Suchen Sitemap Kontakt Impressum

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Verbundprojekt:  B I O G A S - E X P E R T
im Kompetenzzentrum Biomassenutzung in Schleswig-Holstein

         
 
05 - Pflanzenbau
Siegel der Fakultät
 
Teilprojekt 5

 

"Optimierung der Ertragsleistung und Nährstoffnutzungseffizienz in Systemen zur Produktion von Biomasse für Biogasanlagen unter den Klimabedingungen Schleswig-Holsteins"

 

 

 

Laufzeit
01.11.2006 bis 31.08.2010

 

 

Bearbeiter
Babette Wienforth, Dr. Astrid Knieß, PD Dr. Antje Herrmann, PD Dr. Klaus Sieling, Prof. Dr. Henning Kage, Prof. Dr. Friedhelm Taube

 

 

Einleitung
Bedingt durch seine hohen realisierbaren Biomasseerträge ist Silomais derzeit mit einem Anteil von ca. 80 % die dominierende Kulturart im Energiepflanzenanbau für die Biogaserzeugung in Deutschland. Dies führt zunehmend zu einer Intensivierung der Silomaisproduktion hin zu mehr Maisanbau in Monokultur sowie zu einer Ausdehnung des Maisanbaus auf für den Mais eher untypische Standorte. Neben Fragen bezüglich der Umweltwirkungen einer gestiegenen Silomaisproduktion ergeben sich hieraus auch Fragen bezüglich der Produktivität von Silomais auf Grenz- und Hochertragstandorten. Für eine effiziente Biogasproduktion sind hohe Biomasseerträge grundlegend, da sie sowohl ökonomisch als auch hinsichtlich des CO2-Einsparungspotenzials von großer Bedeutung sind. Die Produktivität von Anbausystemen ist zunächst eine Funktion der Strahlungsaufnahme von photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR), sowie deren Transformation in pflanzliche Biomasse. Zur Realisierung hoher Erträge müssen somit sowohl die Höhe und Dauer der Strahlungsaufnahme (Q), als auch die Lichtnutzungseffizienz (LUE) maximiert werden. Temperatur- oder Trockenstress können Q und LUE negativ beeinflussen und dadurch ertragslimitierend wirken.

 

Ziel des Teilprojektes war es zum einen, mit Hilfe eines neuentwickelten Pflanzenwachstumsmodells für Silomais, mittels Simulationsstudien, die Ertragspotentiale, mittleren Erträge und Ressourcennutzungseffizienzen von Silomais an drei verschiedenen Standorten in Deutschland zu quantifizieren und so die Ertragslimitierung durch Temperatur- und Trockenstress an diesen Standorten zu analysieren. Zum anderen sollten unter den klimatischen Bedingungen Schleswig-Holsteins (kühle Temperaturen, hohe gleichmäßig verteilte Niederschläge) alternative Anbausysteme für die Biogasproduktion hinsichtlich ihrer Produktivität geprüft werden. Hierfür wurden mittels modellgestützter Datenanalyse die Ertragsleistungen und Ressourcennutzungseffizienzen von intensiven Fruchtfolgen, die C3- und C4-Pflanzen kombinieren und Winterzwischenfrüchte integrieren, und von Dauergrünland mit denen von Maismonokulturen verglichen.

 

Das Teilprojekt stellte mit den beiden Feldversuchskomplexen Hohenschulen und Karkendamm die experimentelle Grundlage für die Teilprojekte 3 (NH3-Emission), 4 (N-Auswaschung) und 5 (N2O-Emission).

 

 

Material und Methoden
Für die modellbasierte Analyse des Ertragspotenzials von Silomais wurde ein für temperierte Klimate entwickeltes und angepasstes Pflanzenwachstumsmodell für Silomais verwendet. Neben der LUE-basierten Berechnung der Trockenmasseproduktion, werden die Stoffverteilung auf Blatt, Stängel, Kolben und Wurzeln, sowie die Blattflächenexpansion und die räumliche Wurzelverteilung empirisch-dynamisch berechnet. Über die Kopplung an ein Bodenwasserhaushaltsmodell und ein Modul zur Berechnung der Evapotranspiration kann der Wasserhaushalt und dessen Wirkung auf das Pflanzenwachstum abgebildet werden. Die negative Wirkung von Trocken- und Temperaturstress auf den Trockenmassezuwachs wird zum einen durch das Verhältnis von aktueller zu potentieller Transpiration und zum anderen durch eine aus einer Temperaturoptimumsfunktion (Basistemperatur 6°C) resultierenden Temperaturfaktor fT abgebildet. Mit Hilfe dieses Modells wurde eine ex-post Simulationsstudie unter Berücksichtigung 35-jähriger Wetterdaten der Standorte Holtenau bei Kiel (HA), Magdeburg (MA) und Regensburg (RE) durchgeführt. Die Standorte unterscheiden sich hauptsächlich bezüglich der mittleren Temperaturen von Mai bis einschließlich September (14.7 °C in HA, 15.9 und 16 °C in MA und RE) und hinsichtlich der während der Vegetationsperiode zur Verfügung stehenden Wassermenge (Summe aus Niederschlagsmenge und pflanzenverfügbaren Bodenwasser zur Aussaat: 510 mm in HA, 450 mm in MA und 440 mm in RE). Für alle drei Standorte wurden jeweils zwei Szenarien berechnet: mit Trockenstresseinfluss und ohne Trockenstresseinfluss, letzteres unter der Annahme, dass die aktuelle gleich der potentiellen Transpiration ist.

 

Für den Vergleich unterschiedlicher Energiepflanzenanbausysteme zur Produktion von Biogas wurde an zwei Orten in Schleswig-Holstein, Hohenschulen (HS) und Karkendamm (KD), ein zweijähriger (2007-08) Feldversuch durchgeführt. In HS (Bodentextur: sL4) wurden die intensivierten Fruchtfolgen FF2: Silomais - GPS-Weizen -Ackergras in Zwei-Schnittnutzung (Winterzwischenfrucht), sowie FF3: Silomais - Körnerweizen - Senf (Winterzwischenfrucht) mit einer Maismonokultur (FF1) verglichen. In KD (Bodentextur: sS) wurde die Maismonokultur (FF1) ausschließlich gegen ein Dauergrünland in Vier-Schnittnutzung (FF4) getestet. Über die gesamte Versuchsanlage wurde ein Stickstoff steigerungsversuch mit 4 N-Stufen gelegt. Die erhobenen Daten bezüglich der zeitlichen Entwicklung des Bestandenflächenindex (GAI) und der Bestandeshöhe wurden mit Hilfe eines einfachen Fruchtfolgemodells linear interpoliert. Hierüber wurden dann Strahlungsaufnahme, Transpiration und Evaporation berechnet, so dass neben dem Biomasseertrag (TM [g m-2]) und den Ergebnissen zur Stickstoffnutzungseffizienz (NUE [t TM kg Dünger-N]) auch die Licht- (LUE [g MJ-1]), die Wasser- (WUE [g L-1]) und die Transpirationsnutzungseffizienz (TUE [g L-1]) als Parameter zur Bewertung und Analyse der Produktivität der Anbausysteme zur Verfügung standen.

 

 

Ergebnisse und Diskussion
Simulationsstudie zu den Ertragspotenzialen von Silomais
Die unter voller Wasserverfügbarkeit simulierten mittleren Ertragspotenziale waren mit ca. 30 t TM ha-1 in MA und RE höher als in HA (ca. 25 t TM ha-1). Da dieses Szenario Ertragslimitierungen sowohl durch suboptimale Bestandesführung, als auch durch Trockenstress ausschließt und da vor allem zwischen HA und MA keine großen Standortunterschiede bezüglich der Globalstrahlungsmengen feststellbar waren (Mai - September: 2515 MJ m-2 in HA, 2573 MJ m-2 in MA und 2686 MJ m-2 in RE), können die beobachteten Unterschiede im Ertragspotenzial nur auf unterschiedliche Temperatureffekte an den Standorten zurückzuführen sein. Suboptimale Temperaturen beeinflussen die metabolischen Prozesse direkt negativ und reduzieren somit den TM-Zuwachs. Dieser direkte Einfluss der Temperaturlimitierung bewirkt also eine Reduktion der LUE, die in HA durch die im Vergleich niedrigere Durchschnittstemperatur am stärksten ausgeprägt war. Der Vergleich der berechnetet mittleren LUE-Werte mit der potentiellen LUE, die im Modell mit 4.4 g MJ-1 angenommen wird, zeigt aber dass auch für MA und RE ein, wenn auch geringerer, direkter negativer Temperatureinfluss feststellbar war. Für HA konnte jedoch neben dem direkten Einfluss suboptimaler Temperaturen auf die TM-Produktion auch noch ein indirekter Effekt nachgewiesen werden. Die Blattflächenentwicklung war durch niedrigere Temperaturen zu Wachstumsbeginn in HA so stark verzögert, dass zwischen Ende Mai und Mitte Juli, also in einem Zeitraum mit hohen Strahlungsangebot (ca. 8 - 10 MJ PAR m-2 d-1), die relative Strahlungsaufnahme (aufgenommene zu angebotener PAR-Strahlung) um 10 - 20 % niedriger war als in MA oder RE. Daraus resultierte in HA eine deutlich niedrigere kumulierte PAR-Strahlungsaufnahme (Q), die dann auch noch durch die schon skizzierte niedrigere LUE ineffizienter in TM umgewandelt wurde.
Die Ertragslimitierung, die durch Trockenstress hervorgerufen wurde (Differenz der TM-Erträge ohne und mit Trockenstress), war auf den beiden wärmeren Standorten, MA und RE, mit ca. 850 g m-2 höher als auf dem kühleren Standort HA mit ca. 500 g m-2. Für alle drei Standorte konnte ausschließlich eine Reduzierung der LUE durch Trockenstress (HA < MA = RE), also eine direkte, nicht aber eine indirekte Trockenstresswirkung nachgewiesen werden. Zudem konnte auf allen Standorten gezeigt werden, dass die Wasserverfügbarkeit einen Effekt auf die Höhe der WUE hat. Indem der Anteil der unproduktiven Evaporation an der Evapotranspiration steigt, sinkt die WUE unter voller Wasserverfügbarkeit. Der in der Literatur bekannte Anstieg der TUE unter Trockenstress war mittels des verwendeten Pflanzenwachstumsmodells nicht abzubilden, somit unterschieden sich die mittleren TUE-Werte zwischen den Szenarien nicht. Allerdings wies die TUE und auch die WUE eine deutliche Standortabhängigkeit auf (RE > HA > MA). Dies ist vor allem durch den unterschiedlich hohen Verdunstungsanspruch an den Standorten begründet. So wies zum Beispiel MA in den meisten Jahren eine niedrigere TUE auf, da, bedingt durch das hohe Sättigungsdefizit (HA < MA = RE) und die hohe mittlere Windgeschwindigkeit (RE < HA < MA) der Verdunstungsanspruch in diesen Jahren im Vergleich zu den beiden anderen Standorten höher war.

 

Vergleich unterschiedlicher Energiepflanzenanbausysteme für die Biogasproduktion
Die intensivierten Fruchtfolgen in HS (FF2 und FF3) sowie das Dauergrünland nahmen, bedingt durch eine verlängerte Blattflächendauer, deutlich mehr Strahlung auf im Vergleich zu den Maismonokulturbeständen. Dennoch erreichten die intensivierten Fruchtfolgen mit ca. 17,9 (FF2) und 17,5 t TM ha-1 (FF3) nur vergleichbare Biomasseerträge wie die Maismonokultur in HS (18,4 t TM ha-1), während für das Dauergrünland (16,8 t TM ha-1) in KD deutlich niedrigere TM-Erträge im Vergleich zur Maismonokultur (13,3 t TM ha-1) gemessen wurde. Zu begründen ist dies mit den für die Fruchtfolgen berechneten LUE-Werten, die für die Maismonokultur am höchsten und für das Dauergrünland am niedrigsten waren. Diese Unterschiede im Niveau der LUE-Werte waren nicht oder nur teilweise durch Unterschiede in der Höhe der Trockenstress- oder Temperaturstresswirkung zu begründen. Jedoch konnten deutliche kulturartenspezifische Unterschiede bezüglich der LUE festgestellt werden (Mais: 2.2 - 2.5 g MJ PAR-1, Weizen: 1.5 - 1.7 g MJ PAR-1, Senf: 1.9 g MJ PAR-1 und Gras: 0.9 - 1.0 g MJ PAR-1), die die in den Fruchtfolgen festgestellten LUE-Werten erklären. Die hohen LUE-Werte von Mais sind mit einem generell höheren Niveau der potentiellen LUE-Werten von C4-Pflanzen im Vergleich zu C3-Pflanzen zu begründen. Die niedrigen LUE-Werte des Grases sind zusätzlich zum C3-Metabolimus mit einem erhöhten Erhaltungsumsatz für die Wurzeln (mehrjährige Kultur) und der regelmäßigen Schnittnutzung zu begründen.
Die vergleichbar hohen Biomasseerträge der intensiven Fruchtfolgen in HS mit den Erträgen der Maismonokultur konnten nur unter erhöhtem Wasser- und Stickstoffverbrauch realisiert werden. Zudem war die Ertragsleistung der Maisbestände innerhalb der intensivierten Fruchtfolgen stark von der Wahl der Vorfrucht abhängig.

 

 

Fazit
Auf den beiden wärmeren Standorten konnten auf Grund von höheren Ertragspotenzialen höhere Biomasseerträge im Vergleich zu dem kühleren norddeutschen Standort erzielt werden, wobei das mittlere Ertragsniveau mit Trockenstress auf keinem der Standorte größer als 22.5 t ha-1 war. Unter den klimatischen Bedingungen Schleswig-Holsteins konnten die intensivierten Fruchtfolgen zumindest erträglich eine Alternative zum Silomaisanbau in Monokultur darstellen. Die Ergebnisse unterstreicht die Wichtigkeit einer standortangepassten Wahl von Energiepflanzenanbausystemen sowie die Bedeutung der Ertragsleistung der Hauptkultur innerhalb von intensiven Biomassefruchtfolgen.

 

 

Fotos
Versuchsgut Hohenschulen    Versuchsgut Karkendamm    Düngungsregime    destruktive Probenahme    LAI 2000    SPAD    Fahrzeug    destruktive Probenahme    Versuchsgut Hohenschulen    Versuchsgut Hohenschulen   

 

 

 

  • Wienforth, B. 2011. Modellgestützte Analyse von Pflanzenanbausystemen für die Biogasproduktion. 54. Jahrestagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften, Kiel, 27.-29. Sep.
  •  

  • Wienforth B., Herrmann A., Taube F. and Kage H. 2011. Radiation and Water Use Efficiencies of Bioenergy Cropping Systems. ASA-CSSA-SSSA International Annual Meetings, 16.-19.11.2011 in San Antonio, Texas, USA.
    Link
  •  

  • Wienforth B. 2011. Cropping systems for biomethane production: a simulation based analysis of yield, yield potential and resource use efficiency. Schriftenreihe des Instituts für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 77.
    PhD-Thesis (pdf)
  •  

  • Wienforth B., Herrmann A., Sieling K., Ohl S., Hartung E., Taube F. and Kage H. 2010. Biogas-Expert: grassland methane yield and short-term N efficiency of biogas residues. Grassland Science in Europe 15, 229-231.
  •  

  • Wienforth, B., Böttcher, U., Herrmann, A., Sieling, K., Schittenhelm, S., Taube, F., Kage, H. 2009: Standortgerechte Wahl von Energiepflanzen für die Biogasproduktion: Modellgestützte Analyse von Trockenstresseinfluss auf das Ertragspotenzial von Silomais. Workshop "Modellierung des Systems Nutzpflanze-Boden - Herausforderungen des 21. Jahrhunderts" 26. - 27.02.2009 in Kiel, 91-95. (Vortrag)
  •  

  • Wienforth, B., Herrmann, A., Sieling, K., Ohl, S., Taube, F., Kage, H. 2009: Biogas vom Grünland - Methanertrag und kurzfristige N-Wirksamkeit von Gärresten. 53. Jahrestagung der AGGF vom 27.08. - 29.08.2009 in Kleve. Mitteilungen der AG Grünlan und Futterbau 10, 121-124. (Poster)
  •  

  • Wienforth, B., Böttcher, U., Herrmann, A., Sieling, K., Schittenhelm, S., Taube, F., Kage, H. 2009: Model based assessment of silage maize yield potential with special reference to water use. Farming system design 2009. Monterey, California, USA.
  •  

  • Wienforth, B., Schittenhelm, S., Wulkau, S., Herrmann, A., Sieling, K., Taube, F. und Kage, H., 2008: Site adapted choice of energy crops for methane production - model based analysis of drought limitations on maize yield potential. X Congress of the European Society for Agronomy (ESA), 15.-19. 09. 2008 in Bologna, Italien, Italian Journal of Agronomy, 3, No. 3 suppl., 497-498. (Vortrag)
  •  

  • Wienforth, B., Schittenhelm, S., Wulkau, S., Böttcher, U., Herrmann, A., Sieling, K., Taube, F., Kage, H. (2008): Standortgerechte Wahl von Energiepflanzen für die Biogasproduktion - Modellgestützte Analyse von Trockenstresseinfluss auf Ertragspotenziale von Silomais -. Mitteilungen der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften. 20, 67. 51. Pflanzenbautagung in Göttingen, 30.09.-02.10.2008. (Poster)
  •  

  • Wienforth, B., Svoboda, N., Sieling, K., Mehrtens, H., Herrmann, A., Taube, F. und Kage, H., 2007: Biomassepotentiale von Energiefruchtfolgen – Szenarienberechungen zur Trockenmasseproduktion und Wassernutzungseffizienz unter unterschiedlichen Wasserregimen. Mitt. Gesell. Pflanzenbauwiss. 19, 210-211. (Poster)
    50. Pflanzenbautagung in Bonn, 18.-20.09.2007
    Gesamter Tagungsband 2007 (pdf) und Poster (pdf)
  •  

  • Wienforth, B., Svoboda, N., Sieling, K., Herrmann, A., Mehrtens, H., Taube, F. und Kage, H. 2007: Water limitation of energy crop rotations – a simulation study for german conditions. ASA-CSSA-SSSA International Annual Meetings, 04.-08.11.2007 in New Orleans, Lousiana, USA. (Poster)
    Kurzfassung zu Poster (pdf) und Poster (pdf)
  •  

  • Wienforth, B., Svoboda, N., Sieling, K., Herrmann, A., Mehrtens, H., Taube, F. und Kage, H., 2007: Biomassepotentiale von Energiefruchtfolgen – Szenarienberechungen unterschiedlicher Wasserregime. 51. Jahrestagung der AG Gründland und Futterbau der Ges. für Pflanzenbauwiss. 8, 176-179, 30.08.-01.09.2007 in Göttingen. (Poster)
    Poster (pdf)

 

 
     

Verantwortlich für die Pflege dieser Seite: A. Laß