 a Androscoggin 0,96 a 1,50 a 1,77 a 1,85 a 2,13 a 1,83 a 1,54 a 1,48 a Hybride 275 0,98 a 1,56 a 1,66 a 2,11 a 1,87 a 1,82 a 1,34 a 1,28 a Zieverich 0,63 a 2,18 a 2,17 a 2,61 a 2,45 a 2,18 a 2,15 a 1,84 a Carmen 0,66 a 2,20 a 2,19 a 2,52 a 2,41 a 2,15 a 2,16 a 1,95 a

18 K-Blattgehalte mg g -1 TS Muhle Larsen 11,5 a 14,6 b 17,7 abc 12,1 a 14,4 a 13,3 b 13,3 b 12,3 b Max 1 12,5 a 14,4 b 16,4 ab 14,2 a 16,6 b 16,3 a 16,3 a 14,8 a Androscoggin 12,2 a 14,5 b 19,1 bc 14,1 a 14,6 ab 14,8 a 14,8 a 14,4 a Hybride ,1 a 10,7 a 15,7 a 14,6 a 13,1 c 13,2 b 13,2 b 9,7 b Zieverich 12,4 a 14,0 a 17,4 a 15,4 a 16,3 a 14,3 a 14,3 a 14,0 a Carmen 12,9 a 14,1 a 17,6 a 15,2 a 16,0 a 13,9 a 13,9 a 13,7 a

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20 Akkumulierte Elementgehalte in der Asche nach 3 Jahren und Nährstoffbilanz aus Rückführung der Asche (I) und Nährstoffentzug durch Holzernte (E) N (kg ha -1 ) S (kg ha -1 ) P (kg ha -1 ) K (kg ha -1 ) Mg (kg ha -1 ) Ca (kg ha -1 ) Cd (g ha -1 ) Pb (g ha -1 ) Mean 0,02 0,5 4,1 12,0 2,7 25,9 0,84 2,2 Min-max 0,01-0,07 0,05-0,12 2,9-13,3 6, ,7-6,7 24,8-62,8 0,1-2,4 1,8-8,5 Balance I-E -27,6-1,1-0,1-7,0-0,4-0,1-2,6-0,1 (Bungart et al. 2000)

21 Energetische Eigenschaften von Pappeln, Weide und Robinie Heizwert [MJ Srm -1 ] Heizwert [MJ ha -1 a -1 ] Aschegehalt [Masse-%] Sintertemperatur [ C] Androscoggin , Hybride , Robinie , Weide ,

22 Zusammenfassung Kurzumtriebsplantage Welzow-Süd Pappeln: Klonale Differenzierung bei Überlebensrate (78 % Muhle Larsen, 96 % Max 1) und Produktivität (26 t/ha Max 4, 41 t/ha Max 3) Zu erwartender Ertrag nach 10 Jahren (Ausfälle berücksichtigt): t/ha Höchste Produktivität nach 7 Jahren Produktivität auf sehr niedrigem aber stabilem Niveau, bei besseren Standortverhältnissen steigende Erträge, Max-Klone und MxT-Gruppe empfohlen Weiden: Hohe Ertragsunsicherheit, geringe Erträge Nicht geeignet für marginale Standorte

23 Versuchsstandort Alley-Cropping Lage: Tagebau Jänschwalde (nahe Briesnig) Flächenvorbereitung: 1995 Planierung und Melioration mit NPK und Rüdersdorfer Kalkmergel April 1996 Anlage der Versuchsfläche inkl. Zäunung Baumstreifen: 6 m breit, Feldstreifen (Roggen, Lupine, Hanf, Luzerne): 18 m breit Düngung der Baumstreifen Ergänzend zum Eintrag aus der Düngung der Feldstreifen 1998, 1999, 2000, 2001, 2002 Gesamtapplikation N/P/K in kg ha -1 : 200/410/280

24 Interaktionen in Agroforstsystemen Windschutz Verbessertes Mikroklima zwischen Baumreihen Beschattung Nährstoffe Org. Material Feuchtigkeit N-Fixierung Wasser Nährstoffe Wurzelsystem als Basenpumpe (cf. Young 1998; modified)

25 Pflanzmaterial Alley-Cropping Art/Klon Androscoggin Hybride 275 Botanischer Name Populus maximowiczii Henry x P. trichocarpa Torr. et Gray Populus maximowiczii Henry x P. trichocarpa Torr. et Gray Umtriebszeit [a] 3 / 6+3 / 9 3 / 6+3 / 9 Carmen Salix viminalis L. 3 / 6+3 / 9 Robinie (Herkunft: Brandenburg) Robinia pseudoacacia L. 3 / 6+3 / 9 u.a. Luzerne Medicago sativa L. -

26 Standortscharakterisierung Versuchsstandort Alley-Cropping Schwach lehmiger Sand Erhöhte Lagerungsdichte Sehr geringe Wasserkapazität Extrem geringe Stickstoffverfügbarkeit Extrem geringe Phosphorverfügbarkeit Geringe Kalium-verfügbarkeit Temperaturextreme und im Sommer anhaltende Trockenperioden im Sommer Sand / Schluff / Ton (%) Lagerungsdichte (g cm -3 ) Nutzbare Feldkapazität (mm) N t (mg g -1 ) P t (mg g -1 ) K t (mg g -1 ) Durschnittstemperatur ( C) Durchschnittlicher Jahresniederschlag (mm) 82.4 / 13.5 / <

27 Biomasseakkumulation nach 9-Jähriger Versuchsdauer Androscoggin (3; 6; 9) Androscoggin (6; 9) Androscoggin (9) Hybride 275 (3; 6; 9) Hybride 275 (6; 9) Hybride 275 (9) Robinie (3; 6; 9) Versuchsfläche Alley-Cropping 12, 3 t ha-1 a-1 Robinie (6; 9) Robinie (9) Weide (3; 6; 9) Weide (6; 9) Weide (9) t TM ha

28 Jährliche Produktivität (t/ha a) für verschieden Umtriebszeiten Klon/Umtriebszeit Androscoggin/3 2,6 6,2 Androscoggin/6 1,5 4,6 Androscoggin/9 6,1 Hybride 275/3 0,3 2,1 5,4 Hybride 275/6 2,0 7,3 Hybride 275/9 4,1 Robinie/3 5,4 7,5 12,3 Robinie/6 6,0 11,8 Robinie/9 11,6 Weide/3 0,8 0,9 1,9 Weide/6 1,0 5,8 Weide/9 1,5

29 Überlebensrate Klon/Umtriebszeit Androscoggin/3 Androscoggin/6+3 Androscoggin/9 Hybride 275/3 Hybride 275/6+3 Hybride 275/9 Robinie/3 Robinie/6+3 Robinie/9 Weide/3 Weide/6+3 Weide/9 Überlebensrate (%)

30 Interaktionen zwischen Robinie und Luzerne in einem Alley-Cropping-System Kumulierter Luzerneertrag [t TM ha -1 ] 2,5 m 9 m ohne Randeffekte: 27,4 unter Einbeziehung der Randeffekte: 26,7 t TM ha Jul 99 Mai 00 Aug 00 Okt 00 Mai 01 Aug 01 Okt 01 Mai 02 Jul 02 Sep 02

31 N-Ernährungszustand mg g -1 kg ha -1 31,1 30,2 28,0 21,5 31,5 18,7 17,9 Weide 41,8 36,1 38,6 37,4 40,5 41,6 38,7 Robinie 24,7 23,3 23,6 18,0 25,3 13,0 14,8 Hybride ,1 21,7 21,9 17,3 24,8 13,6 14,7 Androscoggin Düngung

32 P-Ernährungszustand mg g -1 kg ha -1 4,21 2,57 3,70 3,20 3,15 1,73 1,70 Weide 3,18 1,59 1,93 1,85 2,70 1,91 2,41 Robinie 3,19 1,99 2,51 2,13 2,47 1,58 1,71 Hybride 275 2,86 1,74 2,39 2,31 2,27 1,46 1,78 Androscoggin Düngung

33 K-Ernährungszustand mg g -1 kg ha -1 16,18 18,19 19,59 16,19 21,06 19,25 15,29 Weide 15,39 11,21 11,43 12,88 18,66 15,72 18,00 Robinie 13,68 12,75 14,89 14,62 19,20 15,36 16,59 Hybride ,90 13,42 17,08 16,38 20,36 16,91 16,69 Androscoggin Düngung

34 Kohlenstoff-Akkumulation im Rohboden einer Alley- Cropping-Versuchsfläche nach 9 Jahren (n=17) Tiefe (cm) Baumstreifen 2005 Baumstr./Feld 2005 Feld ,55 (0,64)* 1,13 (0,25) 1,04 (0,24) ,85 (0,28) 1,03 (0,34) 0,99 (0,28) ,45 (0,26) * Standardabweichung

35 Zusammenfassung Alley-Cropping Pappeln und Weiden mit sehr hohe Ausfallraten und niedrigen Erträge, nicht geeignet für sorptionsschwache Kippstandorte Robinie mit hohen Erträgen (inkl. Ausfälle ca. 10 t / ha -1 a -1 ) Rasche Etablierung der Robinie Keine Konkurrenz im Alley-Cropping-System zwischen Luzerne und Robinie

36 Berechnung der Annuitäten für verschiedene Szenarien 400 Annuität/ ha Aktuelle Marktpreise A 1 B 1 C 1 D 1 E 1 F 2 A 2 B -800 Euro/t TM

37 Kostenvergleich für ausgewählte Positionen Versuchsanlage Alley-Cropping Modellprojekt Agronetzwerk Euro je ha Unkrautbekämpfung Düngung Zaunbau Pflanzgut Pflanzung Pflege (+Schutz gegen Wildverbiss) Weitere Pflegemaßnahmen, Ernte, Transport etc. aus Tabellenwerken/Kostenvoranschlägen Fortschreibung aller Kosten und Erstellung eines Kalkulationswerkzeugs auf MS-Excel Basis Kosten (aktueller Stand): 49,75 je t TM

38 Bewertung der ausgewählter Kostenarten Potenziale für Kostensenkung und Ertragssteigerung: Bereitstellung kostengünstigen Pflanzmaterials 1 Cent/Pflanze -1 Euro/t atro Ertragssteigerung Züchtung, Standort angepasste Sorten Ohne Zaunbau Effiziente Logistik (Lagerung, Transport)

39 Aktueller Tagebau Welzow-Süd Gesamtfläche 170 ha: 7 ha Wald 17 ha Agroforstfläche 4 ha Fließ Hühnerwasser 142 ha Energiewald Partner: Vattenfall AG Proschim BTU Cottbus LMBV

40 Landwirtschaft + Forstwirtschaft = Agroforstwirtschaft Positive Umweltleistungen durch neuartige integrierte agrarische und forstliche Produktionssysteme in der Landwirtschaft

41 Im Herbst 1948 kam von der Forstabteilung der Plankommission in Vorbereitung des Zweijahrplanes 1949/50 an die Forstabteilung der Hauptverwaltung die Weisung, sofort ein umfassendes Pappelprogramm anlaufen zu lassen mit der Zielsetzung, nach zehn Jahren jährlich eine Million Festmeter Pappelholz zwecks Deckung des Zellstoffbedarfs zur Verfügung zu haben.. die Deutsche Forstwirtschaft ist verlässlich und nachhaltig!

42 Zur Planungssicherheit in der Forstwirtschaft im Bereich Holzenergie: Im Herbst 2005 kam von der Forstabteilung des MLUV im Rahmen der Energiestrategie 2010 an die Forstämter die Weisung, sofort ein umfassendes Pappelprogramm anlaufen zu lassen mit der Zielsetzung, nach zehn Jahren jährlich eine Million Festmeter Pappelholz zwecks Deckung des Energiebedarfs zur Verfügung zu haben.