Alley-Cropping Ein klima-adaptierbares Landnutzungssystem zur nachhaltigen Biomasseproduktion

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1 Forum der Forschung 2/2008: 3-38 BTU Cottbus, Eigenverlag, ISSN-Nr.: Alley-Cropping Ein klima-adaptierbares Landnutzungssystem zur nachhaltigen Biomasseproduktion Kurzfassung Unter den Vorzeichen des Klimawandels bei sich zugleich dramatisch verknappenden konventionellen Energierohstoffen suchen Wissenschaftler weltweit nach alternativen, erneuerbaren und zukunftssicheren Energieträgern. Alley-Cropping-Systeme zur Biomasseproduktion stellen in diesem Zusammenhang eine vielversprechende Landnutzungsoption für Mitteleuropa und Brandenburg dar. Neben der Erzeugung landwirtschaftlicher Produkte können Alley-Cropping-Systeme gleichzeitig auch zur nachhaltigen Produktion von Biomasse dienen und ermöglichen zudem die Integration von ökologischen und ökonomischen Vorteilswirkungen auf einer Fläche. Am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung werden derartige Systeme bereits seit über 5 Jahren untersucht. Neben klimabezogenen Aspekten von Alley-Cropping (Biomasseproduktion, Kohlenstoffsequestrierung, Substitution fossiler Energieträger) werden in dem vorliegenden Artikel auch ausgewählte ökologische Faktoren (positive Wirkung auf das Mikroklima, Nährstoffkreisläufe, Erosionsschutz, Erhöhung der Biodiversität) besprochen und im brandenburgischen Kontext eingeordnet. Abstract In a situation where Climate Change arises and conventional energy resources become depleted, scientists are searching for alternative, renewable, and future-proof energy carriers. Alley cropping systems for biomass production offer a promising land use alternative for Middle Europe and Brandenburg. They produce agricultural products and biomass in a sustainable way and facilitate the integration of ecological and economical benefits on the same area. At the chair of Soil Protection and Recultivation such systems are investigated for more than 5 years. In this study climate-related aspects of alley cropping (biomass production, carbon sequestration, substitution of fossil energy resources), selected ecological factors (positive effects on microclimate, nutrient cycle, protection from erosion, increase of biodiversity) are discussed and ranged in the context of Brandenburg. Einleitung Landnutzungssysteme unterliegen einem stetigen Wandel. Zu Beginn des 2. Jahrhunderts sind die konventionellen Formen der Landnutzung in Mitteleuropa mit zwei neuartigen Einflüssen konfrontiert: den Auswirkungen des Klimawandels und möglichen Anpassungen hieran, sowie der Energiefrage und der hiermit verbundenen Notwendigkeit, den stetig anwachsenden Bedarf an nachwachsenden Rohstoffen zur stofflichen und energetischen Verwertung zu befriedigen. Brandenburg liegt im Bereich des gemäßigten, kontinentalen Klimas und gehört zu den trockensten Regionen Deutschlands mit einem Jahresniederschlag von 560 mm, der deutlich unter dem Durchschnitt Deutschlands mit ca. 790 mm liegt. Klimaprognosen für Brandenburg gehen für die nächsten 50 Jahre von einer leicht ansteigenden Durchschnittstemperatur (etwa um,4 C) und in der Summe ansteigenden Winter- sowie abnehmenden Sommerniederschlägen aus (GERSTEN- GARBE et al., 2003). Voraussichtlich werden die Niederschläge für die Landwirtschaft ungünstiger über das Jahr verteilt sein, so dass als Folge ausgedehnter Hitze- und Trockenphasen während der Vegetationsperiode auftretende Wasserdefizite zu signifikanten Ertragseinbußen führen können (GERSTENGARBE et al., 2003). Die Anpassung der Landwirtschaft an zunehmend trockenere Verhältnisse ist daher von großem wirtschaftlichem Interesse. Es ist notwendig, Strategien und Landnutzungssysteme zu entwickeln, mit denen die vorhandenen Wasserkapazitäten effizienter genutzt werden können. Viele Studien zeigen, dass Alley-Cropping-Systeme (ACS) hierzu einen Beitrag leisten können (s. u.). Mit dem Begriff Alley-Cropping wird im Allgemeinen eine Landnutzungsform beschrieben, bei dem unterschiedliche Baumarten als heckenartige Gehölzstreifen in die Agrarlandschaft integriert werden (Abb. ). Die Fläche zwischen den Gehölzstreifen wird mit landwirtschaftlichen Kulturen bestellt oder als Grünland genutzt. Durch die Integration von Heckenstrukturen entstehen Vorteilswirkungen für die kultivierten Pflanzen, die Aspekte des Nährstoff- und Wasserkreislaufs, des Mikroklimas und der Biodiversität berühren. Da die Streifenbreiten bei ACS variiert werden können, sind diese Systeme sehr flexibel und gut an die lokalen Gegebenheiten adaptierbar. Hierdurch ist deren potentielle Anwendungsbreite vergleichsweise hoch und umfasst 3

2 Abbildung : Schematische Darstellung eines Alley-Cropping-Systems mit Feld- und teilweise zur Erhaltung der Windschutzwirkung halbseitig beernteten Baumstreifen. beispielsweise Windschutzstreifen, Uferrandstreifen, Erosionsschutz Pflanzungen und die Anpflanzung N-fixierender Pflanzen zur Düngung. Neben der Adaption an Folgen des Klimawandels können ACS auch einen aktiven Beitrag zur Abmilderung seiner Ursachen liefern. Die perennierenden Gehölzstreifen in ACS bilden dynamische Kohlenstoff- Senken. Sie binden im Rahmen der Photosynthese CO 2 aus der Luft und speichern den Kohlenstoff sowohl in der ober- und unterirdischen Biomasse, als auch im Boden beispielsweise durch Akkumulation von Humus. Im Gegensatz zu den angrenzenden Ackerstreifen bleiben Teile dieses Kohlenstoffs (z. B. im Wurzelsystem) über den gesamten Lebenszyklus eines ACS gespeichert. Wird zudem die geerntete Biomasse einer energetischen Verwertung zugeführt, so kann die hierdurch erzielte Einsparung fossiler Brennstoffe zusätzlich in die gesamtökologische Bilanz einbezogen werden. Die Baumstreifen in ACS bilden im Vergleich zu traditionellen Ackerflächen ein neues, in die Agrarlandschaft integriertes Produktionssystem. Sie können in vielfältiger Weise genutzt werden. In subtropischen und tropischen Gebieten stehen insbesondere Aspekte des Nährstoffkreislaufes im Vordergrund, da die Bäume über den Streufall dem Ackerboden Nährstoffe zurückführen, die ansonsten für die Kulturen nicht mehr erreichbar wären (niedrige Düngemittelverfügbarkeit). Demgegenüber sind in den temperierten Breiten insbesondere Aspekte des Erosionsschutzes und des Wasserhaushalts neben der Nutzung von ACS zur Wertholzgewinnung oder für den Obstanbau erstrangig zu bewerten. Häufig wird bei diesen Management-Systemen das bei der Heckenpflege entstehende Schnittholz als Gründünger den Kulturen zu einem großen Anteil wieder zugeführt oder aber als Tierfutter verwendet. Im Gegensatz hierzu steht die Nutzung der Gehölzstreifen zur Produktion holzartiger Biomasse für die energetische Verwertung, wie sie unter anderem in Teilen Brandenburgs erprobt wird. Ursächlich für diese Art der Nutzung ist der zunehmende Bedarf an Biomasse als Energierohstoff in Mitteleuropa. Im Jahr 2006 betrug der Anteil der fossilen Energieträger am Primärenergieverbrauch in Deutschland rund 82 Prozent, der Anteil von Kernenergie lag bei etwa 2,6 Prozent und erneuerbare Energien steuerten 5,8 Prozent bei, was einer Steigerung von, Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht (BMU, 2007). Die starke Abhängigkeit von den nicht-erneuerbaren Energieträgern Öl, Gas, Kohle und Uran erweist sich aufgrund der zunehmenden Verknappung dieser Rohstoffe (BGR, 2006) und der damit einhergehenden Verteuerung, wie die Preise für Rohöl im Juli 2008 mit 45 US-$ pro Barrel zeigten, immer mehr als Hemmfaktor für die weitere Wirtschaftsentwicklung. Um dieser Situation zu begegnen wurden auf verschiedenen politischen Ebenen Konzepte und Strategien zur Förderung erneuerbarer Energien entwickelt und für Brandenburg beispielsweise im Biomasseaktionsplan Brandenburg (MLUV, 2006) festgeschrieben. Kurzumtriebsplantagen zur Biomasseproduktion spielen in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. Im Allgemeinen werden hierbei schnellwachsende Baumarten wie Weide, Pappel und Robinie angepflanzt und dann über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren in kurzen, meist drei- bis sechsjährigen Umtriebszeiten bewirtschaftet. Die ausgewählten Pflanzen sind fähig zum Stockausschlag, wodurch nach jedem Umtriebszyklus ein Neuaufwuchs des Bestandes möglich ist. Die Bewirtschaftung der Baumstreifen von ACS im Kurzumtrieb bietet sich insbesondere auf brandenburgischen Grenzertragsstandorten an, da so die Vorteilswirkungen des Agroforstsystems Alley-Cropping mit einer extensiven (geringer zusätzlicher Bedarf an Dünger (insbesondere bei Anpflanzung von Leguminosen wie der Robinie), Pestiziden und Arbeitskraft), nachhaltigen und voraussichtlich zukunftssicheren Form der Biomasseproduktion kombiniert und damit zur Diversifizierung der landwirtschaftlichen Produktion und zur Erhöhung der regionalen Wertschöpfung beigetragen werden kann. 32

3 Am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung werden ACS bereits seit über 5 Jahren wissenschaftlich untersucht. So wurde beispielsweise Mitte der neunziger Jahre eine Alley-Cropping-Versuchsanlage auf Rekultivierungsflächen im Tagebau Jänschwalde (Lausitzer Braunkohle-Revier) angelegt, in dem die Baumarten Pappel (Androscoggin, Hybride 275), Weide (Carmen) und Robinie in verschiedenen Umtriebszeiten (3, 6+3 und 9 Jahre) sowie verschiedene Feldfrüchte untersucht wurden. Im Laufe der Zeit wurden im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt, die u. a. das Wuchsverhalten, Bestandesinteraktionen, das Mikroklima, die Biodiversität sowie die Nährstoffsituation und Stoffkreisläufe in ACS zum Thema hatten. In diesem Artikel sollen nun ökologische Vorteilswirkungen dieser Systeme aufgezeigt und einige Ergebnisse der bisherigen Arbeiten zusammenfassend vorgestellt werden. 2 Mikroklima Aufgrund der Heckenstreifen kommt es in ACS zu einer Veränderung der mikroklimatischen Bedingungen im Vergleich mit traditionellen Ackerflächen. Die Auswirkungen auf das Mikroklima sind vielfältiger Natur (Abb. 2) und bezüglich der angebauten Ackerkulturen größtenteils als positiv zu bewerten. Die Hecken sind Schattenspender und reduzieren als durchlässige Windschutzstreifen signifikant die Windgeschwindigkeit auf der vom Wind abgewandten Seite der Baumstreifen (Abb. 2). Diese Effekte bringen insbesondere in weitläufigen Agrarlandschaften viele Vorteile mit sich. Die Gehölzstreifen wirken der Verlagerung des Oberbodens durch Wind- und Wassererosion entgegen (SUDMEY- ER et al., 2002, SUN et al., 2008). Auch das Risiko direkter Windschäden einschließlich der Deformationen, die durch den Aufprall von Sandkörnern an den Ackerkulturen entstehen können, wird minimiert (CLEUGH, 998). In Regionen mit trockenen und heißen Sommern ist die Reduzierung der Windgeschwindigkeit vor allem im Hinblick auf die damit einhergehende Verringerung der Evaporation von großer Bedeutung. Sowohl durch geringere Windgeschwindigkeiten als auch durch die Schattenwirkung der Gehölzstreifen wird die Wasserverdunstung des Bodens gemindert (BRANDLE et al., 2004). Die Beschattung ist zugleich mit einer Abschwächung der Temperaturmaxima verbunden. Dies führt zu einer Verringerung hitzebedingter Schäden und trägt seitens der Ackerkulturen zu einer Absenkung der Transpirationsraten und somit zur Schonung der Bodenwasserreserven bei (Brandle et al., 2004). In den Wintermonaten führen die Gehölzstreifen zu einer gleichmäßigeren Verteilung von Schnee und im Frühjahr zu einem verzögerten Abtauen (SCHOLTEN, 988). Auch dies kann in den kühl-gemäßigten Breiten zu einer längeren Wasserverfügbarkeit im Frühjahr beitragen. Untersuchungen, die am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung auf einer Alley-Cropping-Versuchsfläche im Rekultivierungsbereich des Tagebaus Jänschwalde durchgeführt wurden, zeigen, dass die Bodenfeuchtigkeit in den durch Hecken geschützten 8 m breiten Ackerstreifen deutlich höher als in einem angrenzenden jedoch ungeschützten Ackerstandort war (QUIN- Abbildung 2: Beeinflussung mikroklimatischer Kenngrößen durch Heckenstreifen in der Agrarlandschaft. 33

4 KENSTEIN et al., 2008). Allgemein führt die Modifikation des Mikroklimas zu einer Verbesserung der Wassernutzungseffizienz und damit zu einer potentiellen Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktionsstabilität. Die ertragssteigernde Wirkung von Heckenstrukturen wurde vielfach durch wissenschaftliche Untersuchungen belegt. Bereits PRETZSCHEL et al. (99) ermittelten im Rahmen einer in Deutschland mit verschiedenen landwirtschaftlichen Kulturen durchgeführten Serie von Feldexperimenten die höchsten Erträge (z. B. bei Lupine bis zu 4 Prozent, bei Kartoffel bis zu 30 Prozent) in einem Bereich zwischen dem knapp zwei- und zehnfachen der Heckenhöhe auf der windabgewandten Seite. Der Aspekt einer erhöhten Wasserverfügbarkeit gewinnt insbesondere in Regionen wie Brandenburg, mit tendenziell wärmeren und trokkeneren Sommern an Relevanz. Neben einer Erhöhung der Ertragsstabilität von Ackerkulturen können auf Grünland angelegte ACS insbesondere durch Beschattung (Abschwächung von Temperaturextrema, Regen- und Windschattenzonen) auch zu einer Verbesserung der Haltebedingungen von Nutztieren beitragen. Einfluss und Intensität der mikroklimatischen Veränderungen hängen in entscheidendem Maße von der Ausrichtung, Struktur und Höhe der Heckenstreifen ab. In Deutschland werden die größten windreduzierenden Effekte erzielt, wenn die Gehölzstreifen in Nord-Süd-Richtung, also entgegen der hier vorherrschenden westlichen Hauptwindrichtung angelegt werden. Den höchsten Beschattungsgrad erreicht man hingegen durch Pflanzung in Ost-West-Richtung. Die Höhe der Gehölzstreifen ist eine wesentliche Bestimmungsgröße für den Wirkungsbereich der Heckenstrukturen. Nach NUBERG (998) tritt die größte windbremsende Wirkung im Bereich zwischen dem vier- bis zwölffachen der Heckenhöhe auf. Um die windbremsende Wirkung der Gehölzstreifen dauerhaft zu gewährleisten, sollte bei mehrreihig angelegten Baumstreifen jeweils nur ein Teil beerntet werden (Abb. ). Neben einer Aufwertung des Mikroklimas stellen die in ACS angepflanzten Gehölze jedoch auch Konkurrenten für die angebauten Feldfrüchte dar. Nach NUBERG (998) treten ertragsmindernde Konkurrenzeffekte vorwiegend in einem Bereich von ein bis zwei Heckenhöhen auf. Insbesondere in ACS mit schmalen Ackerstreifen können die negativen Effekte der interspezifischen Konkurrenz stärker als die positiven Wirkungen auf das Mikroklima sein (JOSE et al., 2000). Größe und Abstand der Heckenstreifen sind daher wichtige Steuergrößen für ein optimales Design und können genutzt werden, um die ökologischen Vorteilswirkungen der ACS auf lokaler und regionaler Ebene effektiv anzupassen. Allerdings ist hierfür konkretes Fachwissen unabdingbar. Dieses jedoch steht, gerade für Mitteleuropa, bisher nur in begrenztem Umfang zur Verfügung. 3 Biomasseproduktion und Kohlenstoffkreislauf Der Kohlenstoffkreislauf in ACS ist im Hinblick auf die zusätzliche Kohlenstoffbindung durch das Pflanzenwachstum (Bäume und landwirtschaftliche Kulturen) und durch die Kohlenstoffspeicherung im Boden ein besonderer Aspekt der Forschung. Die Biomasseproduktion in ACS hängt von der Bewirtschaftungsform (Umtriebszeit, Düngung), der Pflanzstruktur (Reihenabstand, Pflanzdichte), den kultivierten Pflanzenarten, dem Klima, den Standorts- und Wuchsbedingungen und nicht zuletzt vom Flächenanteil der Gehölzkomponente ab. Werden die Heckenstreifen im Kurzumtrieb bewirtschaftet, so finden in unseren Breitengraden bevorzugt die schnellwachsenden Baumarten Pappel, Weide oder Robinie Verwendung. In Abhängigkeit von Standort und lokalen Wuchsbedingungen können unter Weide im Durchschnitt Zuwächse von etwa 7-0 Mg (ha a) -, für Pappel 0-5 Mg (ha a) - (BOEL- CKE, 2006, HOFMANN-SCHIELLE et al., 999, SCHOLZ et al., 2002) und für die Pionier-Baumart Robinie etwa 5-8 Mg (ha a) - (GRÜNE- WALD et al., 2007, PETERS et al., 2007) erzielt werden. Untersuchungen des Lehrstuhls für Bodenschutz und Rekultivierung, die in einem ACS auf zu rekultivierenden Kippböden im Tagebau Jänschwalde durchgeführt wurden, ergaben für Robinie nach neun Jahren bei verschiedenen Umtriebszeiten (3, 6+3 und 9 Jahre) auf Vollbestockung bezogene Jahreszuwächse zwischen 8,9 und 9,5 t (ha a) -, für Pappel 3,0-5,7 t (ha a) - und für Weide 0,7-,5 t (ha a) - (GRÜNEWALD et al., 2006). Diese Werte sind nur auf die Gehölzkomponenten bezogen. Für ein ACS mit einem angenommenen Heckenanteil von 25 Prozent der Fläche, würde sich der Jahreszuwachs für die Gesamtfläche entsprechend auf ein Viertel der angegebenen Erträge reduzieren. Neben der Biomasseakkumulation in der oberirdischen beerntbaren Stamm-Biomasse, wird weiterer Kohlenstoff auch in anderen Pflanzenteilen wie den Wurzeln oder dem Stumpf gespeichert (die gängige Beerntungstechnik schneidet die Triebe ca. 0 cm oberhalb der Erdoberfläche ab). Über den Streufall (oberirdisch in Form von Blättern und Zweigen sowie unterirdisch in Form von Wurzelstreu) werden schließlich Teile der akkumulierten Biomasse an den Boden abgegeben, wo sie im Rahmen der Streuzersetzung (Dekomposition) durch Bodenlebewesen umgesetzt, teilweise respiriert und humifiziert werden. Die ober- und unterirdische Biomasse fungiert daher in Verbindung mit den Bodenkohlenstoffpools als eine dynamische Kohlenstoff-Senke. Um die Dynamik der beteiligten Kohlenstoffflüsse abzubilden, werden üblicherweise Kenngrößen wie die Nettoprimärproduktion (NPP) verwendet. Diese bezeichnet den Pflanzenzuwachs abzüglich der autotrophen Respiration (SCHULZE, 2006). Da von der gebildeten Biomasse natürlicherweise während des Lebenszyklusses des ACS verschiedene Anteile umgesetzt (beispielsweise durch Streufall etc.) oder dem System entzogen werden (z. B. durch die Beerntung), eignet sich die NPP alleine nicht für die umfassende Quantifizierung der C- Flüsse. Zur Abbildung dieser Einflüsse dienen die Flussgrößen NEP (Nettoökosystemproduktion), die sich als Differenz der NPP und der heterotrophen Respiration berechnet, sowie die Nettobiomproduktion (NBP), welche die NEP um weitere nicht-respirative Kohlenstoffentzüge (Ernteentzüge, Feuer etc.) vermindert. Generell ist jedoch bei der Betrachtung der C-Flüsse zu bedenken, dass sowohl die NPP, die NEP als auch die NBP dynamische Flussgrößen sind und als solche einem Zeiteinfluss unterliegen. Es ist daher beispielsweise zu erwarten, dass die Werte für die NBP bei der Etablierung von ACS im Vergleich zu einer reinen Ackerfläche ansteigen, da sich durch die Einbringung der Gehölzkomponente neue Kohlen- 34

5 stoff-pools entwickeln, in denen zusätzlicher Kohlenstoff gespeichert werden kann. Sind diese Pools annähernd gefüllt (die Plantage ist gealtert), geht der Wert für die NBP zurück. Die Quantifizierung dieser Flussgrößen für ACS ist bisher aufgrund fehlender Daten nur ansatzweise möglich. Am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung wurden entsprechende Berechnungen für reine Kurzumtriebsplantagen durchgeführt, wobei für die Brandenburgischen Ackerflächen und die Baumart Pappel für eine Zeitspanne von 20 Jahren mittlere Werte für die NPP von 8,6 MgC (ha a) -, für NEP von 6,2 MgC (ha a) - und für die NBP von 0,8 MgC (ha a) - ermittelt wurden (QUINKEN- STEIN et al., 2008a). Setzt man ein vergleichbares Wachstum für die Gehölze in ACS voraus, dürften sich bei einem kleineren Flächenanteil der Hecken diese Werte entsprechend reduziert auch auf ACS übertragen lassen. 4 Weitere Wechselwirkungen Zusätzlich zu den bereits genannten Eigenschaften weisen ACS eine Vielzahl weiterer ökologisch relevanter Wechselwirkungen auf. Zu nennen sind hier insbesondere die im Vergleich zu Ackerland vorteilhafteren Nährstoffbilanzen, die durch Einbringen der Gehölzstreifen in die Agrarlandschaft erhöhte strukturelle Habitatvielfalt und durch die Bewirtschaftung bedingte zeitliche Bestandesdynamik. 4. Nährstoffkreislauf Im Vergleich zu vielen subtropischen und tropischen Agroforstsystemen auf nährstoffarmen Standorten, in denen wichtige Hauptnährstoffe in (nahezu) geschlossenen Kreisläufen umgesetzt werden müssen, ist für ACS der temperierten Klimate aufgrund ausreichender Düngerverfügbarkeit die Führung der Nährstoffe im Kreislauf nicht so zwingend. Grundsätzlich ist jede Beerntung mit dem Entzug von Nährstoffen verbunden, die in der entnommenen Biomasse gebunden sind. Hinzukommen natürliche Entzugspfade wie die Auswaschung über Sickerwässer (z. B. Nitrat) und die Emission gasförmiger N-Verbindungen aus dem Boden (z. B. Lachgas, N 2 O). Neben den Nährstoffausträgen existieren auch natürliche Input-Pfade. Dies sind beispielsweise gasförmige Verbindungen, die durch den Regen aus der Luft ausgewaschen und in ACS eingetragen werden (z. B. Aerosole, Staub), symbiotische Stickstofffixierung durch die Pflanzen (z. B. bei Robinie), Mineralfreisetzung durch Verwitterungsprozesse und Einträge über Hangzug- oder Grundwasser. Die Differenz zwischen Austrägen und Einträgen kennzeichnet in der landwirtschaftlichen Praxis den Nährstoffbedarf einer Kultur. Bilanzdefizite werden üblicherweise durch Düngung oder eine andere Form der Nährstoffzufuhr ausgeglichen. Eine Untersuchung der durchschnittlichen Nährstoffentzüge kann Hinweise über die längerfristige Entwicklung der Nährstoffsituation am Standort liefern und helfen, den Düngerbedarf, eine mögliche Klimawirksamkeit (in Bezug auf Treibhausgasemissionen) oder Einflüsse auf die Trinkwasserqualität der Pflanzung zu quantifizieren. In einem ersten Ansatz zur Klärung dieser Fragen wurden am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung die Nährstoffentzüge durch die Beerntung der Gehölzkomponente von ACS untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag hierbei auf der Auswertung von eigenen Datenbeständen, die auf einer Alley-Cropping-Versuchsfläche erarbeitet worden waren. Die ermittelten Nährstoffentzüge durch geerntete (exportierte) Biomasse wurden in Beziehung gesetzt zu den Exporten in einem Kiefern-Wald sowie zu durchschnittlichen Nährelementexporte aus landwirtschaftlichen Kulturen (QUINKENSTEIN et al., 2008). Für die Bewertung der landwirtschaftlichen Kulturen wurde auf Literaturangaben zurückgegriffen (LVL, 2002). An dieser Stelle sollen die wichtigsten Ergebnisse zusammenfassend dargestellt werden. Eine detailliertere Aufstellung und Diskussion der Resultate findet sich in QUINKENSTEIN et al. (2008). Die Untersuchungen ergaben, dass die Nährelementexporte aus einem traditionellen Kiefernforst geringer ausfallen als Exporte aus ACS. Da in der traditionellen Forstwirtschaft im Allgemeinen die stoffliche Verwertung des Stammholzes im Vordergrund steht, sind die Bestände auf Wertholzproduktion ausgelegt, wodurch in der geernteten Biomasse ein vergleichsweise hoher Holz- und geringer Rindenanteil und daher niedrige Nährstoffgehalte vorliegen. Würde nun verstärkt Biomasse für die energetische Verwertung produziert werden, so hätte dies neben einer Aktivierung früher ungenutzter Stangen- und Schwachholzsortimente, zum Teil auch die Nutzung von Holzsortimenten mit geringeren Durchmessern zur Folge. Das Resultat einer solchen Nutzung wären erhöhte Nährstoffexporte aus dem Bestand, da das Verhältnis von nährstoffreicher Borke zu nährstoffarmen Holz in der Erntemasse zunehmen würde. Insgesamt verbliebe der Nährstoffentzug jedoch auf einem vergleichsweise geringen Niveau. Schnellwachsende Baumarten aus ACS werden im Vergleich zu forstwirtschaftlich genutzten Bäumen wesentlich intensiver und in deutlich kürzeren Umtriebszeiten bewirtschaftet. Die produzierten Erntemassen sind daher aufgrund ihrer Zusammensetzung und ihres Alters durch höhere Nährelementgehalte geprägt. Als Folge hiervon verursachen Kurzumtriebs-Systeme einen höheren Nährstoffexport je Flächeneinheit als er durch sämtliche Szenarien einer verstärkten Biomassenutzung aus der Forstwirtschaft denkbar wäre. Für den Vergleich des Nährstoffexports von ACS mit konventionell genutzten Ackerflächen wurde auf Daten des Landesamts für Verbraucherschutz und Landwirtschaft des Landes Brandenburg (LVL, 2002) für die Jahre zurückgegriffen, die aus den Anbauflächen und Durchschnittserträge für verschiedene Fruchtarten berechnet wurden. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass nur die Hauptfrüchte als Abfuhr angerechnet werden und sämtliche Nebenprodukte, wie z. B. Stroh oder Rübenblatt auf dem Acker verbleiben. Im Bezugsjahr 200 stellt Getreide mit 65 Prozent den größten Flächenanteil an der bewirtschafteten Ackerfläche. Über den Zeitraum von 995 bis 200 errechnen sich bei einem durchschnittlichen Ertrag von 5,8 Mg (ha a) - jährliche Nährstoffentzüge, die höher als die Entzüge von Waldholz und höher als die Entzüge von ACS liegen. Im Vergleich zu Ackerland ist der Nährelemententzug durch Kurzumtriebsplantagen daher vergleichsweise gering. 35

6 Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Bereitstellung von Holz aus konventioneller Forstwirtschaft mit den geringsten Nährelementexporten verbunden ist. Allerdings werden in Deutschland zur Zeit auch nur verhältnismäßig geringe Mengen an schnellwachsender Dendromasse bereitstellt, da die derzeitige Forststruktur auf die Produktion von Wertholz und nicht auf die Produktion von Biomasse zur energetischen Verwertung ausgelegt ist. Der Anbau von Feldgehölzen in ACS ist eine intensivere Bewirtschaftungsform, die mit höheren Nährelemententzügen verbunden ist. Im Vergleich zum konventionellen Ackerbau sind die bei ACS auftretenden Nährelementexporte aufgrund der zusätzlichen Holzkomponente jedoch geringer. Im Sinne stärker geschlossenerer Nährstoffkreisläufe, wären denkbare Maßnahmen, die den Nährelementexport beim Anbau von Dendromasse verringern könnten, beispielsweise die Verwendung von Arten/Klonen mit hoher Nährelementnutzungseffizienz, die Auswahl von Luftstickstoff bindenden Arten wie Robinie (insbesondere auf Grenzertragsstandorten), ein kontrolliertes Düngungsregime (z. B. Ausbringung von Aschen) sowie möglichst hohe Umtriebszeiten. 4.2 Auswirkungen auf die Biodiversität In den letzten Jahrzehnten waren Landnutzungswechsel in Mitteleuropa im Allgemeinen bedingt durch die subventionierte Stilllegung von Agrarflächen. Diese Areale entwickelten sich über die Jahre zu wichtigen Habitaten für eine Vielzahl von Spezies und werden zunehmend als bedeutsam für die Erhaltung einer angemessenen Zahl von Metapopulationen in der Kulturlandschaft angesehen. Sie steuern auf regionaler und nationaler Ebene zur Biodiversität bei. Aktuell wird diese Entwicklung durch die stark ansteigende Nachfrage nach erneuerbarer und nachwachsender Biomasse und dem hiermit einhergehenden Flächenbedarf in Frage gestellt. Als Folge hiervon hat die EU Ende des Jahres 2007 die Stilllegungsverpflichtung für ein Jahr ausgesetzt, um es den Landwirten zu ermöglichen auf den neuen Bedarf zu reagieren (EU, 2007). Die geänderte Politik resultiert in der erneuten Nutzung von Stilllegungsflächen, in einer zunehmenden Intensivierung der Produktion, sowie in der Etablierung neuerer, angepasster Landnutzungssysteme. Die Rolle, die ACS hierbei zukommt, ist noch nicht absehbar. Es ist bekannt, dass Hecken mit einem hohem Baumanteil als Rückzugsrefugien für viele Spezies dienen, die sich bei rauher werdenden Bedingungen von Ackerflächen zurückziehen und unter Büschen oder in Baumgruppen Unterschlupf suchen. Waldbewohnende Arten, für die Ackerland oft ein Ausbreitungshemmnis darstellt, können Hecken zudem als Wanderkorridore nutzen, wodurch ein Austausch zwischen verschiedenen Populationen entstehen kann. In der Vergangenheit war die Etablierung, Erhaltung und Pflege solcher Heckensysteme für die Landwirte nicht sonderlich attraktiv und das Wissen über die ökologischen Vorteile und mögliche Auswirkungen von Hecken auf die Organismenpopulationen in der Agralandschaft war begrenzt. Erschwerend kommt hinzu, dass die einfache Wissensübertragung von einem Landnutzungssystem auf ein anderes nicht ohne weiteres möglich ist. Kurzumtriebsplantagen wurden in Deutschland erst in den letzten Jahren verstärkt angepflanzt und ACS existieren bisher nur auf Versuchsplot- Skala, bzw. wurden erst in den letzten zwei Jahren z. B. in der Energielandschaft Welzow in einer praxisrelevanten Größenordnung angelegt. Daten und Langzeitbeobachtungen über die Biodiversität in solchen Systemen sind aus diesen Gründen bisher nur in geringem Umfang vorhanden. Untersuchungen, die am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung in der Lausitz-Region durchgeführt wurden bestätigen jedoch, dass die Struktur- und Lebensraumvielfalt in ACS eine Erhöhung der Biodiversität (u. a. bei Spinnen und Laufkäfern) im Vergleich zu konventionellen Ackerschlägen herbeiführt. Neben der höheren Strukturvielfalt haben ACS auch noch den Vorteil, dass es sich in den meisten Fällen um extensive, low-input Nutzungssysteme handelt, in denen aufgrund langfristig vergleichsweise gleichmäßiger Wachstumsbedingungen auch die natürliche Bodenentwicklung ungestört ablaufen kann. Dies hat positive Auswirkungen auf die Humus- und Nährstoffsituation im Bestand sowie auf die Bildung organischer Auflagen. Einfache Maßnahmen, die Biodiversität in ACS zusätzlich zu fördern wären beispielsweise die nur teilweise Aberntung der Gehölzstreifen je Umtrieb (Abb. ), wodurch das Strukturelement Hecke erhalten bliebe, sowie die gleichzeitige Verwendung verschiedener Pflanzenarten für die Produktion. 5 Zusammenfassung und Ausblick Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass ACS eine ökologisch und ökonomisch attraktive Landnutzungsoption für Mitteleuropa darstellen können. Bei entsprechender Anlage der Flächen sind diese Systeme geeignet, die mikroklimatischen Bedingungen am Ackerstandort zu verbessern und die Ertragssituation gerade in trockenen Grenzertrags-Regionen Brandenburgs positiv zu beeinflussen. Werden die Gehölzstreifen zur Biomasseproduktion für die energetische Verwertung verwendet, ermöglichen ACS zudem eine Diversifizierung der landwirtschaftlichen Produktion und eine potentielle Erhöhung der Wertschöpfung im ländlichen Raum. Aufgrund der flexiblen Anlagestruktur können ACS gut an die örtliche technische Ausstattung und andere lokale Standortcharakteristika angepasst werden und sind somit für Landwirte einfach zu adaptieren. Die Gehölzstreifen wirken sich zudem positiv auf das Mikroklima aus und tragen so zur Erhöhung der Ertragsstabilität bei. Da zur Bewirtschaftung von Alley-Cropping nur geringe Mengen an Dünger und Pestiziden nötig sind, können ACS als low-input Systeme bewirtschaftet werden und zusätzliche ökologische Vorteilswirkungen entfalten. So können positive Auswirkungen auf die Biodiversität erwartet und auf regionaler Ebene über eine geschickte Anordnung der Heckenstreifen die Biotopvernetzung gefördert werden. Ferner steigert die Kultivierung mehrjähriger, verholzender Pflanzen auf Ackerflächen die Kohlenstoffsequestrierung im Ackerboden, wodurch dem Treibhauseffekt entgegengewirkt und zugleich die Bodenqualität durch Humusakkumulation erhöht wird. Alley-Cropping-Systeme für die Produktion von Biomasse zur energetischen Verwertung sind jedoch vergleichbar junge Landnutzungssysteme in Mitteleuropa. Obwohl die Ergebnisse zu den ökologischen und ökonomischen Einflüssen vielversprechend sind, ist die verfügbare Datengrundlage bisher vergleichsweise dünn. Weitere Forschungsarbeiten, insbesondere in praxisrelevanten Ansätzen, sind aus diesem 36

7 Grund notwendig. Aufbauend auf den Ergebnissen der bisherigen Forschungsprojekte werden daher am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung diese Fragestellungen wissenschaftlich weiter untersucht. Im laufenden Verbundprojekt AgroForstEnergie wurden beispielsweise in Zusammenarbeit mit der Vattenfall New Energy GmbH neue Alley-Cropping-Systeme auf Rekultivierungsflächen im Tagebau Welzow-Süd angelegt. In diesem Projekt soll die Produktion holzartiger Biomasse (insbesondere Robinie) und landwirtschaftlichen Kulturen in ACS ökologisch und ökonomisch bewertet werden. Hierzu erfolgen auf einer etwa 20 ha großen Versuchsfläche umfangreiche meteorologische, boden- und vegetationskundliche sowie bewirtschaftungs- und ertragsbezogene Datenerhebungen. Aus den Untersuchungsergebnissen sollen dann in generalisierbarer Form Möglichkeiten der Optimierung solcher Systeme abgeleitet und diese in einem nächsten Schritt der landwirtschaftlichen Praxis und Beratung zur Verfügung gestellt werden. Der Forschungsansatz eignet sich in besonderem Maße für Untersuchungen zur Bedeutung agroforstlicher Konzepte zur Wiederherstellung der Einkommensfunktion marginaler Standorte. Eine zentrale Fragestellung auf diesem trockenheitsexponierten Standort ist, ob der gleichzeitige Anbau von Gehölzen und Ackerkulturen auf einer Fläche aufgrund einer optimierten Wassernutzung zu einer höheren Wertschöpfung führt. Diese Arbeiten werden ergänzt durch umfangreiche Forschungstätigkeiten des Lehrstuhls für Bodenschutz und Rekultivierung u. a. im Rahmen der Internationalen Graduiertenschule (Fachklasse D) der BTU Cottbus. Literatur BGR (2006): Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 2006 Kurzstudie. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe. BMU (2007): Erneuerbare Energien in Zahlen nationale und internationale Entwicklung Stand: Juni Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. BOELCKE, B. (2006): Schnellwachsende Baumarten auf landwirtschaftlichen Flächen Leitfaden zur Erzeugung von Energieholz. Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft, Forsten und Fischerei Mecklenburg-Vorpommern. BRANDLE, J. R.; HODGES, L.; ZHOU, X. H. (2004): Windbreaks in north America agricultural systems. Agroforestry Systems 6, CLEUGH, H. A. (998): Effects of windbreaks on airflow, microclimates and crop yields. Agroforestry Systems 4: EU (2007): Verordnung (EG) Nr. 07/2007 des Rates vom 26. September 2007 zur Abweichung von der Verordnung (EG) Nr. 782/2003. Amtsblatt der Europäischen Union Nr. 07/2007. Amt für amtliche Veröffentlichungen der Europäischen Gemeinschaften. GERSTENGARBE, F.; BADECK, F.; HATTERMANN, F.; KRYSANOVA, V.; LAHMER, W.; LASCH, P.; STOCK, M.; SUCKOW, V.; WECH- SUNG, F.; WERNER, P. C. (2003): Studie zur klimatischen Entwicklung im Land Brandenburg bis 2055 und deren Auswirkungen auf den Wasserhaushalt, die Forst- und Landwirtschaft sowie die Ableitung erster Perspektiven. 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8 Dipl.-Geoökol. Ansgar Quinkenstein, Diplom-Geoökologe, 977 in Hannover geboren, Studium der Geoökologie an der Universität Bayreuth, seit 2005 wissenschaftlicher Mitarbeiter am der BTU Cottbus, Mitarbeit im BMBF-Projekt DENDROM Systemische Analyse, Leitbilder und Szenarien für die nachhaltige energetische und stoffliche Verwendung von Dendromasse aus Waldund Agrargehölzen, laufende Promotion zum Thema: Modellierung des Kohlenstoffhaushalts von Kurzumtriebsplantagen. Dr. rer. silv. Christian Böhm, Diplom-Forstwirt, 976 in Zwickau geboren, Studium der Forstwissenschaften an der TU Dresden (Tharandt), wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bodenkunde und Standortslehre der TU Dresden, 2005 Promotion zum Thema Dynamik des Stickstoffhaushaltes einer Sand-Braunerde nach vierjähriger Brache in Abhängigkeit der landwirtschaftlichen Nutzungsintensität, Weiterbildung zur Fachkraft für Geoinformationssysteme, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bodenlandschaftsforschung des ZALF in Müncheberg, seit 2007 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung der BTU Cottbus. Derzeit tätig im Rahmen des FNR-Projektes AgroForstEnergie. Dr.-Ing. Holger Grünewald, Jahrgang 97, Studium des Umweltingenieurwesens und der Verfahrenstechnik mit Schwerpunkt Bodenschutz an der BTU Cottbus, wissenschaftlicher Mitarbeiter am der BTU Cottbus mit Forschungsschwerpunkt Bereitstellung von Biomasse aus neuartigen Landnutzungssystemen (Kurzumtriebsplantagen, Agroforstsysteme), seit 2008 tätig als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Forstgenetik des vti. Dr. rer. nat. Bernd Uwe Schneider, Diplom-Forstwirt, 957 in Siegen/Westfahlen geboren, Studium der Forstwissenschaften an der Georg-Ludwig-August Universität Göttingen, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Bodenkunde und Bodengeographie der Universität Bayreuth, 990 Promotion zum Thema Wachstum und Ernährung von Feinwurzeln in unterschiedlich immissionsbelasteten Fichtenbeständen des Fichtelgebirges, Forstberater bei der Deutschen Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit GTZ mbh in Guatemala und Honduras, wissenschaftlicher Mitarbeiter am der BTU Cottbus, seit 2008 wissenschaftlicher Leiter im Helmholtz-Zentrum Potsdam/Deutsches GeoForschungsZentrum. PD Dr. habil. agr. Dirk Freese, Diplom-Agraringenieur, 958 in Neuruppin geboren, Studium der Pflanzenproduktion an der HU Berlin, Forschungsstudent an der HU Berlin, 988 Promotion zum Thema: Einfluss verschiedener Meliorationsmittel und -verfahren auf den P-Zustand und andere Bodenfruchtbarkeits-kennziffern rekultivierter Braunkohlen-Kippensubstrate, wiss. Mitarbeiter HU Berlin, wiss. Mitarbeiter AU Wageningen, Niederlande, wiss. Mitarbeiter HU Berlin, 997 Habilitation im Fach Bodenkunde und Standortlehre an der HU Berlin zum Thema Criteria and methods for the assessment of long-term phosphate sorption and desorption in soils, Privatdozent an der HU Berlin, Leitung GLV GmbH Gransee, seit 2005 Privatdozent an der BTU Cottbus. Dr. rer. nat. Jens Wöllecke, 967 in Goslar geboren, Ausbildung zum Biologisch technischen Assistenten in Braunschweig und Tätigkeit als Labormitarbeiter in Lüneburg, Studium der Biologie an der TU-Braunschweig, Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Wald- und Forstökologie des ZALF in Eberswalde, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Umweltwissenschaften an der Hochschule Vechta, 200 Promotion an der BTU Cottbus über die Mykorrhizazönosen zweier Kiefernforste unterschiedlicher Trophie, seit 200 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung der BTU Cottbus. Prof. Dr. rer. nat. habil Dr. h.c. Reinhard F. Hüttl, 957 in Regensburg geboren, Studium der Forstwissenschaften mit Schwerpunkt Bodenwissenschaften, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und Oregon State University Corvallis; wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bodenkunde, Universität Freiburg im Breisgau; Leiter eines internationalen Forschungsreferats der Kali und Salz AG/BASF-Gruppe, Kassel; wissenschaftlicher Berater am World Ressources Institute, Washington, D. C., USA; Assistant professor, chair of geobotany, University of Hawaii, Honolulu, USA; Privatdozent am Institut für Bodenkunde, Universität Freiburg; seit 993 Inhaber des Lehrstuhls Bodenschutz und Rekultivierung, BTU Cottbus; Prorektor bzw. Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs der BTU Cottbus; Sprecher des BTU-Innovationskollegs Bergbaufolgelandschaften; Sprecher des SFB 565 Gestörte Kulturlandschaften ; seit 2007 Sprecher des SFB/Transregio gemeinsam mit TU München und ETH Zürich Künstliches Wassereinzugsgebiet ; seit 995 ordentliches Mitglied der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften; Mitglied des Sachverständigenrates für Umweltfragen der Bundesregierung; Mitglied des Wissenschaftsrates; seit 200 Mitglied des Vorstandes des Konvents für Technikwissenschaften in der Union der Deutschen Akademie der Wissenschaften (acatech), 2006 Verleihung der Ehrendoktorwürde der Universität für Bodenkultur Wien, seit Juni 2007 wissenschaftlicher Vorstand und Vorstandsvorsitzender des Helmholtz-Zentrum Potsdam/GeoForschungsZentrum. 38