Kurzumtriebsplantagen (KUP) auf organischen Böden - Kohlenstoffhaushalt und Klimarelevanz - Begleituntersuchungen zu Varianten der Anlage von KUP in der staatlichen Versuchsgutverwaltung Grub, Betrieb Großkarolinenfeld

Auf den Flächen der Versuchsstation Karolinenfeld der Bayerischen Landeanstalt für Landwirtschaft (LfL) wurden für die Energieversorgung des LfL-Standortes Grub Kurzumtriebsplantagen (KUP) auf einem Niedermoorstandort im Rahmen des Projektes „KUP auf Grünland“ der LWF (Bayerische Landesanstalt für Land und Forstwirtschaft) etabliert. Das Begleitforschungsprojekt der Vegetationsökologie der HSWT vergleicht die Klimawirksamkeit beim Anbau von Erlen und Pappelhybriden (Max3) auf trockenen und feuchten Flächen differenziert nach unterschiedlichen Flächenvorbereitungsmaßnahmen (mit Pflügen im Vergleich zu nur Abspritzen mit Roundup) während sowie in den ersten Jahren nach der Umwandlung eines Grünlandstandortes zu KUP.

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Abb. 1: THG-Messung mit einer Gaswechselhaube zur Erfassung der CH4- und N2O-Flüsse an der Standortvariante "Erle trocken" (Foto: Martina Schlaipfer)
Abb. 2: Klimastation zur Erfassung relevanter Umweltparameter an der Standortvariante "Erle nass" (Foto: Alicia Fuertes Sanchez)

ZIELSETZUNG

In Phase I dieses Projekts wurden KUP in Bayern erstmals auf organischen Böden mit hohen Kohlenstoffpools etabliert. Mit der Erzeugung regenerativer Energie (positiv für das Klima), kann aber bei der Bewirtschaftung durch beschleunigten Abbau der organischen Substanz und hohe Exporte von den Flächen eine hohe standortbezogene Klimawirksamkeit (negativ für das Klima) einhergehen. Ziel des Begleitforschungsprojektes ist es, die Klimawirkung von KUP auf organischen Böden exemplarisch anhand typischer Standort-, Etablierungs- und Baumartenvarianten zu prüfen und die aus Ertrags- und Klimawirkungssicht günstigsten Varianten zu identifizieren.

FRAGESTELLUNGEN

1. Kohlenstoffbilanz und Klimarelevanz der KUP: Wie wirken sich (1) unterschiedliche Etablierungsverfahren (2) unterschiedliche Baumarten (Erle vs. Pappel) und (3) unterschiedlicher Wasserstand/Bodenfeuchte aus?
2. Biodiversität: Welche Auswirkungen haben die Varianten auf die Biodiversität der Vegetation?
3. Übertragbarkeit: Wie lässt sich mit einfachen standörtlichen Indikatoren (wie Wasserstand, Torfqualität, hydraulische Leitfähigkeit, etc.) die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Standorte organischer Böden absichern und die Ermittlung von Eignungsflächen mit geringer Klimawirksamkeit für die Beratung von Landwirten unterstützen?

VORGEHEN

Die Treibhausgas-Flüsse im Unterwuchs wurden mittels manueller Haubenmessungen bestimmt. Dabei wurden ca. 14-tägig Gasproben in Glasfläschchen entnommen, welche dann im Labor mit einem Gaschromatographen auf ihren CO2/CH4/N2O-Gehalt untersucht werden. Daraus lassen sich dann Flussraten und Austauschbilanzen der Gase ermitteln. Der Tagesverlauf der CO2-Flüsse wurde zusätzlich alle drei bis vier Wochen zur Parametrisierung von Austauschmodellen direkt im Feld bestimmt. Zur Ermittlung der Kohlenstoffbindung in den Bäumen wurden einmal jährlich Baumhöhen sowie Wurzelhals- und Brusthöhendurchmesser aufgenommen. Im Jahr 2017 wurden einige Bäume exemplarisch entnommen und auf ihre Biomasse sowie ihre C/N-Gehalte in den unterschiedlichen Kompartimenten untersucht. Um Veränderungen in der floristischen Biodiversität feststellen zu können, wurde auf den Messflächen einmal pro Jahr eine Probeflächenkartierung durchgeführt. Im Frühjahr 2014 und im Herbst 2016 wurden Bodenproben genommen, um bodenkundliche Kennwerte (Lagerungsdichte, Porenvolumen, C/N-Gehalte, pH-Werte) zu erhalten. Zusätzlich wurden weitere Umweltparameter wie Luft- und Bodentemperaturen, photosynthetisch aktive Strahlung und Bodenfeuchte an variantenspezifischen Klimastationen aufgenommen. Wasserstände wurden bei allen Plots parallel zu den Treibhausgasmessungen manuell erfasst. Mit automatischen Wasserstands-Loggern (ein Stück pro Variante) wurde zudem alle 30 Minuten ein Wert aufgezeichnet, um auch die zeitliche Variabilität abzudecken.

ERGEBNISSE

Am schlechtesten schneiden bei der Gesamtbilanzierung (nicht grafisch dargestellt) die trockenen Erlenflächen ab. Diese wiesen in den ersten 43 Monaten nach Etablierung einen Ausstoß von 241 ± 44 (ungepflügt) bis 303 ± 37 (gepflügt) t CO2-Äquivalenten pro Hektar auf. Die beiden Flächen mit der geringsten Klimawirksamkeit waren die nassen Erlen- und Pappelvarianten (73 ± 13 bzw. 114 ± 18 t CO2-Äquivalente pro Hektar pro Periode (43 Monate)). Aufgrund der höheren Kohlenstoff-Festlegung der Erlen in der Biomasse (2,6 ± 0,30 t C pro Hektar und Jahr)weist der nasse Erlenstandort dabei etwas niedrigere Emissionswerte auf als der Pappelstandort (C-Allokation Pappeln: 0,69 ± 0,11 t C pro Hektar und Jahr).

Generell zeigten aber auch die nassen Standorte während sowie in den ersten Jahren nach KUP-Etablierung eine vergleichsweise hohe Klimawirksamkeit. Eine klimafreundliche Bewirtschaftung einer KUP auf organischen Böden liegt trotzdem im Bereich des Möglichen: Im Jahr 2016 (siehe Abb. 2), als der Wasserstand nahezu über das gesamte Jahr in den nassen Flächen in einem Optimalbereich von 0-20 cm unter Geländeoberkante lag, waren die feuchten Erlenflächen eine kleine Kohlenstoffsenke mit einer Aufnahme von 5,2 ± 9,4 t CO2-Äquivalenten pro Hektar und Jahr und damit deutlich gemindert gegenüber des durchschnittlichen Jahresausstoßes dieser Flächen im Gesamtzeitraum (20 ± 3,6 t CO2-Äquivalente pro Hektar und Jahr).

Es muss beim Anbau von KUP auf organischen Böden also augenscheinlich sehr auf optimierte Umweltrahmenbedingungen (vor allem hinsichtlich des Wasserstandes) geachtet werden, da es sonst zu sehr hohen Treibhausgas-Ausstößen kommen kann. Vor allem für eine Reduzierung des Lachgas-Ausstoßes scheint zudem ein konstant hoher, wenig variabler Wasserstand von Bedeutung zu sein. Lachgasemissionen sind allerdings sowohl räumlich als auch zeitlich hoch variabel, sodass für gesicherte Aussagen hierzu weitere Untersuchungen in den folgenden Projektphasen notwendig sind.

Der Wasserstand wirkt sich auch auf die Biodiversität der Vegetation aus: Insgesamt kann aus der ersten Projektphase geschlossen werden, dass die Vegetationsentwicklung von der Verbrachung über die Differenzierung in feuchte und trockene Bestände noch in vollem Gange ist. Insofern wird eine eindeutigere Tendenz erst durch zukünftige Entwicklungen erwartet. Die derzeitigen Vegetationsbestände sind hinsichtlich der Biodiversität als relativ artenarm zu bezeichnen.

Zusammenfassend kann aus Phase 1 des KUP-Projekts gesagt werden, dass eine Eignungsfläche für KUP auf Niedermoor einen hohen (0 – 20 cm unter Geländeoberkante), wenig oszillierenden Grundwasserstand aufweisen sollte. Nur dann kann davon ausgegangen werden, dass sich die Treibhausgas-Emissionen, die auf der Fläche entstehen, in Grenzen halten oder sogar gegen Null gehen. Da bei hohen Wasserständen Erlen im Biomassezuwachs Pappeln deutlich überlegen sind, lautet die Empfehlung nach Phase 1 daher Erlen auf Flächen mit oberflächennahem Grundwasserstand anzubauen. Eine endgültige Beurteilung, ob der Anbau von KUP auf organischen Böden tatsächlich zur Minderung der Klimarelevanz der Flächen im Vergleich zu konventioneller landwirtschaftlicher Nutzung beitragen kann, ist allerdings erst nach Ablauf der vollen Rotationen (ca. 6 Jahre bei Pappeln und 12 Jahre bei Erlen) möglich. Hier hängt es dann auch davon ab, welcher Betrachtungsrahmen (Systemgrenze) herangezogen wird.

Im Moment wird das Projekt daher in einer zweiten Phase fortgeführt. Dabei wird das Messprogramm ausgeweitet: Im nassen Spundwand-Bereich wurden weitere Messflächen bzw. Varianten der KUP eingerichtet. Hierzu wurden die Bestandesdichten reduziert, um dem Unterwuchs mehr Licht zur Verfügung zu stellen, und auf diesem Weg mehr CO2 in dieser Vegetationsschicht zu fixieren. Zugleich wird versucht, eine nässeverträgliche Seggen-Vegetation zu fördern. Zudem wurde bereits eine Voll-Kluppung (BHD) der KUP durchgeführt und via Probefällungen wurden bestandsspezifische Biomassefunktionen für die Baumarten erstellt, um den Kohlenstoffbestand der Plantage zu ermitteln. Außerdem wurde das Totholz inventarisiert, um auch den Totholz-internen Kohlenstoff zu erfassen. Anhand von Polyethersulfon-Säckchen, die mit den KUP-internen Biomassekompartimenten Laubstreu, Totholz und Wurzelmasse befüllt werden, sollen die Abbauraten der Kompartimente auf dem Boden bzw. in den Bodenschichten untersucht werden.

Es ist geplant, die Messungen bis zum Abschluss der ersten Rotation – d.h. bis zur ersten Ernte – der Pappeln und Erlen fortzuführen. Nach Abschluss aller Projektphasen wird es möglich sein, Landwirte mithilfe ausgewählter Indikatoren wie z. B. Wasserstand oder C/N-Verhältnis hinsichtlich Eignungsflächen für KUP zu beraten.

Projektleitung

Prof. Dr. Matthias Drösler (Koordination)
T +49 8161-86262-70
matthias.droesler [at]hswt.de Mail

Projektbearbeitung

Alicia Fuertes Sanchez

Projektdauer

01.07.2013 - 31.03.2017

Projektpartner

Projektförderung