Bereitstellung von holzartigen Bioenergieträgern durch Agroforstsysteme

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1 5. 2. Rostocker Bioenergieforum Rostock, November 29. und , Oktober Rostock November 2011, Rostock Bereitstellung von holzartigen Bioenergieträgern durch Agroforstsysteme Christian Böhm 1, Manuela Bärwolff 2, Ansgar Quinkenstein 1, Dirk Freese 1 1 Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung, BTU Cottbus 2 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

2 Inhalt Einführung Agrarholzanbau Das Projekt AgroForstEnergie Beschreibung der Untersuchungsflächen Erträge der holzartigen Biomasse Agroforstsysteme und Mikroklima Erträge der Ackerkulturen Kohlenstoffhaushalt Nährstoffexport Wasserhaushalt und Wasserqualität Ökonomische Bewertung Zusammenfassung und Schlußfolgerungen

3 Energiepflanzenanbau in Deutschland Flächenanteil an Energiepflanzenanbau (%) Quelle: FNR, 2011 Pflanzen für Biogas 35,4 40,7 Pflanzen für Festbrennstoffe (u.a. Agrarholz) 0,2 0,3 schnellwachsende Baumarten in Agroforstsystemen ~ 0 ~ 0

4 Agrarholzanbau schnellwachsende Baumarten (Pappel, Weide, Robinie, Erle, Esche, D) Anlage i. d. R. im zeitigen Frühjahr (Steckhölzer/Steckruten bei Pappel, Weide, bewurzelte Pflanzen bei Robinie, ErleD) hohe Pflanzendichte (8.000 bis Bäume/ha) Pflanzverband variabel (einreihig, doppelreihig) kurze Umtriebszeiten (3 bis 6 Jahre); Ernte im Winter; 6-12 (20) t atro ha -1 a -1 ; Bäume treiben nach Ernte wieder aus Gesamtnutzungszeit der Bäume 20 bis 30 Jahre

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

6 Alley-Cropping-Systeme (ACS) Jänschwalde, Brandenburg Scheyern, Bayern Welzow, Brandenburg Dornburg, Thüringen

7 Warum Agroforstsysteme? Produktion von holzartigen Bioenergieträgern auf landwirtschaftlichen Flächen Erhöhung der Ertragssicherheit auf den Ackerstreifen durch die Windschutzwirkung der Baumstreifen (verändertes Mikroklima) Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit und Reduzierung des Düngemittel- und Pflanzenschutzmitteleinsatzes Verminderung der Bodenerosion und Reduzierung des Stoffaustrages aus landwirtschaftlich genutzten Flächen Erhöhung der Biodiversität in der Agrarlandschaft Aufwertung der Erholungsfunktion des ländlichen Raumes

8 Ökonomische und ökologische Bewertung von Agroforstsystemen in der landwirtschaftlichen Praxis

9 Das Projekt AgroForstEnergie Agro Forst Energie Produktion Mariensee Wendhausen Dornburg Welzow

10 Standort Dornburg repräsentiert strukturarmen Kulturlandschaftsteil Thüringens Größe: 50 ha; mittlerer Jahresniederschlag: 590 mm Bodenart: vorherrschend Ton und Schluff Bodentyp: Parabraunerde unterschiedliche Abstände der Gehölzstreifen Baumarten: Pappel (Max), außerdem Weide, Birke, Esche, Hainbuche, Blühsträucher Umtriebszeiten: 4 und 8 Jahre Fruchtfolge auf Ackerstreifen: W-Weizen, S-Gerste, W-Raps

11 Standort Welzow Lage allgemein Berlin Cottbus Cottbus Deutschland Niederlausitz Tagebau Welzow-Süd Landinanspruchnahme durch Braunkohleförderung: - Deutschland: ha - Revier Lausitz: ha (davon ca rekultiviert) [Quelle: Statistik der Kohlenwirtschaft, 2010]

12 Niederlausitzer Bergbaufolgelandschaft Jahresniederschlagssumme: 560 mm strukturarme, weitflächige Landschaft; ausgeprägte Trockenperioden, hohe Evapotranspirationsraten kein Grundwassereinfluß Bodenentwicklung im Initialstadium; geringe Gefügestabilität; hoher Anteil von (schwach lehmigen) Sanden (geringe Wasserhaltekapazität), allg. geringer Humus- und Nährstoffgehalt

13 Versuchsfläche Lage in Energielandschaft Welzow-Süd Agroforst-Versuchsfläche ca. 8 ha, angelegt Frühjahr 2007 Gehölzstreifen: Robinie, Nord-Süd-Richtung, 4 Doppelreihen, 11 m breit, Pflanzen/ha Gehölzfläche, Umtriebszeit: 4 Jahre Ackerstreifen: Luzerne (Rek.frucht), ca. 24 m breit N Ackerstreifen Ackerstreifen m weitere Informationen:

14 Bestandesentwicklung bei Robinie am Standort Welzow Baumhöhe [cm] Baumhöhe Wurzelhalsdurchmesser Median 25%-75% Min-Max n = ,8 Ø 3 t/ha*a (1. Rotation) 135 0,8 66 0, Wurzelhalsdurchmesser [cm] / / / / Winter 2009/2010 Höhe (cm) WHD (cm) Gesamt: 304 3,7 Außenreihen: 312 3,7 Innenreihen: 285 3,9

15 Bestandesentwicklung bei Pappel am Standort Dornburg Höhe [cm] Pflanzabstand 0,5 x 2m Pflanzabstand 1,5 x 3m Wurzelhalsdurchmesser [cm] ,6 1,9 1,7 2,

16 Ertragsdaten am Standort Dornburg 10 Ertrag [t atro/ha/a] Pappel Pappel Pappel Weide Weide Birke Birke Esche Esche Hainbuche Hainbuche A B C A B B C B C A C 1. Rotation; A, B, C = verschiedene Energieholzstreifen

17 Einfluß von Gehölzstreifen auf das Mikroklima Gehölzstreifen konv. Ackerfläche Gehölzstreifen Quelle: Freese et al., 2010

18 Einfluß von Gehölzstreifen auf die Windgeschwindigkeit Standort: Alley-Cropping im Rekultivierungsbereich des Tagebaus Welzow-Süd Baumart: Robinie; Ackerstreifenbreite: 24 m 11 m 3 m Meßhöhe Windgeschwindigkeit [m s -1 ] 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 Ackermitte (12 m) Ackerrand (3 m) Agrarholz Freifläche 0,00 1 m Freifläche: 100 %, Ackermitte: 62 %, Ackerrand: 54 %, Agrarholzbest.: 11 % Ø berechnete Bodenabträge in t/ha*a durch Wind in Mecklenburg-Vorpommern: > 100 t/ha*a bei ha [Quelle: Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie Mecklenb.-Vorp., 2002]

19 Ertrag von Luzerne auf den 24m breiten Ackerstreifen des Alley-Cropping-Systems in Abhängigkeit der Entfernung zum Gehölzstreifen (Lee- bzw. Luv-Seite ca. 3 m entfernt) 8 Ertrag [t atro ha -1 ] Ertrag August 2008 Ertrag Juni 2009 Ertrag Mai 2010 Median 25%-75% Min-Max 1 0 Lee Mitte Luv In Randbereichen ist Ertrag im Mittel 23 % höher als im Bereich der Ackerstreifenmitte (besonders ausgeprägt bei trockenen Frühjahren)

20 Forum Agroforstsysteme, 20. & , Dornburg Ertrag Winterweizen 2010 am Standort Dornburg Durchschnittsertrag Gesamtfläche: 85 dt/ha bei 86% TS Quelle: Bärwolff et al., 2011

21 Vorrat des organischen Gesamtkohlenstoffs (TOC) im Boden unterschiedlich alter Kurzumtriebsplantagen aus Robinie (Robinia pseudoacacia) in 0-60 cm Bodentiefe 120 Corg-Vorrat TOC [kg ha -1 ] cm 3-10 cm cm cm cm Alter [Jahre]!! Ø jährliche Akkumulation von Kohlenstoff in Robinien-KUP: 7 t/ha!! Quelle: Quinkenstein et al. (2011), modifiziert

22 Nährstoffgehalt und Nährstoffentzug bei einer Silomais-Monokultur und einem Alley-Cropping-System (30 % Robinie, 70 % Silomais) Nährstoffgehalt Nährstoffentzug Nährstoffgehalt [kg/t] Robinie (Holz und Rinde) Mais (Ganzpflanze) Nährstoffentzug [kg/ha*a] Mais (Monokultur) Mais-Robinie (Alley-Cropping) N Mg P K N Mg P K [angenommene Erträge für 1 ha Monokultur Silomais: 7,5 t TM/ha*a (Hanff et al., 2008), Robinie: 6 t TM/ha*a (eigene Daten); Nährelementgehalte = eigene Daten Quelle: Freese et al. (2010)

23 Einfluß der Agrarholzproduktion auf den Wasserhaushalt und die Wasserqualität im Vergleich zu konv. Ackerbau Große zusammenhängende Flächen Oberbodenfeuchte Grundwasserneubildung Sicker- und Grundwasserqualität Qualität von Oberflächengewässern +/ Agroforst Aufsplitterung großer Flächen Oberbodenfeuchte Grundwasserneubildung Sicker- und Grundwasserqualität Qualität von Oberflächengewässern + -/o + ++

24 Agrarholzanbau und Qualität von Oberflächengewässern Bodenerosion Austrag von Nährstoffen (P!) und Pflanzenschutzmitteln Agrarholzbestände bilden effektiven Schutz gegen Wind- und Wassererosion, fördern Infiltration des Niederschlagwassers, tragen zur Stabilisierung des Oberbodens bei (intensives, permanentes Wurzelsystem, Streuauflage) 7 m Rutenhirse, 9 m Bäume Sediment 3 % 15 % 9 % Nitrat-N Phosphor Quelle: Lee et al. (2003) [Nordamerika]

25 Ökonomische Bewertung am Standort Welzow Ausgewählte Vorbedingungen und Merkmale der Kalkulation: dynamische Investitionsrechnung (Kalkulationszinssatz = 5 %) Gesamtnutzungsdauer = 24 Jahre danach werden Bäume gerodet Nutzung regionaler Daten; 10 % Mehraufwand, 6 % Mehrertrag für Ackerkultur Kosten für Transport und Trocknung sowie Pacht und Fördermittel/Prämien wurden nicht berücksichtigt Baumart = Robinie (1. Rotation: 3 t/ha*a; ab 2. Rotation: 6 t/ha*a) Rotationszeit = 4 Jahre; Anteil Gehölzfläche: 31 % gleiche Fruchtfolge bei ACS und konventioneller Landwirtschaft Fruchtfolge ist typisch für Rekultivierungsstandorte hoher Luzerneanteil Luzerne Luzerne Luzerne Luzerne Luzerne Luzerne W.-Roggen Luzerne Luzerne Luzerne W.-Roggen Luzerne Luzerne Luzerne W.-Roggen Winterraps W.-Triticale W.-Roggen Luzerne Luzerne Luzerne W.-Roggen Winterraps W.-Triticale Beginn 24 Jahre

26 Ökonomische Bewertung am Standort Welzow Hackschnitzelpreis (WG = 38 %) 90 /t Annuität [ ha -1 a -1 ] KUP AC Acker Annuitäten 311 /ha 33 /ha -111 /ha 60 /t Annuität [ ha -1 a -1 ] Jahr KUP AC Acker 68 /ha -43 /ha -111 /ha Jahr

27 Ökonomische Bewertung am Standort Dornburg Hackschnitzelpreis (atro): 81,75 /t Anteil der Gehölzstreifen: 10,4 % Pappelertrag: 10 t/ha*a Annuität Alley-Cropping: 97 /ha Annuität konventionelle Landwirtschaft: 105 /ha Quelle: Bärwolff et al., 2011 Höhere Rentabilität des konventionellen Ackerbaus aufgrund deutlich höherer Ackerfruchterträge (ertragreichere Standorte)

28 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen Der Anbau von Agrarholz in Agroforstsystemen bietet die Möglichkeit holzartige Bioenergieträger und Nahrungs- bzw. Futtermittel effektiv auf einem Ackerschlag zu produzieren, durch eine Verbesserung des Mikroklimas die Ertragsstabilität der angrenzenden Ackerkulturen zu erhöhen, Bodenabtrag zu reduzieren die Kohlenstoffakkumulation im Boden zu fördern, den Nährstoffexport zu mindern und folglich Ressourcen zu schonen, eine durch den großflächigen Agrarholzanbau bedingte Minderung der Grundwasserneubildungsrate abzuschwächen und zu einer besseren Qualität von Sicker,-Grund- und Oberflächenwässer beizutragen. Auf Grenzertragsstandorten auch ökonomisch sinnvolle Alternative. JEDOCH: hohe Ernte- und Investitionskosten sowie höhere Bewirtschaftungskosten führen insbesondere auf ertragreichen Standorten zu Mindereinnahmen im Vergleich zum konventionellen Ackerbau

29 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen Agroforstsysteme stellen eine vielversprechende Landnutzungsalternative für die kombinierte, ressourcenschonende Produktion von holzartiger Biomasse sowie Nahrungs- bzw. Futtermittel dar. Zur Förderung dieser nachhaltigen Systeme erscheint insb. auf ertragreichen Standorten eine monetäre Bewertung ihrer ökosystemaren Dienstleistungen als zielführend.

30 DankeQ