Ertragsschätzung in Kurzumtriebsplantagen (KUP) aus Pappel und Weide

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1 Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften Ertragsschätzung in Kurzumtriebsplantagen (KUP) aus Pappel und Weide Prof. Dr. Heinz Röhle & Dipl. Forstw. Katja Skibbe Institut für f r Waldwachstum und Forstliche Informatik TU Dresden Symposium FastWOOD ProLoc - Weidenzüchtung Hann. Münden,

2 Ertragsschätzung in Kurzumtriebsplantagen (KUP) aus Pappel und Weide Gliederung 1 Einleitung 2 Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel 3 Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel 4 Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide 5 Ausblick

3 1) Einleitung Motivation für die Anlage von KUP - Höherer Anteil erneuerbarer Energien an Primärenergie - Alternative Nutzung landwirtschaftlicher Flächen Charakteristika geeigneter Baumarten - Rasches Jugendwachstum - Stockausschlagfähigkeit

4 1) Einleitung dgz-biomasse atro 1) auf Pappel-Versuchsfeldern in Ostdeutschland 25,0 20,0 dgz in t/ha*a 15,0 10,0 5,0 0,0 Laage 3 Methau I 3 Laage 4 Arnsfeld 4 Nochten 4 Methau II 4 Skäßchen 4 Potsdam 4 Methau I 6 Laage 5 Thammenhain 4 Thammenhain 7 Methau II 7 Laage 9 Skäßchen 8 Laage 10 Methau I 9 Versuchsfeld / Alter 1) Bestimmung der Biomasse (atro): Wägung nach Trocknung bei 103 C +/-2K bis zur Gewichtskonstanz nach DIN 52183

5 1) Einleitung Leistungsbeeinflussende Faktoren in KUP Baumart und Klon Alter und Rotationszyklus Bestandesdichte Standort (Boden und Wasserhaushalt) Klima (Niederschlag und Temperatur)

6 2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel Ziel der Studie 1) 1) Untersuchung des Einflusses der Standortfaktoren nutzbare Feldkapazität (nfk) Ackerzahl (Az) Niederschlag (N) Temperatur (T) Bestandesdichte (N/ha) bei unterschiedlichen Bestandesaltern auf die Wuchsleistung von Pappel-KUP und 2) Modellierung des Biomasse-Produktionspotentials (atro) verschiedener Pappel-Klone in Abhängigkeit von Standortbedingungen und Bestandesalter. 1) vgl. Ali (2009)

7 2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel Zweistufiger Ansatz zur Leistungsschätzung: - Schritt 1: Modellierung der Oberhöhe (h o ) Funktion zur Schätzung von h o für Pappeln der Max-Gruppe h o = a 1 *Alter + a 2 *N5-6*Az + a 3 *T4-7 / nfk (R 2 : 0.986) - Schritt 2: Schätzung der Bestandesbiomasse (BM) Herleitung von Biomassefunktionen bei verschiedenen Bestandesdichten für Pappeln der Max-Gruppe BM = a 4 *h o a5 BM [t/ha] R² = R² = R² = R² = N/ha ho [m]

8 2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel Beziehung zwischen Standorteigenschaften und Wuchsleistung (Oberhöhe) für Max-Klone hdom estimated against SQI and Age Oberhöhe über Alter und Ackerzahl 18 ho geschätzt [m] R 2 = Matrix ho beobachtet [m] Schätzung der Oberhöhe: Modell und Realität

9 2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel dgz-biomasse (modelliert) bei verschiedenen Bestandesdichten Leg end M A I of B M [t/ha/a N o a ra b le la n d <

10 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Regressionsmethode (Biomassefunktion mit destruktivem Ansatz) - Vorgehen Bhd-Messung aller Individuen (Bäume bzw. Triebe) Ernte von Individuen über das gesamte Bhd-Spektrum Bestimmung des Frischgewichts der geernteten Individuen Trocknung und Ermittlung des Trockengewichts Aufstellung einer Biomassefunktion (Beziehung zwischen Bhd und Trockenbiomasse) Berechnung der Hektardaten durch Einsetzen der Bhd- Werte aller Individuen in die Biomassefunktion

11 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Herleitung der Biomassefunktion Test verschiedener Ausgleichsfunktionen mit einer (z.b. Bhd) und mehreren Erklärungsvariablen (z.b. Bhd und Höhe) Beurteilung der Anpassungsgüte nach Bestimmtheitsmaß (R²) und Verlauf der Ausgleichsfunktion exponentiell y = 0,5045e 0,3674x R 2 = 0,9422 Verwendung des allometrischen Funktionstyps Biomasse atro [kg] allometrisch y = 0,1921x 1,9534 R 2 = 0,9922 b = a 0. Bhd a 1 b: Einzelbaumbiomasse (atro) in kg Bhd: Brusthöhendurchmesser in cm a 0, a 1 : Koeffizienten Brusthöhendurchmesser d1.3 [cm]

12 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Biomassefunktionen verschiedener Versuchsfelder BM [kg] BM Fkt. Ostdeutschland -Schw eden BHD [cm] Laa:Beaupre:5/ 4 Laa:Beaupre:4/ 4 Laa:Beaupre:10/ 9 Laa:Max 1:5/ 4 Laa:Max 1:4/ 4 Laa:Max 1:10/ 9 Laa:Max 3:5/ 4 Laa:Max 3:4/ 4 Laa:Max 3:10/ 9 Laa:Max 4:5/ 4 Laa:Max 4:4/ 4 Laa:Max 4:10/ 9 Laa:Max 4:2/ 2 Laa:MuhleL:5/ 4 Laa:MuhleL:4/ 4 Laa:MuhleL:10/ 9 Laa:Raspalje:5/ 4 Laa:Raspalje:4/ 4 Laa:Raspalje:10/ 9 Kuhst :Japan:1/ 1 Kuhst :Japan:2/ 2 Kuhst :Japan:3/ 3 Kuhst :Japan:4/ 4 Tham:Andro:4/ 4 Tham:Max1:4/ 4 Tham:Max4(3x3):4/ 4 Tham:Max4(3x2):4/ 4 Tham:Max4(3x1):4/ 4 Tham:Münden:4/ 4 Skäß:Andro:4/ 4 Skäß:Max1:4/ 4 Skäß:Max4:4/ 4 Skäß:Münden:4/ 4 Noch:Andro:4/ 4 Noch:Max4:4/ 4 Noch:Münden:4/ 4 Arnsf :Andro:4/ 4 Arnsf:Matrix:4/4 Arnsf:Max 1:4/4 Met1:275:3/3 Met1:275:6/6 Met 1:Mat rix:3/ 3

13 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Eigenschaften von Biomassefunktionen (I) 1) Die Werte der Koeffizienten a 0 und a 1 der allometrischen Funktion weisen keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den beprobten Klonen auf. a 1 2) Zwischen den Koeffizienten a 0 und a 1 besteht eine signifikante lineare Abhängigkeit. 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 R 2 = 0,73 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 a 0 Kruskal-Wallis-Test für den Koeffizienten a 0 : Sig. 0,473 ein statistisch nachweisbarer Unterschied zwischen den Koeffizienten besteht nicht!

14 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Eigenschaften von Biomassefunktionen (II) Signifikante Einflüsse sowohl der Bestandesmittel-/Oberhöhe als auch der Bestandesdichte auf die Koeffizienten a 0 und a 1 konnten belegt werden. Diese Einflüsse lassen sich regressionsanalytisch beschreiben und für beliebige Bestandesdichte-/Höhenkombinationen modellieren. 0,50 a0 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Beziehung Stammzahl/ha und Koeffizient a Triebanzahl/ha [N] a 0 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Beziehung Oberhöhe und Koeffizient a 0 R 2 = 0,531 R 2 = 0, Oberhöhe [m]

15 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Konstuktion des Ertragsermittlers Präzise Schätzung von a 0 durch Einteilung des Datensatzes in unterschiedliche Mittelhöhenbereiche 0,5 a 0 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Triebanzahl pro Hektar [N] Mittelhöhenbereiche [m] 3 hm 3,5K R 3,5 < hm 4KR 4 < hm 4,5K R 4,5 < hm 7KR 7 < hm 9,5K R 9,5 < hm 12KR 2 = 2 = 2 = 2 = 2 = 2 = 0,69 0,55 0,47 0,96 0,49 0,46

16 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Anwendung des Ertragsermittlers Regressionskurvenfächer 1. Flächenbezogene Erhebung der Brusthöhendurchmesser (BHD) Ermittlung von dg [cm] und der Triebanzahl pro Hektar [N] 2. Erhebung von 15 Triebhöhen Ermittlung von hm [m], als Eingangsgröße in den Regressionskurvenfächer zur Bestimmung von a 0 3. Berechnung von a 1 unter Einsetzen von a 0 a1 = 3,379 a0 + 2, Bestimmung der BM mit der Formel BM atro = a1 N a0 dg K[ tatro / ha] 1000

17 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel BM atro [kg] Evaluierung des Ertragsermittlers Variation der Biomassefunktionen für den Mittelhöhenbereich von 3 m grün: Modellkurven erste Version schwarz: tatsächliche Funktionen BHD [cm ] Verzerrung Die Evaluierung der ersten Version des Ertragsermittlers nach Hartmann (2010) erfolgte mit einem unabhängigen Datensatz. Durchschnittliche Abweichung der modellierten von den tatsächlichen Biomasseerträgen in unterschiedlichen Mittelhöhenbereichen (Schätzer nach Hartmann) Pw: P-Wert des Wilcoxon-Rang-Test gesamt Bias in t atro /ha -1,88 0,04 1,46 2,29-4,97-4,82-0,26-12,2 2,47-0,21 Bias % -23,70 6,42 10,35 9,57-19,06-15,17-1,08-13,52 6,78-0,98 N P w 0,058 0,6 0,305 0,165 0,317 0,317 0,827 0,513 0,602 0,88

18 3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel Ergebnis der Neu-Parametrisierung Die Ertragsermittlung konnte in den Höhenstufen 3 bis 7 deutlich verbessert werden. Differenz zwischen maximaler und minimaler Abweichung [%] Ertragsermittler (Ursprungsversion) Ertragsermittler (überarbeitete Version) gesamt Höhenstufe

19 4) Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide Vorüberlegungen zur Entwicklung eines Ertragsermittlers für KUP aus Weide (I) Datengrundlage sind individuell erstellte Biomassefunktionen und waldwachstumskundliche Parameter aus über 70 KUP BMatro [kg] Bhd [cm]

20 4) Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide Vorüberlegungen zur Entwicklung eines Ertragsermittlers für KUP aus Weide (I) Die Koeffizienten der Biomassefunktion zeigen einen signifikanten Zusammenhang, der über eine lineare Funktion beschrieben werden kann. Es besteht kein Zusammenhang zwischen der Triebanzahl pro Hektar und dem Koeffizienten a 0 0,18 a0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 y = -6,9711x + 3,1546 R 2 = 0,753 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 a 1 a 0 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Triebanzahl/ha [N]

21 4) Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide Vorüberlegungen zur Ertragsermittlung in KUP aus Weide (II) Modellierung des Biomasseertrags auf Basis von Durchmesser-Häufigkeitsverteilungen? 0,08 1 0,07 0,9 rel. Häufigkeit 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 Summenhäufigkeiten 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,00 0-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 0,25 1,25 2,25 3,25 4,25 Durchmesserklassen [cm] Durchmesserklassen [cm] Durchmesserverteilung dreijähriger Weidenklone (Tordis) auf unterschiedlichen Standorten

22 5) Ausblick Die Biomasse von KUP aus Pappel und Weide variiert je nach Standortbedingungen und Bestandesdichten in einem weiten Rahmen. Standort-Leistungsbeziehungen ermöglichen eine Schätzung der Erträge (dgz-biomasse) für Pappel bei verschiedenen Bestandesdichten. Mit Hilfe der Regressionsmethode wurde für Pappel eine Schätzhilfe entwickelt, die eine zerstörungsfreie Ermittlung der Biomasse erlaubt und als Downloadversion zur Verfügung steht. Ob die Herleitung eines entsprechenden Schätzers für Weide darstellbar ist, wird derzeit geprüft.

23 Vielen Dank für s Zuhören!