Effekte der Agrarholzproduktion auf den Kohlenstoffund Nährstoffhaushalt des Bodens im Bereich der Lausitzer Bergbaufolgelandschaft

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1 . Rostocker Bioenergieforum Rostock, September und 3. Oktober 11, Berlin 8 Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft September 11, Berlin Effekte der Agrarholzproduktion auf den Kohlenstoffund Nährstoffhaushalt des Bodens im Bereich der Lausitzer Bergbaufolgelandschaft Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung, BTU Cottbus

2 Agrarholzanbau schnellwachsende Baumarten (Pappel, Weide, Robinie, Erle, Esche, 9) hohe Pflanzendichte (8. bis 15. Bäume/ha) kurze Umtriebszeiten (3 bis 6 Jahre); Ernte im Winter; Bäume treiben nach Ernte wieder aus Gesamtnutzungszeit der Bäume 5 bis 3 Jahre

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

4 Agrarholz auf Rekultivierungsstandorten Übergeordnete Fragestellung: Trägt der Agrarholzanbau in Bergbaufolgelandschaften zur Aufwertung dieser degradierten Standorte mit Blick auf ihre Einkommens-, Schutzund Erholungsfunktion bei? Spezielle Fragestellungen: Welchen Effekt hat der Anbau von Agrarholz (Robinie) auf den Kohlenstoffhaushalt des Bodens? (Humusakkumulation, C-Sequestrierung) Nährstoffhaushalt des Bodens? (Stickstoff, Phosphor) Welchen Effekt hat die begrenzte Nährstoffverfügbarkeit (Phosphor) auf das Wachstum der Robinie?

5 Main question? Versuchsstandort Rekultivierungsfläche Brandenburg

6 Versuchsfläche Lage allgemein Berlin Cottbus Cottbus Deutschland Niederlausitz Tagebau Welzow-Süd Landinanspruchnahme durch Braunkohleförderung: - Deutschland: ha - Revier Lausitz: ha (davon ca. 5. rekultiviert) [Quelle: Statistik der Kohlenwirtschaft, 1]

7 Versuchsflächen Lage in Energielandschaft Welzow-Süd KUP 7 KUP 7 KUP 7 KUP 11 N 3 m Alley-Cropping ca. ha, angelegt Frühjahr 7 Gehölzstreifen: Robinie, Nord-Süd und Ost-West-Richtung, Doppelreihen, 11 m breit, 9. Pflanzen/ha Gehölzfläche, Umtriebszeit: 5 Jahre Ackerstreifen: Luzerne (Rek.frucht), ca. m breit Kurzumtriebsplantagen ca. 5 ha, angelegt zw. 5 und 11) Robinie, Doppelreihen, 9. Pflanzen/ha, Umtriebszeit: 3-5 Jahre weitere Informationen:

8 Versuchsflächen

9 Versuchsstandort allgemeine Merkmale Jahresniederschlagssumme: 56 mm; Jahresdurchschnittstemperatur: 9,3 C strukturarme, weitflächige Landschaft; ausgeprägte Trockenperioden, hohe Evapotranspirationsraten kein Grundwassereinfluß Bodenentwicklung im Initialstadium; geringe Gefügestabilität; hoher Anteil von Sanden und schwach lehmigen Sanden (geringe Wasserhaltekapazität), allg. geringer Humus- und Nährstoffgehalt

10 Versuchsfläche Alley Cropping vor Flächenanlage 7 N [Quelle: Vattenfall Europe AG]

11 C3 Effekte der Agrarholzproduktion auf den C-und Nährstoffhaushalt Versuchsfläche Alley-Cropping Substratheterogenität und Gehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) ein Jahr nach Flächenanlage in -3 cm Bodentiefe reiner Sand bis schwach lehmiger Sand stark lehmiger Sand bis stark sandiger Lehm mittel bis stark sandiger Ton stark sandiger Ton bis lehmiger Ton stark kohlehaltiger Sand Spannweite TOC-Gehalt (ohne stark kohleh. Bereiche):,6 bis 5,7 g kg -1 [sehr schwach humos] N [g kg -1 ]

12 Folie 11 C3 CB;

13 Versuchsfläche Alley-Cropping ph(cacl )-Wert und Gehalt an pflanzenverfügbarem Phosphor (P DL ) in -3 cm Bodentiefe im ersten Jahr nach der Flächenanlage (Melioration: im Mittel 11 kg N, 75 kg P, 7 kg K und 3 t CaO bis ca. 5 cm eingearbeitet) Spannweite ph-wert: 3,5 bis 7,5 Spannweite P DL -Gehalt: 1,6 bis 19,3 mg kg -1 [gesamte Fläche: P-Gehaltsklasse A] N [mg kg -1 ]

14 Main question? Angewandte Methoden

15 Untersuchungsparameter ph(cacl )-Wert: elektrometrisch an lufttrockenen Proben,,1 M CaCl -Lsg., Boden-Lsg.-Verhältnis = 1:,5 Organischer Kohlenstoff (TOC): trockene Verbrennung mittels CNS-Analysator, lufttrockene Proben, Bestimmung des Karbonatgehaltes mittels Apparatur nach Scheibler (DIN-ISO 1693) Fraktionierung des organischen Kohlenstoffs: Dichtefraktionierung mit Natrium-Polywolframat anlehnend an Jochim (1996), 3 Fraktionen: leicht (frei; <1,6 g cm -3 ), mittel (organo-mineralisch; 1,6-, g cm -3 ), schwer (mineralisch; >, g cm -3 ) Mineralischer Stickstoff (Nmin): feldfrische Proben,,1 M CaCl -Lsg., Boden-Lsg.-Verhältnis = 1:, Messung von NH + -N und NO 3- -N mittels Fließ-Injektions-Analysator (FIA) Pflanzenverfügbarer Phosphor (P DL ): Doppellactat-Extraktion nach VDLUFA (1991), lufttrockene Proben, Messung der Gehalte mittels ICP-OES (optische Emissionsspektrometrie mittels induktiv gekoppeltem Plasma) N- und P-Gehalt in Blätter und Holz: Druckaufschluß anlehnend an Schramel et al. (1993), HNO 3, 17 C, Messung der Gehalte mittels ICP-OES

16 Main question? Ausgewählte Ergebnisse

17 Vorrat des organischen Gesamtkohlenstoffs (TOC) im Boden unterschiedlich alter Kurzumtriebsplantagen aus Robinie (Robinia pseudoacacia L.) in -6 cm Bodentiefe Corg-Vorrat TOC [kg ha -1 ] ! Auflagen wurden nicht berücksichtigt! -3 cm 3-1 cm 1-3 cm 3-5 cm 5-6 cm 3 1 Alter [Jahre]!! Ø jährliche Akkumulation von Kohlenstoff in Robinien-KUP: 7 t/ha!! Quelle: Quinkenstein et al. (11), modifiziert

18 Entwicklung des Gehaltes an organischem Kohlenstoff (TOC) in verschiedenen Dichtefraktionen im Boden des Alley-Cropping-Systems unter Robinie [g C kg -1 ] Anteil [g an C kg TOC -1 ] [%] TOC TOC HWC, 8,9,, 5, 3,3, 3,9 3, Vegetationsperiode nach Pflanzung leicht mittel schw er -3 cm 3-1 cm 1-3 cm [g C kg -1 ] Anteil [g an C kg TOC -1 ] [%] TOC TOC Mittelwert HWC Standardabw. n = Vegetationsperiode nach Pflanzung leicht mittel schw er [g C kg -1 ] Anteil [g an C kg TOC -1 ] [%] TOC TOC HWC Vegetationsperiode nach Pflanzung leicht mittel schw er Vegetationsperiode nach Pflanzung Vegetationsperiode nach Pflanzung Vegetationsperiode nach Pflanzung

19 Entwicklung des Gehaltes an Ammonium- (NH + -N) und Nitratstickstoff (NO 3- -N) im Boden des Alley-Cropping-Systems unter Robinie -3 cm 3-1 cm 1-3 cm NH + -N NO 3 - -N Ausreißer Mittelwert Standardabw. [mg N kg -1 ] 3 n = 8 kg N (KAS) [mg N kg -1 ] 3 kg N (KAS) [mg N kg -1 ] 3 kg N (KAS) Vegetationsperiode nach Pflanzung Vegetationsperiode nach Pflanzung Vegetationsperiode nach Pflanzung

20 Entwicklung des Gehaltes an pflanzenverfügb. Phosphor (P DL -Boden) im Boden und des Phosphorgehaltes in den Blättern der Robinie (P-Blatt) (Alley-Cropping-System) -3 cm 3-1 cm 1-3 cm 5 6 kg P (TSP) kg P (TSP) 5 P DL -Boden P-Blatt Ausreißer Mittelwert Standardabw. n = kg P (TSP) 5 P DL -Boden P-Blatt Ausreißer [mg P kg -1 ] 3 3 [mg P g -1 ] [mg P kg -1 ] 3 3 [mg P g -1 ] [mg P kg -1 ] 3 3 [mg P g -1 ] ph (CaCl )-Wert ph (CaCl )-Wert ph (CaCl )-Wert Vegetationsperiode nach Pflanzung Vegetationsperiode nach Pflanzung Vegetationsperiode nach Pflanzung

21 Zuwachsdaten bei Robinie im Rekultivierungsbereich des Tagebaus Welzow Süd (Alley-Cropping-System) 6 1 Baumhöhe [cm] Baumhöhe Wurzelhalsdurchmesser Median 5%-75% Min-Max n = 11 58,8 P-Düngung Herbst 8 135,8 66, W urzelhalsdurchm esser [cm] 7/8 8/9 9/1 1/11 Winter

22 Beziehung zwischen Phosphorund Stickstoffgehalt in den Blättern von Robinie (Alley-Cropping,., 3. und. VP) Beziehung zwischen Zuwachs von Robinie und Phosphorgehalt der Blätter (Kurzumtriebsplantage, 3. VP) P-Gehalt in Blättern der Robinie [mg g -1 ] [r² =,8] Baumhöhe [m] bzw. WHD [cm] 5,,5, 3,5 3,,5, 1,5 1, WHD [r² =,1] Baumhöhe [r² =,31] ,5 1, 1,5,,5 3, 3,5,,5 5, N-Gehalt in Blättern der Robinie [mg g -1 ] P-Gehalt in Blättern der Robinie [mg g -1 ]

23 Effizienz der Nährelementnutzung bei Robinie [holzartige Biomasse], Luzerne (Medicago sativa) und Mais (Zea mays) [krautige Biomasse] Effizienz der Nährelementnutzung = Verhältnis von oberirdischer Biomasse zu in oberirdischer Biomasse gebundenen Elementgehalten N P K Mg Ca kg Biomasse * kg Nährelement -1 Robinie (holzartige Biomasse, oberirdisch, a, nach erster Rotation) [Welzow] Luzerne(krautige Biomasse, oberirdisch) [Welzow] Mais(krautige Biomasse, oberirdisch) [Forst] 16 (31) 1975 (9) 335 () 396 (615) 138 (1),3 3,3,7,7 1, 5 (3) 65 (11) 71 (17) 696 (1) 119 (8) 1,5 5,1 1, 5,5 83 (1) 388 (75) 15 (3) 596 (1) n.b. [Werte in Klammern = Standardabweichungen] Die Nutzung holzartiger Biomasse trägt dazu bei, dass mehr Nährstoffe im Kreislauf des Landnutzungssystems verbleiben und somit geringere Düngeraufwendungen erforderlich sind als bei der Nutzung krautiger Biomasse.

24 Zusammenfassung Der Anbau von Robinie im Kurzumtriebverfahren trägt wesentlich zur Kohlenstoff- bzw. Humusakkumulation in den sehr humusarmen Kippsubstraten bei, führtbereits innerhalb der ersten 3 Jahre nach Pflanzung zu einer Zunahme des potentiell stabilisierten C(insb. der organo-mineralischen Fraktion), trägt zu einer mäßigen Anreicherung von NH + -N bei, während NO 3- -N vermutlich schnell verlagert wird, trägt zu einem geringeren Nährstoffexport und somit zu einer Reduzierung der Düngergaben je kg produzierte Biomasse bei. P-Düngung führt nur zu einer kurzfristigen Erhöhung des pflanzenverfügbaren Phosphors.! Zuwachsleistung der Robinie hängt stark von dem verfügbaren Phosphor im Boden ab.

25 Schlußfolgerungen Der Anbau von Robinie im Kurzumtriebverfahren trägt (während der ersten Jahre) zur Verbesserung der Bodenqualität auf degradierten Bergbaufolgestandorten bei prinzipiell zur Rekultivierung geeignet Die Bewertung der Einflußnahme der Robinie auf den P-Haushalt des Bodens erfordert weitere Unersuchungen

26 Effekte der Agrarholzproduktion auf den C- und Nährstoffhaushalt Ökonomische und ökologische Bewertung von Agroforstsystemen in der landwirtschaftlichen Praxis Danke für Ihr Interesse