Bewässerung und Wasserbedarf von Energiepflanzen

Dr. Siegfried Schittenhelm (Koordinator) und Torsten Neumann Julius Kühn-Institut (JKI) Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde Bundesallee 50 38116 Braunschweig Dr. Sandra Kruse und Klaus Mastel Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg (LTZ) Außenstelle Rheinstetten-Forchheim Kutschenweg 20 76287 Rheinstetten Johannes Hufnagel und Gunhild Rosner Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. Institut für Landnutzungssysteme Eberswalder Straße 84 15374 Müncheberg FNR Verbundvorhaben Entwicklung und Vergleich von optimierten Anbausystemen für die landwirtschaftliche Produktion von Energiepflanzen unter den verschiedenen Standortbedingungen Deutschlands (EVA II) Abschlußbericht zum Teilprojekt 5 Bewässerung und Wasserbedarf von Energiepflanzen Berichtszeitraum: 1.2. 2009 bis 31.7.2010 FKZ: 22013408 bzw.08nr134

Inhaltsverzeichnis Seite 1 Vorbemerkungen (Schittenhelm; JKI)... 3 1.1 Hintergrund... 3 1.2 Projektpartner und Versuche... 4 1.3 Standorte und Witterung... 5 1.4 Bewässerung und Bewässerungssteuerung... 10 1.5 Bestimmung der theoretischen Methanausbeuten... 11 1.6 Arbeitstreffen... 12 1.7 Öffentlichkeitsarbeit... 12 2 Versuch I. Vergleich der Trockentoleranz von Futterhirse, Sudangrashybride und Mais im Folientunnel (Schittenhelm; JKI)... 13 3 Versuch II. Ertragsleistung des Zweikulturnutzungssystems im Vergleich zum Hauptfruchtanbau in Abhängigkeit von der Wasserversorgung (JKI, ZALF, LTZ)... 27 3.1 Erläuterungen zum Versuch (Schittenhelm; JKI)... 27 3.2 Ergebnisse in Braunschweig (Schittenhelm, Neumann; JKI)... 32 3.3 Ergebnisse in Rheinstetten-Forchheim (Kruse, Mastel; LTZ)... 43 3.4 Ergebnisse in Müncheberg (Hufnagel, Rosner; ZALF)... 61 3.5 Zusammenfassende Bewertung (Schittenhelm; JKI)... 79 4 Versuch III. Ermittlung der Bewässerungswürdigkeit von verschiedenen Energiepflanzenarten (Kruse, Mastel; LTZ)... 93 5 Literatur... 107 6 Anhang... 109 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 2

1 Vorbemerkungen (Schittenhelm; JKI) 1.1 Hintergrund Eine wirtschaftliche Energiepflanzenproduktion erfordert hohe und stabile Biomasseerträge. Dieses Ziel ist auf leichten Böden und in Trockenjahren nur durch zusätzliche Wassergaben zu erreichen. Die Zusatzbewässerung kann bei der Produktion von Energiepflanzen eine ökonomisch sinnvolle Maßnahme darstellen. Das haben Untersuchungen gezeigt, welche im Rahmen von Teilprojekt 5 während der ersten Förderphase des Verbundprojektes Entwicklung und Vergleich von optimierten Anbausystemen für die landwirtschaftliche Produktion von Energiepflanzen unter den verschiedenen Standortbedingungen Deutschlands (kurz: EVA) durchgeführt wurden (Schittenhelm und Toews, 2007; Toews und Schittenhelm, 2008). Die Zusatzbewässerung als Instrument der Ertragssicherung wird möglicherweise zukünftig noch an Bedeutung gewinnen, weil Klimaprognosen eine allgemeine Erwärmung sowie eine zunehmende Sommertrockenheit voraussagen. Der vierte Sachstandsbericht des Internationalen Klimarates (Intergovernmental Panel on Global Change, IPCC) hat erneut bestätigt, dass der anthropogene Gewächshauseffekt Realität ist (IPCC, 2007). Wenngleich die Zusatzbewässerung bei der Energiepflanzenproduktion ökonomisch zweckmäßig sein kann, sind zusätzliche Wassergaben wegen fehlender Beregnungstechnik oder aufgrund rechtlicher Beschränkungen nicht überall möglich. Vor dem Hintergrund des Klimawandels müssen deshalb in stärkerem Maße Fruchtarten und Anbausysteme gewählt werden, die mit weniger Wasser auskommen, sei es natürlicher Niederschlag oder Beregnungswasser. Norman E. Borlaug, Nobelpreisträger und Architekt der Grünen Revolution, hat diesen Sachverhalt sehr anschaulich mit den Worten more crop per drop ausgedrückt. Zukünftig werden wärmeliebende Fruchtarten mit einer hohen Wassernutzungseffizienz (WNE) wie beispielsweise Sorghumhirsen (z.b. Futterhirse und Sudangrashybride) eine zunehmend wichtigere Rolle beim Anbau von Energiepflanzen spielen. Dies gilt insbesondere für Standorte die aufgrund durchlässiger bzw. flachgründiger Böden und/oder hoher Verdunstung zur Sommertrockenheit neigen. Zu den Regionen mit Sommertrockenheit gehören u.a. großen Teile von Ostdeutschland und Niedersachsen sowie der Oberrheingraben. Neben einem künftig sparsameren Umgang mit dem Produktionsmittel Wasser muss auch auf eine ausreichende Diversität der Fruchtfolgen geachtet werden. Im Bereich der Biogasproduktion besitzt der Silomais mit über 80% derzeit den Löwenanteil. Hinzu kommt, dass die Züchter bei Energiemaissorten stabile Trockenmassenerträge von 30 t ha -1 anstreben. Gömann et al. (2006) erwarten, dass sich unter den günstigen Rahmenbedingungen des Erneuerbare Energiengesetzes (EEG) die Energiemaisfläche von 156.000 ha im Jahr 2006 auf 3 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

1,7 Mio. ha im Jahr 2015 erhöht. Zusammen mit dem Silo- und Körnermais würde sich die Anbaufläche für Mais dann auf insgesamt rund 2,7 Mio. ha belaufen. Eine zunehmende Monotonisierung des Landschaftsbildes in den Einzugsgebieten von Biogasanlagen wird nicht nur von Naturschützern als bedenklich angesehen. Mit seinem hohen Bedarf an Wasser, Nährstoffen und Wärme stößt der intensive Maisanbau inzwischen an Grenzen. Grass (2007) weist zu Recht darauf hin, dass es fatal wäre, wenn der positive Beitrag der regenerativen Biomasse zum Klimaschutz durch Umweltbelastungen bei der Erzeugung der Biomasse wieder zunichte gemacht würde. Deshalb muss einer Umnutzung der Landschaft zugunsten von engen Maisfruchtfolgen bis hin zur Maismonokultur entgegengewirkt werden. Ein zukünftig stärkerer Anbau von alternativen Pflanzenarten (z.b. Futterhirse, Sudangrashybride und Topinambur) sowie das Praktizieren spezieller Anbausysteme für Energiepflanzen (z.b. Zweikulturnutzung) können hierfür einen ökologisch sinnvollen Beitrag leisten. Die Zweikulturnutzung wird voraussichtlich auch deshalb an Bedeutung gewinnen, weil sich die prognostizierten höheren Winterniederschläge durch Winterzwischenfrüchte (Winterroggen, Wintertriticale u.a.) sehr effizient nutzen lassen. 1.2 Projektpartner und Versuche An dem Teilprojekt 5 Bewässerung und Wasserbedarf von Energiepflanzen innerhalb des Verbundprojektes EVA II waren, wie bereits in EVA I, folgende drei Institutionen beteiligt: Julius Kühn-Institut (JKI; Koordination) Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg (LTZ) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. Zur Absicherung und Vertiefung der im Rahmen der ersten Projektphase von EVA Teilprojekt 5 erzielten Ergebnisse wurden während der zweiten Projektphase folgende drei Versuche durchgeführt: I. Vergleich der Trockentoleranz von Futterhirse, Sudangrashybride und Mais im Folientunnel (JKI) Es gibt Hinweise dafür, dass Sorghumhirsen dem Mais bei moderatem bis starkem Trockenstress im Biomasseertrag überlegen sind. Um diese Hinweise zu prüfen wurden Futterhirse, Sudangrashybride und Mais Seite an Seite bei unterschiedlichem Wasserdargebot angebaut. Dieser Versuch ersetzte den im Rahmen von EVA I durchgeführten Folientunnelversuch zum Mischfruchtanbau bei unterschiedlicher Wasserversorgung. II. Ertragsleistung des Zweikulturnutzungssystems im Vergleich zum Hauptfruchtanbau in Abhängigkeit von der Wasserversorgung (JKI, ZALF, LTZ) Aufgrund von Anlaufschwierigkeiten bzw. unzureichendem Trockenstress ließen sich die während der ersten Projektphase erhobenen Daten nicht Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 4

ausreichend absichern. Deshalb erfolgten im Rahmen von EVA II zwei weitere Versuchsdurchgänge mit einer modifizierten Versuchsanstellung (s. Gliederungspunkt 3.1 S. 27). III. Ermittlung der Bewässerungswürdigkeit von verschiedenen Energiepflanzenarten (LTZ) Obgleich bereits dreijährige Versuchsergebnisse vorlagen, konnten zu den Fragestellungen dieses Versuchs noch keine abschließenden Aussagen getroffen werden. Nachdem die Beregnung im Jahr 2005 gute Ergebnisse geliefert hatte, waren die Ertragsunterschiede zwischen der Optimal und Minimal bewässerten Variante im Jahr 2006 zu gering, weil die Einsatzzeitpunkte der Bewässerung in der Variante Minimal zu früh gewählt wurden. Das Jahr 2007 wiederum bot mit vergleichsweise hohen Jahresniederschlägen einen für Bewässerungsversuche ungünstigen Witterungsverlauf. 1.3 Standorte und Witterung Die drei Versuchsstandorte von Teilprojekt 5 befinden sich im Osten Brandenburgs nahe der deutsch-polnischen Grenze (Müncheberg), in der Norddeutschen Tiefebene (Braunschweig) sowie im Oberrheingraben (Rheinstetten- Forchheim; Abbildung 1.1). Die Standorte unterscheiden sich deutlich in den vorherrschenden klimatischen Bedingungen. Wichtige Boden- und Klimakenngrößen sind in Tabelle 1.1 zusammengestellt. Rheinstetten-Forchheim ist durch die höchsten Lufttemperaturen und Niederschlagssummen, Müncheberg durch die niedrigsten Temperaturen und geringsten Niederschläge gekennzeichnet wohingegen Braunschweig eine Mittelstellung einnimmt. Die vergleichsweise hohen Jahresniederschläge in Rheinstetten-Forchheim werden allerdings relativiert durch die mit der hohen Temperatur einhergehende hohe Verdunstung. Bei allen drei Standorten besteht aufgrund der vorherrschenden leichten Böden und dem großen Grundwasserflurabstand insbesondere im Frühsommer eine starke Neigung zur Trockenheit. Die Witterung in den Vegetationsperioden 2007/2008 und 2008/2009 ist in Tabelle 1.2 dargestellt. Der Herbst 2007 war am Standort Braunschweig durch ungewöhnlich hohe Niederschläge gekennzeichnet und führte dort zu erheblichen Problemen beim Feldaufgang der Erstfrucht Winterroggen (vgl. Gliederungspunkt 3.2). Der Winter 2007/2008 war durch das nahezu vollständige Fehlen einer Schneedecke gekennzeichnet und gehörte zu den schneeärmsten Wintern in Deutschland überhaupt. Mehr Schnee und auch Nässe brachten der März und April, gefolgt von einem trockenen und meist sommerlichen Mai. Das Jahr 2008 war das neuntwärmste seit Beginn der flächendeckenden Temperaturmessungen in Deutschland im Jahr 1901. Lediglich der September fiel zu kühl aus. Alle anderen Monate waren teilweise erheblich zu warm. 5 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Braunschweig Müncheberg Jahresmittel an Niederschlag Forchheim unter 600 mm 600 bis 800 mm 800 bis 1000 mm 1000 bis 1500 mm 1500 bis 2000 mm über 2000 mm Abbildung 1.1. Lage der drei Versuchsstandorte. Im Gegensatz zur Temperatur blieb der Niederschlag 2008 hinter dem langjährigen Mittel zurück. Vor allem in den Sommermonaten Juni, Juli und August fiel insgesamt zu wenig Regen. Deutschlandweit wurden mit 742 mm nur 93% des langjährigen Durchschnitts erreicht. Mit einem Defizit von 36 mm fiel der Sommer in Müncheberg deutlich trockener als üblich aus. Die Trockenheit wurde noch verstärkt durch weit über dem langjährigen Mittel liegende Lufttemperaturen (+1,3 C). Wenngleich nicht so extrem wie in Müncheberg war der Sommer auch in Braunschweig überdurchschnittlich trocken und warm (-13 mm; +1,0 C). In Rheinstetten-Forchheim dagegen stimmte der Sommer 2008 insgesamt gut mit den langjährigen Mittelwerten überein (+2 mm; +0,4 C). Aufgrund der insgesamt überdurchschnittlichen Temperaturen und unterdurchschnittlichen Niederschläge eignete sich das Jahr 2008 sehr gut für Bewässerungsversuche. Im Versuch II musste in der Bewässerungsvariante Minimal in Braunschweig und Müncheberg eine Notfallbewässerung zur Kultursicherung mit 17 bzw. 23 bis 44 mm durchgeführt werden. Der Winter 2008/2009 war gekennzeichnet durch strenge Fröste im Januar und starke Schneefälle im Februar. Der April fiel mit deutschlandweit durchschnittlich 11,9 C um 4,5 C zu warm aus. Der Sommer verlief zunächst sehr wechselhaft und war später trocken und warm. Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 6

Tabelle 1.1. Kenngrößen zu Klima und Boden für die drei Versuchsstandorte Braunschweig, Rheinstetten-Forchheim und Müncheberg. Parameter Braunschweig Rheinstetten-Forchheim Müncheberg Bodentyp Bänderparabraunerde Parabraunerde Sandbraunerde FAO-Bodenklassifikation Lamellic Luvisol Haplic Luvisol Eutric Cambisol Bodenart Schluffig-lehmiger Sand Anlehmiger Sand Anlehmiger Sand Ackerzahl 41 28 bis 32 25 bis 28 Geographische Lage 52 17 N, 10 26 E 48 96 N, 8 33 E 52 52 N, 14 12 E Höhe über NN, m 81 117 62 Jahresmitteltemperatur, C 9,1 10,6 8,8 Jahresniederschlag, mm 627 770 562 Mittlere Sonnenscheindauer, h a -1 1.548 1.704 1.666 Vegetationszeit >10 C, d 177 207 170 Frostfrei, d 288 306 314 Feldkapazität (60 cm Bodentiefe), mm 120 102 108 Nutzb. Feldk. (60 cm Bodentiefe), mm 96 70 90 Grundwasserflurabstand, m 10 8 8 Mittel der Jahre 1961 bis 2004 (DWD). 7 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Tabelle 1.2. Mittlere monatliche Werte für Lufttemperatur und Niederschlag sowie Abweichungen von den langjährigen Monatsmittelwerten an den Standorten Braunschweig, Rheinstetten-Forchheim und Müncheberg für die Zeit von September 2007 bis Oktober 2009. Braunschweig Lufttemperatur Niederschlag Rheinstetten- Forchheim ( C) Müncheberg Braunschweig Rheinstetten- Forchheim Müncheberg mm 2007 September 13,7 (-0,2) 13,5 (-1,9) 13,2 (-0,1) 138 (+86) 46 (-6) 72 (+29) Oktober 8,9 (-0,8) 9,6 (-0,8) 8,2 (-0,6) 29 (-17) 6 (-52) 6 (-30) November 5,1 (+0,1) 4,5 (-0,8) 3,5 (-0,2) 67 (+18) 41 (-24) 45 (+5) Dezember 2,8 (+1,0) 1,9 (-0,3) 2,0 (+0,8) 37 (-16) 34 (-33) 31 (+18) 2008 Januar 6,6 (+5,8) 5,0 (+3,8) 3,2 (+3,8) 109 (+63) 48 (-10) 92 (+55) Februar 4,8 (+3,4) 5,2 (+2,7) 4,6 (+4,5) 25 (-10) 50 (-4) 19 (-10) März 5,1 (+0,7) 6,6 (+0,6) 4,4 (+0,9) 78 (+33) 100 (+47) 69 (+34) April 8,5 (+0,3) 9,8 (-0,1) 8,3 (+0,7) 85 (+39) 90 (+30) 92 (+55) Mai 14,8 (+1,8) 17,8 (+3,5) 15,0 (+2,0) 28 (-25) 53 (-26) 4 (-47) Juni 17,5 (+1,6) 19,5 (+2,0) 18,1 (+2,1) 43 (-24) 72 (-15) 24 (-39) Juli 18,6 (+1,1) 20,8 (+1,2) 19,2 (+1,2) 59 (-5) 47 (-23) 39 (-11) August 17,9 (+0,4) 19,7 (+1,2) 18,3 (+0,6) 79 (+16) 79 (+13) 66 (+14) September 13,3 (-0,6) 14,1 (-1,3) 13,2 (+0,1) 34 (-18) 61 (+9) 55 (+12) Oktober 10,2 (+0,5) 10,9 (+0,9) 9,4 (+0,8) 57 (+12) 110 (+52) 63 (+28) November 6,1 (+1,1) 6,0 (+0,7) 5,4 (+1,7) 33 (-16) 25 (-40) 26 (-14) Dezember 2,0 (+0,2) 2,0 (-0,2) 1,4 (+0,2) 17 (-35) 46 (-21) 30 (-19) 2009 Januar -0,7 (-0,6) -2,1 (-3,3) -2,8 (-2,2) 17 (-29) 32 (-26) 13 (-23) Februar 1,8 (+0,5) 2,0 (-0,5) 0,2 (+0,1) 53 (+18) 57 (+3) 29 (0) März 5,4 (+1,1) 5,8 (-0,2) 4,8 (+0,7) 59 (+13) 75 (+22) 39 (+4) Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 8

Tabelle 1.2. Mittlere monatliche Werte für Lufttemperatur und Niederschlag sowie Abweichungen von den langjährigen Monatsmittelwerten an den Standorten Braunschweig, Rheinstetten-Forchheim und Müncheberg für die Zeit von September 2007 bis Oktober 2009. Braunschweig Lufttemperatur Niederschlag Rheinstetten- Forchheim ( C) Müncheberg Braunschweig Rheinstetten- Forchheim Müncheberg mm April 12,7 (+4,5) 12,8 (+2,9) 12,3 (+4,7) 19 (-26) 37 (-23) 7,7 (-29) Mai 14,0 (+1,1) 16,0 (+1,7) 13,4 (+0,4) 47 (-6) 75 (-4) 101 (+50) Juni 15,0 (-0,8) 17,6 (+0,1) 15,0 (-1,0) 44 (-24) 57 (-30) 76 (+13) Juli 18,9 (+1,4) 19,7 (+0,1) 18,8 (+0,8) 75 (+11) 100 (+30) 95 (+45) August 19,6 (+2,1) 20,5 (+1,7) 19,0 (+1,3) 21 (-42) 55 (-11) 25 (-26) September 15,4 (+1,5) 16,1 (+0,7) 14,9 (+1,6) 33 (-19) 15 (-37) 38 (-5) Oktober 8,5 (-1,2) 10,3 (+0,3) 7,5 (-1,1) 101 (+55) 57 (-1) 79 (+34) Braunschweig: 1962 bis 2005, Rheinstetten-Forchheim: 1962 bis 1990, Müncheberg: 1949 bis1999. 9 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Mit einem Niederschlagsdefizit von 55 mm und einer um 0,9 C über dem langjährigen Mittel liegenden Lufttemperatur fiel der Sommer 2009 in Braunschweig am trockensten und wärmsten aus. In Rheinstetten-Forchheim war er zwar ebenfalls überdurchschnittlich warm (+0,6 C), aber die Niederschläge entsprachen dem langjährigen Mittel (-3 mm). In Müncheberg hob sich das Sommerwetter 2009 deutlich von dem des Vorjahres ab. Die Temperaturen bewegten sich nur geringfügig über dem langjährigen Mittelwert während die Niederschläge sogar überdurchschnittlich hoch ausfielen (+0,4 C bzw. +32 mm). Der Herbst begann an allen drei Versuchsstandorten mit Altweibersommerwetter, d.h. überdurchschnittlichen Temperaturen und unterdurchschnittlichen Niederschlägen. Danach folgte ein niederschlagsreicher und etwas zu kalter Oktober. Im Gegensatz zu 2008 kam das Jahre 2009 weder bei der Temperatur noch beim Niederschlag oder der Sonnenscheindauer unter die Top Ten. Trotzdem war das Jahr 2009 mit einer Durchschnittstemperatur von 9,2 C verglichen mit dem langjährigen Mittel für Deutschland um 1 C zu warm. In Rheinstetten-Forchheim war im Jahr 2009 eine Zusatzbewässerung von 20 mm zum Auflaufen der Zweitfrüchte notwendig. 1.4 Bewässerung und Bewässerungssteuerung Bei dem am JKI durchgeführten Versuch I (Folientunnelversuch) wurde mit drei Bodenfeuchten gearbeitet: 15-25, 40-50 und 60-80% nutzbare Feldkapazität (nfk) entsprechen starkem, leichtem bzw. keinem Trockenstress. Die Bewässerungssteuerung erfolgte mit Hilfe von FDR-Sonden. In den Versuchen II und III wurden zwei Bewässerungsregime praktiziert. Bei der Variante Optimal sollte die nfk nicht unter 50% absinken. Die Variante Minimal war dagegen eine reine Notfallbewässerung zur Kultursicherung. Eine solche Notfallbewässerung war im Jahr 2008 in Braunschweig und Müncheberg und im Jahr 2009 in Rheinstetten-Forchheim erforderlich. Mit Beginn der Abreife wurde die Beregnung bzw. Bewässerung eingestellt. Für die Bewässerungssteuerung wurde in den Versuchen II und III das vom Deutschen Wetterdienst entwickelte Programm Agrowetter verwendet. Agrowetter basiert auf einem Wasserbilanzmodell welches die Startbodenfeuchte berücksichtigt. Wasserquellen sind der Niederschlag und die Zusatzbewässerung, Wassersenken die Verdunstung und die Sickerung. Die aktuelle Verdunstung (ET a ) wird mit Hilfe einer Referenzverdunstung (ET o ) berechnet, welche der maximal möglichen Verdunstung über Gras entspricht. In Abhängigkeit von der Kulturart und dem jeweiligen Entwicklungsstand wird ET o mit kulturartspezifischen Koeffizienten, den so genannten k c -Faktoren multipliziert (Geisenheimer Methode). Dem in diesem Projekt als Leitkultur verwendeten Mais liegen folgende k c -Faktoren zugrunde: 0,4 ab Feldaufgang, 0,9 ab 7. Blatt, 1,2 ab Rispenschieben und 1,0 ab Ende Blüte (Wolfgang Janssen, DWD, persönliche Mitteilung). Die Agrowetter - Prognosen wurden laufend durch Bodenfeuchtemessungen kontrolliert. Hierfür Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 10

wurden FDR-Sonden (Braunschweig), TDR-Sonden (Rheinstetten-Forchheim) bzw. eine mobile TDR-Sonde (Müncheberg) eingesetzt. Das Verhältnis des während der Vegetationsperiode verbrauchten Wassers (Evapotranspiration, ET) zu der produzierten oberirdischen Trockenmasse wird nachfolgend als Evapotranspirationskoeffizient (ETK; mm kg -1 ) bezeichnet. Die Wassernutzungseffizienz (WNE) wurde in Anlehnung an die angelsächsische Literatur als Verhältnis von oberirdischer Trockenmasse zu ET berechnet. Die WNE ist der Reziprokwert des ETK. Die Effizienz der Nutzung des Bewässerungswassers (BWNE), in der angelsächsischen Literatur als irrigation water use efficiency, IWUE bezeichnet, wurde berechnet als Differenz zwischen dem TM-Ertrag bei optimaler und minimaler Bewässerung dividiert durch die Zusatzwassermenge bei optimaler Bewässerung. Die Evapotranspiration im Zeitraum von Aufgang bis Ernte wurde entsprechend der Wasserhaushaltsgleichung (Ehlers, 1997) wie folgt berechnet: ET = N + B A S + ΔR (mm) mit Niederschlag N, Bewässerung B, Oberflächenabfluss A, Sickerung S und Änderung des Bodenwasservorrats im Bodenprofil ΔR (mm). Die Sickerung wird von Agrowetter berechnet. Dabei wird angenommen, dass alles überschüssige Wasser oberhalb von 150% nfk sofort versickert und bei einer Bodenfeuchte zwischen 100 und 150% nfk täglich jeweils die Hälfte versickert, wobei die Verdunstung weiterhin voll wirksam ist und das überschüssige Wasser zusätzlich abbaut. Aufgrund von wiederholt und über längere Zeiträume vorherrschenden Trockenphasen traten beim Wasserregime Minimal in den Versuchsjahren 2008 und 2009 in Rheinstetten-Forchheim, Müncheberg und insbesondere in Braunschweig die in Bewässerungsversuchen erwünschten starken Wachstums- und Ertragsdepressionen auf. 1.5 Bestimmung der theoretischen Methanausbeuten Für den Methanertrag wurden entsprechend der Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung (Schattauer und Weiland, 2004; S. 30) für verdauliches Eiweiß, verdauliches Fett und verdauliche Kohlenhydrate Werte von 650, 1.125 bzw. 750 L (kg otm) -1 und für den Methangehalt von 72,5, 70,5 bzw. 52,5 Vol. % zugrunde gelegt. Die theoretischen Methanausbeuten werden auf Basis der Nährstoffgehalte (Weender Analyse) und der Verdaulichkeitskoeffizienten zum Zeitpunkt der Ernte berechnet. Die Verdaulichkeitskoeffizienten wurden der DLG-Futterwerttabelle Wiederkäuer entnommen (DLG, 1997). Bei Mais ist neben dem Entwicklungsstadium (Milchreife, Beginn Teigreife, Ende Teigreife) auch der Kolbenanteil bezogen auf die Trockenmasse von Bedeutung. Der Kolbenanteil an der Gesamttrockenmasse wurde jeweils an einer Stichprobe von drei repräsentativen Pflanzen aus den Minimal und Optimal bewässerten Parzellen bestimmt. Die kritischen Entwicklungsstadien sind bei Winterroggen: Beginn Ährenschieben, volles Ährenschieben, Beginn Blüte, Mitte bis Ende Blüte, Teigreife (ca. 33% Kornanteil) und Teigreife (ca. 50% Kornanteil). Für 11 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Futterhirse und Sudangrashybride wurden die in der DLG-Futterwerttabelle angegebenen Werte für Sudangrashybride verwendet. Die auf diese Weise berechneten theoretischen Methanausbeuten stellen lediglich eine grobe Annährung an die Ausbeuten dar, wie sie in Batchversuchen bzw. Biogasanlagen erzielt werden. 1.6 Arbeitstreffen Das erste Arbeitstreffen der Projektpartner von Teilprojekt 5 während der Projektphase EVA II fand am 27.1.2009 an der LTZ Außenstelle in Rheinstetten-Forchheim statt. Die Arbeitsschwerpunkte dieses Treffens bildeten neben einem Erfahrungs- und Informationsaustausch die Anlage, Durchführung und Auswertung der Versuche. Ein weiteres Arbeitstreffen fand am 24.11.2009 am Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde des JKI in Braunschweig statt. Bei diesem Treffen wurden der Verlauf des Versuchsjahres 2009, die Datenlieferung zur Sicherung der Gesamtdaten des Projektes sowie Fragen im Zusammenhang mit der Erstellung des Abschlußberichtes besprochen. Darüber hinaus wurden mögliche Inhalte einer geplanten gemeinsamen Veröffentlichung diskutiert. Zu ihrem letzten Arbeitstreffen trafen sich die Projektpartner im Vorfeld des EVA Verbundtreffens am 23.3.2010 in Müncheberg. Dabei ging es im Wesentlichen um Absprachen zu dem Abschlussbericht sowie die Aufteilung der Arbeiten für die gemeinsame Publikation. 1.7 Öffentlichkeitsarbeit Die Öffentlichkeitsarbeit wurde durch Vorträge und Veröffentlichungen fortgesetzt. Beispielhaft seien hier genannt der Vortrag von Dr. Schittenhelm auf dem Symposium Energiepflanzen 2009 am 17.11.2009 in Berlin, Vorträge von Frau Dr. Kruse auf dem Workshop Pflanzliche Rohstoffe zur Biogasgewinnung am 1.10.2008 in Rheinstetten-Forchheim bzw. auf dem vlf Bundesseminar am 4.12.2008 in Neunkirchen sowie eine Posterpräsentation auf der Tagung Aktiver Klimaschutz und Anpassung an den Klimawandel - Beiträge der Agrarund Forstwirtschaft am 16.6.2009 in Braunschweig. Weiterhin ist eine Veröffentlichung im Journal of Agronomy and Crop Science (Schittenhelm, 2010) und in den Gülzower Fachgesprächen (Schittenhelm und Kruse, 2010) erschienen. Darüber hinaus wurde anlässlich der Jahrestagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften ein Poster präsentiert (Schittenhelm et al., 2010). Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 12

2 Versuch I. Vergleich der Trockentoleranz von Futterhirse, Sudangrashybride und Mais im Folientunnel (Schittenhelm; JKI) Angesichts einer prognostizierten Klimaerwärmung und zunehmenden Sommertrockenheit werden Energiepflanzen mit einer hohen Wassernutzungseffizienz an Bedeutung gewinnen. Deshalb wurde in dem vorliegenden Versuch geprüft, ob Sorghumhirsen wie Futterhirse (Sorghum bicolor) und Sudangrashybride (S. bicolor x S. sudanense) auf Trockenstandorten eine Anbaualternative zu Mais darstellen. Aus warmen, semi-ariden Klimagebieten wie Spanien (Farré und Faci, 2006), Indien (Singh und Singh, 1995) und Australien (Muchow, 1989) gibt es Hinweise, wonach die Sorghumhirse dem Mais bei mäßigem bis starkem Trockenstress im Biomasseertrag überlegen ist. Verantwortlich für die vergleichsweise höhere Trockentoleranz der Sorghumhirsen ist möglicherweise ihre Fähigkeit tief zu wurzeln und dadurch Wasser auch aus größeren Bodentiefen aufnehmen zu können (Farré und Faci, 2006; Singh und Singh, 1995). Staggenborg et al. (2008) untersuchten Leistungsprüfungen mit Körnersorghum und Mais, die in den US Bundesstaaten Kansas und Nebraska im Zeitraum von 1992 bis 2005 durchgeführt wurden. Sie konnten zeigen, dass an Standorten mit Maiserträgen < 6,4 t ha -1 der Körnersorghum aufgrund seiner Toleranz gegenüber Trockenheit und hohen Temperaturen dem Mais überlegen war. Neben den Anbauvorteilen an Trockenstandorten bieten Sorghumhirsen auch eine Bekämpfungsoption gegen den Westlichen Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera virgifera), da S. bicolor und S. sudanense keine Wirtspflanzen für diesen Maisschädling sind. Gegenwärtig trägt der intensive Maisanbau in den Einzugsgebieten von Biogasanlagen maßgeblich zur Vermehrung des Westlichen Maiswurzelbohrers bei. Unter den Klimabedingungen Mitteleuropas haben Sorghumhirsen den Nachteil, dass die derzeit für den Anbau zur Verfügung stehenden Sorten hohe Temperaturansprüche aufweisen, die noch über denen von Mais liegen. Eine frühe Aussaat als Hauptfrucht geht deshalb mit einer vergleichsweise langsamen Jugendentwicklung einher. Wegen ihres hohen Wärmebedarfs können die derzeit verfügbaren Sorten erst ab etwa Mitte Mai ausgesät werden. Solange keine züchterisch angepassten Sorghumhirsen zur Verfügung stehen, bietet sich ein Anbau in Zweifruchtsystemen an, bei denen die Sorghumhirsen erst nach der Ernte einer Winterzwischenfrucht (z.b. Winterroggen) ausgesät werden. In der ersten Projektphase des EVA Teilprojektes 5 hat sich gezeigt, dass die Futterhirse dem Mais in Zweitfruchtstellung ebenbürtig sein kann. In dem extremen Trockenjahr 2006 erbrachte die Futterhirse in Müncheberg bei minimaler Bewässerung einen Trockenmasseertrag von 9,5 t ha -1, der Mais dagegen lediglich 8,6 t ha -1. Pflanzenarten stellen im Verlauf der Ontogenese unterschiedliche Ansprüche an die Wasserversorgung. Bei vielen Pflanzenarten ist der Wasserbedarf während der Blüte besonders hoch. Um bei einem Fruchtartenvergleich solche 13 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

zufälligen Jahreseffekte ausschließen zu können, wurde das vorliegende Experiment in einem auf dem Versuchsfeld des Instituts für Pflanzenbau und Bodenkunde befindlichen Folientunnel bei unterschiedlichen, aber über die Vegetationsperiode konstanten Bodenfeuchten durchgeführt. Der Tunnel ist so dimensioniert, dass Bodenbearbeitung, Aussaat und Düngung mit praxisüblichen Maschinen und Geräten erfolgen können (Abbildung 2.1). Dadurch ist sichergestellt, dass die Versuche unter quasi-natürlichen Bedingungen stattfinden und sich die gewonnenen Erkenntnisse auf die landwirtschaftliche Praxis übertragen lassen. Abbildung 2.1. Aufbau und Betrieb des Folientunnels als stationäre Versuchseinrichtung für witterungsunabhängige Bewässerungsversuche im Freiland. Die drei Fruchtarten Futterhirse, Sudangrashybride und Mais wurden in den Jahren 2008 und 2009 bei definierten Bodenwassergehalten Seite an Seite an jeweils unterschiedlichen Stellen desselben Feldschlages unter einem Folientunnel angebaut. Das Versuchsdesign war eine zweifaktorielle Spaltanlage mit zwei Wiederholungen. In Abbildung 2.2 ist der Versuch am Beispiel des Versuchsjahres 2008 schematisch dargestellt. Die Wasserregime bildeten die Großteilstücke und die Fruchtarten die Kleinteilstücke. Die Aussaat von Mais ( Atletico ; Reifezahl S280), Futterhirse ( Sucrosorgo 506 ) und Sudangrashybride ( Lussi ) erfolgte in den Jahren 2008 und 2009 am 8. bzw. 26. Mai. Der späte Aussaattermin im zweiten Versuchsjahr ist darauf zurückzuführen, dass wegen des schlechten Feldaufgangs eine zweite Aussaat erforderlich war. Von Mais und Futterhirse wurden jeweils vier Reihen mit einem Reihenabstand von 62,5 cm und von der Sudangrashybride zehn Reihen mit einem Reihenabstand von 25 cm ausgesät. Während der Mais auf Endabstand gedrillt wurde erfolgte die Aussaat von Futterhirse und Sudangrashybride mit doppelter Aussaatmenge und anschließender Vereinzelung. Die drei Stufen der Wasserversorgung Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 14

waren 15-25, 40-50 und 60-80% nutzbare Feldkapazität (nfk) entsprechend starkem, leichten bzw. keinem Trockenstress. Alle agronomischen Details zu diesem Versuch finden sich in Tabelle A1 (2008) und Tabelle A2 (2009) im Anhang. Faktor Wasserregime 1 2 3 Starker Trockenstress Leichter Trockenstress Kein Trockenstress R 2 Faktor Fruchtarten 1 = Mais ( Atletico, S 280) 2 = Sudangras ( Lussi ) 3 = Futterhirse ( Sucrosorgo 506) 2 Wiederholungen R 1 R 2 Wiederholung 1 Wiederholung 2 R 1 6 m 2 Bewässerungs-, bzw. Tropfrohre 7,5 m FDR - Sonde Abbildung 2.2. Schematische Darstellung der Versuchsanlage in Braunschweig 2008. Die Bewässerung erfolgte mittels druckkompensierter Tropfrohre und wurde über FDR-Sonden (ML2x, Delta-T, Cambridge) gesteuert. Die Sonden wurden in einer der beiden Wiederholungen in 15 und 45 cm Bodentiefe installiert. Die 2008 und 2009 in den Parzellen mit starkem, leichtem und ohne Trockenstress ausgebrachten Wassermengen sind in Tabelle 2.1 dargestellt. 15 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Tabelle 2.1. Bewässerungsmengen (mm) im Folientunnel in Abhängigkeit von Wasserregime und Fruchtart in den Jahren 2008 und 2009. Jahr/Fruchtart 15-25% nfk 40-50% nfk 60-80% nfk 2008 Mais 50 160 270 Futterhirse 50 160 270 Sudangrashybride 50 140 230 2009 Mais 50 200 350 Futterhirse 60 200 350 Sudangrashybride 60 200 350 Neben agronomischen Eigenschaften wurden in Zusammenarbeit mit Frau Dr. Susanne Schroetter (JKI Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde) auch Wurzeluntersuchungen zum Zeitpunkt Blüte bzw. nach der Ernte durchgeführt (Abbildung 2.3). Abbildung 2.3. Aufbereiten von Bohrkernen aus dem Folientunnelversuch für die Bildverarbeitung. Die Dachfolie wurde nach Etablierung der Bestände am 2.6.2008 bzw. 22.6.2009 aufgezogen. Zu diesem Zeitpunkt lag die Bodenfeuchte noch nahe 100% nfk. Da nach dem Anbringen der Dachfolie kein natürlicher Niederschlag mehr auf die Versuchsfläche gelangt, nimmt der Bodenwassergehalt rasch ab. Im Jahr 2008 zeigte die Sudangrashybride in der Trockenvariante in der Phase der Jugendentwicklung Schäden an den Blättern (Abbildung 2.4). Die chemische Analyse ergab, dass die Trockenmasse der geschädigten Blätter mit relativ 44 bzw. 35% im Vergleich zu der nicht gestressten Kontrolle deutlich reduzierte N und P-Gehalte hatte. Die Wirkung des Trockenstresses war an der starken Wuchsdepression deutlich erkennbar (Abbildung 2.5). Während die drei Pflanzenarten in den Jahren 2008 und 2009 unter leichtem Trockenstress noch durchschnittliche Wuchshöhen von 88 bzw. 87% im Vergleich zu der ungestressten Kontrolle aufwiesen, wurden unter starkem Trockenstress nur noch relative Wuchshöhen von 67 bzw. 55% erreicht. Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 16

Abschlußbericht zu EVA II Teilprojekt 5 Abbildung 2.4. Trockenschäden an den Blättern der Sudangrashybride (vorne rechts) in den Parzellen mit 15-25% nfk im Vergleich zu nicht geschädigtem Mais (vorne links) in Braunschweig 2008. Abbildung 2.5. Blicke in den Folientunnel am 18.8.2009. 17 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Im Jahr 2008 lagen die TS-Gehalte aller drei Fruchtarten oberhalb der für die Silierung kritischen Schwelle von 28% (Tabelle 2.2). Diese Untergrenze wurde lediglich von der Futterhirse in der 60-80% nfk Variante verfehlt. Im Jahr 2009 hingegen blieben Futterhirse und Sudangrashybride wegen des erforderlichen Umbruchs mit Neuaussaat mehr oder weniger deutlich unterhalb 28% und zwar umso deutlicher, je mehr Zusatzwasser verabreicht wurde. Im Vergleich zu den Sorghumhirsen hatte der Mais im Mittel der beiden Jahre höhere Gehalte an Rohfett, Rohprotein sowie NfE und niedrigere Gehalte an Rohfaser. Aufgrund dieser Nährstoffrelation lagen die berechneten Methanausbeuten für Mais um durchschnittlich 27% über denen der Sorghumhirsen. Im Gegensatz zum Faktor Fruchtarten hatte der Faktor Wasserregime keinen eindeutigen Effekt auf die Nährstoffgehalte und Methanausbeuten. Auffallend waren lediglich der parallel zur besseren Wasserversorgung und zunehmenden Wuchshöhe ansteigende Rohfasergehalte von Sudangrashybride. In beiden Versuchsjahren war die Futterhirse dem Mais bei guter Wasserversorgung (60-80% nfk) im Trockenmasseertrag ebenbürtig und unter Trockenstress (15-25% nfk) sogar um 25% (2008) bzw. 36% (2009) überlegen. Die Ertragsüberlegenheit im zweiten Versuchsjahr ließ sich allerdings nicht statistisch absichern. Die TM-Erträge der Sudangrashybride lagen stets unter denen der Futterhirse. Allerdings erbrachte die Sudangrashybride bei Trockenstress vergleichbare Trockenmasseerträge wie der Mais. Die drei Fruchtarten unterschieden sich deutlich in der trockenheitsbedingten Ertragsreduktion. Während der Mais im Mittel der beiden Versuchsjahre auf starken Trockenstress mit einem Ertragsrückgang von 53% reagierte fiel die Ertragsreduktion bei Futterhirse und Sudangrashybride mit jeweils 38% vergleichsweise moderat aus. Das Wasserregime hatte in beiden Versuchsjahren einen signifikanten Einfluss auf Evapotranspiration (ET), Evapotranspirationskoeffizient (ETK) und Wassernutzungseffizienz (WNE). Aus der über die beiden Versuchsjahre zusammenfassenden Varianzanalyse wird deutlich, dass die WNE bei allen Fruchtarten mit zunehmender Wasserverfügbarkeit stark abnimmt ( Luxuskonsum ). Mais, Futterhirse und Sudangrashybride hatten im Mittel der beiden Jahre bei guter Wasserversorgung eine vergleichbare WNE von 63 bis 65 kg TM ha -1 mm -1 ohne Trockenstress und von 81 bis 84 kg TM ha -1 mm -1 bei leichtem Trockenstress. Unter starkem Trockenstress hingegen war die Futterhirse mit einer durchschnittlichen WNE von 112 kg ha -1 mm -1 sowohl der Sudangrashybride (100 kg ha -1 mm -1 ) als auch dem Mais (90 kg ha -1 mm -1 ) signifikant überlegen. Eine Erklärung für die höhere WNE der Sorghumhirsen im Vergleich zu Mais bieten deren höhere Durchwurzelungsintensität und der größere Wurzeltiefgang. Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 18

Tabelle 2.2. Wuchshöhe, Nährstoffgehalte (in der TM) und Erträge für die Fruchtarten Mais, Futterhirse und Sudangrashybride bei drei Wasserregimen in den Jahren 2008, 2009 und im Mittel der Jahre. Jahr Wasserregime Fruchtarten Wuchshöhe TS- Gehalt Rohasche Rohfett Rohprotein Rohfaser NfE Methanausbeute FM- Ertrag TM- Ertrag Methanertrag (J) (W) (F) cm % % % % % % L (kg otm) -1 t ha -1 t ha -1 m 3 ha -1 2008 15 25% nfk Mais 207 38,0 4,5 3,6 6,8 22,1 63,0 306 31,2 11,9 3.458 Futterhirse 212 31,2 4,6 1,6 5,1 32,4 56,4 243 47,9 14,9 3.463 Sudangrashybride 191 33,5 4,2 1,5 4,4 32,4 57,4 243 36,8 12,3 2.862 Mittel 203 34,2 4,4 2,2 5,5 29,0 58,9 264 38,6 13,0 3.261 40 50% nfk Mais 280 35,0 5,7 3,7 6,7 23,1 60,9 310 52,0 18,2 5.316 Futterhirse 285 29,9 4,6 1,8 4,9 28,1 60,6 243 65,3 19,6 4.520 Sudangrashybride 234 32,0 3,7 1,4 5,0 35,7 54,2 244 49,1 15,7 3.680 Mittel 266 32,3 4,7 2,3 5,5 29,0 58,6 265 55,5 17,8 4.505 60 80% nfk Mais 318 34,7 5,9 3,7 6,9 21,6 61,9 306 63,1 21,9 6.299 Futterhirse 326 27,3 5,1 1,4 4,2 29,5 59,8 242 81,0 22,1 5.072 Sudangrashybride 262 31,2 3,9 1,5 5,4 37,7 51,5 244 57,2 17,9 4.183 Mittel 302 31,1 5,0 2,2 5,5 29,6 57,7 264 67,1 20,6 5.185 Mittel Mais 268 35,9 5,4 3,6 6,8 22,3 61,9 307 48,7 17,3 5.024 Futterhirse 274 29,4 4,8 1,6 4,7 30,0 58,9 243 64,7 18,9 4.351 Sudangrashybride 229 32,2 4,0 1,5 4,9 35,3 54,4 244 47,7 15,3 3.575 GD 5% 14 2,0 - - - - - - 6,6 3,2 757 GD 5% 12 0,9 0,2 0,2 0,4 5,1 5,0 3 2,7 1,1 336 GD 5% - - 0,4-0,6 - - - 4,7 2,0 582 Signifikanz der F-Werte aus der ANOVA 2008 W ** * NS NS NS NS NS NS ** * * F ** ** ** ** ** ** * ** ** ** ** F x W NS NS ** NS * NS NS NS * * * 19 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Tabelle 2.2. Wuchshöhe, Nährstoffgehalte (in der TM) und Erträge für die Fruchtarten Mais, Futterhirse und Sudangrashybride bei drei Wasserregimen in den Jahren 2008, 2009 und im Mittel der Jahre. Jahr Wasserregime Fruchtarten Wuchshöhe TS- Gehalt Rohasche Rohfett Rohprotein Rohfaser NfE Methanausbeute FM- Ertrag TM- Ertrag Methanertrag (J) (W) (F) cm % % % % % % L (kg otm) -1 t ha -1 t ha -1 m 3 ha -1 2009 15 25% nfk Mais 167 34,3 4,5 3,5 7,7 23,9 60,4 308 26,8 9,2 2.703 Futterhirse 170 27,5 5,0 1,4 7,7 23,8 62,1 242 45,4 12,5 2.875 Sudangrashybride 127 28,0 5,2 1,8 6,5 25,8 60,8 243 42,5 11,9 2.733 Mittel 155 29,9 4,9 2,3 7,3 24,5 61,1 264 38,2 11,2 2.771 40 50% nfk Mais 256 34,6 4,0 4,0 7,0 20,7 64,3 312 55,3 19,1 5.727 Futterhirse 281 26,2 4,5 1,5 7,1 27,6 59,3 242 73,7 19,3 4.472 Sudangrashybride 199 26,0 5,3 1,8 7,0 29,6 56,4 243 69,5 18,1 4.168 Mittel 245 28,9 4,6 2,5 7,0 26,0 60,0 266 66,2 18,8 4.789 60 80% nfk Mais 307 32,1 4,0 3,7 7,4 21,2 63,7 302 70,1 22,5 6.512 Futterhirse 336 25,0 5,2 1,7 8,4 31,3 53,4 244 88,9 22,2 5.127 Sudangrashybride 206 25,6 5,7 1,4 7,3 31,5 54,1 243 81,8 21,0 4.821 Mittel 283 27,6 5,0 2,3 7,7 28,0 57,0 263 80,2 21,9 5.487 Mittel Mais 243 33,6 4,1 3,8 7,4 21,9 62,8 307 50,7 16,9 4.981 Futterhirse 262 26,2 4,9 1,5 7,7 27,6 58,3 242 69,3 18,0 4.158 Sudangrashybride 177 26,6 5,4 1,7 7,0 29,0 57,1 243 64,6 17,0 3.907 GD 5% 27-0,2 - - 1,1 1,5-5,4 2,0 403 GD 5% 30 1,9 0,7 0,4-1,1 2,5 2 4,0-581 GD 5% - - - - - 1,9 4,4 3 - - - Signifikanz der F-Werte aus der ANOVA 2009 W ** NS * NS NS ** * NS ** ** ** F ** ** * ** NS ** ** ** ** NS ** F x W NS NS NS NS NS ** * ** NS NS NS Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 20

Tabelle 2.2. Wuchshöhe, Nährstoffgehalte (in der TM) und Erträge für die Fruchtarten Mais, Futterhirse und Sudangrashybride bei drei Wasserregimen in den Jahren 2008, 2009 und im Mittel der Jahre. Jahr Wasserregime Fruchtarten Wuchshöhe TS- Gehalt Rohasche Rohfett Rohprotein Rohfaser NfE Methanausbeute FM- Ertrag TM- Ertrag Methanertrag (J) (W) (F) cm % % % % % % L (kg otm) -1 t ha -1 t ha -1 m 3 ha -1 2008 u. 2009 15 25% nfk Mais 187 36,1 4,5 3,6 7,3 23,0 61,7 307 29,0 10,5 3.081 kombiniert Futterhirse 191 29,3 4,8 1,5 6,4 28,1 59,2 242 46,7 13,7 3.169 Sudangrashybride 159 30,8 4,7 1,6 5,5 29,1 59,1 243 39,6 12,1 2.797 Mittel 179 32,1 4,7 2,2 6,4 26,7 60,0 264 38,4 12,1 3.016 40 50% nfk Mais 268 34,8 4,8 3,8 6,8 21,9 62,6 311 53,7 18,7 5.522 Futterhirse 283 28,1 4,6 1,7 6,0 27,9 60,0 242 69,5 19,4 4.496 Sudangrashybride 216 29,0 4,5 1,6 6,0 32,6 55,3 243 59,3 16,9 3.924 Mittel 256 30,6 4,6 2,4 6,3 27,5 59,3 265 60,8 18,3 4.647 60 80% nfk Mais 312 33,4 4,9 3,7 7,2 21,4 62,8 304 66,6 22,2 6.405 Futterhirse 331 26,1 5,1 1,5 6,3 30,4 56,6 243 84,9 22,1 5.099 Sudangrashybride 234 28,4 4,8 1,5 6,4 34,6 52,8 244 69,5 19,4 4.502 Mittel 292 29,3 5,0 2,2 6,6 28,8 57,4 263 73,7 21,3 5.336 Mittel Mais 256 34,8 4,8 3,7 7,1 22,1 62,4 307 49,7 17,1 5.003 Futterhirse 268 27,8 4,8 1,6 6,2 28,8 58,6 242 67,0 18,4 4.255 Sudangrashybride 203 29,4 4,7 1,6 5,9 32,1 55,7 243 56,1 16,2 3.741 GD 5% 10 0,9 0,2 - - - - 1,4 2,8 1,2 277 GD 5% 14 1,0-0,2 0,7 2,3 2,5 1,7 2,2 1,2 299 GD 5% 25 - - - - - - 3,0 3,7 2,0 518 21 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Tabelle 2.2. Wuchshöhe, Nährstoffgehalte (in der TM) und Erträge für die Fruchtarten Mais, Futterhirse und Sudangrashybride bei drei Wasserregimen in den Jahren 2008, 2009 und im Mittel der Jahre. Jahr Wasserregime Fruchtarten Wuchshöhe TS- Gehalt Rohasche Rohfett Rohprotein Rohfaser NfE Methanausbeute FM- Ertrag TM- Ertrag Methanertrag (J) (W) (F) cm % % % % % % L (kg otm) -1 t ha -1 t ha -1 m 3 ha -1 Signifikanz der F-Werte aus der zusammenfassenden ANOVA J * ** NS NS ** * NS NS ** NS NS W ** ** * NS NS NS NS * ** ** ** W x J * NS * NS NS NS NS NS ** * * F ** ** NS ** ** ** ** ** ** ** ** F x J * ** ** NS ** * NS NS ** NS NS F x W * NS NS NS NS NS NS * * * ** F x W x J NS NS * NS NS NS NS NS NS NS NS *, ** Signifikant für P < 0,05 und P < 0,01; NS = nicht signifikant für P < 0,05. NfE = Stickstofffreie Extraktstoffe. Grenzdifferenz für Mittelwertvergleiche der Wasserregime innerhalb eines Merkmals. Grenzdifferenz für Mittelwertvergleiche der Fruchtarten innerhalb eines Merkmals. Grenzdifferenz für Mittelwertvergleiche von Fruchtarten x Wasserregime-Kombinationen innerhalb eines Merkmals. Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 22

Tabelle 2.3. Evapotranspiration (ET), Evapotranspirationskoeffizient (ETK) und Wassernutzungseffizienz (WNE) von Mais, Sudangrashybride und Futterhirse bei drei Wasserregimen in den Jahren 2008, 2009 sowie im Mittel der Jahre. Jahr Wasserregime Fruchtart ET ETK WNE (J) (W) (F) mm L kg -1 kg ha -1 mm -1 2008 15 25% nfk Mais 118 100 100 Futterhirse 117 79 127 Sudangrashybride 117 95 105 Mittel 117 91 111 40 50% nfk Mais 219 121 83 Futterhirse 226 116 87 Sudangrashybride 185 117 85 Mittel 210 118 85 60 80% nfk Mais 315 144 70 Futterhirse 324 147 68 Sudangrashybride 261 146 69 Mittel 300 145 69 Mittel Mais 217 122 84 Futterhirse 222 114 94 Sudangrashybride 187 119 86 GD 5% 13 16 12 GD 5% 4-7 GD 5% 7-12 Signifikanz der F-Werte aus der ANOVA 2008 W ** ** ** F ** - * F x W ** - * 2009 15 25% nfk Mais 115 125 79 Futterhirse 131 105 96 Sudangrashybride 126 106 95 Mittel 124 112 90 40 50% nfk Mais 228 119 84 Futterhirse 243 126 80 Sudangrashybride 234 129 77 Sudangrashybride 234 129 77 Mittel 235 125 80 60 80% nfk Mais 372 165 60 Futterhirse 388 175 57 Sudangrashybride 368 176 57 Mittel 376 172 58 Mittel Mais 238 137 75 Futterhirse 254 135 78 Sudangrashybride 242 137 77 GD 5% 16 21 16 GD 5% - - - GD 5% - - - 23 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Tabelle 2.3. Evapotranspiration (ET), Evapotranspirationskoeffizient (ETK) und Wassernutzungseffizienz (WNE) von Mais, Sudangrashybride und Futterhirse bei drei Wasserregimen in den Jahren 2008, 2009 sowie im Mittel der Jahre. Jahr Wasserregime Fruchtart ET ETK WNE (J) (W) (F) mm L kg -1 kg ha -1 mm -1 Signifikanz der F-Werte aus der ANOVA 2009 W ** * * F NS NS NS F x W NS NS NS 2008 u. 2009 15 25% nfk Mais 117 113 90 kombiniert Futterhirse 124 92 112 Sudangrashybride 121 100 100 Mittel 121 102 101 40 50% nfk Mais 223 120 84 Futterhirse 234 121 83 Sudangrashybride 209 123 81 Mittel 222 121 83 60 80% nfk Mais 343 155 65 Futterhirse 356 161 63 Sudangrashybride 314 161 63 Mittel 338 159 64 Mittel Mais 228 129 80 Futterhirse 238 124 86 Sudangrashybride 215 128 81 GD 5% 7 9 6 GD 5% 8-5 GD 5% 13 13 8 Signifikanz der F-Werte aus der zusammenfassenden ANOVA J ** * * W ** ** ** W x J ** NS NS F ** NS * F x J ** NS NS F x W ** * ** F x W x J NS NS NS *, **, NS Signifikant für P < 0,05 und P < 0,01, NS = nicht signifikant für P < 0,05. Grenzdifferenz für Mittelwertvergleiche der Wasserregime innerhalb eines Merkmals. Grenzdifferenz für Mittelwertvergleiche der Fruchtarten innerhalb eines Merkmals. Grenzdifferenz für Mittelwertvergleiche von Fruchtarten x Wasserregime-Kombinationen innerhalb eines Merkmals. Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 24

Tabelle 2.4. Wurzeltrockenmasse 1 in der Ackerkrume (0-30 cm) für Mais, Futterhirse und Sudangrashybride bei unterschiedlicher Wasserversorgung zur Blüte im Mittel der Jahre 2008 und 2009. Wasserregime Fruchtart 0-15 cm 15-30 cm t TM ha 15 25% nfk Mais 2,36 0,25 Futterhirse 3,86 0,29 Sudangrashybride 2,91 0,26 60 80% nfk Mais 2,79 0,35 Futterhirse 4,32 0,25 Sudangrashybride 4,04 0,30 1 Probenahme in den Reihen. -1 Tabelle 2.5. Wurzellängendichte 1 (Durchwurzelungsintensität) in der Ackerkrume (0-30 cm) für Mais, Futterhirse und Sudangrashybride bei unterschiedlicher Wasserversorgung im Jahr 2009. Wasserregime Fruchtart 0-15 cm 15-30 cm cm 3 Wurzel cm 3 Boden 15 25% nfk Mais 1,95 0,20 Futterhirse 2,15 0,21 Sudangrashybride 3,07 0,50 60 80% nfk Mais 3,13 0,81 Futterhirse 2,67 0,81 Sudangrashybride 3,09 0,66 1 Durchwurzelung in der Fläche (innerhalb und zwischen Reihen). Tabelle 2.6. Verteilung der Wurzelmasse 1 im Bodenprofil (Wurzeltiefgang) für Mais, Futterhirse und Sudangrashybride bei unterschiedlicher Wasserversorgung nach der Ernte im Versuchsjahr 2008. Wasserregime Fruchtart 0-30 cm 30-60 cm 60-82 cm t TM ha -1 15 25% nfk Mais 1,15 0,02 0,01 Futterhirse 1,52 0,04 0,06 Sudangrashybride 1,84 0,07 0,04 60 80% nfk Mais 1,78 0,04 0,00 Futterhirse 1,79 0,01 0,03 Sudangrashybride 1,42 0,22 0,26 1 Probenahme in den Reihen. Die drei geprüften Fruchtarten bildeten den Hauptteil der Wurzeln in den oberen 15 cm Boden (Tabelle 2.4). Dort waren zwischen 89 und 95% der Wurzeln zu 25 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

finden. Auch Fußeder (1985) fand bei Mais die größte Wurzeldichte in den oberen 20 cm Boden direkt unter der Pflanze. Wassermangel hatte bei allen drei Arten geringere Wurzelmassen zur Folge. Futterhirse bildete sowohl unter Trockenstress als auch bei optimaler Wasserversorgung die meisten Wurzeln aus. Trockenstress verringerte die Wurzelmasse in der darunter liegenden Bodenschicht (15-30 cm) im Vergleich zur optimalen Wasserversorgung bei Mais und Sudangrashybride um 29 bzw. 13%. Die Wurzelmasse der Futterhirse dagegen war um 16% erhöht. Unter Wassermangel zeigte sich, dass vor allem der Mais nicht mehr in der Lage war, die oberen Bodenschichten ausreichend intensiv zu durchwurzeln (Tabelle 2.5). Seine Wurzellängendichte war um 38 bzw. 75% reduziert. Zwar wurde auch für Futterhirse eine verringerte Wurzellängendichte gemessen, diese war jedoch in den oberen 15 cm Boden nur um 20% reduziert. Mais Futterhirse Sudangrashybride Abbildung 2.6. Wurzelbilder von Mais, Futterhirse und Sudangrashybride im Stadium BBCH 12 nach Anzucht in Wasserkultur (Fotos: Dr. S. Schroetter). Sudangrashybride, deren Wurzelbild eine etwas andere Struktur aufweist (Abbildung 2.6), zeigte die geringste Reduktion der Durchwurzelungsintensität. Bei Untersuchungen zum Wurzeltiefgang nach der Ernte im ersten Versuchsjahr waren unter Wassermangel für Futterhirse mehr Wurzeln in Tiefen unterhalb 60 cm nachweisbar als bei Sudangrashybride und Mais (Tabelle 2.6). Der Mais schnitt diesbezüglich am schlechtesten ab. Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 26

3 Versuch II. Ertragsleistung des Zweikulturnutzungssystems im Vergleich zum Hauptfruchtanbau in Abhängigkeit von der Wasserversorgung 3.1 Erläuterungen zum Versuch (Schittenhelm; JKI) Das Zweikulturnutzungssystem für die Produktion von Biogassubstraten ist darauf ausgerichtet, durch eine ganzjährige Bodenbedeckung eine hohe Flächenleistung und einen hohen Gewinn zu erzielen (Karpenstein-Machan, 2005; Toews et al., 2008). Die Erstfrucht wird im Herbst ausgesät und im folgenden Jahr noch vor der Vollreife geerntet. Ein solches Zweifruchtsystem bietet sowohl die Chance einer zusätzlichen Biomasseproduktion als auch einer Reduzierung der Stickstoffauswaschung (Abbildung 3.1). Bei einem Hauptfruchtanbau ohne Winterzwischenfrucht wird anorganischer Stickstoff im Herbst und Frühjahr ausgewaschen, weil kein Pflanzenbestand vorhanden ist der den überschüssigen Stickstoff aufnimmt. Abbildung 3.1. Hypothetische saisonale Dynamik der Trockenmasseproduktion und Nitratauswaschung für (A) Hauptfruchtanbau und (B) Zweifruchtsystem (aus Heggenstaller et al. 2008). 27 Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner

Im Vergleich zum Hauptfruchtanbau mit nur einer Biomasseernte pro Jahr werden aber nur dann höhere Erträge erzielt, wenn die Zweitfrucht rasch aufläuft und sich danach zügig weiterentwickelt. Voraussetzung dafür ist eine ausreichende Wasserversorgung während der Keimung und Jugendentwicklung im späten Frühjahr (Mai) bzw. Frühsommer (Juni). Bezüglich der Wasserversorgung problematische Standorte für das Zweifruchtsystem finden sich in Deutschland insbesondere in den östlichen und nordöstlichen Ackerbaugebieten. Die Analyse langjähriger Witterungsdaten (1962 bis 2006) für mehrere über das Bundesgebiet verteilte Maisstandorte ergab eine mittlere nfk von 91% in der dritten Aprildekade ohne Winterzwischenfrucht sowie von 69% in der dritten Maidekade mit der Zwischenfrucht Winterroggen (Löpmeier, 2007). Bei einer für leichte und schwere Böden (lehmiger Sand bzw. tiefgründiger Löß) zugrunde gelegten nfk von 100 bzw. 200 mm entspricht die mittlere nfk- Differenz von 22 Prozentpunkten einer Wassermenge von 22 und 44 mm. Diese Wassermenge steht beispielsweise einem Zweitfrucht-Mais weniger zur Verfügung als einem Hauptfrucht-Mais Basierend auf den in der ersten Projektförderphase (EVA I) gewonnenen Erkenntnissen über die Möglichkeiten der Zusatzbewässerung für die Zweikulturnutzung wurden in EVA II mit Blick auf eine praxisorientierte Versuchsanstellung folgende Modifikationen vorgenommen: - Die Ergebnisse der Standorte Braunschweig und Müncheberg haben gezeigt, dass der Vergleich von Zweikulturnutzung und Hauptfruchtanbau einen interessanten Teilaspekt dieses Versuchs darstellt. Deshalb wurde in EVA II auch am Standort Rheinstetten-Forchheim ein vergleichender Hauptfruchtanbau mit zwei Stufen der Wasserversorgung durchgeführt. - Die in EVA I eingesetzten Erstfrüchte Welsches Weidelgras und Grünroggen unterschieden sich kaum in ihrer Vorfruchtwirkung. Da der Grünroggen etwas höhere Erträge liefert und darüber hinaus wegen der späteren Aussaat eine größere Flexibilität in der Fruchtfolgegestaltung erlaubt, wurde auf die Erstfrucht Welsches Weidelgras zugunsten eines zusätzlichen Aussaattermins für die Zweitfrüchte verzichtet. Das hohe Leistungspotenzial von Roggen zur Biomasseproduktion für die energetische Nutzung wurde auch in einer aktuellen Untersuchung von Roux et al. (2010) bestätigt. - Der zusätzliche spätere Aussaattermin im Juni sollte die Frage klären, inwieweit die Aussaat der Zweitfrucht zeitlich flexibel gestaltet werden kann. Da auf Trockenstandorten die rasche Bestandesetablierung wesentlich zum Erfolg der Zweitfrucht beiträgt, könnte bei einem ohne Ertragseinbuße möglichen flexiblen Aussaattermin die aktuelle bzw. prognostizierte Bodenfeuchte bei der Aussaatplanung stärker berücksichtigt werden. Eine spätere Aussaat erscheint insbesondere für Futterhirse und Sudangrashybride interessant, weil sich diese beiden Fruchtarten als ausgesprochen spätsaatverträglich erwiesen haben. Schittenhelm, Neumann, Kruse, Mastel, Hufnagel, Rosner 28