Kurzumtriebsplantagen auf Grenzstandorten untersucht

Ergebnisse der ersten Umtriebsphase im Oberrheingraben

Der Anbau von Pappeln oder anderen schnellwachsenden Baumarten in sogenannten Kurzumtriebsplantagen (KUP) auf landwirtschaftlichen Flächen wird als Alternative zu einjährigen Biomasseanbausystemen aufgeführt. Die Nachfrage nach Holz zur energetischen Verwertung hat in den letzten Jahren stark zugenommen, wodurch ebenfalls die Anlage von KUPs auf landwirtschaftlichen Flächen in der Diskussion steht. Deutschlandweit wurde für das Jahr 2011 von einer Anbaufläche mit Kurzumtriebsplantagen von etwa 4100 ha ausgegangen. Aktuelle Schätzungen gehen mittlerweile von 6000 bis 10000 ha Anbaufläche in Deutschland aus. In Rheinland-Pfalz wird die KUP-Fläche gegenwärtig auf etwa 170 ha geschätzt.

Kurzumtriebsplantage mit Pappel auf dem Versuchsfeld Rinkenbergerhof der LUFA Speyer am 5. September 2013, 4,5 Jahre nach Pflanzung.

Foto: Armbruster

Eignung von Grenzstandorten

Potenzielle Standorte für Kurzumtriebsplantagen sollten eine durchwurzelbare Bodentiefe von mindestens 60 bis 70 cm sowie eine Bodenwertzahl von 30 bis 50 Bodenpunkten, eine maximale Höhenlage von 400 bis 800 m ü NN und eine durchschnittliche Jahresmitteltemperatur über 7 °C aufweisen. Bei einer Bodenwertzahl unter 30 Bodenpunkten wird der Anbau schnellwachsender Baumarten im Allgemeinen nicht empfohlen. Sandige, leichte Böden werden daher als weniger geeignet für einen Anbau angesehen.

Allerdings ist gerade auf diesen sogenannten landwirtschaftlichen „Grenzstandorten“ aus Sicht der Landwirtschaft von einer erhöhten Bereitschaft zur Einrichtung von Kurzumtriebsplantagen auszugehen. Daher führen die LUFA Speyer und die Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft (FAWF) Trippstadt seit 2009 ein langfristig angelegtes Kooperationsprojekt durch, in dem Ertragsleistung und ökologische Auswirkungen des Anbaus schnellwachsender Baumarten auf Grenzstandorten untersucht werden. Nachfolgend werden die Ergebnisse der ersten Rotation dargestellt.

Versuchsfläche mit 25 bis 35 Bodenpunkten

Die Untersuchungen wurden auf dem Versuchsfeld „Rinkenbergerhof“ der LUFA Speyer durchgeführt. Der Versuchsstandort liegt im Oberrheingraben nördlich von Speyer auf rund 98 m ü NN. Die Kurzumtriebsplantage wurde auf dem Schlag VIB des Versuchsfeldes auf einer Fläche von ca. 0,56 ha angelegt. Der Bodentyp wurde als eine Parabraunerde-Braunerde charakterisiert. Die Ackerzahl der Versuchsfläche liegt im Bereich zwischen 25 bis maximal 35. Der Humusgehalt des Bodens lag bei Versuchsbeginn im Oberboden bei etwa 1,5 Prozent. Im langjährigen Mittel fallen knapp 600 mm Jahresniederschlag, die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt etwa 10 °C.

Der Versuchsstandort wird aufgrund der niedrigen Ackerzahl, der vor allem im Unterboden geringen nutzbaren Feldkapazität, vergleichsweise niedrigen Jahresniederschlägen sowie häufigen Trockenperioden während der Vegetationszeit nach bisherigen Erkenntnissen nur als bedingt geeignet für die Anlage einer KUP angesehen.

Im Folgejahr der Pflanzung sehr gute Bestandesetablierung

Auf der Versuchsfläche wurden im April 2009 zwei Pappelsorten („Androscoggin“ sowie „Muhle-Larsen“) als Stecklingspflanzung mit 2 m Reihenabstand und 0,8 m Abstand in der Reihe in Handsteckung angepflanzt. Dabei wurden jeweils vier Reihen pro Sorte im Wechsel angepflanzt. Insgesamt wurden pro Sorte drei dieser vierreihigen Steifen angepflanzt. Die beiden östlichen Streifen werden aufgrund wechselnder Bodenverhältnisse nicht in die weitere Auswertungen mit einbezogen, so dass zwei Wiederholungen pro Sorte untersucht werden können.

Die Sollpflanzenanzahl des Pflanzverbandes (2 x 0,8 m) beträgt 6250 Pflanzen pro Hektar. Im Folgejahr der Pflanzung wurden Anwuchsraten von über 94 Prozent ermittelt, was als eine sehr gute Bestandesetablierung zu bewerten ist. Dies ist auch auf die vergleichsweise hohen Niederschläge im Anlagejahr der Kurzumtriebsplantage zurückzuführen (745 mm). Im Zeitraum 2009 bis 2015 war der durchschnittliche Jahresniederschlag mit 639 mm leicht überdurchschnittlich, die Jahresmitteltemperatur lag mit 11,3 °C deutlich über den langjährigen Mittelwerten.

Auswirkungen des Anbaus auf Boden und Standort

Vom Anbau schnellwachsender Hölzer auf landwirtschaftlichen Flächen werden auch ökologische Positivwirkungen erwartet. Durch die Extensivierung von Bodenbearbeitung und allgemeiner Bewirtschaftung (weitgehender Verzicht auf Düngemittel, Verminderung des Pflanzenschutzmittel-Einsatzes) wird mittel- bis langfristig eine Förderung der Aktivität von Bodenlebewesen sowie ein verbesserter Grundwasserschutz erwartet. Zusätzlich wird als positive Wirkung auch der Abbau erhöhter Nähr- oder Schadstoffpools von Böden (Schwermetalle) aufgeführt, was aufgrund der niedrigen Nährstoffabfuhren zu hinterfragen ist.

Im Hinblick auf den Klimaschutz ist bei Kurzumtriebsplantagen dagegen von einer erheblichen Verminderung der klimarelevanten Lachgas-Emissionen im Vergleich zu Brache- und Landwirtschaftsflächen auszugehen. Auch eine zusätzliche Bindung von Kohlenstoff im Boden durch den Anbau von Agrarholz wird diskutiert, wobei die Menge und die zeitliche Andauer dieser Bindung noch nicht abschließend geklärt sind. Durch den Anbau der KUP im Boden zusätzlich gebundener Kohlenstoff dürfte nach der Rekultivierung der Plantage zum Ende der Gesamtnutzungsdauer und anschließender Wiedernutzung als Ackerland vergleichsweise schnell wieder abgebaut werden.

Die Anlage einer KUP im geneigten Gelände vermindert die Erosionsgefahr im Vergleich zu Ackerland dagegen erheblich. Im Vergleich zu jährlich bewirtschafteten Kulturen kann die Tier- und Pflanzenvielfalt höher sein, was aber auch von der Art und Ausgestaltung der KUP abhängig ist.

Neben diesen positiv zu bewertenden Einflüssen bestehen allerdings auch Bedenken: Insbesondere während der Etablierungsphase können schubartige Nährstofffreisetzungen auftreten. Im Vergleich zum Ackerbau ist durch den erhöhten Wasserverbrauch nach Etablierung einer KUP mit einer signifikanten Verringerung der Versickerung und damit auch der Grundwasserneubildung zu rechnen. In Regionen mit hoher Luftschadstoff-Belastung ist durch die höhere Rauhigkeit des Kronendaches von Kurzumtriebsplantagen zudem auch von einer Erhöhung der Stoffeinträge auszugehen.

Fällarbeiten der KUP Speyer am 13.03.2015.

Foto: FAWF

Die Ernte des ersten Umtriebes erfolgte am 13. März 2015, sechs Jahre nach der Pflanzung. Beim Fällen der Pappeln wurde neben der Handfällung mit der Motorsäge auch ein an das Traktorheck angebauter Prototyp eines Fällaggregats eingesetzt. Die Bäume wurden gezählt, die Höhe und der Brusthöhendurchmesser jeder zehnten Pappel wurden stichprobenartig gemessen. Die Pappeln wurden mit einem Radlader getrennt nach Sorten und den zwei Versuchswiederholungen auf Polter gestapelt. Ebenso wurde die Holzfeuchte untersucht.

Das Hacken der gefällten Pappeln erfolgte am 13. April 2015 mit einem LKW-Aufbauhacker. Die Gewichtsbestimmung der Holzhackschnitzel erfolgte in nach Sorte und Versuchswiederholungen getrennten Containern. Pro Versuchswiederholung beziehungsweise Container wurden vier Hackschnitzelproben entnommen und auf den Wassergehalt und die Elementgehalte untersucht.

Mitte Juni 2015 war auf der Fläche bereits ein erfolgreicher Wiederaustrieb aus dem Stock etabliert. Aufgrund der ausgeprägten Trockenheit des Sommers 2015 war im weiteren Jahresverlauf nur ein vergleichsweise geringer Zuwachs zu beobachten.

Per Hand wurde etwas zu dicht gepflanzt

Zum Erntezeitpunkt betrug der Wassergehalt der Pappeln 51 (Sorte Androscoggin) beziehungsweise 58 Prozent (Sorte Muhle-Larsen). Einen Monat später, beim Hacken der Pappeln, war dieser um 3 bis 4 Prozent auf 48 (Androscoggin) beziehungsweise 54 Prozent (Muhle-Larsen) zurückgegangen. Die durchschnittliche Pflanzenzahl lag mit etwa 6600 Pflanzen pro Hektar über dem theoretischen Wert des Pflanzverbandes (6250).

Offensichtlich wurden die Pflanzen mit der Handsteckung etwas dichter als vorgesehen gepflanzt. Die Pflanzenzahl war bei der Sorte Androscoggin höher als bei der Sorte Muhle-Larsen. Dies könnte durch einen etwas geringeren Pflanzenausfall bei der Sorte Androscoggin erklärt werden. Insgesamt sprechen die erhobenen Pflanzenzahlen allerdings für einen geringen Ausfall an Pflanzen und einen bestens etablierten Bestand am Standort.

Jährlicher Gesamtzuwachs von 8,2 t Trockenmasse pro ha

Nach sechs Jahren wurde im Mittel eine oberirdische Biomasse (ohne Blätter) von 49,4 t pro Hektar (absolut Trocken) ermittelt. Aufgrund der höheren Pflanzenzahlen und einem höheren Einzelbaumgewicht war der Biomasseaufwuchs bei der Sorte Androscoggin mit 58 t pro Hektar deutlich höher als bei der Sorte Muhle-Larsen (40,9 t). Der mittlere jährliche Gesamtzuwachs (dGZ) ist mit 8,2 t Trockenmasse pro Hektar und Jahr als überdurchschnittlich für die erste Rotation einzuordnen. Aufgrund der angespannten Wasserversorgung des Standortes wurden für den ersten Rotationszeitraum weit niedrigere Werte erwartet. Vor allem für die Sorte Androscoggin wurde mit einem dGZ von fast 10 t Trockenmasse pro Hektar und Jahr ein sehr hoher Wert ermittelt.

Bei Hackschnitzelpreisen im Bereich von 75 bis 110 Euro pro Tonne (absolut trocken) berechnet sich für den mittleren Hackschnitzelertrag der beiden Sorten von 49,4 t ein Erlös für die erste Rotaion zwischen 3705 und 5434 Euro pro Hektar beziehungsweise bei Berücksichtigung der sechsjährigen Rotationszeit zwischen 617 und 906 Euro pro Hektar und Jahr.

Langer Investitionszeitraum ist mit Risiken behaftet

Hacken mit einem LKW-Aufbauhacker und Einblasen in einen Container am 13. April 2015.

Foto: Armbruster

Bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit einer Energieholzplantage ist zu beachten, dass als wesentlicher Unterschied zwischen landwirtschaftlichen Kulturen und KUP der jeweils unterschiedliche Investitionszeitraum zu berücksichtigen ist. Kurzumtriebsplantagen werden sinnvollerweise für 20 Jahre und mehr angelegt, während bei landwirtschaftlichen Kulturen der Investitionszeitraum meist ein Jahr beträgt. Gängige Deckungsbeitragsrechnungen für landwirtschaftliche Kulturen sind aufgrund des vergleichsweise langen Investitionszeitraums einer Kurzumtriebsplantage mit Risiken behaftet.

Nettobedarf an Nährstoffen deutlich unter Ackerkulturen

Die jährliche Nährstofffestlegung in der oberirdischen Biomasse (Hackschnitzel ohne Blätter) stellt sich wie folgt dar: Die gemessenen Nährstoffgehalte waren bei Phosphor (P) und Kalium (K) bei beiden Pappelsorten nahezu identisch, während bei den restlichen Elementen Muhle-Larsen die niedrigeren Konzentrationen aufwies. Die mittlere Nährstofffestlegung der beiden Sorten liegt für die Elemente Phosphor (P), Kalium (K), Magnesium (Mg) und Kalzium (Ca) bei Berücksichtigung des Ertragsnieveaus etwa in der Größenordnung der vom KTBL beschriebenen jährlichen Nährstoffabfuhren.

Im Rahmen des BMBF-Projektes „Agrowood“ erhobene Nährstofffestlegungen liegen dagegen vor allem bei Stickstoff und Phosphor deutlich niedriger. Trotz dieser Unterschiede liegt auch der an der KUP Speyer ermittelte Nettobedarf an Nährstoffen deutlich unter dem von Ackerkulturen. Daher ist davon auszugehen, dass die Nährstoffversorgung von Kurzumtriebsplantagen auch ohne Düngung für mehrere Erntezyklen als gesichert angesehen werden kann.

Nitratkonzentrationen im Sickerwasser in 1 m Bodentiefe

Unmittelbar nach der Anlage der Kurzumtriebsplantage wurden mittels Saugkerzen vergleichsweise hohe Nitratkonzentrationen im Sickerwasser in 1 m Bodentiefe gemessen. Dies ist vor allem auf den noch fehlenden N-Entzug der Stecklinge zurückzuführen. Mit zunehmender Bestandesentwicklung wurden ab Mitte 2011 nur noch sehr niedrige Nitratkonzentrationen im Sickerwasser gemessen. Tendenziell wurden bei der ertraglich schwächeren Sorte Muhle-Larsen leicht höhere Nitratkonzentrationen ermittelt.

Aufgrund der geringen Niederschläge, des hohen Wasserbedarfs der Pappeln und der damit verbundenen geringen Sickerraten konnten über längere Zeiträume kein Sickerwasser gewonnen werden. Um einen zu erwartenden Nitratanstieg im Sickerwasser nach der Ernte gesichert zu erfassen wurden im März 2015 zusätzliche Saugkerzen eingebaut. Bislang konnte noch kein ausgeprägter Anstieg der Nitratkonzentrationen gemessen werden. Aktuell kann aufgrund des trockenen, niederschlagsarmen Sommers des Jahres 2015 kein Sickerwasser gewonnen werden.

Erste Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften

Zu Versuchsbeginn erfolgte an 16 Probenahmepunkten eine Flächeninventur der Versuchsfläche bis in 90 cm Bodentiefe. Unmittelbar vor der Ernte des ersten Umtriebs wurden diese Inventurpunkte bis in 30 cm Bodentiefe in 10 cm-Schritten erneut beprobt. Neben dem Mineralboden wurde zusätzlich auch die organische Streuauflage des Bestandes beprobt.

Die Trockenrohdichte war 2015 nach sechsjährigem Pappelanbau in 0 bis 10 cm Bodentiefe mit 1,35 g/cm3 niedriger als in 10 bis 20 beziehungsweise 20 bis 30 cm Bodentiefe. Bedingt durch den Pappelanbau ist daher vor allem die oberste Bodenschicht deutlich lockerer gelagert.

Die Kohlenstoffgehalte sind nach sechsjährigem Pappelanbau im obersten Bodenkompartiment angestiegen, während die Werte in den tieferen Oberbodenschichten tendenziell unter den Ausgangswerten liegen. Ähnliche Tendenzen weisen die Stickstoffgehalte auf. Allerdings ist hier auch in den tieferen Bodenschichten gegenüber dem Ausgangswert ein leichter Anstieg erkennbar. Aufgrund der angestiegenen Stickstoffgehalte haben sich die C/N-Verhältnisse im Mineralboden verengt.

Zusammenfassend bewirkte der sechsjährige Anbau der Pappeln im Boden eine lockerere Lagerung des obersten Mineralbodenkompartimentes verbunden mit einem Anstieg der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte in 0 bis 10 cm Tiefe gegenüber dem Ausgangszustand. Bezüglich der Kohlenstoffvorräte konnte bislang noch keine Veränderung für die obersten 30 cm ermittelt werden.

Wie sinnvoll sind KUP auf Grenzstandorten?

Die Nachfrage nach Holz zur energetischen Verwertung wird weiter ansteigen. Die Frage einer möglichen Anlage von Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit schnellwachsenden Hölzern wird daher für Bewirtschafter oder Eigentümer landwirtschaftlicher Flächen zukünftig stärker in den Fokus treten. Für die Anlage solcher KUP stehen aus Sicht des Landwirts vor allem Flächen mit geringerem ackerbaulichen Ertragsniveau zur Verfügung.

Offen bleibt bislang allerdings die Frage, ob der Anbau schnellwachsender Baumarten auf Grenzstandorten ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist. Der von der LUFA Speyer und der Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft in Trippstadt angelegte Langzeitversuch konnte in dieser Hinsicht erste Erkenntnisse liefern und soll auch zukünftig zur Erweiterung der Wissensbasis auf diesem Gebiet beitragen. Zu diesem Zweck betreibt die FAWF zusätzlich an drei weiteren Standorten in Rheinland-Pfalz KUP-Versuchsanbauten.