Wassernutzungseffizienz von Energiepflanzen

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Helmut Kneller
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1 Dr. Siegfried Schittenhelm Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde Wassernutzungseffizienz von Energiepflanzen Niederschlag niedrig sehr niedrig mittel hoch

2 Hintergrund Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen o Wenn die Prognosen der Klimaforscher stimmen, dann avanciert das Wasser zum

o Künstliche Bewässerung zur Stabilisierung der Biomasseerträge ist nicht überall möglich (fehlende Technik, rechtliche h Beschränkungen).

erbringen ( more crop per drop ). 00 ha) Beregnun ngsfläche (x100 300 250 Im Jahr 2008 wurden in Deutschland 560.

2 2 Hintergrund Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen o Wenn die Prognosen der Klimaforscher stimmen, dann avanciert das Wasser zum wichtigsten limitierenden Faktor der Biomasseproduktion. o Künstliche Bewässerung zur Stabilisierung der Biomasseerträge ist nicht überall möglich (fehlende Technik, rechtliche h Beschränkungen). o Landwirte müssen künftig verstärkt Fruchtarten und Sorten einsetzten, die auch mit wenig Wasser noch einen vergleichsweise hohen Biomasseertrag erbringen ( more crop per drop ). 00 ha) Beregnun ngsfläche (x Im Jahr 2008 wurden in Deutschland ha 200 (3,3% LF) künstlich beregnet. 150 Quelle: Bundesfachverband für Feldberegnung NI HE RP BY NW BB BW MV ST SN TH SH Weltweit nutzt die Landwirtschaft 63% (3.500 km 3 ) des für Konsumzwecke erschlossenen Wassers. Wurzeltiefe und Wurzeldichte sind entscheidend für die Wasseraufnahme.

3 3 Definition iti Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen o Die Wassernutzungseffizienz (WNE) von Energiepflanzen ist das Verhältnis von energetisch genutzter Trockenmasse zum Wasser- verbrauch zwischen Aussaat und Ernte. WNE = TME / WV = TME / (N + B A S + ΔR) TME = Trockenmasseertrag, WV = Wasserverbrauch, N = Niederschlag, B = Bewässerung, A = Oberflächenabfluss, S = Sickerung, ΔR = Änderung des Bodenwasservorrats. o Die WNE wird ausgedrückt in kg ha -1 mm -1. Andere gebräuchliche Einheiten sind g L -1 und kg m -3.

4 Komponenten des Biomasseertrags Standortangepasste Anbausysteme

TME = WV x WNE o Der Ertrag nimmt proportional zum

) o Die Pflanzen sollten das verbrauchte Wasser möglichst

Beziehung zwischen Trockenmasseertrag und Evapotranspiration bei

4 4 Komponenten des Biomasseertrags Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen WNE = TME / WV bzw. TME = WV x WNE o Der Ertrag nimmt proportional zum Wasserverbrauch zu (ohne Wasser keine Biomasse!) o Die Pflanzen sollten das verbrauchte Wasser möglichst effizient in Trockenmasseertrag umsetzen. Beziehung zwischen Trockenmasseertrag und Evapotranspiration bei Silomais (Quelle: Mundel 1992). Sowohl H 2 O Transpiration als auch CO 2 Assimilation stehen unter stomatärer Kontrolle. Quelle: KSJ Tracker (verändert).

5 5 Beeinflussung der WNE Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen o Die WNE nimmt mit zunehmendem Sättigungsdefizit der Luft ab. Sie beträgt für Weizen in England (humid) 53 kg ha -1 mm -1, in den Great Plains der USA (semiarid) dagegen nur 20 kg ha -1 mm -1. o Die WNE ist unter Trockenbedingungen meist höher als bei guter Wasserversorgung ( Luxuskonsum ). o Evaporationsverluste über den Boden verringern die WNE (Ziel: Zügige Jugendentwicklung und ausreichend Blattfläche zur Reduzierung der unproduktiven Verdunstung über den Boden).

6 6 Versuchsbasis Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Im EVA Teilprojekt 5 werden seit dem Jahr 2005 Bewässerungsversuche durchgeführt aus denen sich die WNE von Energiepflanzen abschätzen lässt: o Fruchtartenvergleich o Energiemais o Folientunnelversuch

7 7 Wasserregime Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Fruchtartenvergleich, Energiemais o Optimale Bewässerung (>50% nfk) o Minimale Bewässerung (Notfallbewässerung) Folientunnelversuch o 60-80% nfk (kein Trockenstress) o 40-50% nfk (leichter Trockenstress) o 15-30% nfk (starker Trockenstress)

8 Artenvergleich (4 Jahre) Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Wasser- TM- Wasserverbr.

192 55 Mais 1 (C4) 16,8 340 205 50 Sudangrashybride (C4) 14,5 317 220 47 C4-Mittel 15,6 315 206 51

C3-Mittel 12,0 347 325 34 Optimal Futterhirse (C4) 19,2 384 203 50 Mais 1 (C4) 21,3 455 215 47

Futterrübe 2 (C3) 22,4 521 236 43 Topinambur 3 (C3) 12,7 471 373 27 C3-Mittel 15,7 448 309 35 1

Infolge des Klimawandels dürfte die Überlegenheit der C4-Pflanzen noch zunehmen.

8 8 Artenvergleich (4 Jahre) Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Wasser- TM- Wasserverbr. regime Fruchtart Ertrag ETK WNE t ha -1 mm L kg -1 kg ha -1 mm -1 Minimal Futterhirse (C4) 15, Mais 1 (C4) 16, Sudangrashybride (C4) 14, C4-Mittel 15, Sonnenblume (C3) 8, Futterrübe 2 (C3) 18, Topinambur 3 (C3) 8, C3-Mittel 12, Optimal Futterhirse (C4) 19, Mais 1 (C4) 21, Sudangrashybride (C4) 16, C4-Mittel 18, Sonnenblume (C3) 11, Futterrübe 2 (C3) 22, Topinambur 3 (C3) 12, C3-Mittel 15, Mittelwert von 3 Sorten, (Rübe und Blatt), (nur Kraut) +50% +29% Infolge des Klimawandels dürfte die Überlegenheit der C4-Pflanzen noch zunehmen. C4-Pflanzen haben höhere WNE als C3-Pflanzen - Fotosynthese th mit Malat als CO 2 -Quelle bei geschlossenen Stomatat - Abfangen von CO 2 aus der Lichtatmung

9 9 Energiemais i Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Künftige Energiemaissorten werden massereicher und spätreifer sein als die derzeitigen Silomaissorten. Quelle: W. Schmidt (KWS) Quelle: W.-R. Marunde Bei angestrebten Erträgen von 30 t TM ha -1 stellt sich die Frage nach der Eignung solcher Sorten für Trockenstandorte.

10 10 Feldversuch zu Energiemais i Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen

11 11 Versuchsergebnisse Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Wasserregime 1 Sorte TM- Ertrag TM- Gehalt Blattfl.- dauer 2 Kum. Transp. 2 WNE 2 tha -1 % (m 2 d) m -2 mm kg ha -1 mm -1 Minimal Flavi 19,0 32, Mikado 21,1 26, Optimal Flavi 23,5 32, Mikado 24,2 25, Minimal/Optimal: 31/145 (2005), 41/184 (2006), 0/50 (2007) 2 Nach Wienforth, Schittenhelm, e Wulkau et al. (2008) Die im Mittel um 56% längere Blattflächendauer von Mikado gegenüber Flavi hatte eine um lediglich 9% höhere Transpiration zur Folge. Die ursprüngliche Annahme wonach Sorten mit einer großen Transpirationsfläche unter Trockenheit eine besonders starke Ertragsdepression aufweisen ließ sich nicht bestätigen.

12 Blattflächenindex bei Trockenstress Standortangepasste

(S500) Bewässerung Minimal Optimal 8 ex Blattf flächenind 6 4

Datum Ohne Zusatzbewässerung wurde im Trockenjahr 2006 der für

12 12 Blattflächenindex bei Trockenstress Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Sorten Flavi (S250) Mikado (S500) Bewässerung Minimal Optimal 8 ex Blattf flächenind BFI = Datum Ohne Zusatzbewässerung wurde im Trockenjahr 2006 der für die maximale PAR-Interzeption ti erforderlichen Wert von BFI > 5 nur von Mikado übertroffen.

Trockenmasseertrag (t ha -1 ) 12 20 WNE (kg ha -1 mm -1 )

13 13 WNE und Ertrag Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Wasserverbrauch (mm) Trockenmasseertrag (t ha -1 ) WNE (kg ha -1 mm -1 ) Eine hohe WNE ist nicht gleichbedeutend mit hohem Ertrag unter Trockenstress.

14 14 Sorghumhirsen hi versus Mais Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Sudangrashybride Lussi Mais Atletico Futterhirse Sucrosorgo 506

15 15 Folientunnelversuch l Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen nfk-variante 15-30% 40-50% 60-80% nfk Kum. Wasserg. Nu utzbare Feldkapa azität (%) Datum aben (mm) Kum mulierte Wasserg Blick in den Folientunnel am Im Vordergrund von links: Mais und Sudangrashybride bei 15-30% nfk.

16 16 Ergebnisse aus dem Jahr 2008 Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen TME (t ha -1 ) GD5% 14,9 11,9 12,3 19,6 18,2 15,7 21,9 22,1 17,9 WNE (kg ha -1 mm -1 ) Mais Futterhirse Sudangrashybride GD5% Nutzbare Feldkapazität (%) Nutzbare Feldkapazität (%) In der Trockenvariante 15-30% nfk betrug die Wurzeltrockenmasse in der Ackerkrume (0 bis 30 cm) zur Blüte 28 2,8, 38und50tha 3,8 5,0-1 für Mais, Sudangrashybride und Futterhirse. Futterhirse hatte am meisten Wurzeln unterhalb 30 cm Bodentiefe, Mais am wenigsten.

17 17 Danksagung Standortangepasste Anbausysteme für Energiepflanzen Das EVA Teilprojekt 5 wird durch BMELV/FNR finanziell unterstützt

18 Herzlichen Dank fürs Zuhören

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