Zum Wasserhaushalt von Kurzumtriebsplantagen

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1 Zum Wasserhaushalt von Kurzumtriebsplantagen Falk Richter, Linda Hartmann, Paul Schmidt Walter, Martin Jansen, Norbert Lamersdorf Abt. Ökopedologie der Gemäßigten Zonen, Georg-August-Universität Göttingen 8. Master Class Course Conference "Renewable Energies", Eberswalde, Dezember 2013

2 -BioEnergieregionen STärken 1. Entwicklung regional angepasster Konzepte zur Biomassenproduktion 2. Bewertung der ökologischen und ökonomische Auswirkungen 31 Arbeitspakete in 7 Clustern thematische Schwerpunkte: Ökologie Sozioökonomie Nutzungskonzepte Wissenstransfer 2

3 Holz- und Energielücke MANTAU, U. (2012): Holzrohstoffbilanz Deutschland, Entwicklungen und Szenarien des Holzaufkommens und der Holzverwendung 1987 bis 2015, Hamburg Energetische Verwertung gewinnt an Bedeutung! 3

4 Holz- und Energielücke BG = Biogas, H = Heating, Hack = Wood ships, HKW = Wood-fired power station, Co = Co-fired Source: WBA (German Sci. Adv. Council Agriculture, 2007); 4

5 Cluster - Ökologische Landschaftsfunktionen Auswirkungen verschiedener Anbauformen von Biomasse auf ökologische Größen: Klima Wasserhaushalt Spurengasemission Ressourceneffizienz dazu werden verschiedene Energielinien betrachtet: Wald Kurzumtriebsplantagen Mais/Raps Grünland 5

6 Wasserhaushalt Quelle: wiki.bildungsserver.de; Wasserkreislauf und Boden 6

7 Bioenergie-Regionen im BEST-Projekt Bioenergieregion Göttinger Land Bioenergieregion Thüringer Ackerebene (BERTA) 7

8 Bioenergie-Regionen Göttinger Land N Ø ( ) 774 mm T Ø ( ) 8,3 C Friedland Reiffenhausen kleinräumige Landschaftsstrukturen waldreich (34%) Thüringer Ackerebene N Ø ( ) 524 mm T Ø ( ) 10,4 C großräumige Landschaftsstrukturen BERTA II landwirtschaftlich geprägt BERTA I 8

9 Untersuchungsflächen Pappel KUP Göttinger Land Teilflächen (1,7 ha und 2,5 ha) Pappel Max 1; Weide Tordis Neuanlage einer Fläche in 2012 mit Pappel (Max 1) Agroforst Weiden KUP Thüringer Ackerebene Teilflächen (3,3 ha und 2,6 ha) Pappel Max 1; Weide Tordis Pappel (6 Jahre, Japanklon & regionale Sorte) Weide (5 Jahre, Tora) 9

10 Wasserhaushalt KUP Reiffenhausen (2011) Friedland (2012) Bestandeshöhe [m] 2,2 ± 1,3 (nach 2 Jahren) 2,4 ± 0,6 (nach 1 Jahr) Brusthöhendurchmesser [mm] 10,0 ± 6,2 (nach 2 Jahren) 12,6 ± 5,0 (nach 1 Jahr) Anwuchserfolg [%] 62,9 (nach 1 Jahr) 88,4 (nach 1 Jahr) Biomasse [kg atro /(ha*a)]

11 Wasserhaushalt KUP Reiffenhausen (2011) Friedland (2012) Bestandeshöhe [m] 2,2 ± 1,3 (nach 2 Jahren) 2,4 ± 0,6 (nach 1 Jahr) Brusthöhendurchmesser [mm] 10,0 ± 6,2 (nach 2 Jahren) 12,6 ± 5,0 (nach 1 Jahr) Anwuchserfolg [%] 62,9 (nach 1 Jahr) 88,4 (nach 1 Jahr) Biomasse [kg atro /(ha*a)] Ausgeprägte Frühjahrstrockenheit 2011, besonders im Mai. (Februar-Mai 2011 nur 40% der langjährigen Niederschlagsmenge) Reiffenhausen 2011 Friedland 2011 Friedland 2012 Bodenwasserspeicher der oberen 40 cm Boden 11

12 KUP Wasserhaushalt Wald KUP Acker EvpTr: ~ 500 mm mm ~ 400 mm GWN: ~150 mm mm ~ 250 mm Bodenökologische Aspekte von Kurzumtriebsplantagen (Lamersdorf et al in AGROWOOD) flächenhafte Modellierung auf Landschaftsebene Auswirkungen von KUP auf den Wasserhaushalt im Verbund mit anderen Landbedeckungen Szenarienanalyse (Variation von Energielinien; Menge und Art) 12

13 Modellierungsansatz Wasserhaushalt KUP auf 3 verschiedenen Skalen Modellierung auf Plotebene Parametrisierung von KUP flächenbezogene Wasserhaushalts-Modellierung am Einzugsgebiet (EZG) der Dramme (ca. 45 km²) Upscaling der EZG-Information 13

14 Modellierungsansatz (Plotlevel) Modellierung auf Plotebene Parametrisierung von KUP Klima Boden Landbedeckung Ableitung der Modellparametrisierung für KUP Bodenhydrologische Messungen flächenbezogene Wasserhaushalts-Modellierung am Einzugsgebiet (EZG) der Dramme Upscaling der EZG-Information 14

15 Messungen zur Modellkalibrierung 6 Messstationen (davon 2 meteo. Referenzstationen) Meteorologie Temperatur, Strahlung, Wind, rel. Feuchte, Luftdruck Niederschlag (Bestand und Freiland) 15 bzw. 5 min. Auflösung Bodenhydrologie Saugspannung, Bodenwassergehalte, Bodentemp. jeweils in 20, 60 und 120 cm 15 min. Auflösung zusätzlich: Saftfluss, GW-Flurabstand, phänologische Entwicklung, Blattflächenindex, stomatäre Widerstände, Wurzelverteilung, Bestandeshöhe, Brusthöhendurchmesser, Interzeption 15

16 Blattflächenindex LAI [m²/m²] 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, LI-1400 LAI-2000 MODELL ERNTE LAI Messungen 2 optische Methoden 2 direkte Methoden wenn möglich wöchentliche Messungen 16

17 Phänologie 150 Temperatursummen TS_2011 Tscrit_2011 TS_2012 TScrit_2012 Beobachtung_2011 Beobachtung_ Day of Year Blattaustrieb nach Menzel und Fabian (1999) TScrit = a + b ln(cdn) CD: Anzahl Kältetage seit TS: Wärmesumme seit 1.2. Blattaustrieb wenn: TS >= Tscrit a= 1775; b=

18 Stomatäre Widerstände Messungen mit Decagon Porometer SC1 1000,0 stomatärer Widerstand [s/m] 800,0 600,0 400,0 200,0 0, MODELL Modellparameter wurde mit Messungen bestätigt 18

19 Stomatäre Widerstände Messungen mit Decagon Porometer SC1 log stomatärer Widerstand [s/m] 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0, MODELL Modellparameter wurde mit Messungen bestätigt 19

20 Stomatäre Widerstände 1600,0 stom. resistance [s/m]; VPD [Pa] 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 Apr. Mai. Jun. Jul. Aug. stom. resistance [s/m] 20

21 Stomatäre Widerstände Reaktion der stomatären Widerstände auf abiotische Umweltbedingungen stom. resistance [s/m]; VPD [Pa] 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 Apr. Mai. Jun. Jul. Aug soil water storage [mm] stom. resistance [s/m] VPD [Pa] act FK150 [mm] 21

22 Stomatäre Widerstände Reaktion der stomatären Widerstände auf abiotische Umweltbedingungen Schönwetterphase mit starker Transpiration stom. resistance [s/m]; VPD [Pa] 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 Apr. Mai. Jun. Jul. Aug soil water storage [mm] stom. resistance [s/m] VPD [Pa] act FK150 [mm] 22

23 Stomatäre Widerstände Reaktion der stomatären Widerstände auf abiotische Umweltbedingungen Schönwetterphase mit starker Transpiration einsetzender Trockenstress stom. resistance [s/m]; VPD [Pa] 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 Apr. Mai. Jun. Jul. Aug soil water storage [mm] stom. resistance [s/m] VPD [Pa] act FK150 [mm] 23

24 Stomatäre Widerstände Reaktion der stomatären Widerstände auf abiotische Umweltbedingungen Schönwetterphase mit starker Transpiration einsetzender Trockenstress vorzeitig, teilweise einsetzender Laubfall stom. resistance [s/m]; VPD [Pa] 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 Apr. Mai. Jun. Jul. Aug soil water storage [mm] stom. resistance [s/m] VPD [Pa] act FK150 [mm] 24

25 Stomatäre Widerstände Stammumfangsmessungen 1000 deutliche Dickenzunahmen bei ausreichender Wasserversorgung kaum Dickenzunahme bei Trockenstress Tagesgänge mit Abnahmen am Tag (negative Werte) Zuwachs [µm] Tageszeit Juni August 1600,0 350 stom. resistance [s/m]; VPD [Pa] 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200, soil water storage [mm] 0,0 Apr. Mai. Jun. Jul. Aug. 0 stom. resistance [s/m] VPD [Pa] act FK150 [mm] 25

26 Stomatäre Widerstände Blattwinkelstellungen zeigen Trockenstress Blattwinkel [ ] Blattwinkelstellung stom. resistance [s/m]; VPD [Pa] 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 Apr. Mai. Jun. Jul. Aug soil water storage [mm] stom. resistance [s/m] VPD [Pa] act FK150 [mm] 26

27 Ergebnisse Plotlevel Modell Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Bodenwassergehalte Reiffenhausen, 60 cm Tiefe, in

28 Ergebnisse Plotlevel modellierte Grundwasserneubildung Reiffenhausen Niederschlag Winterweizen KUP Pappel 28

29 Ergebnisse Plotlevel modellierte Grundwasserneubildung Reiffenhausen Niederschlag Winterweizen KUP Pappel Mittel ( ) Trocken (5 Jahre) Feucht (5 Jahre) Niederschlag 676 mm 500 mm 896 mm GWN KUP 75 mm 80 % 16 mm 35 % 138 mm 81 % Weizen 93 mm 48 mm 172 mm 29

30 Ergebnisse Plotlevel modellierte Grundwasserneubildung Reiffenhausen Niederschlag KUP Pappel (Sand) KUP Pappel (Schluff) Mittel ( ) Trocken (5 Jahre) Feucht (5 Jahre) Niederschlag 676 mm 500 mm 896 mm G W N KUP (Schluff) 75 mm 16 mm 138 mm KUP (Sand) 145 mm 193 % 66 mm 412 % 242 mm 175 % 30

31 Vom Plotlevel zum Einzugsgebiet GWN Winterweizen Abfluss Pegel Mariengarten 31

32 Modellierungsansatz (Einzugsgebiet) Modellierung auf Plotebene Parametrisierung von KUP flächenbezogene Wasserhaushalts-Modellierung am Einzugsgebiet (EZG) der Dramme Klima Boden Landbedeckung Einfluss von KUP auf: Abflussspende (Pegel) Grundwasserneubildung Dramme Pegel Mariengarten Änderung der Landbedeckung (z.b. KUP ). Trockenstress Upscaling der EZG-Information Entwicklung von Szenarien mit KUP-Präferenzflächen (landschaftsökologische Planung) in Zusammenarbeit mit lokalen Partnern und BEST-Teilprojekten 32

33 Fazit intensive Messungen ermöglichen Ableitung von sensitiven Modellparametern Modellierung auf Plotlevel zeigt plausible Übereinstimmung mit den gemessenen Parametern (LAI, Bodenwasser, Saftfluss etc.) Pappel als Säufer : in trockenen Jahren ist die GWN im Mittel um 65% gegenüber Winterweizen reduziert GWN ist abhängig von Bodensubstrat und Witterungsverlauf Modellierung langer Zeitreihen ermöglicht Abschätzung von Risiken 33

34 Fazit intensive Messungen ermöglichen Ableitung von sensitiven Modellparametern Modellierung auf Plotlevel zeigt plausible Übereinstimmung mit den gemessenen Parametern (LAI, Bodenwasser, Saftfluss etc.) Pappel als Säufer : in trockenen Jahren ist die GWN im Mittel um 65% gegenüber Winterweizen reduziert GWN ist abhängig von Bodensubstrat und Witterungsverlauf Modellierung langer Zeitreihen ermöglicht Abschätzung von Risiken Ausblick: Analyse des Einflusses von KUP auf den Landschaftswasserhaushalt unter Berücksichtigung von Wechselwirkungen verschiedener Bodenarten und Landnutzungen (wie viel KUP ist sinnvoll?) 34

35 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 35