Energiefruchtfolgen für leichte Standorte mit begrenztem Wasserangebot

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1 Energiefruchtfolgen für leichte Standorte mit begrenztem Wasserangebot Jana Grunewald Dr. Kerstin Jäkel Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Referat Pflanzenbau Waldheimer Str Nossen Seit 1 Jahren werden im Projekt EVA (Projekttitel: Entwicklung und Vergleich von optimierten Anbausystemen für Energiepflanzen zur Biogasproduktion) ertragliche und ökonomische Alternativen für Mais zur Vergärung in der Biogasanlage untersucht. Die Erkenntnis ist: In Bezug auf das Ertragspotenzial und die Wirtschaftlichkeit konnte keine im Projekt erprobte, einjährige Energiepflanze dem Mais den Rang als vorzüglichste Biogaspflanze streitig machen. Weitere leistungsstarke, gut vergärbare pflanzliche Cosubstrate zur Senkung des Ertragsrisikos und zur Erhöhung der Vielfalt in der Fruchtfolge gibt es dennoch genügend. Jetzt, nach Ende der zweiten Projektphase, sollen die wichtigsten Ergebnisse aus vier Rotationen der Jahre 25 bis 213 zusammengefasst werden. Es wurden acht Fruchtfolgen aus einer Kombination von C 4 -Pflanzen (Mais, Sorghumhirsen), Ackerfutter, Drusch, Öl- und Hackfrüchten sowie Getreidebeständen zur Ganzpflanzennutzung erprobt. Auch Zwischenfrüchte und Zweikultursysteme aus einer früh räumenden Winterzwischenfrucht und Mais bzw. Sorghum sp. als Zweitfrucht wurden in die Anbausysteme integriert (Tabelle 1). Der Fruchtfolgeversuch wurde auf einem leichten, mittelschluffigen Sandboden (Su3), einer Bänderparabraunerde mit der Ackerwertzahl 31, in Trossin (Dübener Heide) im Landkreis Nordsachsen angelegt (Abbildung 1). Der eiszeitlich geprägte Standort liegt 12 m über NN und ist charakterisiert durch eine Jahresdurchschnittstemperatur von 8,9 C sowie einem 3-jährigen Niederschlagsmittel von 554 mm ( , DWD). In den letzten Jahren zeichneten sich jedoch ein deutlicher Temperaturanstieg von durchschnittlich,9 C und geringere Jahresniederschlagsmengen ab (Mittel der Jahre : 9,8 C, 463 mm Niederschlag, LfULG-Wetterstation Spröda). Ertragsbeeinflussend wirken in Trossin vor allem klimatische Faktoren, wie die ausgeprägte Vorsommertrockenheit, und die limitierenden Bodeneigenschaften. Abbildung 1: EVA-Versuchsfläche in Trossin. 1

2 Tabelle 1: Erprobte EVA-Fruchtfolgesysteme im Projektzeitraum *. FF 25 / 26 / 29 / / 27 / 21 / / 28 / 211 / / 29 / 212 / Sommerroggen bzw. Wintergerste (GPS) / Ölrettich (SZF, Gründüngung) bzw. Sorghum bicolor (SZF) Mais (GPS) Wintertriticale (GPS) / Sorghum bicolor (SZF) bzw. Ölrettich (SZF, Gründüngung) 2 Sorghum b. x s. (GPS) Grünschnittroggen (WZF) / Mais (ZF, GPS) Wintertriticale (Korn) 3 Mais (GPS) Grünschnittroggen (WZF) / Sorghum b. x s. (ZF, GPS) Wintertriticale (GPS) / Einjähriges Weidelgras (SZF) 4 Hafersortenmischung (GPS) Wintertriticale (GPS) Winterraps (Korn) 5 Sommerroggen bzw. Sommergerste (GPS) / Untersaat Luzerne-Kleegras Luzerne-Kleegras Luzerne-Kleegras 6 Sommerroggen bzw. Landsb.-Gemenge(WZF) / Winterraps (GPS) Wintergerste (GPS) Sorghum b. x s. (ZF, GPS) 7 Mais (GPS) Grünschnittroggen (WZF) / Sorghum bicolor (ZF, GPS) Kartoffel (Knollen) 8 Sommertriticale bzw. Wintertriticale (GPS) Gelbsenf (SZF, Gründüngung) Sonnenblume (GPS) / Phacelia (SZF, Gründüngung) Hanf bzw. Biogasrübe GPS = Ganzpflanzensilage, SZF = Sommerzwischenfrucht, WZF = Winterzwischenfrucht, ZF = Zweitfrucht Unterstrichen = Variante von EVA I (25-29), nicht unterstrichen = Variante von EVA II (29-213) gelb = Biogassubstrat, weiß = Marktfrucht zur Kornnutzung * In beiden Projektphasen wurde eine Grundanlage und eine um ein Jahr zeitlich versetzte Spiegelanlage angelegt, um witterungsbedingte Einflüsse auszuschließen (EVA I: 25, 26; EVA II: 29, 21) Ertragsniveau und Abreifeverhalten Als leistungsstärkste Anbausysteme hinsichtlich Trockenmassebildung (TM) erwiesen sich die Fruchtfolgen mit dem Produktionsschwerpunkt der Ganzpflanzennutzung (GPS, Abbildung 2). Die ertragreichsten Fruchtfolgeglieder waren hierbei Energiemais (Ø 147 dt TM/ha als HF, Ø 113 dt TM/ha als ZF), Biogasrüben (Zuckerrübe vom E-Typ, Ø 154 dt TM/ha) und die Sorghumhirsen (in Hauptfruchtstellung: Ø 126 dt TM/ha, als Zweitfrucht je nach Art: 81- dt TM/ha, vgl. Abbildung 3). Im mittleren Ertragsbereich (Ø 5-91dt TM/ha) vorzufinden, aber mit sehr geringen witterungsbedingten jährlichen Ertragsschwankungen, konnten Getreideganzpflanzen das Anbaurisiko deutlich senken. Am vorzüglichsten waren die erprobten Winterkulturen Winterroggen und Wintertriticale mit durchschnittlich 91 bzw. 73 dt TM/ha. Das Leistungspotenzial mehrjähriger Leguminosen-Gras-Gemenge war stark vom Schnittregime abhängig. Bei extensiver Schnittnutzung (2-3 Schnitte pro Jahr) konnten bis zu Ø 14 dt TM/ha, bei intensiverer Beerntung bis zu Ø 129 dt TM/ha vom Feld gefahren werden. Die Sonnenblume, der Hanf und die Kartoffeln erreichten Trockenmassen um 9 dt/ha. Raps-GPS zeigte oft Blattschäden, so dass die Erträge im Versuchszeitraum stark differierten (Ø 72 dt TM/ha, Abbildung 3). Zweikulturnutzungssysteme mit 2 Haupternten pro Jahr lieferten jährliche Trockenmassen von durchschnittlich dt/ha. Am leistungsstärksten waren die Zweitfrüchte Mais und Sorghum bicolor x sudanense mit der Vorfrucht Grünroggen. Landsberger Gemenge erzielte zwar fast den doppelten Ertrag wie Grünroggen, führte jedoch bei den Sorghumhirsen in der Mehrheit der Versuchsjahre zu Aufgangsschwierigkeiten. 2

3 Die für die Silierung optimalen TS-Gehalte > 28 % (Getreide mit Ausnahme der Gerste: 35-4 %) erreichten zum Erntezeitpunkt Mais in Hauptfruchtstellung sowie Getreide und Fruchtarten mit höheren Rohfasergehalten (Hanf, Gräser, vgl. Abbildung 3). * * * * Wintergerste Futterhirse Sudangrash. Raps Grünroggen Hafermischung Wintertriticale Mais Sommergerste Sonnenblume Kleegras Rübe Weidelgras Landsb. Gemenge Kartoffeln Ölrettich Phacelia Sommertriticale Gelbsenf Hanf Biogasrübe Sommergerste Abbildung 2: Aufsummierte Trockenmasseerträge (in dt/ha) der getesteten Fruchtfolgen am Standort Trossin der Rotationen von EVA I (1. Anlage: 25-27, 2. Anlage: 26-28) und EVA II (3. Anlage: , 4. Anlage: ), ohne Abschlussfrucht Winterroggen. K = Kornnutzung (ohne Angabe des Strohertrags), * = mit Untersaat Luzerne-Kleegras. 3

4 * n * n Abbildung 3: Trockenmasseerträge (in dt/ha) und Trockensubstanzgehalte (in %) der beim EVA-Projekt erprobten Fruchtarten am Standort Trossin im Mittel der Jahre (n = Anbaujahre), ohne Marktfrüchte. Sommergerste mit Untersaat Luzerne-Kleegras. Dargestellt ist nicht die Standardabweichung, sondern die Spanne der Werte (Maximum-Mittelwert-Minimum). * Ertrag des Hybridroggens aus dem Projekt Hybridroggen-GPS als Biogassubstrat (GRUNEWALD & JÄKEL 214), Versuchsstandort Trossin. 4

5 Methanbildungspotenzial Die spezifischen Methanausbeuten einer Fruchtart sind in großem Maße von der biochemischen Zusammensetzung der Trockenmasse abhängig. Die Gasausbeute wird im Wesentlichen von den drei Stoffgruppen Rohfett, leicht verdauliche Kohlenhydrate (Nichtfaserkohlenhydrate) und Rohprotein bestimmt (Methanausbeute: Rohfett > Rohprotein > leicht verdauliche Kohlenhydrate / N-freie Extraktstoffe [NfE]). Bei mittleren Rohprotein- und Rohfettwerten war beim Mais insbesondere der Anteil leicht umsetzbarer Kohlenhydratfraktionen ausschlaggebend für Methanausbeuten von durchschnittlich 8 l/kg ots (Hauptfruchtstellung, Abbildung 4). Zu bemerken ist der im Vergleich zu anderen Kulturarten herausragende Stärkegehalt von % in der Trockenmasse (vorrangig im Kolben). Die Rübe (ohne Blatt) konnte mit Ø 352 l CH 4 /kg ots die Leistung von Mais überbieten (Abb. 4). Aufgrund sehr geringer Ligninanteile und außergewöhnlicher Nichtfaserkohlenhydratgehalte (75-85 % in der TM) ist die Rübe ein gut verdauliches Substrat für die Mikroorganismen im Fermenter. Das Methanbildungsvermögen von Getreide differierte in Abhängigkeit von den Arten, weniger zwischen den sommer- und winterannuellen Beständen. Triticale- und Gerste-GPS schnitten mit Werten zwischen 32 und l CH 4 /kg ots aufgrund von höheren Anteilen an N-freien Extraktsoffen (NfE = Ø 6 % in der TM) am besten ab (vgl. Abb. 4). Das Methanbildungspotenzial der Sorghumhirsen lag in Hauptfruchtstellung Ø 12 % unter Mais. Zwischen den Sorghumhirsearten Sorghum bicolor (Futterhirsen) und Sorghum bicolor x sudanende (Sudangrashybriden) gab es keine Unterschiede in der Inhaltsstoffcharakteristik, beide Arten wiesen im Vergleich zu Mais höhere Anteile unverdaulicher Biomassefraktionen auf. Bei den sehr proteinreichen Weidelgras- und Luzerne-Kleegrasmischungen hing das Ergebnis stark vom Lignifizierungsgrad ab. Das Erntefenster ist bei diesen Fruchtarten sehr klein, d. h. schon innerhalb weniger Tage inkrustieren die Cellulose- und Hemicellulosefibrillen, d.h. schwer zersetzbares Lignin wird vermehrt eingelagert. Die Sonnenblume profitierte zwar von herausragenden Rohfettwerten um 15 % in der Trockenmasse, die dem gegenüber stehenden hohen Rohfaseranteile lassen das Korbblütengewächs aber mit Ø 254 l CH 4 /kg ots weit unter die Leistung der anderen Fruchtarten zurückfallen (Abb. 4). Auch Winterraps, als GPS geerntet, enttäuschte mit niedrigen Methanausbeuten von durchschnittlich 277 l CH 4 /kg ots. Die bei Winterraps zu erwartenden hohen Fettgehalte waren zum Zeitpunkt der Ganzpflanzenernte (Milchreife) noch nicht nachweisbar (< 3 % Rohlipid in der Trockenmasse), dafür aber hohe Gehalte an Lignin. Die Zweit- und Zwischenfrüchte lagen leicht über dem Methanbildungsvermögen der Hauptfrüchte, da die Lignifizierung der Hauptfrucht zum Zeitpunkt der Ernte aufgrund der längeren Wachstumszeit in den meisten Versuchsjahren fortgeschrittener war, erkennbar an höheren Rohfaserwerten. Für die Energiegewinnung ist der Flächenertrag an Methan (in m 3 /ha) von Bedeutung. Er ist das Produkt aus der spezifischen Methanausbeute [l/kg ots] und dem Trockenmasseertrag [dt/ha] unter Berücksichtigung der organischen Trockensubstanz (ots in %) einer Pflanze. Die Methanhektarerträge der erprobten Fruchtarten korrelierten in sehr hohem Maße mit den Trockenmassen (Korrelationskoeffizient von,98 bei einem Bestimmtheitsmaß von,95; Korrelation ist auf einem Niveau von,1 signifikant). Demzufolge schnitten in Bezug auf die Energieproduktion die Fruchtarten Mais, Sorghumhirsen, Biogasrüben und Ackerfuttermischungen bei 3-4 Schnitten im Jahr am besten ab. 5

6 Methangehalt [Vol %] 58,1 57,3 57, 59,3 47,6 49,4 59,3 57,6 58,1 55,3 55,8 55,6 56,9 55,3 56,4 6,5 56,2 55,3 55,2 Abbildung 4: Methanausbeuten (in l/kg ots) und Methangehalte (in Vol-%) der beim EVA-Projekt in Trossin erprobten Fruchtarten (geerntet als GPS). Werte ermittelt vom ATB in Potsdam in Batch-Versuchen (Dr. Chr. Herrmann, Dr. M. Heiermann & Dr. Chr. Idler). HF = Hauptfrucht, ZF = Zweitfrucht, SZF = Sommerzwischenfrucht, WZF = Winterzwischenfrucht. Wirtschaftlichkeit Anbausysteme mit einem höheren Anteil an Druschfrüchten erreichten zwar nicht das Ertragsniveau der Energiepflanzen-Fruchtfolgen, schnitten dafür aber ökonomisch besser ab (vgl. Tabelle 2). Der mehrjährige Anbau der Luzerne-Kleegras-Mischung war im Durchschnitt des Versuchszeitraums aufgrund reduzierter Saatgut-, Dünge- (Stickstofffixierung durch Leguminosen) und Arbeitserledigungskosten wirtschaftlich rentabel. Mais, sowohl in Hauptfrucht- als auch Zweitfruchtstellung, und Wintergetreide (Vergärung von GPS < Kornverkauf) konnten ebenfalls überwiegend positive Deckungsbeiträge erzielen. Trotz annähernder bzw. in klimagünstigen Vegetationsjahren sogar überragender Erträge lagen die Gewinne der Sorghumhirsen infolge geringerer Methanausbeuten und höherer Feuchtegehalte unter denen von Mais. Die doppelten Anbaukosten bei Zweikulturnutzung konnten am warmtrockenen Versuchsstandort durch die erbrachten Mehrerträge von durchschnittlich höchstens 1 % nicht kompensiert werden (Tabelle 2). 6

7 Tabelle 2: Deckungsbeitragsanalyse (DB in /ha) mit Gegenüberstellung von Produktionskosten und Erlös auf Basis des CH 4 -Ertrags [m 3 /ha] für die Fruchtarten und Fruchtfolgen des EVA-Versuchs in Trossin, Mittelwert aus 4 Rotationen (25-8, 26-9, 29-12, 21-13), berechnet von P. Kornatz & J. Müller (Universität Gießen). PSM = Pflanzenschutzmaßnahmen, ArEr = Arbeitserledigungskosten. Zur Methodik unter der Tabelle. FF Fruchtart, FF-Stellung CH 4 - Ertrag [m 3 /ha] Erlös Saatgut Dünger PSM ArEr- (davon: Ernte / Ausbringung Gärrest) DB 1 SoRoggen/WiGerste, HF Sorghum b., SZF (238 / 42) 492 (295 / 93) Mais, HF WiTriticale, HF Ölrettich/Phacelia (GD), SZF (313 / 145) 388 (236 / 16) (135 / ) / 35 2 Sorghum b. x s., HF (358 / 137) -47 Grünroggen, WZF Mais, ZF WiTriticale (Korn), HF (24 / 49) 595 (361 / 139) 254 (117 / ) (136 / ) / Mais, HF Grünroggen, WZF Sorghum b. x s., ZF WiTriticale, HF Weidelgras, SZF ) (371 / 139) 41 (238 / 48) 546 (321 / 18) 385 (238 / 4) 2 (16 / 24) (136 / ) / 15 4/5 SoRoggen/SoGerste, HF Untersaat Lu-Kleegr. 1) Luzerne-Kleegras, HF (228 / 34) (34 / 66) Luzerne-Kleegras, HF (455 / 86) 352 (131 / ) / 71 5/4 Hafermischung, HF WiTriticale, HF (232 / 36) 411 (242 / 42) WiRaps (Korn), HF (143 / ) 362 ( / ) / 111 7

8 Tabelle 2: Fortsetzung. FF Fruchtart, FF-Stellung CH 4 - Ertrag [m 3 /ha] Erlös Saatgut Dünger PSM ArEr- (davon: Ernte / Ausbringung Gärrest) DB 6 SoRoggen/WiGerste, HF WiRaps, HF L. Gemenge, WZF Sorghum b. x S., ZF ) (241 / 44) 56 (27 / 73) 481 (265 / 9) 598 (36 / 13) 365 (14 / ) / Mais, HF Grünroggen, WZF Sorghum b., ZF Kartoffel (Knolle), HF 3) ) (371 / 154) 394 (235 / 44) 545 (6 / 123) 996 (59 / ) 362 (137 / ) / SoTriticale/WiGerste, HF Gelbsenf (GD), SZF Sonnenblume, HF Phacelia (GD), SZF A) Hanf, HF B) Rübe (Körper), HF (24 / 43) (352 / 144) (283 / 89) 8 (469 / 23) 36 (137 / ) ) 489 A) -535/-134 B) -829/-27 1) Beerntung im Herbst des Ansaatjahres (Herbstschnitt): CH 4 -Ertrag = Ø 516 m 3 /ha, Erlös = Ø 17 /ha, Erntekosten = Ø 126 /ha, Gärrestausbringung = Ø 18 /ha 2) witterungsbedingt mussten Sorghum-Zweitfrüchte im Versuchsjahr 211 und 212 nachgedrillt werden 3) Bewertung der Kartoffel als Marktfrucht 4) einschließlich der Reinigungskosten von 1 /t FM nach DLG (21): Ø 864 /ha Methodik: DLG-Betriebszweigabrechnung für die für Nachkalkulationen übliche Definition der Direkt- und Arbeitskosten freien Leistungen (DAL), alleinige Berücksichtigung von variablen Parametern, ohne Flächenprämien und nutzungskosten, Berücksichtigung von 12 % Lagerverlusten, Pflanzenschutzmittelpreise nach BAYWA (212), N-Düngekosten: 1,25 /kg, Saatgutpreise, Arbeits- und Maschinenkosten nach KTBL, Vollkosten der Arbeitserledigung mit Zinsen, Abschreibung und Versicherungen, Vergütung: 1 m 3 CH 4 =, Euro, Marktfruchtpreise wurden durch Multiplikation der mittleren Preisindizes der Jahre (DESTATIS 213) mit den mittleren Erzeugerpreisen des Jahres 25 abgeleitet, Annahmen: Feldstückgröße: 1 h, mittlere Hof-Feld-Entfernung: 5 km, Mechanisierung: 12-kW-Traktor. Fazit Mais ist ertraglich und ökonomisch die vorzüglichste Biogaspflanze, es gibt aber leistungsstarke Alternativen, die die Fruchtfolge auflockern, das Ertragsrisiko senken und das Landschaftsbild verbessern können 8

9 Empfehlungen für die Praxis Für den Energiepflanzenanbau auf leichten, sandigeren, warm-trockenen Standorten, vorrangig vorzufinden in Nordsachsen und Brandenburg, sollte auf eine Kombination von biomassestarken C 4 -Pflanzen (Mais und Sorghumhirsen - im Hauptfruchtanbau insbesondere Futterhirsen) und risikomindernden Getreidearten gesetzt werden. Mit Wintergetreidebeständen konnten bis zu 5 % höhere Erträge als mit den Sommerkulturen erzielt werden. Auch Getreide-Leguminosen-Gemenge (z. B. Wickroggen) sind zu empfehlen. Zur Erhöhung der Artenvielfalt und Bevölkerungsakzeptanz bieten sich verschiedene Blüh- und Ackerfuttermischungen an. Aufgrund des begrenzten Wasserangebots ist hierbei die Direktsaat vorzuziehen. Durch Senkung der Reinigungs- und Aufbereitungskosten könnte die Rübe aufgrund ihres hohen Leistungs- und Vergärpotenzials deutlich an Bedeutung als Biogassubstrat gewinnen. Winterraps und Kartoffeln konnten ihre Produktionskosten nicht decken und sollten eher in anderen Betriebszweigen Beachtung finden (Bioethanolproduktion, Nahrungsmittelproduktion). Zu niedrige Trockenmasse- und Methanausbeuten (u. a. durch sehr hohe Ligningehalte) oder hohe Transportaufwendungen aufgrund hoher Feuchtegehalte in der Biomasse sind als Gründe zu nennen. Beim Anbau von Hanf ist Vorsicht geboten, da Zulassungen eingeholt werden müssen. Zur Reduktion von Transportausgaben sind bei den Ganzpflanzen TS-Gehalte > 28 % anzustreben. Mit für die Biogasproduktion qualifizierten und an die Standortverhältnisse angepassten Sorten, Probeernten und Anwelkung des Ernteguts ist dies zu erreichen. Bei begrenztem Flächenangebot, hohen Pachtpreisen und Arbeitsspitzen, aber auch aus ökologischen Gesichtspunkten (ganzjährige Bodenbedeckung, Erosionsschutz, Humusreproduktion), ist die Zweikulturnutzung von Bedeutung. Ein rentabler Anbau von zwei Kulturen innerhalb einer Vegetationsperiode ist mit frühräumenden Winterzwischenfrüchten und zügig biomassebildenden bzw. abreifenden Nachfrüchten bei Ausschöpfung der vollen Vegetationszeit möglich. Als Zweitfrüchte sind Mais (S22-25) und Sorghumhirsen (Sudangrashybriden) geeignet. Zwischenfrüchte sollten zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit und Einhaltung streng kontrollierter Umweltkriterien in die Fruchtfolge eingegliedert werden. Dafür können Förderprogramme in Anspruch genommen werden ( Für Biomasseaufwüchse bieten sich trockentolerante Sudangrashybriden, in niederschlagsreicheren Regionen auch Weidelgräser für den Zwischenfruchtanbau an. Zur Gründüngung eignen sich Gelbsenf, Ölrettich und Phacelia (für Raps- FF, Bienenweide). Erosionsgefährdete sowie humus- und nährstoffarme Böden können durch Leguminosen-Gras-Mischungen (Luzernegras in sehr trockenen, Luzerne-Kleegras in mäßig feuchten bis trockenen Gebieten) deutlich aufgewertet werden. Weitere Informationen Projekt-Abschlussberichte und Praktikerbroschüren stehen auf der Projekt-Homepage zur Verfügung. Das Projekt wird von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. über das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert ( Stand: Juni 215 9