BEST Abschlussbericht - Nachhaltiges Landmanagement

Abschlussbericht (Jahre 2010-2014) zum Verbundprojekt
Bioenergie-Regionen stärken (BEST) Neue Systemlösungen im Spannungsfeld ökologischer,
ökonomischer und sozialer Anforderungen
Sektion Waldökosystemforschung, Georg-August-Universität Göttingen
für die folgenden beteiligten Institutionen
Georg-August-Universität Göttingen - Universität Kassel
Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt - Johann Heinrich von Thünen-Institut
3N-Kompetenzzentrum Niedersachsen Netzwerk Nachwachsende Rohstoffe
Fraunhofer-Institut für Holzforschung (Wilhelm-Klauditz-Institut)
Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft - Landkreis Göttingen
Energiewald Thüringen GmbH
Büro für angewandte Landschaftsökologie und Szenarienanalyse (BALSA)
-
Inhaltsverzeichnis
Seite
1.
2.
Zusammenfassender Gesamtbericht
3
0.
Verdichtete Kurzfassung ("Executive Summary")
3
I.
Kurzdarstellung des Projekts
4
II.
Eingehende Darstellung des Projekts
7
Zwischenberichte zu den 31 Arbeitspaketen (AP) in den sieben
thematischen Clustern von BEST
29
Cluster 1: ÖL
Optimierung der ökologischen Landschaftsfunktionen zur Produktion
von Biomasse unter gegenwärtigen und künftigen Klimabedingungen
29
ÖL 1
Bioklimatologie
29
ÖL 2
Wasserhaushalt
39
ÖL 3
Klimaschutzleistung
50
ÖL 4
Ressourceneffizienz
61
Cluster 2: IO-H
Optimierung bestehender Wertschöpfungsketten und Entwicklung
neuer Systemlösungen für die energetische und stoffliche Nutzung
von Biomasse – Schwerpunkt Holzreserven
70
IO-H 1
Laserscan Biomasse
70
IO-H 2
Holzbiomasse Offenland
78
IO-H 3
Ökosystemleistungen naturnaher Gehölzstrukturen
86
IO-H 4
Schwachholzbiomasse
104
IO-H 5
Schwachholzbereitstellung
125
IO-H 6
Betreuungsmanagement Waldeigentümer
136
Cluster 3: IO-A
Optimierung bestehender Wertschöpfungsketten und Entwicklung
neuer Systemlösungen für die energetische und stoffliche Nutzung
von Biomasse – Schwerpunkt Anbausysteme und –verfahren
149
IO-A 1
Agroforst & Kurzumtriebsplantagen
149
IO-A 2
Grünlandbiomasse
169
IO-A 3
Waldbausysteme
180
IO-A 4
Bewässerung
189
IO-A 5
Bio-Kraftstoff
198
Cluster 4: IO-K
Optimierung bestehender Wertschöpfungsketten und Entwicklung
neuer Systemlösungen für die energetische und stoffliche Nutzung
von Biomasse – Schwerpunkt Kaskadennutzung
210
IO-K 1
Holzverbundwerkstoffe
210
IO-K 2
Buchensandwichplatten
220
IO-K 3
Extradichte Faserplatten und Thermografie
233
I Seite
Cluster 5: FA
Ökologische Folgenabschätzung unterschiedlicher Bewirtschaftungsformen
267
FA 1
Phytodiversität
267
FA 2
Zersetzer
278
FA 3
Insekten
286
Cluster 6: SÖB
Sozioökonomische Bewertung von Nutzungskonzepten und regionalökonomischen Wertschöpfungsoptionen, incl. Life Cycle Assessment
294
SÖB 1
Ökonomie Forst
294
SÖB 2
Wertschöpfungsanalyse
303
SÖB 3
Umstellung Einzelbetrieb
315
SÖB 4
Life Cycle Assessment
321
Cluster 7: UP
Landschaftsökologische und räumlich explizite Synthese der Ergebnisse
der Teilvorhaben sowie Kommunikation der Ergebnisse an Nutzergruppen und Stakeholder (Cluster „Umsetzung und Partizipation“)
329
UP 1
Bioenergieregion Göttinger Land
329
UP 2
BERTA, Bioenergieregion Thüringer Ackerebene
337
UP 3
Räumliches Informationssystem
338
UP 4
Landschaftsökologische Bewertung
350
UP 5
Wissenstransfer
362
UP 6
Koordination und Öffentlichkeitsarbeit
369
II Verbundprojekt:
BEST – Bioenergie-Regionen stärken
Neue Systemlösungen im Spannungsfeld ökologischer,
ökonomischer und sozialer Anforderungen
Antragsteller und
Sprecher des Verbundes:
Prof. Dr. Christian Ammer
Federführende Institution:
Georg-August-Universität Göttingen, mit 10 Partnerinstitutionen
Berichtszeitraum:
2010 – 2014 (Abschlussbericht)
Zusammenfassender Gesamtbericht (2010-2014)
0. Verdichtete Kurzfassung ("Executive Summary")
Das Verbundprojekt BEST ("Bioenergie-Regionen stärken - neue Systemlösungen im Spannungsfeld ökologischer, ökonomischer und sozialer Anforderungen") adressierte auf der
Grundlage fachwissenschaftlicher Forschungen und unter strenger Beachtung der inter- und
transdiziplinären Ausrichtung des Gesamtprojekts eine Vielzahl aktueller Problemfelder im
Bereich der Energiegewinnung aus Biomasse. Konkret ging es um die Produktion und Bereitstellung holzbasierter Biomasse zur Energiegewinnung, bei der die gesamte Bandbreite
der hierfür relevanten Aspekte berücksichtigt wurde. Diese reicht von der Flächenverfügbarkeit und Flächenkonkurrenzen über die ökonomische Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Landnutzungsformen bis hin zur ökologischen Verträglichkeit neuer Anbauformen für
Energieholz bzw. einer stofflichen Vornutzung des Holzes. Neben der Erfassung und Bewertung von Wald- und Landschaftspflegeholzpotentialen standen Kurzumtriebsplantagen (KUP)
mit rasch wachsenden Baumarten und deren Kombination mit einer agrarischen Nutzung
(Agroforstsysteme) im Fokus. Neben der Klärung grundlegender wissenschaftlicher Fragestellungen zur Optimierung der Biomassennutzung und zu deren ökologischen und sozioökonomischen Wirkungen verfolgte BEST einen streng partizipativen Ansatz. Ziel war es, die
Akteure und Anwender von Forschungsergebnissen von Anfang an intensiv in die Projektarbeiten einzubeziehen und im Hinblick auf die einzelnen Forschungsfragen zu beteiligen. Aus
diesem Dialog heraus entstanden zahlreiche Veröffentlichungen, die auf die jeweiligen Nutzer zugeschnitten waren sowie ein computergestütztes und webbasiertes Beratungswerkzeug, das eine flächenscharfe und nach unterschiedlichen Kriterien optimierbare Planung
von Kurzumtriebsplantagen erlaubt. Darüber hinaus wurden die wichtigsten Projektergebnisse in einer internationalen Buchveröffentlichung dokumentiert.
In der Gesamtschau und Integration der Ergebnisse aus BEST lässt sich folgern, dass Energiebiomasse aus Holz geeignet ist, einen bedeutenden Beitrag zu einer künftigen nachhaltigen Versorgung mit erneuerbaren Energien zu leisten. Dabei kann der Anbau von KUP,
wenn er umsichtig geplant ist und Rücksicht auf standörtliche, klimatische sowie ökonomische Rahmenbedingungen nimmt, positive ökologische und ökonomische Effekte erzielen.
Beispiele für vorteilhafte Wirkungen sind die Erhöhung der Habitatvielfalt, der Erosionsschutz
und die Minderung von Nitratausträgen bzw. Treibhausgasemissionen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass klassische Anbauformen zur Produktion von holziger Biomasse für
die Energiegewinnung weiterentwickelt und optimiert werden können. Zugleich wurde erkennbar, dass ein großes Potential dafür vorhanden ist, die erzeugte Biomasse vor der thermischen Nutzung einer stofflichen Verwendung zuzuführen. Letztlich konnten durch das Projekt aber auch die Grenzen der Energiegewinnung aus holziger Biomasse deutlich gemacht
werden. Diese ergeben sich für den Wald vor allem mit Blick auf die Nährstoffnachhaltigkeit,
für die erstmals regional vollständig erfassten Offenlandgehölze aus Wirtschaftlichkeitsas3 pekten, und im Hinblick auf die Kurzumtriebsplantagen vor allem aus betrieblichen Hemmnissen. Darüber hinaus wurde deutlich, dass selbst unter optimistischen Annahmen eine vollständige Versorgung mit erneuerbaren Energien in Regionen wie den von BEST untersuchten voraussetzt, dass es gelingt den gesamten Energiebedarf und –verbrauch über Einsparungen drastisch zu reduzieren. Diese Erkenntnis zeigt, dass die Bemühungen um die Bereitstellung erneuerbarer Energie von einem gesellschaftlichen und politischen Prozess begleitet werden müssen, der neben einer gesteigerten Effizienz (Produktivität je Einheit eingesetzter Ressource), Konsistenz (Entwicklung naturverträglicherer Technologien) und Permanenz (Erhöhung der Produktdauer) vor allem eine Verbesserung der Suffizienz (geringerer Verbrauch von Ressourcen) zum Ziel hat.
I. Kurzdarstellung des Projekts
I.1 Aufgabenstellung
Die Vorräte fossiler Brennstoffe sind bekanntermaßen endlich, daher müssen in der Energieversorgung neue und vielfältige Wege gefunden und gegangen werden. Eine "Energiewende" soll es ermöglichen, Energie nachhaltig, zu vertretbaren Kosten und möglichst ohne große Transportverluste am Ort des Verbrauchs bereitzustellen. Dabei soll die Produktion neuer,
alternativer Energien umweltverträglich erfolgen, also Ökosysteme und die Umwelt nicht beeinträchtigen. Diese Vision wurde unter anderem im Nationalen Biomasseaktionsplan für
Deutschland formuliert.
Biomasse ist aktuell der bedeutendste erneuerbare Energieträger in Deutschland. Im Jahr
2012 betrug der Anteil der Bioenergie an der gesamten Bereitstellung von erneuerbaren
Energien 66 %. Neben der Bioenergie zählen unter anderem Wind-, Solar- und geothermische Energie zu den Erneuerbaren. Zur Energiegewinnung aus Biomasse werden hauptsächlich Holz, landwirtschaftliche Energiepflanzen wie Mais, Getreide und Raps, landwirtschaftliche Reststoffe sowie Bioabfälle genutzt. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die
Gewinnung von Energie aus Biomasse einen wichtigen Beitrag zur angestrebten nachhaltigen und klimaneutralen Energieversorgung leisten kann.
Zentrale Aufgabe von BEST war es, die im Nationalen Biomasseaktionsplan für Deutschland
enthaltenen Ziele aufzugreifen. Dazu zählen insbesondere die Entwicklung integrativer Konzepte zur nachhaltigen Landnutzung, die Berücksichtigung kulturlandschaftlicher Wirkungen,
die Vermeidung von Umweltbelastungen, die Erschließung von ungenutzten Potenzialen zur
Energiebereitstellung und die effiziente Lösung divergierender Nutzungsinteressen.
Vor dem skizzierten Hintergrund hat sich das Verbundprojekt daher die Aufgabe gestellt, die
Erfordernisse zu konkretisieren und auf regionaler Ebene für zwei in Gründung begriffene
Bioenergieregionen umfassende wissenschaftliche und praktische Beiträge zu folgenden
Aspekten zu leisten:



Divergierende Landnutzungsinteressen durch eine Optimierung der bestehenden Konzepte und Wertschöpfungsketten auszugleichen und/oder durch innovative neue Konzepte aufzulösen.
Eine ökologische und sozio-ökonomische Bewertung möglicher Handlungsalternativen
vor dem Hintergrund gesellschaftlicher und umweltbedingter Veränderungen vorzunehmen.
Gemeinsam mit Stakeholdern konkrete, regionale und rationale Handlungsoptionen zu
entwickeln und sie zielgruppengerecht an die Landnutzer zu kommunizieren bzw. durch
Demonstrationsobjekte zu etablieren.
I.2 Voraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde
Regionale Landnutzungsentscheidungen müssen im Spannungsfeld von Ernährung, Energie- und Rohstoffversorgung, Arbeitsplatzsicherung und der Notwendigkeit zur Bereitstellung
ökosystemarer Dienstleistungen getroffen werden. Zusätzlich ist die Landnutzung damit konfrontiert, sich an den Klimawandel anpassen zu müssen. Dies erschwert die Entscheidung für
oder gegen eine bestimmte Art der Landnutzung erheblich, da im Gegensatz zu früher nicht
4 mehr von weitgehend konstanten Umweltbedingungen ausgegangen werden kann. Von den
damit zusammenhängenden Schwierigkeiten sind die in jüngster Zeit in Deutschland gebildeten Bioenergie-Regionen besonders betroffen. Sie haben zwar einerseits angesichts der
Möglichkeit, durch nachwachsende Rohstoffe fossile Energieträger zu substituieren für die
künftige Entwicklung anderer Regionen eine beispielgebende Bedeutung. Andererseits verschärft die Notwendigkeit Biomasse für die energetische Nutzung zu produzieren die Konkurrenz zwischen den verschiedenen Optionen der Landnutzung.
Die Produktion von Biomasse für die energetische Nutzung ist eine klimapolitisch besonders
attraktive Form der Landnutzung. Sie ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass der
ländliche Raum Flächen und Bewirtschaftungsinstrumente für die Biomassenproduktion bereitstellt, während die daraus erzeugte Energie insbesondere im urbanen Raum verbraucht
wird. Entsprechend sieht der Entwurf des Nationalen Biomasseaktionsplans für Deutschland
einen sozial- und umweltverträglichen Ausbau der energetischen Biomassenutzung vor.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Biomasse in naher Zukunft wesentlich
zur Sicherung der Energieversorgung beitragen soll. Entsprechend hoch ist seit Beginn des
21. Jahrhunderts die Dynamik des landwirtschaftlichen Biomasseausbaus, insbesondere in
den Bereichen Kraftstoff (Biodiesel) und Stromerzeugung (Biogas). Stark zunehmend zeigt
sich auch die im Wesentlichen über holzige Biomasse aus dem Wald gespeiste Entwicklung
auf dem Wärmemarkt. Direkte Anreize zum verstärkten Einsatz von Biomasse als nachwachsenden Rohstoff liefern u.a. das neu ausgerichtete Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das
Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), Steuervergünstigungen, Investitionsförderungen sowie indirekt die zu erwartende Verknappung und Verteuerung von Mineralöl. Mit
Blick auf mögliche Weiterentwicklungen im Bereich der Biokraftstoffe der zweiten Generation
und einer entsprechend steigenden Nachfrage nach holziger Biomasse geraten zunehmend
auch forstliche Kulturen, entweder als Wald im klassischen Sinne oder als Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit Gehölzpflanzen auf land- oder forstwirtschaftlicher Fläche als potenzielle
Rohstofflieferanten in den Blickpunkt der Betrachtung. Damit soll der von einigen Experten
erwarteten Versorgungslücke auf dem Holzmarkt begegnet werden.
Sowohl im Landwirtschafts- als auch im Forstsektor zeigen sich erste Konflikte zwischen den
verschiedenen Interessensvertretern (Produzenten, Abnehmer, Planungs- und Genehmigungsbehörden, Natur- und Umweltschutzorganisationen, Politik) bezüglich zukünftiger Nutzungskonzeptionen. Ein Beispiel hierfür ist die nach wie vor ungeklärte Frage, welchen Anteil
die Bioenergieerzeugung aus Holz zukünftig einnehmen soll. So konkurriert eine aus kohlenstoffökologischer Sicht vorteilhafte Steigerung der Holznutzung zum Zwecke der Energieerzeugung wegen der damit verbundenen Substitutionseffekte unter Umständen mit der Nahrungsmittelproduktion (bei Nutzung landwirtschaftlicher Flächen), der Erholungsnutzung oder
dem Arten- und Biotopschutz (bei der Waldnutzung). In dieser Diskussion wird zunehmend
deutlicher, dass die primär sektoral geprägten Vorstellungen und Regelungen der Landnutzung nicht mehr ausreichen, um den Herausforderungen einer möglichst effektiven, ressourcenschonenden, regional-adaptiven und nachhaltigen Erzeugung von Biomasse gerecht zu
werden. Dies erfordert vielmehr eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Wertschöpfungsketten in naturaler wie ökonomischer Hinsicht. Dazu ist es nötig (i) potentiell vorhandene Biomassenreserven zu identifizieren, (ii) denkbare alternative Anbausysteme zu untersuchen und (iii) Möglichkeiten der Kaskadennutzung (stoffliche Verwertung vor einer nachfolgenden energetischen Nutzung) zu testen. An genau diesen Punkten setzte das Verbundprojekt BEST an.
I.3 Planung und Ablauf des Vorhabens
BEST wurde in Gemeinschaftsarbeit der Georg-August-Universität Göttingen mit neun weiteren Institutionen und Einrichtungen geplant und in Form eines interdisziplinären Verbundantrags im Rahmen der Fördermaßnahme "Nachhaltiges Landmanagement" des BMBF im
Frühjahr 2009 in der ersten Stufe des Ausschreibungsverfahrens eingereicht. Nach Selektion
der BEST-Skizze auf die Positivliste für die zweite Stufe des Verfahrens konnte im Herbst
desselben Jahres der Vollantrag eingereicht werden, der gemeinsam mit 12 weiteren Verbundanträgen im Modul B der Fördermaßnahme schließlich erfolgreich war.
Die Verbundpartner in BEST waren:
5 









Georg-August-Universität Göttingen
Universität Kassel
Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt
Johann Heinrich von Thünen-Institut
3N-Kompetenzzentrum Niedersachsen Netzwerk Nachwachsende Rohstoffe
Fraunhofer-Institut für Holzforschung (Wilhelm-Klauditz-Institut)
Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft
Landkreis Göttingen
Energiewald Thüringen GmbH
Büro für angewandte Landschaftsökologie und Szenarienanalyse (BALSA), Göttingen
Dieses Konsortium legte in seinem Antrag und den entsprechenden Arbeitsplänen die Ausführung der integrierten und interdisziplinären Forschungsarbeiten in insgesamt 31 Arbeitspaketen (bzw. Teilprojekten) nieder. Die 31 Arbeitspakete wurden den folgenden sieben
übergreifenden thematischen Clustern zugeordnet:







Ökologische Landschaftsfunktionen
Systemlösungen für die Mobilisierung von Holzreserven
Innovative Anbausysteme und -verfahren
Systemlösungen für eine stofflich-energetische Kaskadennutzung
Ökologische Folgenabschätzung unterschiedlicher Bewirtschaftungsformen
Sozioökonomische Bewertung von Nutzungskonzepten
Ergebnisintegration, Umsetzung und Partizipation.
Dem integrativen Ansatz folgend wurden unterschiedliche Nutzungskonzepte formuliert, umfassend bewertet und mit Stakeholdern vielfach diskutiert. Konkret wurden die Ergebnisse
aus den entsprechenden Teilprojekten seitens der Projektkoordination integriert, im Hinblick
auf die jeweiligen Adressaten verdichtet und unter anderem über so genannte "Regionalkonferenzen" an die beteiligten Akteure kommuniziert.
Das Projekt BEST startete am 01.09.2010 nach Erhalt des Bewilligungsbescheides. Die
Laufzeiten der Arbeitspakete betrugen in der Mehrzahl drei Jahre, aber sie begannen und
endeten nicht alle zur selben Zeit. Daraus ergab sich insgesamt für den Verbund eine Projektlaufzeit von vier Jahren. Da die geeignete Auswahl und Einstellung des wissenschaftlichen Personals, vor allem des Nachwuchses (Doktoranden), nicht immer unmittelbar realisiert werden konnte, wurde am Ende des Verbundprojekts eine zweimonatige kostenneutrale
Verlängerung aus den anfangs nicht verbrauchten Personalmitteln beim Förderer bzw. Projektträger beantragt. Dieser Verlängerung wurde seitens des Projektträgers zugestimmt. Der
offizielle Projektabschluss, der eigentlich für den 31.08.2014 terminiert war, änderte sich
dadurch auf den 31.10.2014.
Kurz vor diesem offiziellen Projektabschlussdatum, am 29. und 30.09.2014, fand in Göttingen
die Abschlusskonferenz von BEST als offene wissenschaftliche Tagung mit vielfacher externer Beteiligung statt. Während der Projektlaufzeit wurden vier eintägige interne Statusseminare abgehalten; ein Treffen im Dezember 2010 bildete den Auftakt und wurde in den drei
Folgejahren von jährlichen Statusseminaren Anfang Dezember ergänzt.
BEST konnte inhaltlich und zeitlich im Wesentlichen so durchgeführt werden wie es der Planung im Antrag entsprach. Vom Förderer bzw. Projektträger genehmigte Abweichungen waren jeweils zweckdienlich und geringfügig, wie zum Beispiel die zweimonatige kostenneutrale
Verlängerung.
I.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde
Die Fördermaßnahme "Nachhaltiges Landmanagement" wurde gegen Ende der ersten Dekade des 21. Jahrhunderts konzipiert und trug in ihrem Aufbau der Tatsache Rechnung, dass
die Entwicklungen des laufenden Globalen Wandels, wie demografische Veränderungen,
Klimawandel und Globalisierung der Wirtschaftssysteme enorme Herausforderungen an den
Umgang mit den endlichen Ressourcen der Landoberfläche darstellen. Die Problematik umfasst neben dem Bereich der Ernährung auch die Bereitstellung von Energie und Lebens6 raum oder die Erhaltung und den Schutz von Ökosystemen. Es bedarf der Unterstützung
durch Wissenschaft und Forschung, um sich diesen Herausforderungen zu stellen und die
Konzepte einer umfassenden nachhaltigen Landnutzung zu entwickeln oder sie in diesem
Sinne anzupassen oder neu auszurichten. Einem nachhaltigen Landmanagement kommt
unzweifelhaft eine Schlüsselfunktion zu, wenn es um die Wahrung unserer Lebensgrundlagen und der Entwicklungschancen nachfolgender Generationen geht.
Ausführlichere Darstellungen der Thematik aus der Zeit der Auflage der Fördermaßnahme
finden sich bei z. B. Weith et al (2010) und Werntze (2010) 1.
Bezüglich der spezifischen fachlichen Anknüpfungspunkte der einzelnen Forschungsaktivitäten in BEST wird auf die Literaturangaben in den Berichten zu den Teilprojekten bzw. Arbeitspaketen im Anhang zu II. verwiesen.
I.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Das aus 10 Partnerinstitutionen bestehende BEST-Konsortium arbeitete auf der Ebene seiner 31 einzelnen fachlichen Arbeitsgruppen mit einer großen Anzahl externer Partner zusammen, wobei diese sowohl Forschungseinrichtungen als auch Anwender aus der Praxis
und politische bzw. administrative Institutionen umfassten. Detaillierte Angaben hierzu sind
den Abschlussberichten der 31 Arbeitspakte in BEST zu entnehmen, die im Anhang zu Teil
II. dieses Gesamtberichtes zu finden sind.
Neben der projektinternen Kooperation fand auch auf Ebene des Moduls B der Fördermaßnahme eine fruchtbare Zusammenarbeit statt. Diese umfasste Zuarbeiten für das wissenschaftliche Begleitvorhaben für benso wie die intensive Zusammenarbeit mit dem Partnerprojekt AgroForNet. Auch das Projekt AgroForNet widmete sich der Erzeugung von Energieholz,
allerdings mit unterschiedlichem regionalen Bezug und einer auf einen differierenden Anwenderkreis bezogenen Ausrichtung. Die Zusammenarbeit der beiden Verbünde hatte ein
anspruchsvolles und über die Projektdauer hinaus weisendes und wirkendes Produkt zum
Ziel, welches zum Ende der Projektlaufzeit durch eine gemeinsame Buchveröffentlichung
erfolgreich realisiert werden konnte. Das Buch, das im renommierten Wissenschaftsverlag
Wiley-VCH erscheint, hat den Peer-Review Prozess bereits erfolgreich hinter sich gebracht
und ist aktuell (Mai/Juni 2015) im Druck. Die bibliographischen Angaben lauten wie folgt:
Bioenergy from Dendromass for the Sustainable Development of Rural Areas, First Edition.
Edited by David Butler-Manning, Albrecht Bemmann, Michael Bredemeier, Norbert Lamersdorf and Christian Ammer. © 2015 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2015 by
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
II. Eingehende Darstellung des Projekts
II.1 Verwendung der Zuwendung und erzielte Ergebnisse
Die Zuwendung wurde weitestgehend gemäß den im Antrag vorgelegten Finanzierungsplänen verwendet. Naturgemäß treten in einer vierjährigen Laufzeit eines großen komplexen
Verbundprojekts wie BEST auch Entwicklungen in der Forschung und auf Seiten der Anwender auf, die Anpassungen des Arbeitsplans und entsprechend auch der Mittelverwendung
sinnvoll und notwendig erscheinen lassen. Abweichungen in der Verwendung der Zuwendung, also Abweichungen vom mit dem Antrag eingereichten Finanzierungsplan, mussten
allerdings gegenüber dem Projektträger stets begründet und formell beantragt werden.
Die erzielten Ergebnisse werden im Folgenden in der Reihung der sieben thematischen Cluster und der darin enthaltenen 31 Arbeitspakete (AP) jeweils kurz in einer zusammenfassenden und integrierenden Darstellung aufgeführt. Das kann an dieser Stelle nur schlaglichtartig
1
Weith, T., Schulz, K., Gaasch, N., Seppelt, R., Werntze, A., Eppink, F. (2010): Towards Integration: Sustainable Land Management. A new German Research Funding Measure. Local Land & Soil News, 34/35 II/10, 21-22
Werntze, Andreas (2010): Start des BMBF-Förderprogramms „Nachhaltiges Landmanagement“. 100 Millionen
Euro für Zukunft der Landnutzung. In: Forst und Holz. Fachzeitschrift für Forstwirtschaft, Waldökologie, Holzwirtschaft, Umwelt- und Jagdmanagement, 12.Ausgabe 2010
7 erfolgen. So können lediglich einige der wichtigsten Ergebnisse vorgestellt und im Zusammenhang mit der gesamten übergeordneten Fragestellung von BEST diskutiert werden. Weitere Ergebnisse und Details dazu finden sich in den ausführlicheren Einzelberichten zu den
einzelnen Arbeitspaketen, die im Anhang zu diesem Abschnitt II. zusammengestellt sind. Die
zusammenfassende Übersicht beschränkt sich auf etwa 20 Seiten während der Anhang mit
den Abschlussberichten zu den einzelnen Arbeitspaketen etwa 450 Seiten umfasst.
Im ersten BEST-Cluster mit der Bezeichnung ÖL ("Ökologische Landschaftsfunktionen")
wurden die ökologischen und ökosystemaren Grundlagen für die Produktion von Energiebiomasse und deren Rückwirkungen auf die Ökosysteme untersucht.
So befasste sich besipielsweise AP ÖL-1 mit der flächenhaften Untersuchung von zukünftigen Klimaszenarien, insbesondere von Niederschlagsmustern, da diese die Grundlage für
eine optimale Planung der Produktion von holziger Biomasse durch Auswahl geeigneter
Flächen bezüglich der Ertragserwartung darstellen. Die Analyse der bias-korrigierten Läufe
des CCLM (Szenarien A1B und B1) zeigte eine Zunahme der Winterniederschläge im 21.
Jahrhundert aber keine signifikante Änderung der Sommerniederschläge für beide Untersuchungsregionen (Abb. 1). In der Region Göttinger Land ist zudem ein starker Ost-WestGradient zu beobachten.
Abbildung 1: Mittleres saisonales Klimaänderungssignal (Climate Change Signal – CCS; Zukunft –
Gegenwart, in mm) des Niederschlags für Winter (DJF) und Sommer (JJA) über beiden Regionen
(Göttingen und BERTA) basierend auf einem Ensemble von 12 Klimasimulationen.
Kurzumtriebsplantagen zur Energieholzproduktion haben aufgrund ihrer hohen Produktivität
einen hohen Wasserverbrauch. Es galt deshalb zu prüfen und sicherzustellen, ob und gegebenenfalls wo dieser standörtlich gedeckt werden kann bzw. der Abfluss und die Grundwasserneubildung (GWN), dort wo sie erwünscht sind, durch die KUP nicht gefährdet werden
(AP ÖL 2). Tab. 1 zeigt die Grundwasserneubildungsmengen (GWN) unter Acker und unter
Pappel-KUP mit und ohne Rotation, jeweils als Mittel über die Periode 1981-2010, sowie als
Mittel modelliert über die 5 trockensten und 5 feuchtesten Jahre dieser Periode. Es zeigt
sich, dass ohne Berücksichtigung der KUP-spezifischen Rotation (simuliert als jährlich konstante 3 jährige KUP) die GWN deutlich unterschätzt, bzw. die Evapotranspiration überschätzt wird. Realistischer, d. h. unter Berücksichtigung einer 5-jährigen Rotation, verringert
sich die GWN unter KUP im Vergleich zu Acker im Mittel (1981-2010) sowie in feuchten Jahren um 7 %. In trockenen Jahren ist die Abnahme mit 28 % deutlicher. Dabei kann es in trockenen Jahren auch zum vollständigen Ausbleiben der GWN unter KUP kommen. In feuchten Jahren ist die GWN unter KUP im Vergleich zur sonstigen landwirtschaftlichen Nutzung
8 ebenfalls geringer, bleibt aber nie aus. Daraus lässt sich folgern, dass in Regionen mit einer
bereits unter den gegenwärtigen Klimabedingungen angespannten Wasserhaushaltssituation
der Anbau von KUP kritisch geprüft werden sollte. Tab. 1 lässt auch Regulierungsmöglichkeiten durch die KUP-spezifische Rotationsbewirtschaftung vermuten, z.B. durch Änderungen in
der Länge der Rotationszeiten, angepasst an zurückliegende Trocken- und Feuchtjahre.
Tabelle 1: Grundwasserneubildung (GWN) von Pappel-KUP ohne Rotation und in 5-jähriger Rotation
im Vergleich zu Acker als Mittel über die Periode 1981-2010, sowie als Mittel über die 5 trockensten
und 5 feuchtesten Jahre dieser Periode.
Niederschlag [mm]
G
W
N
Mittel (1981-2010)
Trocken (5 Jahre)
Feucht (5 Jahre)
693(±118)
551(±44)
881(±91)
Acker [mm]
150(±68)
100 %
65(±27)
100 %
230(±67)
100 %
KUP [mm] ohne
Rotation
119(±77)
79 %
28(±20)
43 %
182(±74)
79 %
KUP [mm]
mit Rotation
139(±79)
93 %
47(±35)
72 %
213(±73)
93 %
Treibhausgasemissionen und Kohlenstoffbilanzen verschiedener Landnutzugstypen gehörten
zum Forschungsaufgabengebiet des Arbeitspakets ÖL 3 mit dem Kurztitel "Klimaschutzleistung". Hier ergab sich als ein bedeutendes Ergebnis, dass die N2O-Emissionen insgesamt
eher gering sind und sich zwischen verschiedenen Energiepflanzen-Anbausystemen relativ
wenig unterschieden. Die Lachgasemissionen der KUPs erwiesen sich als die niedrigsten.
Bei der Etablierung von KUP auf Acker verändert sich die Verteilung des organischen Bodenkohlenstoffs (OBK): während es in den obersten 10 cm zu einer signifikanten Akkumulation von OBK kommt, nimmt der OBK in 20-30 cm signifikant ab (Abb. 2). Diese Umverteilung
ist vor allem auf die ausbleibende Bodenbearbeitung unter KUP zurückzuführen. Die gesamten OBK Vorräte in 0-80 cm unter KUP verändern sich hingegen nicht signifikant im Vergleich
zu Acker und Grünland OBK. Es konnte auch kein Zusammenhang mit dem Alter der KUP
festgestellt werden (Abb. 3). Bei der Landnutzungsänderung von Acker zu KUP variiert die
Änderung standortabhängig von einer jährlichen Abnahme von 1,3 t C ha-1 bis zu einer jährlichen Akkumulation von 1,4 t C ha-1. Bei Etablierung von KUP auf Grünland liegt die Spanne
bei -0,6 bis + 0,1 t C ha-1 a-1. Es kommt also eher zu Verlusten von OBK bei Umwandlung
von Grünland in KUP als zur OBK-Akkumulation. Obwohl der OBK-Vorrat selbst vom Tongehalt abhängt, gibt es keinen Zusammenhang zwischen der Veränderung des OBK-Vorrats
und dem Tongehalt - oder anderen abiotischen Faktoren.
Soil depth (cm)
0-10
*
10-20
20-30
*
30-50
Cropland (N=126)
SRC (N=126)
50-80
0
10
20
30
40
3
SOC density (kg C m )
Abbildung 2: Organischer Bodenkohlenstoff von
Acker und KUP in den 5 untersuchten Tiefenstufen
9 Abbildung 3: Veränderung der Vorräte an
organischem Bodenkohlenstoff in 0-80 cm in
Abhängigkeit des KUP-Alters
Arbeitspaket ÖL 4 beschäftigte sich mit der "Ressourceneffizienz" der schnellwachsenden
Plantagen und verfolgte deren Unterschiede vor allem auf der Ebene der häufig für KUP genutzten Weiden- und Pappelklone. Dabei wurden bereits im frühen Projektverlauf Unterschiede zwischen den beiden verwendeten Pappelhybriden MAX1 und Hybride 275 deutlich.
So verfügt MAX1 über höhere N-Gehalte und eine niedrigere N-Ausnutzung als Hybride 275.
Hybride 275 wächst jedoch besser auf fruchtbaren Böden als MAX1, weist unter ungünstigen
Umgebungsbedingungen allerdings eine geringere Überlebensrate auf. Während eine hohe
Stickstoff- und Wassernutzungseffizienz bei günstigen Umweltbedingungen für die Biomasseproduktion entscheidend sind, kommt einer hohen Stickstoffnutzungseffizienz vor allem unter ungünstigen Umgebungsbedingungen eine besondere Bedeutung für die Überlebensrate zu. Sowohl die Stickstoffnutzungseffizienz als auch die -aufnahmekapazität müssen
bei der Anzucht von Bäumen zwecks optimaler Biomasseproduktion daher auf den unterschiedlichsten Standorten berücksichtigt werden. Wenn wenig Sickstoff verfügbar ist, sollten
u. a. Pappeln gepflanzt werden, die über eine hohe Stickstoffnutzungseffizienz und eine hohe
Stickstoffaufnahmekapazität verfügen. Es zeigte sich zudem, dass die Wasserverfügbarkeit
die Stickstoffnutzung von Pappeln ebenfalls beeinflusst. So erwies sich eine Bewässerung
während der Trockenperioden als gut zur Erhöhung der Stickstoffnutzungseffizienz und somit
der Biomasse.
Das zweite thematische Cluster in BEST mit dem Kürzel IO-H widmete sich der "Innovation
und Optimierung – Schwerpunkt Holzreserven". Im Arbeitspaket IO-H 1"Laserscan Biomasse" ging es dabei um die Entwicklung eines neuen Aufnahmekonzeptes für stehende Biomasse mittels terrestrischem Laser, welches auf die Bedingungen in dicht gewachsenen
KUPs ausgerichtet werden musste. Die Bestimmung der Baumdurchmesser erfolgte in der
Pappel-KUP mit hoher Zuverlässigkeit, da die stangenartige und verzweigungsarme
Stammstruktur der Pappeln für den Erkennungsalgorithmus günstige Voraussetzungen bot.
Die Abbildung 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Feld- und scanbasierter Messung der
Bestandesgrundfläche auf Probekreisebene und unter Berücksichtigung des sogenannten
shadowing-Effektes, der Verdeckungen von Stämmen beschreibt. Es ist ein starker positiver
Zusammenhang zwischen den auf Basis des Scanners ermittelten und der von Hand gemessenen Grundflächen zu erkennen.
Abbildung 4
10 Vor allem aufgrund des geringen Aufwandes im Feld, erwies sich das Scan-AllometrieVerfahren als ein praxisorientiertes, effizientes Tool zur nicht-destruktiven Biomassebestimmung.
Im Arbeitspaket IO-H 2 geht es um die Erfassung der "Biomasse Offenland" und ihr Potential
für eine zukünftige energetische Verwertung, die dabei gleichzeitig die Integrität der Offenlandgehölze und ihre naturschutzfachlich angemessene Pflege zu berücksichtigen hat. Zunächst stellte sich hier die Frage nach dem am besten geeigneten Stichprobenverfahren, mit
dem die holzige Biomasse im Offenland aus Fernerkundungsdaten, z.B. Luftbildern, geschätzt werden soll. Hier erbrachte die Untersuchung das interessante und praktisch relevante Resultat, dass einfache und damit preisgünstige Stichprobenverfahren, zum Beispiel das
besonders einfache Punktraster (Variante F in Tabelle 2), eine ebenso gute bis bessere Genauigkeiten erbringen als aufwändigere und teurere Verfahren (wie z.B. lange Linientransekte, Varianten B und C in Tabelle 2).
Die Erhebungen für den Landkreis Göttingen ergaben, dass 62,7% aller Gehölze bzw. 77,5%
der vorhandenen Biomassezuwächse über eine Straße in weniger als 5 m Entfernung erreichbar wären. Bei rund 63% dieser Gehölze wäre jedoch die Anfahrt auf unbefestigten
Straßen unumgänglich. Während rund 40% der erreichbaren Gehölze Einzelobjekten zugehören, handelte es sich nur bei rund 5% um flächige Gehölze und bei rund 18% um lineare
Strukturen in der Landschaft. Diese tragen jedoch mit rund 47% erheblich zur potentiellen
Biomasse aus den gesamten erreichbaren Gehölzen bei, so dass ihre systematische Nutzung eine realistische Option wäre. Einzelne Objekte wie Bäume oder Büsche sind hingegen
von geringer Bedeutung (3%). Den höchsten energetischen Nutzen hätten zuwachsstarke
und flächenhafte Gehölze, die zwar selten sind, jedoch insgesamt rund 50% der Zuwächse
der erreichbaren Gehölze erbringen.
Tabelle 2: Ergebnisse der Stichprobensimulationen zur Schätzung der Anteile (%) der Flächenklassen. In Klammern: relativer Standardfehler. (WOF= wood outside forest = engl. Sammelbegriff für Offenlandgehölze)
Göttingen
Acker
Wald
Vollkartierung
39,31
(5,46%)
35,87
(6,77%)
Grünland
8,05 (9,05%)
Siedlung
11,91
(10,89%)
Saum
2,48 (6,41%)
Gewässer
0,2 (50,35%)
WOF
2,18
(11,59%)
A
38
(6,52%)
35,89
(7,45%)
8,61
(13,7%)
12,59
(12,62%)
2,59
(13,39%)
0,02
(82,1%)
2,3
(17,75%)
B
39,58
(5,99%)
35,88
(7,11%)
7,66
(12,18%)
12,07
(11,92%)
2,6
(10,04%)
0,23
(70,72%)
1,98
(18,97%)
C
40,37
(5,62%)
35,51
(6,98%)
8,13
(10,52%)
11,61
(11,39%)
2,04
(9,47%)
0,15
(62,8%)
2,18
(15,7%)
D
39,99
(5,57%)
35,88
(6,83%)
7,83
(10%)
11,66
(11,25%)
2,31
(8,25%)
0,16
(55,84%)
2,16
(13,95%)
E
39,6
(5,9%)
35,86
(7,14%)
7,84
(11,75%)
11,87
(11,86%)
2,49
(9,17%)
0,2
(57,78%)
2,15
(14,62%)
F
39,56
(5,62%)
35,57
(6,93%)
8,38
(10,33%)
11,78
(11,55%)
2,37
(15,46%)
0,22
(52,67%)
2,11
(16,1%)
Die Arbeiten im AP IO-H 3 waren eng an jene von IO-H 2 angelehnt. Da für eine flächendeckende Bewertung von Ökosystemdienstleistungen eine räumlich genaue Verortung der Gehölze notwendig ist, wurden in Kooperation mit dem Teilprojekt IO-H 2 sämtliche Offenlandgehölze des Landkreises Göttingen und der BERTA-Region in QGIS auf Grundlage von Luftbildern digitalisiert. Dieser zeitlich sehr intensive Arbeitsschritt war zwingend erforderlich um
nicht nur Hochrechnungen auf Basis des Kacheldatensatzes zu erhalten, sondern auch auf
der Ebene der Region Ökosystemdienstleistungen, wie z.B. die Bereitstellung von Biomasse
flächenscharf und lokalisierbar bewerten zu können. Die geplante Bereitstellung auf Grundlage von RapidEye Bilddaten aus dem Projekt IO-H 2 erwies sich aufgrund einer zu großen
Zahl an Fehlklassifizierungen als nicht praktikabel. Die Digitalisierung der Offenlandgehölze
11 wurde jedoch auf der Basis von Luftbildern erfolgreich durchgeführt. Auf der Grundlage der
Ergebnisse der Arbeiten in IO-H 3 war es damit möglich, in den beiden Beispielregionen explizite (Luftbild)karten der Ökosystemdienstleistungen von Offenlandgehölzen zu erstellen.
Das Arbeitspaket IO-H 4 "Schwachholzbiomasse" verfolgte das Ziel, die Möglichkeiten und
Grenzen einer nachhaltigen Nutzung von bisher ungenutztem Waldrestholz in den Modellregionen Göttingen und BERTA (Thüringer Ackerebene) aufzuzeigen. In den Potenzialabschätzungen wurden sowohl unterschiedliche Bewirtschaftungsintensitäten und Holzsortierungen, als auch die mit einer Intensivierung der Holznutzung unter Umständen verbundenen
Nährstoffentzüge berücksichtigt, um eine Nährstoffnachhaltigkeit sicherzustellen. Zudem
wurde in diesem Teilprojekt eine praxisnahe Methode zur Erfassung der Holzqualitäten im
Bestand entwickelt, die als Grundlage für eine Optimierung der Sortierung und daher die Potenzialanalysen diente. Die Ergebnisse bestätigten auch für bislang wenig untersuchte
Baumarten, dass sich die meisten Nährstoffe in der Rinde und im Kronenmaterial befinden.
Mit zunehmendem Rindenanteil bzw. mit abnehmendem Astdurchmesser nimmt der Nährstoffentzug durch die Holzernte überproportional zu. Die aus energetischer Sicht angestrebte
Nutzung der schwächeren Holzsortimente kann damit nur dort stattfinden, wo auf Dauer eine
Verschlechterung der Standorte auszuschließen ist. Eine Modellierung des gesamten Energieholzpotentials aus dem Wald für die Region Göttingen in der aktuellen und den zwei künftigen Dekaden ist in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3: Biomasse- und Energiepotenzial inkl. Derbholzvolumen der Region Göttingen in 10-jahres
Zeiträumen.
Biomasse Industrieholz [t]
davon energetische Nutzung [t]
Biomasse Restholz > 7 cm [t]
Biomasse Restholz 1- 7 cm [t]
Biomasse Restholz < 1 cm [t]
Energie Industrieholz [MWh]
davon energetische Nutzung [MWh]
Energie Restholz > 7 cm [MWh]
Energie Restholz 1- 7 cm [MWh]
Energie Restholz < 1 cm [MWh]
2011- 2020
249.000
113.000
137.000
31.000
11.000
1.212.000
551.000
673.000
150.000
57.000
2021- 2030
300.000
137.000
202.000
36.000
12.000
1.461.000
664.000
989.000
178.000
60.000
2031- 2040
388.000
177.000
312.000
48.000
16.000
1.890.000
859.000
1.527.000
237.000
80.000
Arbeitspaket IO-H 5 "Schwachholzbereitstellung" hatte die Identifikation und Beschreibung
optimierter Bereitstellungsketten für Schwachholzsortimente aus dem Wald zur Aufgabe.
Neben der Analyse und Evaluation entsprechender Bereitstellungsketten unter ökonomischen und ökologischen Aspekten war hierbei eine Gefährdungsbeurteilung inbegriffen. Vor
dem Hintergrund des hohen Unfallrisikos bei stetig ansteigenden Selbstwerberzahlen galt es
eine kostengünstige hochmechanisierte Alternative zu entwickeln. In der Tabelle 4 sind die
Ergebnisse einer Vergleichskalkulation verschiedener Bereitstellungsverfahren dargestellt.
Bei der motormanuellen Bereitstellung von Brennholzsortimenten aus Laubbaumkronen ist
mit Kosten von ca. 30,00 €/Fm zu rechnen. Die Bereitstellung mit dem Fällgreifer im Forstrevier Verliehausen verursachte dagegen lediglich Kosten in Höhe von 18,88 €/Fm, was knapp
⅔ der motormanuellen Bereitstellung entspricht. Im Versuchsbestand Stauffenburg, wo eine
Kappsägenkombination zum Einsatz kam, lagen die Bereitstellungskosten bei gut ⅓ der konventionellen Bereitstellungskosten.
Tabelle 4: Leistungen und Kosten für motormanuell bereitgestelltes Industrieholz sowie für mit dem
Fällgreifer und der Kappsäge bereitgestelltes Brennholz
Leistung
(Fm/MAS)
Kosten
(€/MAS)
Motormanuelle Bereitstellung
Fällgreifer BS
Kosten
(€/Fm) [€/Srm]
29,34
4,74
12 89,49
18,88
Kappsäge BS
7,49
88,33
11,79
Im Arbeitspaket IO-H 6 "Betreuungsmanagement Waldeigentümer" wurden auf Grundlage
eines eigens erstellten Konzeptes für die Gewinnung bisher ungenutzter Biomassereserven
aus dem Privatwald entlang energiepolitischer Ziele Interviews mit einer Vielzahl möglicher
Akteure geführt. Zielstellung war dabei, das grundsätzliche Akteursinteresse in Bezug auf
eine Energieholzbereitstellung und -verwertung aus dem Wald auszuloten sowie Aufschluss
darüber zu erhalten, ob die Akteure zu Partnerschaften mit anderen Akteuren bereit sind.
Hierbei gab die gezielte Initiierung von Erstgesprächen zwischen interessierten Partnern
wichtige Aufschlüsse bezüglich Chancen und Hindernissen eines partnerschaftlichen Zusammenwirkens. In der folgenden Aufstellung (Tabelle 5) sind einige Ergebnisse der Befragungen zusammengestellt:
Tabelle 5: Akteursinteressen in Bezug auf eine Energieholzbereitstellung und -verwertung aus dem
Wald
Cluster IO-A widmete sich innovativen Anbausystemen zur Erzeugung von holziger EnergieBiomasse (in Ergänzung zu IO-H, das die Mobilisierung zusätzlicher Holzreserven aus bereits etablierten Anbausystemen im Fokus hatte). Ziel des Arbeitspakets IO-A 1 "Agroforst
und Kurzumtriebsplantagen" war es aufzuzeigen, welche stofflich-ökologischen Folgewirkungen durch die Integration holziger Pflanzen zur Erzeugung von Energiebiomasse in landwirtschaftliche Produktionslinien entstehen können. Gleichzeitig sollten in den beteiligten Beispielregionen zentrale Versuchs- und Demonstrationsflächen zum Kurzumtrieb (KUP) bzw.
Agroforst (AF) aufgebaut werden, die auch von allen thematisch verwandten Teilvorhaben
innerhalb von BEST als Untersuchungs- und Demonstrationsflächen genutzt werden konnten. Interessante Ergebnisse ergaben sich in diesem AP besonders hinsichtlich des Stickstoffhaushalts neuartiger Biomasseproduktionssysteme. Es zeigte sich, dass KUP-Systeme
mit Weide den Stickstoffumsatz im frühen Stadium aktivieren. Dies kann ein erwünschter
Effekt auf stickstoffarmen oder degradierten Böden sein auf denen KUP begründet werden
soll. Mit diesem vorteilhaften Effekt kann jedoch eine erhöhte Nitratauswaschung einhergehen. Wie sich zeigte, kann diese allerdings offenbar durch Grünlandstreifen im Wechsel mit
KUP (so realisiert in den in IO-A 1 untersuchten "Alley Cropping" Agroforstsystemen) teilweise aufgefangen werden. Weiden-KUP erwies sich wegen der hohen Stickstoffeffizienz als
geeignetstes System für ärmere Standorte. Pappel zeigte hingegen die stärksten Aufnahmeraten von N und die höchste Biomasseproduktivität unter günstigen Nährstoffbedingungen.
KUP beider Baumarten können nach den Untersuchungen effizient dazu beitragen, unerwünschte Stickstoffausträge im Sickerwasser zu verhindern oder zu mindern.
13 In dem Arbeitspaket IO-A 2 – "Grünlandbiomasse" sollten im Rahmen eines neu etablierten
Agroforstsystems aus Weiden im Kurzumtrieb und aus Grünland unterschiedliche Grünlandvarianten hinsichtlich ihrer Bestandesdynamik, ihres Biomasseertrags und ihres Energieertrags bei verschiedenen energetischen Konversionsverfahren untersucht werden. In Abb. 5
sind die Trockenmasseerträge je Hektar (Summe von drei Jahren) der Grünlandvarianten
sowohl im Agroforstsystem mit Weiden als auch im reinen Bestand sowie die Erträge der
Weiden im Agroforstsystem und im reinen Kurzumtriebsplantagen (KUP)-Bestand dargestellt.
KG Kontrolle
KG-W Agroforst
W Kontrolle
25
KG
W
t TM ha-1
20
15
10
5
0
Div Kontrolle
Div-W Agroforst
W Kontrolle
25
Div
W
t TM ha-1
20
15
10
5
0
0 N 100 N
0 N 100 N
0 N 100 N
0 N 100 N
2 Schnitte
3 Schnitte
2 Schnitte
3 Schnitte
0N
Abbildung 5: Biomasseerträge (t TM ha-1) von Kleegras (KG) und Diversitätsmischung (Div) in der
Kontrollvariante (= Referenz) und im Agroforstsystem mit Weiden (W) bei 2- und 3-Schnittnutzung
sowie der Weiden in der Kontrollvariante (= Referenz), ohne (0) und mit (100 kg ha-1) Stickstoffdüngung (N), Summe von 3 Jahren (2011-2013).
Die Flächenanteile im Agroforstsystem betrugen 55 % Grünland und 45 % Weiden. Der
höchste Biomasseertrag innerhalb von 3 Jahren wurde mit 21,5 t TM ha-1 bei den gedüngten
Kleegrasvarianten erzielt, unabhängig von der Schnitthäufigkeit. Ohne Stickstoffdüngung
waren die Erträge niedriger und lagen zwischen 18,5 und 19,5 t TM ha-1. Die Erträge der
diversitätsorientierten Grünlandmischung (bestehend aus 32 Arten) waren deutlich niedriger
als beim Kleegras. Hier bewirkte eine N-Düngung eine bedeutende Ertragssteigerung. Im
Gegensatz zum Kleegras, bei dem durch den Kleeanteil als Leguminose Stickstoff fixiert
wird, ist dies bei der Diversitätsmischung nicht so ausgeprägt. Generell ist die artenreiche
Mischung ertragsschwächer. Auch im Agroforstsystem wurden den Grünlandvarianten vergleichbare Erträge erzielt. Bezogen auf den Hektarertrag nehmen diese aber nur einen Anteil
von 55 % ein, der Rest des Flächenertrags wird von den Weiden gebildet, der im Agroforstsystem 3,15 t TM ha-1 betrug. Die Weiden als reine KUP (=Kontrolle) verzeichneten einen
Ertrag von 7 t TM ha-1, der damit deutlich unter den Biomasseerträgen der Grünlandbestände
lag. Hier machte sich die zögerliche Entwicklung aufgrund des Trockenstresses während der
14 Etablierungsphase bemerkbar. Erfahrungsgemäß steigt der Ertrag der Weiden nach der ersten Ernte (nach 3-5 Jahren) merklich an, so dass mit höheren Erträgen zu rechnen ist. Die
hier kurz zusammengefassten Ergebnisse zeigen deutlich, dass während der Etablierungsphase der ersten Rotation der Weiden der Biomasseertrag durch die Grünlandanteile im Agroforstsystem gesteigert werden konnte. Somit wurde eine wichtige Zielsetzung bei der Suche nach optimierten KUP-Varianten erreicht: Fehlende Erträge von KUP-Flächen während
der Etablierung bzw. der ersten Rotation können zumindest teilweise durch Grünlandteile im
Rahmen eines Agroforstsystems ausgeglichen werden.
Im AP IO-A 3 "Waldbausysteme" sollte die vielfach diskutierte Rückumwandlung von Hochwäldern zur Energieholzgewinnung in Ausschlagwälder einer genauen Analyse unterzogen
werden. Ausgehend von typischen, die naturräumlichen Verhältnisse der beiden Modellregionen repräsentierenden Hochwaldbeständen wurden anhand von Modellkalkulationen und
terrestrischen Inventuren Hinweise auf die unter derzeitigen und künftigen Klimabedingungen
mögliche Biomasseproduktion dieser Wälder gewonnen. Auf der Basis dieser Daten ließen
sich mögliche Potentiale für die Wiedereinführung der historischen Waldbausysteme Niederund Mittelwald ausloten.
Mittelwald
Niederwald
700
Alter vs BM Hauschicht
Ekl. I Eiche zuzügl. Reisholz
600
Niederwald
Ekl. I Eiche zuzügl. Reisholz
-1
Gesamtwuchsleistung [t ha ]
600
-1
Gesamtwuchsleistung [t ha ]
700
500
400
300
200
100
500
400
300
200
100
0
0
0
20
40
60
80
100
120
0
20
40
60
80
100
120
Alter [Jahre]
Alter [Jahre]
Abbildung 6: Vergleich der über 120 Jahre erzielten Gesamtwuchsleistungen von Eichenbeständen
erster Bonität und einem modellierten Mittel- (links), bzw. Niederwald (rechts) (aus Albert und Ammer
2012).
Im Ergebnis kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die Umwandlung intakter
Hochwaldbestände oder eine Reaktivierung ehemaliger Nieder- und Mittelwälder unter ausschließlicher Berücksichtigung von Produktionsaspekten nicht vorteilhaft erscheint, zumal damit ein überproportionaler Nährstoffentzug verbunden ist. Gleichwohl kann auf kleineren Flächen, bestimmten Standorten und/oder Bestandessituationen vor allem aus Gründen des
Arten- und Biotopschutzes eine Bewirtschaftung von Waldteilen im Nieder- und Mittelwaldbetrieb eine sinnvolle Option darstellen.
Aufgabe von AP IO-A 4 "Bewässerung" war die Untersuchung der Chancen und Risiken der
Nutzung von biologisch geklärtem Abwasser für die Holzproduktion in Kurzumtriebsplantagen. Die BEST-Beispielregion Thüringer Ackerebene gehört zu den trockensten Gebieten
Deutschlands. Im Zuge des prognostizierten Klimawandels soll sich die Trockenheit in dieser
Region noch verstärken. Zur Milderung des vorhandenen Wasserdefizits ist der Einsatz von
biologisch geklärtem Abwasser für die Bewässerung von KUP eine interessante Option.
Dadurch wäre es möglich, Wasser, das sonst über die Vorfluter in die Flüsse ablaufen würde,
in der Region zu halten und produktiv im Sinne der Biomasseerzeugung einzusetzen. Die
bewässerten Bestände auf den Flächen BERTA I und BERTA II bildeten deutlich mehr Biomasse als die unbewässerten (Abb. 7), wobei auch Baumartenunterschiede deutlich wurden.
In Tabelle 6 ist der Vorratsunterschied zwischen den bewässerten und unbewässerten Beständen dargestellt. Auf BERTA II ist der Vorratsunterschied zwischen den bewässerten und
unbewässerten Baumarten im gesamten Versuchszeitraum sehr stark angestiegen (Tab. 6).
15 Vorratszuwachs [t/ha]
Der Bewässerungseffekt ist auf BERTA II deutlich zu erkennen, zumal kein Grundwasseranschluss vorlag.
80
60
40
20
Tabelle 6: Vorratsdifferenz zwischen bewässerten und unbewässerten Versuchsflächen
69,8
49,4
23,8
16,1
0
BERTA I
30,5
6,7 5,8
Pappel
BERTA I
Weide
BERTA I
Pappel
BERTA II
Weide
BERTA II
0,3
BERTA II
Pappel bewässert
Pappel unbewässert
Weide bewässert
Weide unbewässert
2011[%]
2012[%]
2013[%]
7,0
9,2
7,7
33,5
33,7
34,2
51,2
158,3
168,4
104,1
313,8
664,1
Abbildung 7: Vorratszuwachs "BERTA" 2013
Im Arbeitspaket IO-A 5 "Bio-Kraftstoff" sollten Holzaufschlussverfahren und die Verwertbarkeit verschiedener Baumarten zur enzymatischen Hydrolyse der Holzpolysaccharide für eine
biotechnologische Produktion von Bioethanol erprobt werden. Ein besonderer Schwerpunkt
der Untersuchungen lag dabei auf Holz von schnell wachsenden Baumarten sowie auf Rest-/
Abfallholz aus der holzverarbeitenden Industrie. Das notwendige Holzaufschlussverfahren
und die folgende biotechnologische Holzhydrolyse sollten in Abhängigkeit zum Ausgangszustand des Rohmaterials (u.a. Baumart, Rindenanteile und Vornutzung) angepasst und optimiert werden. Nach enzymatischer Hydrolyse (EH) aller Proben zur Umsetzung von Cellulose zu Glucose fiel auf, dass sich zwischen den Laubhölzern Pappel, Weide und Buche keine
signifikanten Unterschiede in der Glucoseausbeute zeigen (Abb. 8). Die Dauer der EH sollte
mindestens 60 min betragen. Weizenstroh zeigte dagegen schon nach einer Vorbehandlungszeit von 30 min eine hohe Umsetzung von über 80 % der Cellulose, im Vergleich zu ca.
40-50 % bei den Laubhölzern. Nadelholz (Fichte) scheint für den entwickelten Prozess gänzlich ungeeignet zu sein, da auch nach einer Vorbehandlungsdauer von 120 min nur eine minimale Umsetzung von ca. 10 % Cellulose erreicht wird.
Arbeitspaket IO-A 5 steht inhaltlich am Übergang von den produktionsorientierten AP zu den
werkstofftechnologischen, die im folgenden Cluster IO-K angesiedelt sind.
Abbildung 8: Ausbeute von Glucose und Lignin aus verschiedenen Lignocellulosequellen nach Aufschluss unterschiedlicher Dauer
16 Das Cluster IO-K stand unter dem Titel "Innovation und Optimierung – Schwerpunkt Kaskadennutzung". Dahinter verbargen sich drei im Wesentlichen holztechnologisch basierte Arbeitspakete, die es sich zur Aufgabe gemacht hatten, Holz vor einer denkbaren energetischen Nutzung zunächst zu höherwertigen Produkten zu veredeln, die dann später nach Gebrauch recycelt oder auch energetisch zweitverwertet werden können. Das Wertschöpfungspotential entlang einer solchen Kaskade ist deutlich höher als bei einer unmittelbaren energetischen Nutzung.
Das Ziel des Arbeitspakets IO-K 1 "Holzverbundwerkstoffe" lag in der Entwicklung marktfähiger Produkte aus minderwertigen Buchenholzsortimenten und Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) zu Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (WPC = wood-polymer composites). Im
Verlauf der Untersuchungen sollte gezeigt werden, welche Potentiale und Restriktionen hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften beim Einsatz dieser alternativen Rohstoffe bei der stofflichen Nutzung in WPC zu erwarten sind. Die vorliegenden Ergebnisse von IO-K 1 zeigten,
dass KUP-Holz oder minderwertige Buchensortimente durchaus zur Herstellung von marktfähigen Holz-Kunststoff Verbundwerkstoffen geeignet sind. So kann Buchenholz einen positiven Einfluss auf die Wasseraufnahme der Komposite haben. Auf der anderen Seite konnte
in Labortests gezeigt werden, dass durch die Nutzung von KUP oder Buchenholz eine leicht
verringerte Pilzresistenz und damit erhöhte Gefahr der Kompositschädigung bestehen kann.
Weiterhin ergab sich der überraschende Befund, dass die Kaskadennutzung von Rohstoffen,
in diesem Fall die Verwendung von Abfallsortimenten aus der Span- sowie Faserplattenproduktion, über die ökonomische Vorteilhaftigkeit einer stofflichen Mehrfachnutzung von Rohstoffen hinaus auch einen signifikant positiven Einfluss auf die Materialeigenschaften der
Werkstoffe haben kann. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Werkstoffeigenschaften von WPC aus KUP sowie minderwertigen Buchensortimenten, durchaus eine Alternative zu WPC auf Basis von Fichte darstellen können.
Aufgabenstellung des AP IO-K 2 "Sandwich-Spanplatten" war die Prüfung der Eignung von
Spänen der zuvor beschriebenen Holzarten für die Herstellung von sogenannten SandwichSpanplatten. Über ausgewählte Kombinationen der verschiedenen Holzarten (Buche, Weide,
Pappel und Fichte) in der Mittelschicht (MS) der Spanplatten sollten eventuelle Synergieeffekte ermittelt werden, welche Einfluss auf die Plattenqualitäten haben könnten. Aus den
Untersuchungen ging klar hervor, dass eine stoffliche Nutzung sowohl von geringwertigen
Buchenhölzern als auch von schwach dimensionierten Holzsortimenten aus KUP (Weide und
Pappel) durchaus denkbar ist. Diese können damit als Nutzungsalternativen für die Holzwerkstoffindustrie in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus zeigten die mit den unterschiedlichen Sandwich-Spanplattenvarianten erzielten Resultate die Möglichkeit einer bis zu
100%igen Einsparung von Fichtenholz in Form von reinen Laubholzspanplatten (Alternativkombination Buchenspäne in der MS: Pappel-/Weidenspäne in der DS) auf. Die untersuchten
mechanisch-technologischen Eigenschaften der Buchensandwichplatten und Weiden-/bzw.
Pappelsandwichplatten mit einer Rohdichte von 650 kg/m³ zeigten sehr gute Festigkeitseigenschaften, die die geforderten DIN-Normen erfüllten und der Referenzspanplatte aus reinem Fichtenholz ebenbürtig bzw. überlegen waren. Dabei erlangte die Sandwich-Spanplattenvariante mit der Kombination Buchenspäne in der MS und Pappelspäne in den DS die
besten Resultate. Ein Beispiel für die Ergebnisse der Materialprüfungen zeigt Abb. 9.
Die Biegefestigkeitsprüfungen zeigen durchweg positive Untersuchungsergebnisse. Alle entwickelten und hergestellten Spanplatten mit einem Rohdichtebereich von 650 kg/m³ erfüllen
die Normanforderung gemäß EN 312 [2011]. Die Buchensandwich-Spanplatten (ρ= 650
kg/m³) zeigen mit Biegefestigkeiten von 13…14 N/mm² gute Ergebnisse (siehe Abb. 9). Ein
negativer Einfluss der Buchenrinde auf die Biegefestigkeiten der BuchensandwichSpanplatten geht aus den erhobenen Resultaten nicht hervor. Ebenso positiv verhalten sich
die KUP-Sandwichplatten, wobei die Weiden- bzw. Pappelsandwichplatte mit 100%iger Verwendung von Weide bzw. Pappel (jeweils m. R.) in der MS signifikant höhere Biegefestigkeiten von ca. 17 N/mm² aufzeigen und die Fichtenreferenzplatten sogar übertreffen.
17 Biegefestigkeit [N/mm²]
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
m. R.
Buche Stamm
16...30 cm
100 %
13,39
m. R.
Pappel DSBu MS
19,50
m. R.
Weide DSBu MS
15,27
m. R.
REF
Weide
17,22
m. R.
REF
Pappel
22,26
o. R.
REF
Fichte
14,15
Variante & Mischungen
Abbildung 9: Biegefestigkeiten [N/mm²] der Plattenvarianten mit Pappel- bzw. Weidenspänen in der
Deckschicht (DS) (ρ= 650 kg/m³) und 100%iger Verwendung der Buchenstammvariante m. R. in der
Mittelschicht (MS) der Spanplatte. Als Referenzen (REF) stehen Weiden- und Pappelspanplatten m.
R. sowie eine Fichtenspanplatte o. R. mit Rohdichten um 650 kg/m³ zum Vergleich. Ferner ermöglicht
die Buchensandwich-Spanplatte mit 100 % Buchenstammspänen m. R. in der Mittelschicht eine Gegenüberstellung der verschiedenen Deckschichtspäne. Mindestanforderung für Spanplatten für P2
Anwendung gemäß EN 312 [2011] beträgt 11 N/mm².
Die Arbeiten im letzten der drei holzwerkstofftechnologischen AP, IO-K3, gliederten sich zum
einen in die Entwicklung extradichter Faserplatten (EDF) aus verschiedenen Buchenholzsortimenten sowie aus Kurzumtriebsplantagenholz und zum anderen in die Qualitätserfassung
des Holzes von Buchenbeständen mittels innovativer Messverfahren der Thermographie.
Hinsichtlich der EDF zeigte sich hier eine geringere Eignung der Hölzer aus KUP, wahrscheinlich verursacht durch den unvermeidlich höheren Rindenanteil bei diesen besonders
schwach dimensionierten Sortimenten. Im Gegensatz dazu ergaben sich für die EDF aus
Buchenholz gute bis hervorragende technologische Eigenschaften. In Abb. 10 sind die mechanischen Werkstoffeigenschaften - E-Modul, Biege- sowie Querzugsfestigkeit in Abhängigkeit von Materialtyp (junge bzw. alte Buche) und Aufschlussparameter (Druck/Temperatur)
dargestellt. Die roten Linien illustrieren die nach Norm geforderten Mindestwerte.
Abbildung 10: Mechanische Eigenschaften der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten
bei variierenden Aufschlussbedingungen.
18 Alle getesteten Platten erfüllen die geforderten Werte gemäß Norm und wären damit kommerziell zu vermarkten (tragende Verwendung im Trockenbereich). Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Rohstofftyp und Platteneigenschaften ist nicht erkennbar.
Im Cluster FA (Ökologische Folgenabschätzung) waren diejenigen Arbeitspakete zusammengefasst, die sich in BEST mit den Auswirkungen der Anbauverfahren auf die Lebensgemeinschaften und Ökosysteme beschäftigten. Die Erhaltung der Biodiversität in der modernen, multifunktionalen Agrarlandschaft ist eines der Kernziele einer nachhaltigen Bewirtschaftungsweise. Die Untersuchung der ökologischen Auswirkungen der Bioenergie-Erzeugung auf die Biodiversität ist daher eine wichtige Voraussetzung für die umfassende Bewertung von Nutzungssystemen.
Ziel der Forschung im Arbeitspaket FA 1 war eine integrierte Folgenabschätzung der mit Bioenergie-Anbausystemen verbundenen Auswirkungen auf die Diversität der Begleitflora. In
beiden BEST-Untersuchungsregionen (Landkreis Göttingen, Thüringer Ackerebene) erfolgte
ein Monitoring der Begleitflora und der Habitatbedingungen (Bodenparameter, Lichtklima,
Bewirtschaftungsintensität, Makroklima) von verschiedenen Bioenergie-Anbausystemen
(Mais, Raps, Kurzumtriebsplantagen) und schloss konventionell bewirtschaftete Flächen,
sowie Flächen ein, die im Rahmen des ökologischen Landbaus oder von Agrarumweltmaßnahmen extensiver bewirtschaftet sind. Die Daten zur Phytodiversität wurden im Hinblick auf
die naturschutzfachliche Bedeutung der erfassten Arten (Rote-Liste-Arten, Archäophyten,
Neophyten) analysiert. Die Ergebnisse aus FA 1 zeigen, dass es notwendig ist, den gesamten Lebenszyklus einer KUP in eine naturschutzfachliche Bewertung einfließen zu lassen, da
sich die Habitatbedingungen in KUP wiederholt verändern. Die Artenzusammensetzung und vielfalt war, bei geringem Herbizideinsatz, in den ersten zwei Jahren nach Neuanlage mit der
einer Ackerbrache vergleichbar (bis zu 40 Arten je 75 m²). Auf den alten KUP, auf denen
bereits der Kronenschluss erreicht war, konnten nur geringe Artenzahlen nachgewiesen werden (bis zu 19 Arten je 75 m²). Arten der Roten Listen auf Landes- und auf Bundesebene
wurden nicht gefunden. Diese Ergebnisse und die durchgeführte Literaturrecherche ermöglichten die Bewertung von KUP hinsichtlich ihres Wertes für die Phytodiversität der Agrarlandschaft (Abb. 11).
Abbildung 11: Wert verschiedener Typen von Kurzumtriebsplantagen für die Phytodiversität von Agrarlandschaften im Vergleich zu anderen Landnutzungsoptionen (basierend auf Hoogeveen et al.,
2005; Gabriel et al., 2013). Eine Maximierung der Phytodiversität kann mit regionalspezifisch angepassten, vielfältigen Landschaftsmosaiken aus Gehölzen, Grünland und Äckern erreicht werden.
19 Das Arbeitspaket FA 2 "Zersetzer" befasste sich mit den Destruentengemeinschaften.
Hauptziel war die Ermittlung der Reaktionen von Bodenbiota auf die unterschiedlichen Bewirtschaftungs- und Störungsregime. Die Bodenprobenentnahmen in diesem Teilprojekt wurden aber nicht nur für diese Fragestellungen verwendet, sondern verschafften anderen Arbeitsgruppen in BEST (z.B. IO-A 1 und IO-A 2) Zugang zu Informationen zur mikrobiellen
Biomasse, Basalatmung, Artenvielfalt der Bodenlebensgemeinschaften und der Abundanz
von Boden-Bioindikatoren. Gemeinsame Arbeiten zwischen FA 1 und FA 2 adressierten
die Abhängigkeiten von Phytodiversität und
Diversität der Boden-Lebensgemeinschaften. Ein wesentlicher Teil der Arbeiten von
FA 2 beschäftigte sich mit den Auswirkungen von KUP auf die Lebensgemeinschaften
der Collembolen. In BERTA 1 wurde die Mesofauna von Collembola und Acari dominiert.
Ein signifikanter Effekt der Baumart oder des
Plantagenalters auf die beobachtete Dichte
der Mesofauna konnte nicht festgestellt werden. Im Gegensatz dazu wurden bei den
KUP in Reiffenhausen die Dominanz von
Collembola and Acari in den Pappelplanta- Abbildung 12: Artenzahlen von Collembola in
gen und von Collembola, Enchytraeidae und verschiedenen Kurzumtriebsplantagensystemen mit Pappel (blau) and Weide (rot).
Acari in den Weidenplantagen beobachtet.
Die Aufgabenstellung des Arbeitspakets FA
3 "Insekten" umfasste die Erfassung der Anfälligkeit von Bioenergie-Pflanzungen gegen Insektenbefall, die Bewertung hinsichtlich zukünftiger Gefährdungen (Klimawandel, invasive
Insekten) und die Entwicklung von Konzepten zur Minimierung von Insektenbefall. Dies sollte
zusammen zu einer integrierten Bewertung der Gefährdungspotentiale durch unterschiedliche Bewirtschaftungsoptionen und zur Optimierung gängiger Bewirtschaftungspraktiken führen. Die chemoökologische Risikoabschätzung hinsichtlich der Gefährdung von Pappelplantagen durch den invasiven Asiatischen Laubholzbockkäfer (ALB) wurde auf die breite Basis
von Volatilenmustern von 10 Pappelarten gestellt. Hier stellten sich unter den von diesem
Insekt wahrgenommenen Volatilen deutliche Unterschiede in den Mustern von präferierten
und gemiedenen Pappelarten heraus, die Ansatzpunkte für die gezielte Züchtung von Pappelhybriden geben können, die für die Schadinsekten unattraktiv sind. Kurzfristig muss den
momentan gängigen Pappelhybriden eine hohe Attraktivität für den ALB bescheinigt und das
Gefährdungspotential durch diesen Käfer als "hoch" eingestuft werden. Ein 0,5 bis 2 km breiter Gürtel aus Maispflanzen könnte den durchgeführten Untersuchungen zufolge die Orientierung des ALB nachhaltig stören. Im Gegensatz dazu könnte z. B. Raps aufgrund der Ernte
der Pflanzen vor der Hauptflugzeit des ALB diesen störenden Effekt nicht entfalten.
Das Kürzel des sechsten Clusters in BEST, "SÖB", steht für die sozioökonomische Bewertung und umfasste vier Arbeitspakete. Dabei waren SÖB 1 und SÖB 2 ("Ökonomie Forst"
und "Wertschöpfungsanalyse") forstlich-betriebswirtschaftlich ausgerichtet. Diese Arbeitspakete widmeten sich neuen Wertschöpfungsperspektiven im Zusammenhang mit der Energieholzproduktion in Forstbetrieben, wobei auch deren übrige Produktionssegmente in einer
umfassenden Analyse mit berücksichtigt wurden. Die forstlich orientierten APs wurden ergänzt durch zwei agrarökonomische Teilprojekte (SÖB 3 "Umstellung Einzelbetrieb" und
SÖB 4 "Life Cycle Assessment"), welche Fragestellungen zur sozioökonomischen Bewertung
der Bioenergieerzeugung in den beiden Modellregionen aus der mikro-, meso- und makroökonomischen Perspektive bearbeiteten. Insgesamt ging es im Ökonomie-Cluster SÖB also
um betriebliche, regionalökonomische und sozioökonomische Bewertungen alternativer
Wertschöpfungsoptionen land- und forstwirtschaftlicher Nutzung und deren Wechselwirkungen.
20 Bei der Analyse der Projektregion Göttingen wurde im Rahmen von SÖB 1 der Gesamtholzanfall analysiert. Es zeigte sich, dass dieser ähnlich der Baumartenausstattung aufteilt ist,
wobei sich der Beitrag zum Energieholzanfall zwischen den Baumartengruppen stark unterscheidet (Tab. 7). Die starke Dominanz der Buche ist erkennbar.
Tabelle 7: Holzmassenanfall aller Baumartengruppen absolut und mit Energieholzanteilen im Landeswald der Projektregion Göttinger Land von 2005 bis 2010
Baumartengruppe
Eiche
Buche
ALh und ALn
Fichte
Douglasie
Kiefer
Lärche
Summe
Gesamtanfall
[Fm/a]
7.300
65.700
6.800
70.900
830
1.700
7.300
160.530
Energieholz
[Fm/a]
[%]
920
12,6
19.600
29,8
2.500
36,5
830
1,2
30
3,3
20
<1
70
<1
23.900
14,9
Neben dem Massenanfall ist der mögliche ökonomische Erlös von zentraler Bedeutung für
die Bewertung von Holznutzungsoptionen. Die prozentuale Änderung der ökonomisch optimalen Aufarbeitungsintensität über prozentualer Änderung der Erlöse bzw. der Kosten bei
der hochmechanisierten Buchenkronenaufarbeitung zeigt die Abbildung 13.
Erlösänderung
Kostenänderung
Änderung der ökonomisch
30 optimalen Aufarbeitungsintensität [%]
20
10
Erlös-/ Kostenänderung [%]
-30
-20
-10
10
20
30
-10
-20
-30
Abbildung 13: Prozentuale Änderung der ökonomisch optimalen Aufarbeitungsintensität über prozentualer Änderung der Erlöse bzw. der Kosten bei der hochmechanisierten Buchenkronenaufarbeitung.
Die Referenz stellt das Verhältnis von den beiden summierten Größen des ökonomisch optimal nutzbaren Kronenholzvolumens und des gesamten Kronenholzvolumens aller 163 RBS-Einzelbäume bei
dem Kosten-Erlös-Verhältnis der Referenzvariante (Kosten 175 EUR/MAS; Erlös 50 EUR/Fm; Kronentyp 2) dar.
In SÖB 2 "Wertschöpfungsanalyse" wurde u.a. mit dem Strugholtz-Englert-Simulationsmodell
das regionale Rohholzaufkommen bei unterschiedlicher Waldbehandlung und Holzverwendung bestimmt. Auf Basis der erstellten Wertschöpfungsketten bis zur ersten Verarbeitungsstufe wurden die Auswirkungen auf Wertschöpfung und Beschäftigung verschiedener Waldnutzungsszenarien ermittelt. Exemplarisch werden in Tabelle 8 die Ergebnisse der Wertschöpfungskettenanalyse für die Fallbeispielsregionen Göttinger Land und BERTA aufgezeigt.
21 Tabelle 8: Holzbasierte Wertschöpfungsszenarien in den Landkreisen Göttingen und BERTA
Szenario
BWS2 bezogen
auf Gesamtwaldfläche
Landkreis Göttingen
BWS Laubholz [€/ha]
BWS Nadelholz [€/ha]
BWS gesamt [€/ha]
Beschäftigung [Region]
Region BERTA
BWS Laubholz [€/ha]
BWS Nadelholz [€/ha]
BWS gesamt [€/ha]
Beschäftigung [Region]
1. Status
quo
2. Hausbrand
3. Erhöhung des
Laubholzanteils der
Sägeindustrie
4. Stilllegung von
5% der
Waldfläche
5. Stilllegung von
Laubaltholzflächen
über 120
Jahre
235,03
139,44
374,48
211,1
218,55
107,13
325,69
131,7
259,75
139,44
399,19
251,4
223,28
132,47
355,75
200,6
72,60
139,44
212,05
131,5
227,20
118,44
345,64
17,0
211,27
90,99
302,27
10,8
251,10
118,44
369,53
20,4
215,84
112,51
328,35
16,1
74,30
118,44
192,74
10,4
SÖB 3 bewertete die Wirtschaftlichkeit und das Risikoprofil von Kurzumtriebsplantagen
(KUP) im Vergleich zu klassischen landwirtschaftlichen Produktionsverfahren. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Umstellungstrigger der klassischen Investitionstheorie niedriger sind als die des vergleichsweise neuen Realoptionsansatzes (ROA). Allerdings führt im
Fall des ROA eine Nicht-Berücksichtigung der Rückumstellungsmöglichkeit zu Fehlern in der
Berechnung der Umstellungstrigger, da diese ohne Rückumstellungsoption höher sind als mit
dieser Option. Da aber selbst mit Berücksichtigung der Rückumstellungsmöglichkeit die Umstellungstreiber immer noch höher sind als die nach klassischer Investitionstheorie, liegt der
Schluss nahe, dass mit dem ROA die Umstellungszurückhaltung der Landwirte im Fall von
KUP zumindest teilweise erklärt werden kann. Mit einem zunehmenden Grad an Risikoaversion fallen die Umstellungstrigger nach klassischer Investitionstheorie und nach ROA, da
risikoscheue Landwirte aufgrund der geringeren Standardabweichung der Deckungsbeiträge
von KUP eher geneigt sein sollten, auf KUP umzustellen. Daraus resultieren auch die steigenden Rückumstellungstrigger bei zunehmender Risikoeinstellung. Da risikoaverse Landwirte eher KUP anbauen sollten, nimmt der Fehler einer Vernachlässigung der Rückstellungsmöglichkeit bei zunehmender Risikoaversion ab.
Im Rahmen von SÖB 4 schließlich gelang eine Lösung der methodischen Probleme des Life
Cycle Assessment. Dazu wurde für die Indikatorauswahl und –messung ein dreistufiges Verfahren entwickelt, das (a) eine qualitative Voruntersuchung zwecks Ermittlung potenziell relevanter Bewertungskriterien, (b) eine Befragung von Stakeholdern in den Untersuchungsregionen zur Ermittlung der Relevanz der identifizierten Indikatoren sowie (c) eine großzahlige
Expertenbefragung zur Ermittlung der Ausprägungen der relevanten Indikatoren umfasste
(vgl. Tabelle 9). Durch diese methodische Anpassung wurde die Anwendbarkeit des SLCA
wesentlich verbessert.
2
Bruttowertschöpfung
22 Tabelle 9: Dreistufige Untersuchungsmethodik zur Durchführung eines SLCA
Das siebte und letzte thematische Cluster in BEST mit der Bezeichnung UP ("Umsetzung
und Partizipation") widmete sich Integrations- und Koordinationsaufgaben für das gesamte
Verbundprojekt.
Aufgabe des Arbeitspaketes UP 1 war der Aufbau einer Informations- und Kommunikationsplattform für Wissenschaft und Praxis in der Region Göttingen. Die durch das "Netzwerk Regenerative Energien" vorhandenen Kontakte sollten das Projekt bei der Durchführung und
Organisation von Regionalkonferenzen unterstützen. Die Zielgrößen waren: 1. die praktische
Anwendbarkeit der erwarteten Forschungsergebnisse und 2. die frühestmögliche Umsetzung
gesicherter neuer Erkenntnisse in wirtschaftliches Handeln und regionale Planung im Landkreis Göttingen. Zu den spezifischen Aktivitäten und Produkten gehörte der Aufbau einer
(von den Anwendern bereits viel gelobten) virtuellen Fachbibliothek. Diese ist für jedermann
unter www.BEST-Bibliothek.de verfügbar. Weiterhin wurden in der Laufzeit von BEST zwölf
Fachveranstaltungen angeboten und zwei Regionalkonferenzen in der Bioenergieregion Göttingen ausgerichtet. Die Öffentlichkeit wurde mit Hilfe des Newsletters der Energieagentur
über Ergebnisse und Fortschritte des Projektes BEST informiert. Veranstaltungen, die im
Rahmen von BEST von der Energieagentur durchgeführt wurden, sind auf der Homepage
der Energieagentur dokumentiert (http://www.energieagentur-goettingen.de) und als Pressemitteilung der Presse bekannt gegeben worden . Ferner wurde 2014 die Broschüre "Bioenergie in der Region Göttingen" erstellt (in Zusammenarbeit mit UP4, 5 und 6), in der wesentliche Forschungsergebnisse von BEST aufgearbeitet, mit anderen Forschungsprojekten
verwoben und auf der Abschlussveranstaltung von BEST der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurden.
Arbeitspaket UP 2 umfasste die Aktivitäten der zweiten Partnerregion in BEST, der "Thüringer Ackerebene BERTA". Als Serviceleistung für das Gesamtprojekt wurde durch UP 2 die
Pflege der Kulturen auf den Flächen BERTA 1 und 2 durchgeführt. Dazu kamen als Aufgaben die Erfassung der Rohdaten, die Probennahmen, die umfänglichen Datenerhebungen für
die verschiedenen Doktoranden sowie die Wartung der Messstationen über den gesamten
Projektzeitraum. Des Weiteren waren der Aufbau und die Erweiterung von regionalen Netzwerken und Kommunikationsstrukturen ein Schwerpunkt der Arbeit in UP 2. Durch aktive
Öffentlichkeitsarbeit und die Beteiligung an Konferenzen und wissenschaftlichen Kolloquien
konnten der Aufbau neuer sowie die Aktivierung und Integration bestehender Netzwerke und
Kommunikationsstrukturen in der Region erreicht werden. Weiterhin wurden diese Kommunikationsstrukturen durch Vor-Ort-Beratungen und den Wissenstransfer in die Region ausgebaut. Dazu zählen unter anderem standortspezifische Anbauberatungen und Potenzialanaly23 sen für die Nutzung von Kurzumtriebs-Plantagen (bspw. Stiftsgut Nägelstedt, Betreutes Wohnen). Im Jahr 2012 wurde eine der drei BEST- Regionalkonferenzen in der Thüringer Ackerebene durchgeführt und von UP 2 veranstaltet.
Aufgabe des Teilprojekts UP3 war einerseits die technische Unterstützung für den clusterübergreifenden Austausch von Informationen und Daten und andererseits die Implementierung eines "Beratungswerkzeugs" für den Wissenstransfer in die Praxis. Hauptergebnis ist
das Beratungswerkzeug "BEAST" (Bioenergy Assessment and Scenario Tool) als DesktopAnwendung zur regionalen Szenario-Potentialanalyse für holzige Biomasse. Über mehrere
Prototypen und nach wiederholter Einbindung potentieller Anwender aus dem Bereich der
Regionalplanung wurde die Endversion dieser Software datenbankfrei in Java implementiert
und steht über das Web-Portal der Öffentlichkeit zum Download zur Verfügung. Mit Hilfe des
Beratungswerkzeugs lassen sich über den "Szenariogenerator" Szenarien zum zukünftigen
Energiebedarf sowie zu den ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen für die
Produktion von holziger Biomasse aus Waldholz, Landschaftspflegeholz und Kurzumtriebsplantagen definieren (Abb. 14). Diese Szenarien werden anschließend in der Simulation genutzt, um daraus Biomassen- oder Energiepotentiale zu berechnen. Darüber hinaus werden
diese Potentiale ökonomisch bewertet, und es werden ökologische Kennzahlen ausgegeben.
Potentialanalysen für die Bereiche Wald- und Landschaftspflegeholz finden nicht räumlich
differenziert statt. Für den Bereich der Kurzumtriebsplantagen erfolgt hingegen eine räumliche Allokation. Hier können vom Nutzer Flächenrestriktionen angegeben sowie Kriterien skaliert und gegeneinander gewichtet werden (s. Abb. 14), die für die Auswahl und Priorisierung
von potentiellen Anbauflächen für Kurzumtriebsplantagen Verwendung finden.
Abbildung 14: Bildschirmfoto des Szenariogenerators – Abschnitt Kriteriengewichtung mit graphischer Darstellung.
Zentrale Aufgabe des Arbeitspakets UP 4 war die Schaffung eines landschaftsökologischen
Bewertungsrahmens für holzige Biomasse auf Agrarstandorten. Dieser Bewertungsrahmen
war seinerseits wesentliche Basis für das bei UP 3 bereits angesprochene BEST-Beratungstool, welches vor allem in Kooperation der beiden Arbeitspakete UP 3 und UP 4 entwickelt
wurde. Mit dem vorliegenden Werkzeug existiert nun eine Kombination aus ökologischer
Analyse, Ertragsmodellierung und ökonomischer Bewertung in anwendungsrelevanter Komplexität, die es erlaubt, das Werkzeug in regionalen Planungs- und Diskussionsworkshops
zum Themenbereich holzige Biomasse, Klimaschutz und nachhaltige Landnutzung einzusetzen. Das Beratungswerkzeug hat auf Seiten der Politik (vorgestellt in Fachausschüssen des
Kreistags Göttingen) großes Interesse hervorgerufen. Das Landvolk – als regionale Interessenvertretung der Landwirte – ist an einer Fortsetzung der Auswertungen interessiert.
BEAST wird zudem Bestandteil des neuen LEADER-Programms für regionale Auswertungen
sein. Abb. 15 zeigt ein Anwendungsbeispiel, ein (hypothetisches) Szenario der Etablierung
von KUP im Landkreis Göttingen auf allen dafür (ökonomisch) geeigneten Standorten.
24 a)
b)
∑ = 4263ha
c)
Abbildung 15: (a) Verteilung der ökonomisch konkurrenzfähigen KUP-Flächen unter den gegebenen
Szenarienbedingungen, (b) Flächengröße an konkurrenzfähigen KUPs pro Gemeinde, (c) Annuitätendifferenz und Primärenergiebereitstellung der KUP-Flächen pro Gemeinde
Im Szenario erbringt die Gesamtfläche von 4263 ha KUP einen jährlichen Primärenergiebeitrag von 336 GWh, das entspricht 17% des nachgefragten erneuerbaren Energieanteils in
dem "Moderat-Szenario" des integrierten Klimaschutzkonzepts für den Landkreis Göttingen.
Damit stellt KUP eine interessante und relevante Erweiterung des Mixes an regional verfügbaren erneuerbaren Energieträgern dar.
Das Arbeitspaket UP 5 "Wissenstransfer" wurde vom Projektpartner 3N (Niedersachsen
Netzwerk Nachwachsende Rohstoffe) mit seinem bei der HAWK angesiedelten Büro Göttingen bearbeitet und hatte insbesondere die Aufgabe, bei der Auswahl von neu anzulegenden
Flächen für schnellwachsende Hölzer im Rahmen der Teilprojekte IO-A 1 und IO-A 2 mitzuarbeiten. Ferner oblag diesem AP die Unterstützung von kommunalen Körperschaften und
Gewerbebetrieben im Landkreis Göttingen bei der Planung des Einsatzes von Holzenergie
zur Wärmeversorgung ihrer Liegenschaften Tabelle 10 zeigt ein Beispiel für die Eckdaten
solcher Planungsansätze, die den Körperschaften im Zuge des Wissenstransfers über UP 5
vermittelt wurden. Schließlich wurden durch 3Ndie beiden Partnerregionen und die Koordinierungsstelle bei der Planung und Durchführung der Regionalkonferenzen und von Veranstaltungen zum Praxistransfer unterstützt.
Tabelle 10: Eckdaten einiger Detailuntersuchungen und Anlagenvorschläge für kommunale Liegenschaften
Einheit
max. Wärmebedarf
Wärmeverbrauch
Leistung Holzkessel Grundlast
Holzenergieträger
kW
kWh/a
kW
---
Grundschule
Lenglern
Samtgemeinde
Bovenden
340
515.000
100
Pellets
Holzverbrauch: Pellets
alternativ Hackschnitzel
t/a
Sm³/a
85
---
Kommune
---
Oberschule
Groß Schneen
Landkreis
Göttingen
600
900.000
180
Pellets oder
Hackschnitzel
150
930
Grundschule
Landwehrhagen
Gemeinde
Staufenberg
530
510.000
120
Pellets oder
Hackschnitzel
80
510
Aufgabe des letzten Arbeitspaketes in BEST, UP 6 unter dem Titel "Koordination und Öffentlichkeitsarbeit", war die gesamte Koordination des Verbundes. Diese Aufgabe umfasste insbesondere umfangreiche Koordinations- und Kommunikationssaufgaben, das Berichtswesen,
25 die Koordination von interdisziplinären Veröffentlichungen auf Ebene des Verbundprojektes
und zusammen mit verwandten Verbünden, und schließlich die Öffentlichkeitsarbeit und
Kommunikation von Projektergebnissen nach außen. Wesentliche Aktivitäten waren die Vorbereitung und Durchführung der drei BEST-Regionalkonferenzen, die während der Laufzeit
abgehalten wurden, und gegen Ende des Verbundprojekts dann die Konzeption eines Buches, das als gemeinsame Abschlussveröffentlichung mit dem inhaltlich verwandten Verbundprojekt AgroForNet (Sprecher Prof. Bemmann, TU Dresden) erstellt wurde. Da das
Buch wesentliche Ergebnisse zugänglich macht und zusammenfasst, nimmt es für die langfristige Sichtbarkeit von BEST einen ähnlich wichtigen Rang ein wie das bereits geschilderte
BEST-Beratungstool. Das Buch erscheint in englischer Sprache, um auch einem internationalen Fachpublikum zugänglich zu sein. Als Titel wurde "Bioenergy from dendromass for the
sustainable development of rural areas" gewählt. Ein anspruchsvoller wissenschaftlicher Verlag (mit Peer-Review Prozess) wurde gesucht und mit Wiley-VCH gefunden. Das Buch ist bei
Erstellung dieses Berichtes im Druck, es wird im Sommer 2015 erscheinen und ca. 450 Seiten umfassen.
Die letzten wesentlichen Ergebnisse von UP 6 waren die Organisation und Ausrichtung der
BEST-Abschlusskonferenz vom 30.09. bis 01.10.2014, das Vorstellen der wichtigsten Ergebnisse des Verbundprojekts in den Umwelt- und Energieausschüssen von Stadt und Landkreis, sowie die Erstellung des hier vorliegenden Abschlussberichts. Der Abschlussbericht
wird Grundlage einer weiteren Fachveröffentlichung sein, die die wichtigsten Ergebnisse aus
BEST in einem Artikel der Zeitschrift "Ökologisches Wirtschaften" synoptisch und integriert
darstellt. Der Beitrag ist für Juli/August 2015 geplant.
II.2 Verweis auf den zahlenmäßigen Nachweis
Der Gesamt-Ausgabennachweis für Zuweisungen aus der Fördersumme wurde dem Projektträger bereits am 09.04.2015 durch die Abteilung Finanzen der Univ. Göttingen, Drittmittelbereich, Herrn Marc-Andre Kunze übermittelt. Darin enthalten sind, aufgeschlüsselt nach den
verschiedenen Kostenstellen, die abgerechneten Ausgaben im Projekt.
BEST konnte mit einer minimalen Differenz der gesamten Ausgaben gegenüber dem Planungsansatz abgeschlossen werden (Differenz ca. 3000 Euro bei ca. 3,5 Mio. Euro Bewilligungsvolumen, d.h. Differenz < 1 o/oo).
II.3 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Die geleisteten Arbeiten wurden gemäß dem BEST-Antrag durchgeführt, der ausführliche
Begründungen zu jeder einzelnen Aktivität im Rahmen der sieben thematischen Cluster und
der 31 darunter gegliederten Arbeitspakete in BEST enthält.
Die Arbeiten waren notwendig und angemessen um innerhalb des weit interdisziplinär forschenden BEST-Konsortiums in einem umfassenden Ansatz und Kontext die Frage abzuklären, inwieweit sich Energieholzproduktion im ländlichen Raum steigern und wirtschaftlich
lohnender machen lässt, ohne dabei die Belange von Ökosystemintegrität und Naturschutz
zu vernachlässigen. Letztlich wurden damit wertvolle - weil praxisrelevante - Ergebnisse zur
Frage erzielt, unter welchen Rahmenbedingungen ein nachhaltiger Beitrag durch Holz zu
einer zukunftsfähigen erneuerbaren Energiebereitstellung zu leisten ist.
II.4 Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse
Neben den üblichen wissenschaftlichen Kommunikations- und Veröffentlichungskanälen
(Beiträge zu Fachtagungen, Artikel in Fachzeitschriften, Buch aus BEST und AgroForNet) ist
aus BEST das Beratungstool BEAST für die regionale Planung und Bewertung des Beitrags
von holziger Bioenergie zu einem nachhaltigen regenerativen Energiemix hervorgegangen.
Der Ansatz des Beratungstools ist stark transdisziplinär, und deshalb kann erwartet werden,
dass es von vielen verschiedenen Akteuren mit unterschiedlichem fachlichem Hintergrund im
Bereich Energieplanung und –bereitstellung eingesetzt werden wird. Die Anwender und Stakeholder in den Bereichen Flächennutzung, Energieproduktion und regionale Planung kön-
26 nen mit Hilfe des Tools in einen informierten und transparenten Dialog eintreten, der eine
schnellere und sicherere Identifikation von Handlungsoptionen und Konsensfindung über das
optimal balancierte Vorgehen gestattet.
II.5 Fortschritte auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen
Zunächst waren in der Fördermaßnahme "Nachhaltiges Landmanagement" selbst zwei weitere Verbundprojekte aktiv, die thematisch mit BEST näher verwandt waren und daher auf
ähnlichem Gebiet Arbeiten beitrugen und Fortschritte erzielten. Hierbei handelte es sich um
AgroForNet und NaLaMaNT. Ersteres beschäftigte sich wie BEST mit dem Hauptthema
Energieholz, hatte jedoch andere Regionen, und teilweise andere Zielgruppen und Anwender
im Fokus. Zweiteres hatte einen forstwissenschaftlichen Schwerpunkt und damit Schnittmengen zu BEST, war jedoch fokussiert auf die generelle Identifikation von Indikatoren für eine
effiziente und umweltgerechte Landnutzung. Die Ergebnisse von BEST und AgroForNet wurden in einem gemeinsamen Buch zusammengetragen und damit für die gemeinsam bestehende Interessenten- und Anwendergruppe integriert.
Aufbauend auf die Forschung zum Nachhaltigen Landmanagement in der gleichnamigen
Fördermaßnahme ist inzwischen die Maßnahme "Transdisziplinäre Innovationsgruppen im
Nachhaltigen Landmanagement" gestartet worden. Diese Maßnahme zielt auf die Entwicklung neuer, nachhaltiger und praktikabler Lösungen für Regionen, die vor dem Hintergrund
klimatischer, wirtschaftlich-struktureller und demographischer Veränderungen vor besonderen Herausforderungen stehen. Hauptansatzpunkte der Forschung der Innovationsgruppen
sind regionale Wertschöpfungsnetze sowie Energie- und Stoffströme, die zu einer integrierten Stadt-Land-Entwicklung beitragen können. Die Projekte in dieser Maßnahme sind allerdings noch zu jung, als dass bereits veröffentlichte Ergebnisse vorliegen könnten.
Bereits zu Beginn der Förderung der Verbundprojekte im Modul B der Maßnahme "Nachhaltiges Landmanagement" erschienen die Ergebnisse des Förderprogramms "Nachhaltige
Waldwirtschaft" in Form einer Buchveröffentlichung als Bilanz der Ergebnisse: http://www.
fona.de/mediathek/pdf/B_5_3_3_Nachhaltige_Waldwirtschaft_Broschuere_2010.pdf
Ein Ergebnis aus der Synthese des Programms und ein Terminus, der geprägt wurde, ist der
vom "klimaplastischen Laubmischwald" als einem Bewirtschaftungsziel und Waldtyp, der
aufgrund seiner Struktur und seiner Baumarten dem Klimawandel gewachsen ist.
Kurz darauf erschienen weiterhin die Ergebnisse des Förderschwerpunkts "Forschung für die
Reduzierung der Flächeninanspruchnahme und ein nachhaltiges Flächenmanagement (REFINA)", der ebenfalls durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wurde und Teil der Nationalen Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung war.
Auch hier sind die Ergebnisse in Form eines Buches verfügbar, abrufbar unter: http://www.
fona.de/mediathek/pdf/B_5_3_2_REFINA_Broschuere_2011.pdf
II.6 Veröffentlichung der Ergebnisse
Die Ergebnisse aus BEST sind in eine große Zahl von Veröffentlichungen eingeflossen, neben dem bereits eingehender dargestellten BEST/AgroForNet-Buch auch in wissenschaftliche Zeitschriftenartikel, von denen die große Mehrzahl einem Begutachtungsprozess unterworfen war. Die letzte Zählung der Veröffentlichungen (Stand Mai 2015) ergab 35 Arbeiten
ohne und 86 mit Review-Prozess. Aus den letzteren werden hier folgend 10 gelistet, die weiteren finden sich in den Veröffentlichungsnachweisen bei den Berichten der einzelnen Teilprojekte (siehe unten, Anhang zu II).
Seidel D, Albert K, Ammer C, Fehrmann L, Kleinn C (2013). Using terrestrial laser scanning
to support biomass estimation in densely stocked young tree plantations. International
Journal of Remote Sensing 34 (24): 8699-8709.
Tölle MH, Moseley C, Panferov O, Busch G, Knohl A (2013). Water supply patterns in Germany under climate change conditions. Biogeosciences 10: 2959-2972, doi:10.5194/bg10-2959-2013.
27 Albert K, Annighöfer P., Schuhmacher J., Ammer C (2014): Biomass equations for seven
different tree species growing in coppice-with-standards forests in Central Germany.
Scandinavien Journal of Forest Research 29: 210-221.
Ehret M, Bühle L, Lamersdorf N, Graß R, Wachendorf M (2014). Bioenergy provision by an
alley cropping system of grassland and shrub willow hybrids: biomass, fuel characteristics and net energy yields. Agroforestry Systems (published online DOI 10.1007/s10457014-9773-7).
Fehrmann L, Seidel D, Krause B, Kleinn C (2014). Sampling for landscape elements - A case
study from Lower Saxony, Germany. Environmental Monitoring and Assessment 186:
1421-1430.
Seifert C, Leuschner C, Meyer S, Culmsee H (2014). Inter-relationships between crop type,
management intensity and light transmissivity in annual crop systems and their effect on
farmland plant diversity. Agriculture, Ecosystems and Environment, 195, 173-182.
Tölle MH, Gutjahr O, Thiele J, Busch G (2014). Increasing bioenergy production on arable
land - does the regional and local climate respond? Germany as a case study. Journal of
Geophysical Research – Atmospheres 119: 2711–2724, doi:10.1002/2013JD020877.
Walter K, Don A, Flessa H (2014) No general soil carbon sequestration under Central European short rotation coppices. GCB Bioenergy. doi: 10.1111/gcbb.12177
Wolbert-Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2014): Are short rotation coppices an economically
interesting form of land use? A real options analysis. In: Land Use Policy 38: 163-174
Bredemeier M, Busch G, Hartmann L, Jansen M, Richter F, Lamersdorf N P (2015): Fast
Growing Plantations for Wood Production – Integration of Ecological Effects and Economic Perspectives - Frontiers in Bioengineering and Biotechnology; Vol. 3, 72, p. 1-14.
http://goedoc.uni-goettingen.de/goescholar/handle/1/11884
Anhang zu 2: Abschlussberichte der 31 Arbeitspakete (AP) in den 7 thematischen Clustern
von BEST
Separate Anhänge:
3. Erfolgskontrollbericht
4. Kurzfassung auf Berichtsblatt
28 Arbeitspaket:
ÖL 1
Thema:
Bioklimatologie
Antragsteller:
Prof. Dr. A. Knohl und Prof. Dr. O. Panferov
Institut:
Abt. Bioklimatologie, Büsgen-Institut, Univ. Göttingen
Projektdauer:
01.09.2010 – 31.08.2013
Wiss. Mitarbeiter: Dr. M. Tölle, F. Heimsch, N. Tiralla
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Das übergeordnete Ziel des Clusters „Ökologische Landschaftsfunktionen (ÖL)“ bestand in
der integrativen Erfassung, Bewertung und Optimierung der lokalen und regionalen ökologischen Landschaftsfunktionen der Bioenergie-Produktionssysteme. Im Rahmen des Gesamtprojektes BEST hatte das Arbeitspaket ÖL1 das Ziel die Aus- und Wechselwirkungen
zwischen Bioenergieplantagen und sowohl jetzigen als auch zukünftigem Klima zu erfassen.
Die Aufgaben der Bioklimatologie waren daher:
a) Messungen und Analyse der aktuellen mikrometeorologischen Randbedingungen für die
ausgewählten Versuchsflächen mit unterschiedlichen Landnutzungstypen und an verschiedenen Standorten
b) Analyse der Daten der verfügbaren herunterskalierten Klimaprojektionen (A1B, A2, B1)
mit regionalen Klimamodellen (CLM, REMO) und ggf. weiteres Downscaling
c) Untersuchung der Auswirkung der Landnutzungsänderungen auf das regionale Klima.
Entwicklung neuer Parametrisierungen der Landnutzungstypen für regionale Klimamodelle.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Messungen und Analyse der Messdaten
- Installation von automatischen mikrometeorologischen Stationen auf den Referenz- und
Untersuchungsflächen zur Charakterisierung der meteorologischen Rahmenbedingun-gen
des BEST-Projekts
- Aufbau der Klimadatenbank
- Kontinuierliche Messungen der mikrometeorologischen Variablen Lufttemperatur und feuchte, solare Strahlung, Windgeschwindigkeit und -richtung, Niederschlag und Luftdruck, Bodentemperatur. Speicherung der Daten in der Klimadatenbank
- Analyse der gemessenen mikrometeorologischen Daten und der Daten des Deutschen
Wetterdienstes zur Bestimmung der meteorologischen Randbedingungen
- Messungen der Vegetationsparameter (Blattfläche, Blattneigung) für die Parametrisierung
des regionalen Klimamodells
Modellierung
- Analyse der existierenden regionalen Klimaszenarien für die Untersuchungsflächen
- Installation und Testen des regionalen Modells CCLM
- Downscaling der Daten der regionalen Klimaszenarien (Referenzszenario C20, SRES
A1B – CLM/REMO) für die Bioenergieregionen auf 7km und 1km.
- Entwicklung der Parametrisierung der Bioenergielandnutzung (stomatärer Widerstand,
Rauhigkeit, Albedo) für die Modellierung der Auswirkung der Bioenergieplantagen auf das
regionale Klima
29 - Durchführung der zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Modellierungen der Effekte von
Landnutzungsänderungen (Agrarflächen  Pappel-Kurzumtriebplantagen und Agrarflächen  Mais) auf das Mikroklima unter Bedingungen des A1B Szenarios
- Analyse der hochaufgelösten Modellierungsdaten und der Effekte der Landnutzungsänderungen
Der Ablauf des Vorhabens erfolgte gemäß dem Zeitplan.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Es war bekannt (Der Bericht „Our changing Planet“ - A Report by the Climate Change Science Program and the Subcommittee on Global Change Research, for the FY 2004-2005,
USA), dass wegen der sehr engen Abhängigkeiten zwischen Klimasystem und Landnutzung
die möglichen Folgen jeder Landnutzungsänderung auf das Klima berücksichtigt werden
müssen. Vygodskaya et al. (2007) zeigten, dass die natürlichen, aber auch anthropogenen
Landnutzungsänderungen, wie z. B. Aufforstungen, sowohl sofortige unmittelbare, als auch
langfristige Einflüsse auf das lokale und regionale Klima bewirken. Als Auswirkungen wären
zu nennen: die Änderung des Niederschlagregimes, des Wasserhaushalts, der Wasserqualität, der Albedo und der Rauigkeit auf lokaler und regionaler Ebene, sowie langfristige Änderung der Treibhausgas-Emissionen und somit auch der Treibhausgaskonzentrationen in der
Atmosphäre auf regionaler und globaler Ebene. Panferov und Sogachev (2008) haben die
Effekte von Landnutzungsänderungen weiter untersucht und die Auswirkung von Durchforstungsmaßnahmen auf das Windregime quantifiziert. Diese „Wirksamkeit“ der Landnutzungsänderungen, aber auch die Produktivität der resultierenden Ökosystemen, ist klimaabhängig,
d.h. unter der Bedingungen des Klimawandels könnten diese sich auch ändern. Deshalb war
es notwendig sowohl die vergangenen als auch jetzigen Klimabedingungen für die Untersuchungsregionen/-orte zu bestimmen, das Klimaänderungssignal zu ermitteln und die zukünftigen Klimabedingungen aus den Klimaprojektionen abzuleiten.
Es war anerkannt, dass die Auflösung der globalen Klimamodelle (GCM) und Klimaszenarien
für solche regionalen und lokalen Fragestellungen inklusive der Abschätzung der Folgen der
Landnutzungsänderungen zu grob ist. Daher ist die weitverbreitete Praxis, die Ergebnisse
der GCMs (z.B. Szenarien A1B und B1) mit Hilfe unterschiedlicher regionaler Klimamodelle
(z.B. CLM, REMO) auf eine regionale Auflösung (0.2°×0.2°, bzw. 0.1°×0.1°) herunterzuskalieren (Rockel et al. 2008, Lautenschlager et al. 2009). Die Notwendigkeit, den Einfluss und
die Konsequenzen von Landnutzungs-änderungen für das Regionalklima zu berücksichtigen,
führten zu ersten Versuchen diese Effekte in regionalen Modellen zu simulieren (z.B. Göttel
et al. 2008). Diese Simulationen haben gezeigt, dass die anthropogene Veränderung der
Vegetation in einem Gebiet zur Änderungen der Lufttemperatur, Schneebedeckung und Niederschlagsregime auf regionaler Skala führen kann (Subin et al. 2008). Olchev et al. (2008)
haben solche Effekte (z. B. die starke Reduktion der CO2-Senke und Evapotranspiration als
Folge der Umwandlung von Regenwald in Kakao-Agroforstsysteme bzw. in landwirtschaftliche Kulturen in Indonesien) auch auf lokaler Skala demonstriert. Wie Philippon et al. (2008)
und Heimann und Reichstein (2008) zeigten, waren die Prozesse bei der Interaktion von Klima und Landnutzung nicht ausreichend verstanden, um für beliebige Landschaftsräume gültige Modelle bereitzustellen.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Bei der Analyse der langfristigen Messdaten für die Regionen Reiffenhausen/Friedland und
Berta konnten keine signifikanten Temperatur (T)- oder Niederschlagstrends (N) für die letzten 21 (T) und 29 (N) Jahre nachgewiesen werden. Die Analyse der existierenden Klimaszenarien SRES A1B und B1 zeigte für beide Untersuchungsregionen eine robuste Zunahme
der Winterniederschläge im 21. Jahrhundert und keine signifikante Änderung der Sommerniederschläge.
Das Downscaling der Daten des regionalen Klimamodells auf die räumliche Auflösung von
7km und 1km, ebenso wie der Vergleich mit den Messdaten, zeigte die erwartete Verbesserung der Ergebnisse (Niederschlag) mit dem höher aufgelöstem Modell. Das hochaufgelöste
30 Modell wurde für die Untersuchungen der Bioenergieplantagen auf das regionale und lokale
Klima verwendet.
Die für die Unterstützung der Modellierung durchgeführten Messungen der Strukturparameter
der Bioenergieplantagen (Blattflächenindex LAI bzw. Plant Area Index, PAI und Blattneigungswinkel) zeigten, dass die Parameter einen deutlichen saisonalen Verlauf haben. Diese
saisonale Veränderungen beeinflussten den Wasserhaushalt der Kurzumtriebsplantage und
damit auch das Lokalklima und wurden wiederum vom regionalen Klima (Trockenheitsperiode) beeinflusst. Die Untersuchungen der zukünftigen (2071–2075) Einflüsse der Landnutzungsänderungen in Acker-Bioenergieplantagen (Pappel bzw. bewässerter Pappel, Mais)
zeigten zwei unterschiedliche Effekte: 1) Eine Abkühlung des regionalen Klimas und eine
Reduktion der Temperaturmaxima bei der Umwandlung von Agrarflächen in PappelKurzumtriebsplantagen und 2) Eine Erwärmung des regionalen Klimas, wenn die Agrarflächen durch Bioenergie-Mais ersetzt werden. Dabei spielt der Zeitpunkt der Anpflanzung und
der Ernte von Mais eine zentrale Rolle.
Arbeitsbericht
Aufgabe (a) (s. Kapitel „Aufgabenstellung“)
a.1. mikrometeorologische Randbedingungen
Zur Charakterisierung des Umgebungsklimas für alle laufenden BEST-Untersuchungen wurden meteorologische Messungen in den beiden Untersuchungsregionen BERTA und Göttingen an 6 Standorten vorgenommen. Dazu wurden automatische Messstationen auf folgenden Flächen installiert (Kooperation mit ÖL2):
- Göttingen: 2 Stationen in neu gepflanzten Kurzumtriebsplantagen
- BERTA: 1 Station in einer alten/gewachsenen Pappel-Kurzumtriebsplantage und 1 Station in einer neu gepflanzten Kurzumtriebsplantage
- Referenzstationen: jeweils 1 Station pro Untersuchungsregion auf einer Freifläche
Die gemessenen Parameter waren:
a) Mittlere, minimale und maximale Lufttemperatur
b) Luftdruck
c) Sonneneinstrahlung
d) Windrichtung
e) Mittlere, minimale und maximale Windgeschwindigkeit
f) Relative Luftfeuchtigkeit
g) Niederschlag
Die Rohdaten wurden analysiert und Lücken und fehlerhafte Daten wurden, wo möglich, interpoloiert und durch Regressionen basierend auf BEST- bzw. DWD-Stationen gefüllt bzw.
ersetzt. Die Daten wurden in die BEST-Datenbank, bei deren Organisation mitgewirkt wurde,
abgespeichert und für alle BEST-Teilprojekte zur Verfügung gestellt.
a.2. Analyse des beobachteten Klimas bzw. der Klimaänderung
Eine Analyse der langjährigen Beobachtungen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zur
Feststellung der möglichen gegenwärtigen Klimaänderungssignale in den Untersuchungsregionen und zur Verwendbarkeit der DWD-Daten für BEST-Flächen wurde durchgeführt.
Aufgabe (b)
b.1. Klimaprojektionen mit regionalen Klimamodellen
Ein Ensemble aus 12 Klimamodellsimulationen wurde statistisch analysiert. Verwendet wurden die Daten der Klimaszenarien A1B, A2 und B1, die mit dem gekoppelten globalen
Klimamodell ECHAM5/MPI-OM berechnet wurden (Läufe 1, 2 und 3) und mit den regionalen
Klimamodellen COSMO-CLM und REMO auf die räumliche Auflösung von entsprechend
~18km und ~11km herunterskaliert wurden (Daten von Dr. Christopher Moseley, Climate
Service Center, Hamburg - CSC). Die Simulationen der Referenzperiode 1971-2000 basiert
auf dem Kontrollszenario C20 und die der Zukunftsperiode 2071-2100 auf dem SRES Szenario A1B.
31 b.2. Weiteres Downscaling der Klimadaten
Mit dem regionalen Klimamodell „COSMO-CLM“ wurden die Klimaszenarien weiter auf die
räumlichen Auflösungen von 7km und 1km herunterskaliert. Die Simulationsergebnisse wurden mit gegriddeten Beobachtungsdaten des DWD verglichen.
Aufgabe (c)
c.1. Parameterisierung von Landnutzungstypen
Messungen und Analyse der saisonalen Dynamik der Strukturparameter Blattflächenindex
(Leaf area index, LAI), Pflanzenflächenindex (Plant area index, PAI) und Blattneigungswinkel
der untersuchten Bioenergiepflanzen (Pappeln) in Reiffenhausen zur korrekten Beschreibung
der Bioenergiepflanzen in der Landoberflächen-Komponente des Models. Methoden: indirekte optische Messungen (LAI-2000, Li-Cor Line Sensoren, hemisphärische Photos), direkte
destruktive Messungen und Streufallmessungen.
c.2. Auswirkung der Landnutzungsänderungen auf das regionale Klima
Für die Berechnungen der Klimaszenarien unter Berücksichtigung der Landnutzungsänderung wurde das regionale Klimamodell „COSMO-CLM“ gekoppelt an das Landoberflächenmodel „CLM“ ausgewählt, das für die numerischen Experimente in den Rechenzentren der
GWDG und des DKRZs aufgesetzt wurde. Simulationen von Land-Atmosphären-Rückkoppelungen für vorherrschende und modifizierte Landnutzung anhand von regionalen Klimamodellen wurden durchgeführt. Zudem wurden Plausibilitätsstudien zu verschiedenen Pflanzenbedeckungsdichten gemacht – die numerischen Experimente mit regionalem Klimamodell,
wo die Agrarflächen in der Region konsequent zu 25%, 50% und 100% durch Bioenergieplantagen ersetzt wurden. Die Vegetationsparameter für die Modellparametrisierung der Bioenergiepflanzen wurden von ÖL4 und IO-A4 übernommen und diskutiert. Andere realistische
Vegetationsparameter für die Klimasimulationen wurden mit UP4 und UP3 erarbeitet.
Ergebnisbericht
Folgende Ergebnisse wurden während der drei Projektjahre erzielt:
Aufgabe (a)
a.1. mikrometeorologischen Randbedingungen
Die meteorologischen Parameter Lufttemperatur und -feuchte, solare Strahlung, Windgeschwindigkeit und -richtung, Niederschlag und Luftdruck wurden beschrieben (Abb.1). Der
Jahresverlauf der Tagestemperatur ist in den Untersuchungsgebieten sehr ähnlich. Die mikrometeorologischen Daten wurden in die BEST-Datenbank abgespeichert und für alle BESTTeilprojekte zur Verfügung gestellt.
Abbildung 1: Mittlere Tages- (hellrot) und Monatstemperaturen (rot) (links) und tägliche (hellblau) und
monatliche (blau) Niederschlagssummen (rechts) von der BEST-Station Friedland (Fläche Göttingen).
32 a.2. Analyse des beobachteten Klimas bzw. der Klimaänderung
Der Vergleich zwischen den mikrometeorologischen Stationen der BEST-Flächen und den
DWD-Stationen zeigt, dass die DWD-Stationen die Lufttemperaturen auf den BEST-Flächen
relativ gut repräsentieren können. Die DWD und BEST Niederschläge sind im Mittel ähnlich,
jedoch sind die Verteilungen sehr unterschiedlich. Auf Grundlage von langfristigen DWDDaten der Klimastationen Göttingen (für die Region Reiffenhausen/ Friedland) und Dachwig
(Region Berta) konnten keine signifikanten Temperatur (T)- oder Niederschlagstrends (N) für
die letzten 21 (T) und 29 (N) Jahre nachgewiesen werden. Während die Temperatur in der
BEST-Untersuchungsperiode (Jahre 2011-2013) typisch für die jeweiligen Regionen ausfiel,
war das Jahr 2011 in beiden Regionen sehr trocken (Abb. 2).
1000
Göttingen
Dachwig
-1
Niederschlag (mm Jahr )
Lufttem peratur (°C)
11
10
9
8
Göttingen
Dachwig
7
6
1991
1996
2001
2006
2011
800
600
400
200
0
1983
1988
1993
1998
2003
2008
2013
Abbildung 2: Mittlere Jahrestemperaturen (links) und Niederschlagssummen (rechts) auf den nächstliegenden DWD-Stationen Göttingen und Dachwig
Aufgabe (b)
b.1. Wie wird sich das Klima in der Zukunft ändern? (Existierende Projektionen)
Die flächenhafte Untersuchung von zukünftigen Klimaszenarien, insbesondere von Niederschlagsmustern, ist Grundlage für eine optimale Planung der Bioenergie-Entwicklung:
Abbildung 3: Mittleres saisonales Klimaänderungssignal (Climate Change Signal – CCS; Zukunft –
Gegenwart, in mm) des Niederschlags für Winter (DJF) und Sommer (JJA) über beiden Regionen
(Göttingen und BERTA) basierend auf einem Ensemble von 12 Klimasimulationen.
33 Optimierung der Auswahl der KUP-Flächen und für die Ertragerwartung der ausgewählten
Flächen. Die Analyse der heruntergeladenen bias-korrigierten Läufe des CCLM (Szenarien
A1B and B1) zeigt eine Zunahme der Winterniederschläge im 21. Jahrhundert und keine signifikante Änderung der Sommerniederschläge für beide Untersuchungsregionen (Abb. 3). In
der Bioenergie-Region Göttinger Land gibt es einen starken Ost-West-Gradienten.
b.2. Weiteres Downscaling der Klimadaten
Die Analyse der Simulationen mit den räumlichen Auflösungen von 7km und 1km und der
Vergleich mit gerasterten Niederschlagsdatensätzen des DWD (REGNIE) zeigen, dass die
höhere Auflösung (1km) eine Verbesserung der Niederschlagssimulationen aufweist (Abb.
4).
a
b
c
Abbildung 4: Gemessene und modellierte jährliche Niederschlagssummen in der Untersuchungsregion (in mm y-1) für Jahr 1970: a) DWD-Beobachtungsdaten; (b) Modell CCLM, Referenzszenario C20,
Herunterskalierung auf 7km Auflösung; (c) Herunterskalierung auf 1km Auflösung
34 Aufgabe (c)
c.1. Untersuchung der saisonalen Dynamik der Vegetationsstruktur für die hochaufgelöste
regionale Klimamodellierung
Die Messungen des LAI bzw. Plant Area Index, PAI und des Blattneigungswinkels zeigen,
dass die Parameter einen saisonalen Verlauf haben (Abb. 5). Ausserdem zeigte der Vergleich mit mikrometeorologischen Daten einen klimatischen Einfluss auf den Blattneigungswinkel und den PAI: während einer Trockenperiode Ende August 2013, mit niedriger Bodenfeuchte und hohem Dampfdruckdefizit der Luft, haben die Bäume die Blätter abgeworfen und
der Blattneigungswinkel hat sich deutlich geändert von einer fast horizontalen Blattstellung
(Zenithwinkel: 0°-20°) zu einer eher planophilen (Zenithwinkel: 20°-50°).
60
Blattwinkel (Grad)
Plant Area Index (m2 m‐2)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
01.05.2013
25.06.2013
19.08.2013
13.10.2013
50
40
30
20
10
0
25.04.2013
25.06.2013
25.08.2013
25.10.2013
Datum
Datum
Abbildung 5: Gemessene saisonale Verlauf des über die Versuchfläche gemittelten Pflanzenflächeindex (Plant Area Index - PAI, links) und des mittleren Blattneigungwinkels (rechts). Die Fehlerbalken
zeigen Standardabweichung.
c.2. Wie werden sich „bioenergetische“ Landnutzungsänderungen zukünftig auf das Klima
auswirken?
Eine Landnutzungänderung von 10% der Agrarfläche zu Bioenergieplantagen führt zu einer
lokalen Änderung des Klimaänderungssignals des Temperaturmaximums (2071–2075 gegenüber 1971–1975). Eine Umwandlung von Agrarfläche in bewässerte Pappel Bioenergieplantagen kann zu einer regionalen Abkühlung von bis zu ca. 20 % führen (Abb. 6 links).
Landnutzungsänderung in Richtung Pappel und bewässerte Pappel führen zu einer Steigerung der Evapotranspiration und Reduzierung der Produktion von sensibler Wärme, was die
Abkühlung des lokalen Klimas erklärt. Die Landnutzungsänderung in Richtung Mais bewirkt
eine erhöhte Produktion von sensibler Wärme und führt somit zu einer lokalen Erwärmung.
Dabei spielt der Zeitpunkt der Anpflanzung und der Ernte von Mais eine zentrale Rolle.
35 Abbildung 6: Einfluss der Landnutzungsänderungen durch Pappel (blau), bewässerte Pappel (grün)
und Mais (rot) auf das Regionalklima. Jahresgänge von Maximumtemperatur, latentem und fühlbarem
Wärmefluss, einfallender solarer Strahlung, spezifischer Luftfeuchtigkeit und Niederschlag. Die Daten
sind räumlich (Bioenergieflächen) und zeitlich (2071–2075) monatlich gemittelt.
36 Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Datenaustausch mit Teilprojekten: „Landschaftsökologische Bewertung“ (UP 4), „Wasserhaushalt“ (ÖL 2), „Bewässerung“ (IO-A 4), „Ökologische Folgenabschätzung“ (FA), „Klimaschutzleistung“ (ÖL 3) und „Ressourceneffizienz“ (ÖL 4).
Die Koordination der mikrometeorologischen Messungen und die Methodik der Lückenfüllung
wurden in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt ÖL 2 durchgeführt. An der Entwicklung des
BEST-Datenservers hat ÖL 1 gemeinsam mit den Teilprojekten ÖL 2 und UP3 mitgewirkt. Mit
dem Teilprojekt ÖL 2 und BALSA wurde zudem eine Optimierung der Modellkonfiguration
und des Modellprogramms durchgeführt. Außerdem wurden die Modellsimulationen und das
„Downscaling“ des Klimamodels zu einer hoher Auflösung (~1km) mit ÖL 2 besprochen. Die
regionale Klimamodellierung wurde mit externen Kooperationen der CLM-Community (Climate Limited-area Modelling Community) und des DKRZ (Deutsches KlimaRechenZentrum)
durchgeführt. Die Analyse der Daten der Regionalmodelle, das Problem des Bias und der
Biaskorrektur wurden in Zusammenarbeit mit dem Climate Service Center, Hamburg, und
den Forschungsprojekten KLIFF und Kimzug-Nord durchgeführt. Die Besprechung und
Durchführung der Messungen der saisonalen Dynamik der Vegetationsstruktur wurde mit ÖL
2 vorgenommen. Die Diskussion und das Design der Gasaustausch- und Transpirationsmessungen auf Blattskala erfolgten in Zusammenarbeit mit ÖL 2 und ÖL 4. Die Vegetationsparameter für die Modellparametrisierung der Bioenergiepflanzen wurden von ÖL 4 und IO-A4
übernommen und diskutiert. Andere realistische Vegetationsparameter für die Klimasimulationen wurden in Zusammenarbeit mit UP 4 und UP 3 erarbeitet. Die Zukunftssimulationen
und der klimatische Einfluss der Landoberflächentransformationen werden dem gesamten
BEST-Cluster bereitgestellt.
Tabellarische Übersicht geplanter Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Charakterisierung der meteorologischen Rahmenbedingungen
Untersuchungen von Klimaänderung in Deutschland
Flächenhafte Untersuchung von zukünftigen Niederschlagsmustern
Downscaling auf 7km und 1km
Neue Parameterisierung der Landnutzungstypen
Effekte von Landnutzungsänderungen auf das regionale Klima
unter Bedingungen des A1B
Szenarios
Erreichte Ergebnisse
-
Flächenauswahl
Geräteinstallation
Messungen
Lückenfüllung der Datenreihen
Erstellung der BEST-Datenbank
Feststellung des gegenwärtigen Klimaänderungssignals
Ensemble aus 12 Klimamodellsimulationen mit
aufwändigen statistischen Methoden analysiert
Klimaprojektionen A1B und B1 und Kontrolllauf
C20 auf die Region herunterskaliert und mit aufwändigen statistischen Methoden analysiert
Höhere Auflösung
Verbesserung der Niederschlagssimulation
Saisonaler Verlauf der Vegetationsparameter
Pflanzenflächenindex (PAI) und Blattneigungswinkel für Pappel
Kontrollsimulation aufgesetzt, validiert und evaluiert
Plausibilitätsstudien von Vegetationsbedeckungsänderungen durchgeführt
Vegetationsszenarien für Zukunftsläufe erstellt und
die Simulation aufgesetzt
Vegetationsszenarien mit Bioenergiepflanzen:
Pappel, bewässerte Pappel und Mais für Zukunftsläufe erstellt, Simulationen durchgeführt und analysiert
37 Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Sowohl der Arbeits- und Zeitplan als auch der Finanzplan wurden eingehalten.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
Keine
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Tölle MH, Gutjahr O, Thiele J, Busch G (2014). Increasing bioenergy production on arable
land - does the regional and local climate respond? Germany as a case study. Journal of
Geophysical Research – Atmospheres 119: 2711–2724, doi:10.1002/2013 JD020 877.
Tölle MH, Moseley C, Panferov O, Busch G, Knohl A (2013). Water supply patterns in Germany under climate change conditions. Biogeosciences 10: 2959-2972, doi:10.5194/bg10-2959-2013.
Konferenzbeiträge:
Tölle MH, Gutjahr O, Thiele J, Busch G (2013). How will the local and regional climate respond to bioenergy motivated agricultural transformations? Germany as a case study.
COSMO-CLM Assembly, Zurich, Swiss, 27-30 August, 2013.
Tölle MH, Thiele J, Busch G (2013). Quantifying the impact of bioenergy plantations on the
future regional climate in Germany. EGU General Assembly Conference Abstracts 15,
5103.
Tölle MH, Gutjahr O, Thiele J, Busch G (2013). How will the local and regional climate respond to bioenergy motivated agricultural transformations? Germany as a realistic case
study. Gordon Research Conference on Radiation and Climate, New England, USA, 812 April, 2013.
Tölle MH, Panferov O, Knohl A (2012). Effects of poplar patches on present and future regional climate. 9. Deutsche Klimatagung, Freiburg, Germany.
Tölle MH, Panferov O, Knohl A (2012). Impact of poplar on regional climate in Central Germany. COSMO-CLM Assembly, Leuven, Belgium, 17-20 September, 2012.
Tölle MH, Moseley C, Panferov O, Knohl A (2011). Water stress patterns in two agricultural
areas of central Germany under climate change conditions. iLEAPS 2011, GarmischPartenkirchen, Germany, 19.9.-23.9.2011.
Bachelorarbeiten:
Sauer J (2013). Saisonale Dynamik des Blattflächenindex in Abhängigkeit von meteorologischen Parametern.
Wendler H (2013). Vergleich der Methoden zur Bestimmung des Blattflächenindex in einer
Pappel-Kurzumtriebsplantage.
38 Arbeitspaket: ÖL 2
Thema:
Wasserhaushalt
Antragsteller
Dr. M. Jansen, Dr. B. Ahrends
Institut:
Abt. Ökopedologie d. gem. Zonen, Büsgen-Institut, Univ. Göttingen
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2013
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. F. Richter
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Zentrale Aufgabe des Arbeitspakets ÖL-2 ist die Messung und Modellierung des Wasserhaushalts von Kurzumtriebsplantagen (KUP). Der Vergleich verschiedener Landnutzungssysteme soll Rückschlüsse auf die Möglichkeiten und Risiken des KUP-Anbaus im Landschaftskontext ermöglichen. Da bisher nur wenige Untersuchungen des Wasserhaushalts von KUP
vorlagen, war ein Schwerpunkt des Arbeitspakets die Messungen atmosphärischer, ökophysiologischer und bodenkundlicher Einflussgrößen auf die wesentlichen Prozesse des Wasserhaushalts von KUP, insbesondere Evapotranspiration (ETR) und Wurzelwasseraufnahme.
Die intensiven Untersuchungen auf Plotebene sollten dann auf Landschaftsebene hochskaliert werden und mit anderen Landnutzungen verglichen werden. In einem Einzugsgebiet soll
dann der Einfluss eines vermehrten KUP-Anbaus auf die Grundwasserneubildung (GWN)
und den Gebietsabfluss abgeschätzt werden.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Das Vorhaben gliederte sich in drei große Abschnitte
1. Aufbau der Messstationen und Durchführungen von Messungen
Es wurden auf den Versuchsflächen BERTA I + II und im Landkreis Göttingen auf den
Flächen Reiffenhausen und Friedland insgesamt 6 vollautomatische Messstationen zur
Messung des Bodenwasserhaushalts (Bodenwasserspannung und –wassergehalte), der
Bestandesparameter (LAI, Saftfluss) sowie gemeinsam mit ÖL1 der klimatischen Randbedingungen (Temperatur, Niederschlag, Rel. Feuchte, Wind) aufgebaut.
2. Datenaufbereitung und Parametrisierung der Modelle
Die Daten wurden auf einen Datenserver übertragen und in einer gemeinsam mit UP3 erstellten Datenbank organisiert. Anschließend wurden die Daten fehlerkontrolliert und
wenn nötig nachkalibriert. Sie dienen als Eingangs- und Referenzgrößen für die Modellparametrisierung.
3. Modellanwendung und Simulationen
Als zentrales Modell wurde WaSim ausgewählt, da es sowohl auf Plot– als auch auf Einzugsgebietsebene eingesetzt werden kann. Zunächst wurde das Modell auf Plotebene für
den Standort Reiffenhausen auf der Grundlage der vorhandenen Messungen angepasst
und validiert. Im zweiten Schritt wurde das Modell auf das Einzugsgebiet der Dramme
hochskaliert und im Vergleich mit den anderen Landnutzungen Wald, Grünland und
Acker Simulationen zu den Auswirkungen zunehmenden KUP-Anbaus durchgeführt.
39 Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Durch die Bemühungen einer verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien gewinnen nachwachsende Rohstoffe an Bedeutung, besonders holzige Biomasse. KUP mit schnellwachsenden Gehölzen wie Pappeln und Weiden stehen dabei im Fokus. Für ökologische Untersuchungen dieser Landnutzung fehlt es allerdings noch an Parametersätzen für die Untersuchung der ökologischen Auswirkungen einer verstärkten Nutzung von KUP. Besonders für
die hydrologische Modellierung ließen sich kaum geeignete Parameter (Verlauf von LAI,
Durchwurzelung, stomatäre Leitfähigkeiten, Vegetationsbeginn) zur Beschreibung der Landnutzung KUP in der Literatur finden.
Abschätzungen zu hydrologischen Auswirkungen eines verstärkten KUP-Anbaus erfolgen in
der jüngeren Vergangenheit bereits mit punktbasierten (z.B. Schmidt-Walter and Lamersdorf,
2012) und hydrotopbasierten Modellen (z.B. Wahren et al., 2015). Ein Nachteil solcher Modelle ist, dass Nachbarschaftsbeziehungen und laterale Flüsse zu umliegenden Landschaftselementen meist ganz vernachlässigt oder vereinfacht dargestellt werden (Güntner and
Bronstert, 2004). Gerade diese Wechselwirkungen können aber für Abschätzungen von ökologischen Auswirkungen durch Landnutzungsänderungen, besonders auf Landschaftsebene,
von großer Bedeutung sein (Güntner and Bronstert, 2004).
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Durch die umfangreichen Messungen und Ableitungen von modellsensitiven Parametern
wurde ein Beitrag zur Beschreibung der Landnutzung KUP für die hydrologische Modellierung geleistet. Weiterhin lieferten die messtechnischen sowie modellgestützten Untersuchungen weiterführende Erkenntnisse zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen der
Landnutzung KUP und bodenspezifischen und klimatischen Faktoren. Dabei bestätigen die
Modellierungen auf Plotebene die Güte der Messungen und der daraus abgeleiteten Modellparameter (Richter et al., 2015b).
Die räumliche Modellierung auf EZG-Ebene ist nach unserem Kenntnisstand die Erste, die
Auswirkungen eines verstärkten KUP-Anbau auf den Landschaftswasserhaushalt mit Hilfe
eines deterministischen, flächendifferenzierten hydrologischen Einzugsgebietsmodells untersucht. Durch die Berücksichtigung von lateralen Flüssen und Wechselwirkungen mit umliegenden Landschaftselementen ist eine realitätsnahere Beschreibung der hydrologischen
Prozesse möglich (Güntner and Bronstert, 2004).
Die Untersuchungen verschiedener KUP-Szenarien, sowie die differenzierte Analyse des
Einflusses verschiedener Standorte und der Rotationsberücksichtigung auf die hydrologischen Modellergebnisse zeigen zum einen deren Sensitivität für die hydrologische Modellierung. Zum anderen lassen sich erste Rückschlüsse für eine Optimierung in Anbau und Bewirtschaftung ziehen.
Arbeitsbericht
Aufbau und Betreuung des Messnetzes
Die Einrichtung von 5 Messstellen zum Wasser- und Energiehaushalt wurde gemeinsam mit
ÖL-1 durchgeführt; Wartung und Kontrolle der Messeinrichtungen zum Wasser- und Energiehaushalt wurden überwiegend durch ÖL2 durchgeführt. Dazu zählt auch die Konzeption
und Betreuung der gemeinsam mit UP3 konzipierten Datenschnittstelle im Share-Point, sowie die Datenaufbereitung.
Messungen
Die für die Modellierung notwendigen Wasserhaushaltsgrößen (Saugspannungen, Wassergehalte) wurden kontinuierlich an den 5 Messstationen aufgezeichnet. Die Daten wurden
anschließend umfangreichen Plausibilitätskontrollen unterzogen. Zusätzliche wurden im Rahmen von Kampagnen einiger Parameter, die für viele Teilprojekte (TP) von Bedeutung waren, in Kooperationen gemessen.
40 


Durchwurzelung: Für die Wasserhaushaltsmodellierung (WHM) ist die Durchwurzelungsstruktur der Vegetation ein sensitiver Parameter. Für KUP ist, besonders bei Neuanlagen, darüber wenig bekannt. Daher wurde im Rahmen einer Master-Arbeit auf der
Versuchsfläche Reiffenhausen die vertikale Wurzelverteilung aufgenommen. Begleitend
dazu wurden Untersuchungen zur Genauigkeit von Messungen und räumlicher Heterogenität des Bodenwasserhaushaltes durchgeführt. Beide Arbeiten wurden in 2013 abgeschlossen.
pflanzenphysiologische Parameter: Die stomatäre Leitfähigkeit und der Blattflächenindex (LAI) wurden gemeinsam mit ÖL1 in der Vegetationsperiode 2013 gemessen. Daraus resultierten 2 Projekt- und 2 Bachelorarbeiten (2014).
Bestandesentwicklung / Biomasse: In Zusammenarbeit mit IO-A1, IO-A2, IO-A4 und ÖL3
wurden für alle Versuchsflächen Biomasseninventuren durchgeführt, um Änderungen in
der Zuwachsleistung mit den jeweiligen Untersuchungen zu korrelieren.
Aufbereitung der Datengrundlage zur WHM
Das mit anderen TP´s abgestimmte Modellierungskonzept sieht vor, den Wasserhaushalt
exemplarisch für den Landkreis Göttingen am Einzugsgebiet (EZG) der Dramme (nahe Göttingen) zu modellieren. Das Einzugsgebiet ist mit 45,2 km² relativ klein und erlaubt damit
schnelle und flexible Modellsimulationen. Die Plausibilität und Eignung aller notwendigen
Datensätze für die Modellierung wurde geprüft und getestet.
Modellstudien
Die Modellierung auf Plotebene zur Parametrisierung der Landbedeckung KUP wurde durchgeführt. Die Modelle sind mit den zusätzlichen erhobenen Vegetationsdaten parametrisiert
und stimmen sehr gut mit den erhobenen Messungen zur Bodenfeuchte überein.
Die Simulationen mit unterschiedlichen KUP-Anteilen auf Einzugsgebietsebene wurden erfolgreich durchgeführt. Die Modellergebnisse des Referenzlaufes (ohne KUP) sind abgeschlossen und zeigen eine gute Übereinstimmung mit den zur Validierung genutzten Pegelmessungen des EZG. Auch die einzelnen WH-Größen sind in ihrer Größenordnung und Aufteilung plausibel. Die Ergebnisse wurden hinsichtlich der Sensitivität der KUP-Anteile ausgewertet. Diese Ergebnisse sind Teil des Optimierungstools (siehe die Einzel-Abschlussberichte zu UP 3 und UP 4).
Ergebnisbericht
Meteorologische, bodenhydrologische und ökophysiologische Messungen der ersten Jahre
zeigen gute Ergebnisse, die Rückschlüsse auf (i) das pflanzliche Wachstum aufgrund der
abiotischen Wachstumsbedingungen und (ii) die Abhängigkeit des Bodenwasserhaushalts
von Witterung und pflanzenphysiologischen Bedingungen zulassen (Abbildung 1). Diese Ergebnisse wurden durch die weitergeführten Beobachtungen bestätigt, die beobachteten Zusammenhänge erhöhen die Plausibilität der erhoben modellsensitiven Parameter.
Abbildung 1 zeigt den Zusammenhang der abiotischen Umweltbedingungen Wasserdampfdefizit (VPD) und Niederschlag (Abbildung 1-a) mit den pflanzenphysiologischen Parametern
Blattflächenindex (LAI) und stomatären Widerständen (Rsc) (Abbildung 1-b). Die zwei Messungen des LAI zeigen einen ähnlichen Verlauf, aber auch eine methodisch bedingte absolute Differenz. Im Modell wurde ein mittlerer Verlauf aus diesen Informationen parametrisiert.
Die stomatären Widerstände zeigen einen Anstieg ab DOY 200, zu diesem Zeitpunkt ist die
pflanzenverfügbare Wassermenge (PAW) schon Großteils aufgezehrt, wie in Abbildung 1-c
(schwarze Line) zu sehen ist. Die Pflanze wirkt so einem zu großen Wasserverlust entgegen.
Für die Modellierung wird der Minimalwert der Rsc benötigt, dieser wurde an DOY 197 beobachtet. Zusammen mit gemessenen meteorologischen Antriebsdaten und bodenphysikalischen Parametern wurde ein Plot-Level Modell parametrisiert. Abbildung 1-c zeigt einen Vergleich des PAW aus gemessenen und modellierten Daten. Die Modellevaluierung erfüllt alle
Kriterien entsprechend Moriasi et al. (2007), z.B. ist das Nash-Sutcliffe Kriterium für die modellierten und gemessenen Bodenwassergehalte in 60 cm Tiefe NSC=0,9 für das Jahr 2013.
Die gute Anpassung zeigt sich auch in den Vergleichen von Bodenwassergehalten und
Saugspannungen in den anderen Tiefenstufen.
41 Abbildung 1: Atmosphäre-Pflanze-Boden-Modell: (a) Wasserdampfdefizit (VPD) und Niederschlag
(Prec.); (b) gemessener Blattflächenindex (LAI) mittels optischer Messgeräte LAI2000 (Punkte) und
LI1400 (Quadrate) und stomatäre Widerstände (Rsc); (c) gemessene Entwicklung des pflanzenverfügbaren Wassers bis 1.0 m Tiefe (PAW1.0) und des modellierten PAW.
Plot-Modell
Mit den modellsensitiven Messungen von LAI, Rsc sowie dem Beginn der Vegetationsperiode wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt. Zum einen, um die Modellsensitivität dieser
Parameter zu testen, und zum anderen, um aus den gemessenen Werte dieser Parameter
zur WHM geeignete Parametersätze abzuleiten (Richter et al. (2015). Die Untersuchungen
zeigen, dass die Parametrisierung des Beginns der Vegetationsperiode die Modellierungsergebnisse am stärksten beeinflusst. Wenn diese Parameter fehlerhaft sind, spielt die Genauigkeit von LAI und Rsc eine untergeordnete Rolle. Weiterhin zeigte sich, dass die Verwendung lokal bestimmter Modellparameter für LAI, Rsc und dem Beginn der Vegetationsperiode
bessere Ergebnisse lieferten als Literaturwerte oder aus Regressionsbeziehungen errechnete Parameter. Für Rsc gilt dies allerdings nur eingeschränkt, da lokale Messungen sehr große Streuungen und Messungenauigkeiten aufweisen können, die sich in den Modellierungsergebnissen widerspiegeln. Weiterhin ist zu berücksichtigen, ob die aus Messungen abgeleiteten Parameter lokal und/oder zeitlich übertragen werden sollen. Im Falle einer solchen
Übertragung und damit Verallgemeinerung der Parameter ist eine weiterführende modellgestützte Anpassung empfehlenswert, um lokale und temporale Besonderheiten und Extreme
der lokalen Messungen zu minimieren und eine besser Modellanpassung zu erreichen.
Mit der so optimierten Parametrisierung einer Pappel-KUP, sowie der Modellparametrisierung für Acker und Grünland aus der Literatur, wurden Langzeitsimulationen durchgeführt,
wobei das Klima die einzige sich verändernde Größe ist.
Tabelle 1 zeigt die Grundwasserneubildungsmengen (GWN) unter Acker und unter PappelKUP mit und ohne Rotation modelliert, jeweils als Mittel über die Periode 1981-2010, sowie
als Mittel über die 5 trockensten und 5 feuchtesten Jahre dieser Periode. Ohne Berücksichtigung der KUP-spezifischen Rotation (simuliert als jährlich konstante 3 jährige KUP) wird die
GWN deutlich unterschätzt, bzw. die ETR überschätzt. Realistischer, mit Berücksichtigung
einer 5-jährigen Rotation, verringert sich die GWN unter KUP im Vergleich zu Acker im Mittel
(1981-2010) sowie in feuchten Jahren um 7 %. In trockenen Jahren ist die Abnahme mit
28 % deutlicher. Dabei kann es in trockenen Jahren auch zum vollständigen Ausbleiben der
GWN unter KUP kommen. In feuchten Jahren ist die GWN unter KUP im Vergleich zur
Landwirtschaft auch geringer, bleibt aber unter KUP nie aus. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass in Regionen mit einer schon angespannten Wasserhaushaltssituation der Anbau
von KUP kritisch betrachtet werden sollte.
42 Tabelle 2: Grundwasserneubildung (GWN) von Pappel-KUP ohne Rotation und in 5-jähriger Rotation
im Vergleich zu Acker als Mittel über die Periode 1981-2010, sowie als Mittel über die 5 trockensten
und 5 feuchtesten Jahre dieser Periode.
Niederschlag [mm]
G
W
N
Mittel (1981-2010)
Trocken (5 Jahre)
Feucht (5 Jahre)
693(±118)
551(±44)
881(±91)
Acker [mm]
150(±68)
100 %
65(±27)
100 %
230(±67)
100 %
KUP [mm]
ohne Rotation
119(±77)
79 %
28(±20)
43 %
182(±74)
79 %
KUP [mm]
mit Rotation
139(±79)
93 %
47(±35)
72 %
213(±73)
93 %
Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen auch die Möglichkeit zur Regulierung der GWN durch
eine an Trocken- und Feuchtjahre angepasste Länge der Rotationsperipode auf.
Abbildung 2 zeigt den Einfluss von unterschiedlichen Bodensubstraten auf die GWN. Auf
sandigeren Böden ist die GWN höher (Abbildung 2 c). Das gilt sowohl für das Mittel über die
gesamte Periode, als auch für die trockenen und feuchten Jahre. Die größte relative Zunahme ist dabei in den trockenen Jahren zu beobachten. Grund für die höhere GWN sind die
bodenphysikalischen Eigenschaften. Sandige Böden trocknen schneller aus, werden aber
auch schneller wieder aufgesättigt. Zum einen auf Grund ihrer oft geringeren Wasserspeicherkapazität, zu anderen aufgrund ihrer steileren Retentionsfunktion. Dadurch kann es nach
der Aufsättigung schneller und früher zur GWN kommen, andererseits besteht dadurch ein
höheres Risiko von Trockenstress, was zu höheren Anwuchsausfällen und Zuwachseinbußen bei KUP führen kann.
Abbildung 2 (d) vergleicht die GWN von KUP (mit und ohne Rotation) zu Acker und Grünland. Auch hier zeigt sich das Potential der Rotationsbewirtschaftung, der Schwankungsbereich der GWN in den 5 Rotationssimulationen ist höher als bei Acker und Grünland. Allerdings wird auch die Abhängigkeit der GWN von der Überlagerung der lokalen Klimavariabilität mit den einzelnen Rotationssimulationen deutlich. Durch Management, z.B. eine vorgezogene KUP-Ernte nach trockenen Sommern, kann eine übermäßige Beanspruchung des Bodenwasserspeichers eingeschränkt werden. Nach der Ernte ist durch geringere Vegetationsbedeckungsgrade (z.B. geringerer LAI) mit einer Erholung des Bodenwasserspeichers zu
rechnen.
43 Abbildung 2: Vergleich der Plot-Modell Ergebnisse. (a) Niederschlagssummen für hydrologische Jahre (Okt.-Nov.), ↑ kennzeichnen die 5 trockensten und ↓ die 5 feuchtesten Jahre in der Periode 19812010. (b - d) Summe der Grundwasserneubildung (GWN) für hydrologische Jahre, (b) Vergleich von
GWN für KUP ohne Rotation (ca. 3 Jahre alte KUP) und Schwankungsbereich der 5 Simulationen mit
5-jähriger Rotationsperiode, wobei jede Simulation mit einem Rotationsjahr beginnt, für die schluffigen
Bodentypen in Reiffenhausen, (c) Vergleich von GWN für schluffigen und sandigen Boden, jeweils als
Mittel der 5 Rotationssimulationen, (d) Vergleich von GWN für KUP (schluffiger Boden) zu den Landbedeckungen Acker und Grünland.
Einzugsgebiets-Modell
Die schon in Plot-Modell angewendete Parametrisierung für die Landbedeckung KUP wurde
verwendet, um die Auswirkungen des KUP-Anbaus auf EZG-Ebene zu simulieren (Richter et
al. (2015a). Dazu wurden am Bsp. des EZG der Dramme verschiedene Szenarien mit unterschiedlichen KUP-Anteilen modelliert. Die Allokation der KUP-Flächen im EZG wurde dabei
in Zusammenarbeit mit UP4 mit Hilfe ökonomischer Kriterien bestimmt (s. Bericht UP4). So
wurden jeweils 5%, 10% und 25% der Ackerfläche im EZG durch KUP ersetzt. Um ein möglichst deutliches hydrologisches Signal zu erhalten, wurde zusätzlich noch ein 50% Szenario
modelliert (Abbildung 3).
44 Abbildung 3: Raster-Karte der Landbedeckung im Dramme-Einzugsgebiet und der 4 lokalen Punkte
(CP). Die Flächenänderung von Acker zu KUP ist additiv, d.h. 10% KUP beinhaltet die 5% Flächen
usw.
Bisherige Arbeiten zur Analyse des Einflusses von KUP auf den Wasserhaushalt wurden
lediglich mit punktbasierten oder hydrotopbasierten Modellansätzen durchgeführt. Ein entscheidender Nachteil dieser Modellierungsansätze ist die Nichtberücksichtigung von Wechselwirkungen bzw. der fehlende laterale Austausch mit benachbarten Landschaftstypen.
Durch das hier verwendete deterministische, flächendifferenzierte hydrologische Einzugsgebietsmodell WaSim werden diese Wechselwirkungen berücksichtigt.
Im Referenzlauf ohne KUP wurde der Landschaftswasserhaushalt für die Periode 1981-2010
modelliert, um das EZG-Modell zu kalibrieren und an Hand der lokalen Pegelmessungen zu
evaluieren. Das Modell konnte erfolgreich kalibriert werden und erfüllt die Evaluierungsmaße
für hydrologische Modelle (Moriasi et al. (2007) für die modellierten Abflüsse auf täglicher
Modellschrittweite, sowie für integrierte jährliche Abflüsse. Allerdings zeigte sich eine größere
Diskrepanz zwischen modellierten und gemessenen Abflüssen für die Jahre 1996-2007. Die
Übereinstimmung zwischen Modell und Messungen vor und nach dieser Periode ist allerdings gut. Auch zeigten weiterführende Analysen, dass entweder die Pegelmessungen in
dieser Periode fehlerhaft sind, oder dass in diesen Jahren verstärkte Entnahmen aus der
Dramme erfolgten, die aufgrund fehlender Daten im Modell nicht berücksichtigt werden konnten. Nichtsdestotrotz, kann die Anpassung als ausreichend genau beschrieben werden.
Abbildung 4 zeigt die Änderungen für die simulierten KUP-Szenarien von räumlich und zeitlich gemittelter GWN und den zeitlich gemittelten Gebietsauslass. Bis zu einem KUPFlächenanteil von 10% sind die mittleren Effekte auf GWN und Gebietsabfluss moderat und
die Unterschiede zwischen den Simulationen mit und ohne Rotation sind klein. Die GWN
verringert sich um weniger als 10% im Vergleich zu Acker, der Gebietsabfluss nimmt um ca.
3% ab. Ab einem Flächenanteil von 25% werden die Effekte deutlicher. Ersetzt man die Hälfte der Ackerfläche durch KUP so reduziert sich die gemittelte GWN um 57% (±16%) bei der
Simulation ohne Rotation und um 14% (±9%) mit 5-jähriger Rotation. Für den Gebietsausfluss betragen die Abnahmen bei 50% ersetzter Acker-Fläche 19% (±6%) ohne Rotation bzw.
2% (±2%) mit Rotation.
45 Abbildung 4: links – relative Änderungen von Grundwasserneubildung (GWR) (räumlich und zeitliches EZG-Mittel); rechts – relative Änderungen des Gebietsabflusses. Beides relativ zum Referenzlauf
(0% KUP, Absolutwerte in der Abbildung). Mittelwerte und Standardabweichungen sind berechnet für
alle simulierten Jahre in der Periode 1981-2010, d.h. 30 Jahre für die Simulationen ohne Rotation und
5x30 Jahre für mit Rotation.
Für die 50%-Simulation sind deutliche Abnahmen der GWN zu beobachten, hier wird ein
großer Flächenanteil mit KUP ersetzt. Besonders die Simulation ohne Berücksichtigung der
Rotation zeigt starke Abnahmen im Vergleich zum Acker. Ein Grund dafür ist die jährlich anhaltende hohe ETR der 3-jährigen KUP, wie sie in den Simulationen ohne Rotation parametrisiert ist. Diese sorgt für einen anhaltenden hohen Wasserverbrauch. Bei den Simulationen
mit Rotation profitiert die GWN von den ersten Rotationsjahren mit geringer ETR. Ein weiterer Grund für die stärkere Abnahme bei 50% KUP-Fläche ist, dass die ersetzten Flächen
zwar im Vergleich zur landwirtschaftlichen Nutzung ökonomisch weniger für den KUP-Anbau
geeignet sind, aber dennoch Böden mit einer hohen Wasserspeicherkapazität aufweisen
können. Besonders bei der starken Flächenzunahme von 25% auf 50% KUP werden solche
Böden mit hoher Wasserspeicherkapazität in KUP umgewandelt. Diese hohe Wasserspeicherkapazität kann von KUP effizienter ausgenutzt werden als von Acker, was die Unterschiede erhöht.
Die vertretbaren Änderungen von GWN und Gebietsabfluss bei KUP-Anteilen bis 10% der
Ackerfläche stehen nicht im Widerspruch zu den teils drastischen Abnahmen der GWN, wie
sie für das Plot-Modell gezeigt wurden. Lokale Änderungen im EZG sind bei vergleichbaren
Böden in einer ähnlichen Größenordnung wie die lokalen Ergebnisse des Plot-Modells.
Abbildung 5 vergleicht die Änderungen in der GWN für das Plot-Modell Reiffenhausen mit 4
lokalen Punkten (CP) im EZG. CP1 und CP2 haben vergleichbare Böden wie das Plot-Modell
Reiffenhausen, ETR und Niederschlag sind etwas höher, alle 3 Punkte (Plot Reiffenhausen,
CP1 und CP2) sind grundwasserunbeeinflusst. Durch die unterschiedlich tiefe Durchwurzelung von Acker und KUP, und dem damit verbunden Bodenwasserspeicher, kann die KUP
mehr Wasser nutzen, dadurch steigt die ETR und schließlich auch die Unterschiede in der
GWN im Verglich zum Acker. Dieser Unterschied verstärkt sich besonders in trockenen Jahren, wenn der Acker den Bodenwasserspeicher im Oberboden aufgebraucht hat (Trockenstress setzt ein), während die KUP, mit tieferen Wurzeln noch längere Zeit transpirieren
kann.
Geringere Unterschiede zwischen der GWN von Acker und KUP sind an den Punkten CP3
und CP4 zu beobachten. An diesen Punkten ist die Bodenwasserspeicherkapazität höher,
und im Gegensatz zu CP1 und CP2 sind diese Punkte periodisch grundwasserbeeinflusst.
Dadurch ist die ETR an CP3 und CP4 erhöht, sowohl für Acker als auch für KUP. Dadurch
kommt es auch seltener zur Trockenstress, besonders für den Acker, wodurch die Unterschiede zur KUP geringer ausfallen. Beide Landbedeckungen können ungehindert transpirieren, auch in trockenen Jahren.
46 Abbildung 5: Änderungen der GWN relativ zum Referenzlauf (0% KUP) für das Plot-Modell Reiffenhauen, und für 4 lokale Punkte (CP) im EZG. CP1 und CP2 weisen vergleichbare Böden wie Reiffenhausen auf. CP3 und CP4 sind charakterisiert durch eine höhere Wasserspeicherkapazität und
Grundwasserbeeinflussung.
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
An dieser Abbildung 5 wird die Komplexität dieser hydrologischen Untersuchungen deutlich.
Neben lokalen Faktoren wie Boden, Klima und Grundwassereinfluss, ist auch die zeitliche
Variabilität des Klimas, als Abfolge trockener und feuchter Jahre, entscheidend für die Auswirkungen von KUP auf das hydrologische Regime. Dabei ist eine ausreichende Wasserversorgung der KUP nicht nur für die resultierende GWN entscheidend, sondern auch für die zu
erwartende Zuwachsleistung und damit für die ökonomische Rentabilität. Dies gilt nicht nur
für den Niederschlag, sondern auch für den Bodenwasserspeicher, wie die Untersuchungen
zum Einfluss verschiedener Bodenarten auf die GWN unter KUP zeigen. Durch die geringere
Wasserspeicherkapazität von sandigen Böden, die schneller austrocknen, aber schneller
wieder aufgesättigt sind, können höhere GWN erzielt werden als für bindige Böden. Das
kann positiv bewertet werden, wenn eine Schonung des Grundwassers von Bedeutung ist.
Allerdings ist hier für KUP mit geringeren Anwuchserfolgen und/oder Zuwachsleistungen,
aufgrund des geringeren Wasserdargebotes zu rechnen. Andererseits kann auch eine Reduzierung der GWN gewünscht sein, z.B. um Stoffausträge ins Grundwasser zu verringern und
dadurch die Wasserqualität zu erhöhen.
Weiterhin ist für die Betrachtung die Berücksichtigung der KUP-spezifischen Rotationsbewirtschaftung besonders wichtig, um realistische Rückschlüsse mit Hilfe hydrologischer Modelle
treffen zu können. Zudem zeigt der Vergleich zwischen den Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Rotation, das Potential der KUP-Bewirtschaftung zur Steuerung der Auswirkungen von KUP auf das Ökosystem. So kann z.B. eine vorgezogene KUP-Ernte nach
einem trockenen Sommer zur Erholung des Bodenwasserspeichers im folgenden Jahr beitragen.
Durch eine gute Landschaftsplanung unter Berücksichtigung der lokalen Gegebenheiten und
Restriktionen, kann der Anbau von KUP einen Beitrag zur Biomassenproduktion leisten, bei
gleichzeitiger Maximierung der Vorteile und Minimierung der ökologischen Nachteile.
Literatur
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processes for large-scale hydrological modelling in semi-arid areas. J. Hydrol. 297, 136–161.
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47 Richter, F., Döring, C., Jansen, M., Panferov, O., Spank, U., and Bernhofer, C. (2015b). How to predict
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Schmidt-Walter, P., and Lamersdorf, N. (2012). Biomass Production with Willow and Poplar Short
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Butler Manning, D., Bemmann, A., Bredemeier, M., Lamersdorf, N., Ammer, C. (2015): Bioenergy
from dendromass for the sustainable development of rural areas. accepted. (Wiley [Imprint], Inc.).
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Keine Änderungen gegenüber den bereits vorliegenden Berichten 2011-13
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
-
Flächenetablierung und Bewirtschaftung
 ÖL 3, FA 3, IO-A1, IO-A2, UP 2
Bestandsentwicklung
 ÖL 3, IO-A1, IO-A2, IO-A4, UP2, UP4
Bodenuntersuchungen
 ÖL4, IO-A1, Abteilung Agrarpedologie
Konzeptionierung und Etablierung der Web-basierten Datenschnittstelle
 UP3
Koordinierung der WHM und Szenarienauswahl
 UP4
Externe Kooperationen
 LwF Freising, ERANET/Rating-SRC, TU Dresden, ETH-Zürich,
HNE Eberswalde, TU-München
Tabellarische Übersicht geplanter Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Datenzusammenstellung
 abgeschlossen
zur WHM
WHM auf Plot-Level
 abgeschlossen
WHM im EZG Dramme
 abgeschlossen
Auswertung
 für Plot-Level abgeschlossen
 für EZG abgeschlossen
Änderung des Forschungsansatzes und / oder der Arbeitshypothese
Keine weitere Änderung seit dem letzten Zwischenbericht.
Veröffentlichungen und Vorträge im Rahmen des Arbeitspakets:
Veröffentlichungen:
Bredemeier, M., Busch, G., Hartmann, L., Jansen, M., Richter, F., Lamersdorf, N. (2015) Fast
growing plantations for wood production – integration of ecological effects and economic
perspectives. In: Ecological Consequences of Biodiversity and Biotechnology in Agriculture and Forestry, Special Issue in Frontiers in Plant Science, submitted.
48 Richter, F., Döring, C., Jansen, M., Busch, G. (2015) The water budget of poplar short rotation coppices – from plot to landscape level, Hydrol. Earth Syst. Sci. submitted.
Richter, F., Döring, C., Jansen, M., Panferov, O., Spank, U. and Bernhofer, C. (2014) How to
predict hydrological effects of local land use change: how the vegetation parameterisation for short rotation coppices influences model results, Hydrol. Earth Syst. Sci. in discussion (hess-2014-509).
Wahren, A., Richter, F., Jansen M., Julich S., Feger, K.-H. (2014) Influences of enhanced
cultivation and use of woody biomass on water balances – from site to the regional
scale. In: Bioenergy from Dendromass for the Sustainable Development of Rural Areas,
Bemman et al. (Hrsg.), Wiley-VCH Verlag. In review.
Schmidt-Walter, P.; Richter, F.; Herbst, M.; Lamersdorf, N. (2014) Transpiration and water
use strategies of two poplar short rotation coppices differing in canopy structure and leaf
area Agricultural and Forest Meteorology, Volumes 195–196, pp. 165-178.
Hartmann, L., Richter, F., Busch, G., Ehret, M., Jansen, M., Lamersdorf, N. (2014) Etablierung von Kurzumtriebsplantagen im Rahmen des Verbundprojekts BEST in SüdNiedersachsen und Mittel-Thüringen – Standorteigenschaften und anfängliche Erträge,
Forstarchiv 85, 134-150.
Richter, F., Döring, C. und Jansen, M. (2012) Tagesgänge in Tensiometermessungen - Signal oder Artefakt ? In: Messung, Monitoring und Modellieren von Prozessen im System
Boden - Pflanze - Atmosphäre, Berichte der DBG.
Vorträge:
Richter, F., Hartmann, L., Schmidt-Walter, P., Jansen, M., Lamersdorf, N. (2013) Zum Wassergehalt von Kurzumtriebsplantagen 8. Master Class Course Conference "Renewable
Energies", HNE Eberswalde.
Richter, F., Jansen, M. und Lamersdorf, N. (2013) Zum Wassergehalt von Kurzumtriebsplantagen. Agrarholz-Kongress, Berlin, 19. - 20.02.2013.
Bachelor- und Masterarbeiten:
Garlef Kalberlah (2013): „Wurzelverteilung einer Pappel-Kurzumtriebsplantage in Südniedersachsen“. Masterarbeit Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie.
Dominik Tamke (2014): „Die initiale Biomasseentwicklung von Kurzumtriebsplantagen in
Südniedersachsen“. Bachelorarbeit Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie.
Hendrik Wendler (2014): „Vergleich der Methoden zur Bestimmung des Blattflächenindex in
einer Pappel-Kurzumtriebsplantage“. Bachelorarbeit Fakultät für Forstwissenschaften
und Waldökologie.
Johannes Sauer (2014): „Saisonale Dynamik des Blattflächenindex in Abhängigkeit von meteorologischen Parametern“. Bachelorarbeit Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie.
Christoph Harms (2014): „Untersuchungen zum Saftfluss von Pappeln einer Kurzumtriebsplantage in der Thüringer Ackerebene“. Bachelorarbeit Fakultät für Forstwissenschaften
und Waldökologie.
Alexander Weller (2011): „Zeitliche Entwicklung des Blattflächenindex von Kurzumtriebsplantagen schnellwachsender Baumarten“. Bachelorarbeit Fakultät für Forstwissenschaften
und Waldökologie. Bachelorarbeit Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie.
Steffen Wolf (2011): „Bodenverdichtung, Holznährstoffgehalte und mineralischer Stickstoff
als Indikatoren zur Standortscharakterisierung von unterschiedlich alten Weiden- und
Pappeln-Kurzumtriebsplantagen“.
49 Arbeitspaket:
ÖL 3
Thema:
Klimaschutzleistung
Antragsteller
Prof. Dr. H. Flessa
Institut:
Thünen-Institut für Agrarklimaschutz
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2013
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl-Ing. Katja Walter, Dr. Axel Don
I Kurzdarstellung des Projekts
1. Aufgabenstellung und Voraussetzungen des Projekts
Durch die Nutzung von Bioenergie sollen fossile Energieträger ersetzt und die CO2-Emissionen der Energiebereitstellung verringert werden. Frühere Studien zeigten allerdings, dass
sich verschiedene Bioenergie-Linien hinsichtlich des CO2-Einsparungspotenzials sowie der
Energieproduktion pro Hektar erheblich unterscheiden. Aufgrund der Knappheit des Faktors
Boden ist die CO2äq-Vermeidung pro Hektar ein zentrales Kriterium zur klimapolitischen Beurteilung von Bioenergie-Linien. Auch die Unterschiede in der Kosteneffizienz der CO2-Einsparung, die in den CO2-Vermeidungskosten zum Ausdruck kommt, sind mitunter beachtlich.
Ziel des Arbeitspakets ÖL3 „Klimaschutzleistungen“ im Verbundprojekt „BEST – Bioenergieregionen stärken“ war es die Klimaschutzleistungen unterschiedlicher Bioenergieträger regional differenziert zu untersuchen und zu bewerten Einer Studie des Wissenschaftliche Beirat
Agrarpolitik (2007) zufolge sind holzbasierte Bioenergie-Linien besonders günstig hinsichtlich
ihrer Klimaschutzleistung und auch bei den CO2äq-Vermeidungskosten schneiden holzbasierte Bioenergie-Linien im Vergleich günstig ab. Im Zentrum der Forschungsziele des BESTArbeitspakets stand deshalb der Vergleich von Kurzumtriebsplantagen als landwirtschaftliche
Holzhackschnitzelproduktion mit anderen Bioenergielinien wie Biodiesel.
In den meisten Studien zur CO2-Einsparung mit Bioenergie wurden die mit der Produktion
verbundenen Treibhausgasemissionen (THG) nicht in die Bewertung der Klimaschutzleistung
aufgenommen. Vor allem die Integration der Lachgasemission (N2O) ist aber von großer
Bedeutung, da diese einen erheblichen Einfluss auf die Vorzüglichkeit verschiedener Bioenergie-Linien haben können. Diese N2O-Emissionen aus der Produktion unterschiedlicher
Bioenergieträger waren bisher nicht bzw. nur unzureichend quantifiziert. Auch die Datengrundlage zum Einfluss von Bioenergiepflanzenanbau auf die Kohlenstoffspeicherung in den
Böden war schwach. Eine regionale Differenzierung der bisherigen Ergebnisse war zudem
nur selten möglich. Bei der regional differenzierten Bewertung der Netto-CO2äq-Vermeidung
bestand somit erheblicher Forschungsbedarf.
Ziel des Arbeitspakets „Klimaschutzleistung“ war es deshalb, die THG-Emissionen, insbesondere die N2O-Emissionen, im Zuge der Produktion verschiedener Bioenergie-Linien in unterschiedlichen Regionen zu erfassen, zu vergleichen und zu bewerten. Auch die Bodenkohlenstoffvorräte in Produktionssystemen ausgewählter nachwachsender Energieträger sollten
regional differenziert erfasst werden um die Klimaschutzleistung verschiedener BioenergieLinien zu bewerten und optimieren.
50 2. Planung und Ablauf des Vorhabens
Ab 01.09.2010 wurde das Projekt am Thünen-Institut für Agrarklimaschutz (vormals Johann
Heinrich von Thünen Institut, Institut für Agrarrelevante Klimaforschung) bearbeitet. Zunächst
wurden die Flächen für die Messung der THG Emissionen ausgewählt und die Feldarbeit
vorbereitet. Außerdem kam es im Rahmen einer Literaturrecherche zur Beteiligung an der
Erstellung einer Übersichts-Publikation zu „Land-use change to bioenergy production in Europe: implications for the greenhouse gas balance and soil carbon“ (doi: 10.1111/j.17571707.2011.01116.x). Nachdem im April und Mai 2011 schließlich 5 Teilflächen in der Bioenergie-Region Thüringen Ackerebene (BERTA) und 3 Teilflächen auf der Versuchsfläche in
Reiffenhausen instrumentiert wurden, konnten wöchentlich THG Emissionsmessungen
durchgeführt werden. Auf den zusätzlich vorgesehenen Standort „Wald“ wurde verzichtet, da
in direkter Nähe der BEST-Versuchsflächen kein hinreichend vergleichbarer Waldstandort
vorhanden ist. Damit die kontinuierliche Berechnung und Auswertung der THG-Messungen
sichergestellt werden konnte und weitere Arbeiten möglich waren, wurden die wöchentlichen
Messungen auch von Thomas Stulier (UP-6) und einem Hilfswissenschaftler aus der Universität Göttingen durchgeführt. Bis Mai 2013 wurden auf den Teilflächen der Projektstandorte
BERTA I (alte Pappel KUP und ungedüngtes Kleegras) und BERTA II (neue Pappel KUP,
ungedüngtes Kleegras und Mais) mit jeweils vier Gassammelhauben die Flüsse der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und N2O gemessen. Begleitend wurden wichtige Steuergrößen für diese Flüsse erfasst. So wurde im 14-tägigen Rhythmus an Bodenmischproben (10 Einstiche, 0 bis 10 und 10 bis 30 cm) für alle Teilflächen die Gehalte an
mineralischem Stickstoff (Nmin) und die Wassergehalte bestimmt. Die Bodentemperatur in 5
cm Bodentiefe wurde halbstündig gemessen. Auf den Projektflächen in Reiffenhausen (neue
Pappel KUP, ungedüngtes Kleegras und Acker) wurden die gleichen Messungen von Mai bis
November 2011 (Etablierungsphase) und November 2012 bis November 2013 (etablierte
KUP) durchgeführt. Diese Arbeiten erforderten einen hohen Personal- und Sachmitteleinsatz.
Zudem wurde der Boden aller Messflächen nach Beendigung der Feldarbeit in den einzelnen
Rahmen auf Lagerungsdichte, pH, Nmin-Gehalt, organischen Kohlenstoffgehalt (Corg) und
Gesamtstickstoff (Ntotal) untersucht. Die Ergebnisse der THG-Messungen wurden ausgewertet und auf der Tagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft in einem Vortrag
vorgestellt. Die Arbeit an einer Veröffentlichung ist noch nicht abgeschlossen (siehe Publikationsliste in Kapitel 4).
Die Bodenvorratsinventuren von C und N wurden auf Acker/Grünland und KUP beschränkt,
wobei nur bereits gut etablierte KUPs beprobt wurden. Dies geschah als Anpassung des ursprünglichen Projektplans an den Forschungsbedarf und hatte eine Veränderung des Messzeitraums zur Folge. Die Beprobung erfolgte im gepaarten Versuch, bedurfte also nur einer
einmaligen Untersuchung. Allerdings hat sich die Anzahl der Untersuchungsflächen vergrößert (21 Flächenpaare) und ist zu einer der weltweit umfangreichsten Studien zur OBK unter
KUP geworden. Ab März 2011 wurden deutschlandweit die Flächen gesucht und bis Mitte
2012 aufwendig beprobt. Dazu wurden mit einer Rammkernsonde sieben Bohrkerne je Teilfläche (KUP und Acker bzw. Grünland) entnommen und in je fünf Tiefenstufen unterteilt. Die
Aufbereitung und Analyse der Bodenproben wurde im Herbst 2012 abgeschlossen, die Auswertung Anfang 2013 abgeschlossen und auf der General Assembly der European
Geoscience Union 2013 in Wien in einem Vortrag vorgestellt. Der aus dieser Arbeit hervorgegangene Artikel „No general soil carbon sequestration under short rotation coppice” wurde
2013 bei der Fachzeitschrift Global Change Biology Bioenergy veröffentlicht (DOI: 10.1111/
gcbb.12177).
Ab Herbst 2013 wurde eine Meta-Studie begonnen, um die N2O-Emissionen beim Rapsanbau im Vergleich zu Getreide zu quantifizieren. Unter den konventionellen Bioenergieträgern
spielt Raps für die Produktion von Biodiesel eine bedeutende Rolle. Die THG-Emissionen
während des Anbaus, v.a. die des bodenbürtigen N2O, beeinflussen die gesamte THGBilanz von Biodiesel stark. Diese Arbeit diente dem Ziel, die THG-Emissionen von Bioenergie
auch aus annuellen Kulturen quantifizieren und bewerten zu können. Sie erfolgte in Kooperation mit dem FNR-Projekt „Minderung von Treibhausgasemissionen im Rapsanbau unter be-
51 sonderer Berücksichtigung der Stickstoffdüngung“ und mündete in die Veröffentlichung „Direct nitrous oxide emissions from oilseed rape cropping – a meta-analysis“, die 2014 bei der
Fachzeitschrift Global Change Biology Bioenergy zur Veröffentlichung angenommen wurde.
Um die Klimaschutzleistung von verschiedenen Bioenergie-Linien im Rahmen einer Lebensweganalyse (Anbau der Bioenergiepflanzen, Aufbereitung und Umwandlung, sowie Nutzung)
vergleichend zu quantifizieren, wurde eine Kooperation mit der Biologischen Fakultät der
Universität Antwerpen angestoßen. Diese hat neben der gemeinsamen Analyse auch eine
Veröffentlichung der Ergebnisse in einer internationalen Fachzeitschrift zum Ziel. Die Arbeiten daran reichen über das Ende der geförderten Projektdauer hinaus (siehe unten).
3. Auszug aus der verwendeten Fachliteratur
Da eine umfassende Auflistung der verwendeten Literatur den Rahmen des Berichts sprengen würde, folgt an dieser Stelle lediglich ein Auszug der zugrunde gelegten und neusten
Literatur:
Zu Treibhausgasemissionen von Bioenergie:
Crutzen P. J., Mosier A. R., Smith K. A., Winiwarter W. (2008) N2O release from agro-biofuel production negates global warming reduction by replacing fossil fuels. Atmospheric Chemistry and Physics, 8, 389-395.
Cherubini F. (2010) GHG balances of bioenergy systems - Overview of key steps in the production
chain and methodological concerns. Renewable Energy, 35, 1565-1573.
Hoefnagels R., Smeets E., Faaij A. (2010) Greenhouse gas footprints of different biofuel production
systems. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 14, 1661-1694.
Smeets E. M. W., Bouwman L. F., Stehfest E., Van Vuuren D. P., Posthuma A. (2010) The contribution of N2O to the greenhouse gas balance of first-generation biofuels (vol 15, pg 1, 2009). Global
Change Biology, 16, 2400-2400.
Zur Veränderung des Vorrats an Bodenkohlenstoff bei Landnutzungsänderung zu Bioenergie:
Coleman M. D., Isebrands J. G., Tolsted D. N., Tolbert V. R. (2004) Comparing soil carbon of short
rotation poplar plantations with agricultural crops and woodlots in North Central United States.
Environmental Management, 33, S299-S308
Grigal D. F., Berguson W. E. (1998) Soil carbon changes associated with short-rotation systems. Biomass & Bioenergy, 14, 371-377.
Hellebrand H. J., Strahle M., Scholz V., Kern J. (2010) Soil carbon, soil nitrate, and soil emissions of
nitrous oxide during cultivation of energy crops. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 87, 175-186.
Jug A., Makeschin F., Rehfuess K. E., Hofmann-Schielle C. (1999) Short-rotation plantations of balsam poplars, aspen and willows on former arable land in the Federal Republic of Germany. III.
Soil ecological effects. Forest Ecology and Management, 121, 85-99.
Kahle P., Baum C., Boelcke B., Kohl J., Ulrich R. (2010) Vertical distribution of soil properties under
short-rotation forestry in Northern Germany. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 173, 737746.
Zu Klimaschutzleistung von Bioenergie allgemein und deren Ökobilanzen:
Adler P. R., Del Grosso S. J., Parton W. J. (2007) Life-cycle assessment of net greenhouse-gas flux
for bioenergy cropping systems. Ecological Applications, 17, 675-691.
Djomo S. N., El Kasmioui O., Ceulemans R. (2011) Energy and greenhouse gas balance of bioenergy
production from poplar and willow: a review. Global Change Biology Bioenergy, 3, 181-197.
Hillier J., Whittaker C., Dailey G., Aylott M., Casella E., Richter G. M., Murphy R., Taylor G., Smith P.
(2009) Greenhouse gas emissions from four bioenergy crops in England and Wales: Integrating
spatial estimates of yield and soil carbon balance in life cycle analyses. Global Change Biology
Bioenergy, 1, 267-281.
52 Searchinger T., Heimlich R., Houghton R. A., Dong F. X., Elobeid A., Fabiosa J., Tokgoz S., Hayes D.,
Yu T. H. (2008) Use of US croplands for biofuels increases greenhouse gases through emissions
from land-use change. Science, 319, 1238-1240.
4. Kooperationen im Rahmen des Projekts
Durch die Nutzung derselben Projektflächen im BEST-Verbundprojekt bestand während der
gesamten Projektlaufzeit enge Zusammenarbeit mit verschiedenen BEST-Arbeitspaketen
(IO-A 1, 2 und 4, ÖL 1 und 2, FA 1 und UP 2). Mit Linda Hartmann (Institut Ökopedologie,
Universität Göttingen, IO-A 1) wurden regelmäßig die Bewirtschaftungsdaten und Daten zur
N-Dynamik in KUP und Acker ausgetauscht. Miriam Ehret (Fachbereich Grünlandwissenschaften, Universität Kassel-Witzenhausen IO-A 2) war Kooperationspartnerin für die Grünlandflächen. Im Rahmen der Pflege und Bonitur der Projektflächen bestand eine enge Zusammenarbeit mit den Arbeitspaketen IO-A 1, IO-A 2, IO-A 4, ÖL 2 und FA 1. Die auf der
internen Projekt-Website zur Verfügung gestellten Klimadaten der Projektflächen wurden für
die Auswertung der THG-Messungen genutzt. Zusätzliche meteorologische Daten wurden
von Falk Richter (Institut Ökopedologie, Universität Göttingen, ÖL 2) und Konrad Lorenz
(Thünen Institut für Waldökologie, IO-A 4) bereitgestellt. Mit der Unterstützung bei der Gasprobenahme in BERTA wurde Thomas Stulier (proBERTA e.V., UP 2) beauftragt. Zudem
unterstützten wir zwei Flächenexkursionen zu den BEST-Versuchsflächen Reiffenhausen,
die vom Arbeitspaket UP 1 organisiert wurden und arbeiteten an der Erstellung von Postern
und Informationsbroschüren mit, die vom Arbeitspaket UP 6 koordiniert wurde.
Die Bewirtschaftung des untersuchten Maisackers in BERTA wurde von Herbst 2011 bis
Herbst 2012 im Rahmen der Amtshilfe vom Bundessortenamt in Dachwig übernommen.
Für die Untersuchung der Humusänderung unter KUP wurden Flächen zahlreicher externer
Forschungseinrichtungen beprobt, z.B. Bayerisches Amt für Saat- und Pflanzenzucht, Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V., Bayerisches Landesanstalt für Wald und
Forstwirtschaft, Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft, Nordwestdeutsche Forstliche
Versuchsanstalt
Die Meta-Studie zu bodenbürtigen N2O-Emissionen aus Raps wurde in Kooperation mit dem
FNR-Projekt „Minderung von Treibhausgasemissionen im Rapsanbau unter besonderer Berücksichtigung der Stickstoffdüngung“ (Koordination Dr. Roland Fuß, Thünen Institut Agrarklimaschutz) bearbeitet.
Mit dem Biologischen Institut der Universität Antwerpen (Dr. Sylvestre Njakou Djomo) besteht
eine Kooperation zur Erstellung von Ökobilanzen verschiedener Bioenergie-Linien.
II Eingehende Darstellung des Projekts
1. Verwendung der Zuwendung und der Ergebnisse
Alle geplanten Ziele wurden vollständig erreicht bzw. sind auf dem Weg abgeschlossen zu
werden. Dazu im Einzelnen:
53 Tabellarische Übersicht geplanter Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Flächenauswahl und Instrumentierung
Messungen der CO2-, CH4und N2O-Flüsse
Bodenvorratsinventuren von
C und N bei Mais, KUP und
Wald (periodisch)
Erreichte Ergebnisse
 Installation der Messeinrichtungen auf 5 Flächen in
BERTA und 3 in Reiffenhausen
 Wöchentliche Messung ab Mai 2011 für mind. 2 Jahre
 Kontinuierliche Auswertung der Ergebnisse
 Auswahl bereits etablierter KUPs und Acker/GrünlandVergleichsflächen für gepaartes Versuchsdesign (insgesamt 21 Standorte)
 Wald entfällt (vgl. I 2.)
 Ableitung der Vorratsänderung an OBK unter KUP
Bilanzierung der THG Emis-  Bilanzierung der bodenbürtigen N2O-Emissionen
sionen
 Bilanzierung der CH4 Flüsse
Bewertung und Optimierung  Berechnung der produktionsbedingten CO2äq-Emisim Hinblick auf netto-CO2äqsionen fertiggestellt.
Vermeidung
 Berechnung der netto-CO2äq-Vermeidung erfolgt im
Rahmen der vergleichenden LCA (bis Ende 2014)
Bewertung der CO2 Einspar-  Ableitung der Einsparkosten aus LCA bis Ende 2014
kosten
vorgesehen
Abschlussbericht, Publikatio-  Publikationen (vgl. II 4)
nen
Die wichtigsten Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
Der Gesamt-Ausgabennachweis für Zuweisungen wurde dem Projektträger bereits im April
2014 übermittelt. Darin enthalten sind aufgeschlüsselt nach verschiedenen Kategorien die
abgerechneten Ausgaben im Projekt. Mit über 90 k€ sind die Personalkosten für die wissenschaftliche Mitarbeiterin und Doktorandin (Katja Walter) der größte Ausgabenteil (Position
0812). Sie hat die umfangreichen Untersuchungen auf den zwei BEST-Untersuchungsflächen geplant, koordiniert und geleitet, genauso wie die 21 bundesweiten Beprobungskampagnen zur Bestimmung der Bodenkohlenstoffvorräte unter KUP. Alle Analyseergebnisse
wurden von ihr ausgewertet und flossen in zwei bereits zum Druck angenommenen Manuskripte, sowie drei weitere Publikationen ein.
Bei den Bodenbeprobungskampagnen wurden über 2000 Proben genommen. Alle Proben
mussten für die Analysen aufwendig aufbereitet werden (z.B. Trocknen, Sieben, Mahlen,
Wurzeln aussortieren). Diese Arbeiten wurden zum größten Teil von einer technischen Hilfskraft (Ines Backwinkel) übernommen (Position 0822).
Die unter Position 0843 angeführten Sachkosten entfallen hauptsächlich auf die wöchentlichen Messungen der Treibhausgasflüsse auf den Flächen Reiffenhausen und BERTA. Diese
Arbeiten umfassten die Betreuung und Gasprobenahme an über 30 Messkammern. Im Laufe
des Projekts wurden über 20.000 Gasproben genommen und im Labor des Thünen Instituts
analysiert. Zusätzlich wurden regelmäßig Bodenproben entnommen, um den mineralischen
Stickstoffgehalt zu bestimmen, sowie meteorologische Größen, wie die Bodentemperatur,
erfasst. Diese Arbeiten fanden kontinuierlich an zwei Standorten über zwei Jahre (BERTA)
und 2,5 Jahre (Reiffenhausen) statt.
Alle im Rahmen der Forschungstätigkeiten aufgewandten Mittel waren nötig um die Ziele des
Projekts zu erreichen. Zusätzlich wurde in nicht bestimmter Höhe Ausgaben aus anderen
Quellen (Institutsmittel) in das Projekt investiert, um besonders die hohen Kosten für die Laboranalytik (zusätzliche Personalkosten und Verbrauchskosten) sowie für die 21 Bodenbeprobungskampagnen (zusätzliche Personalkosten, Reisekosten, Verbrauchsmaterial) zu decken.
Der Nutzen der geleisteten Arbeit ergibt sich aus dem Erkenntnisfortschritt zur Klimabilanz
verschiedenen Bioenergie-Linien, der den verschiedenen Nutzern verfügbar gemacht wurde
(siehe Kapitel „Veröffentlichungen“). Dazu zählen in erster Linie die Publikationen in den
Fachzeitschriften (für die wissenschaftliche Gemeinschaft), Vorträge auf wissenschaftlichen
54 und praxisnahen Fachtagungen (zusätzlich auch für Anwender, Landwirte, interessierte Öffentlichkeit), sowie in der Politikberatung (siehe gelisteter Report).
2. Leistungen und Ergebnisse, Verwertbarkeit und Nutzen
Die Ergebnisse dieses Arbeitspakts leisten einen wichtigen Beitrag zum BEST- Verbundprojekt. Die gemeinsamen Ergebnisse sowie deren Verwertbarkeit und Nutzen werden im Abschlussbericht des Verbundprojekts ausführlicher als hier dargestellt
Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse der arbeitspaketeigenen Schwerpunkte
dargestellt, Schlussfolgerungen gezogen und Möglichkeiten der Verwertung aufgezeigt.
Treibhausgasemissionen von Bioenergie:
In BERTA waren die N2O-Emissionen mit durchschnittlich 2 ± 8 µg m-2 h-1 (neue PappelKUP, BERTA II) bis 5 ± 15 µg m-2 h-1 (ungedüngtes Kleegras, BERTA I) durchweg sehr gering und unterschieden sich zwischen den verschiedenen Bioenergiepflanzen in der Summe
nicht (Abb. 1). Auch nach Düngung des Maisackers waren die Emissionen dort kaum erhöht,
was vor allem auf die Trockenheit während der Dünung zurückzuführen ist. In Reiffenhausen
waren die N2O-Emissionen insgesamt höher. Im ersten halben Jahr nach Etablierung der
KUP waren die Unterschiede zwischen den Bioenergiepflanzen gering (neue Pappel-KUP:
16 ± 12 µg m-2 h-1, ungedüngtes Kleegras: 11 ± 13 µg m-2 h-1, Raps: 9 ± 12 µg m-2 h-1). Nach
dieser Etablierungsphase emittierte die Ackerfläche (Weizen) nach der Düngung deutlich
mehr N2O, was sich auch in den kumulierten N2O-Emissionen niederschlägt (Abb. 1), die für
das zweite Messjahr in Reiffenhausen die deutlichsten Unterschiede zeigen.
a
b
ab
a
b
c
Abbildung 1: Kumulierte N2O-Emissionen (als Mittelwert ± SD, N=4) von ungedüngtem Kleegras,
Pappel-KUP und Acker in BERTA I, BERTA II und Reiffenhausen
Schlussfolgerungen:
‐
‐
‐
Sehr starke Standortabhängigkeit der THG-Emissionen
Bei sehr geringen Emissionen (vgl. Thüringen) nur geringer Unterschied der N2O-Emissionen zwischen den Früchten
Bei mittleren Emissionen (vgl. Reiffenhausen) nach der Etablierungsphase geringere
N2O-Emissionen aus KUP
Nutzen und Verwertbarkeit:
Unsere Untersuchungen bestätigen, dass während der Produktion von Holz aus KUPs in der
Regel deutlich weniger THG emittiert werden als bei dem Anbau annueller Ackerfrüchte. Vor
allem mit dem Vergleich zwischen Bioenergie-Linien und Projektregionen leistet unsere Arbeit einen wichtigen Beitrag zur umfassenden Bewertung der Klimaschutzleistung von Bioenergie. Die Klimaschutzleistung ist durch EU-Verordnungen das Maß um den Aus- und
Umbau der europäischen Bioenergieproduktion zu lenken. Die Ergebnisse in diesem BEST55 Arbeitspaket zeigen den Vorteil von etablierten KUP gegenüber anderen Bioenergiepflanzen.
Politische Entscheidungen zur Förderung von bestimmten Bioenergielinien sind auf solche
Forschungsdaten angewiesen im Spannungsfeld der landwirtschaftlichen Nutzung zwischen
„Teller und Tank“.
Veränderung des Vorrats an Bodenkohlenstoff unter KUP:
Bei der Etablierung von KUP auf Acker verändert sich die Verteilung des organischen Bodenkohlenstoffs (OBK): während es in den obersten 10 cm zu einer signifikanten Akkumulation von OBK kommt, nimmt der OBK in 20-30 cm signifikant ab (Abb. 2). Diese Umverteilung
ist vor allem auf die ausbleibende Bodenbearbeitung unter KUP zurückzuführen. Die gesamten OBK Vorräte in 0-80 cm unter KUP verändern sich hingegen nicht signifikant im Vergleich
zu Acker und Grünland OBK. Es konnte auch kein Zusammenhang mit dem Alter der KUP
festgestellt werden (Abb. 3). Bei der Landnutzungsänderung von Acker zu KUP variiert die
Änderung standortabhängig von einer jährlichen Abnahme von 1,3 t C ha-1 bis zu einer jährlichen Akkumulation von 1,4 t C ha-1. Bei Etablierung von KUP auf Grünland liegt die Spanne
bei -0,6 bis + 0,1 t C ha-1 a-1. Es kommt also eher zu Verlusten von OBK bei Umwandlung
von Grünland in KUP als zur OBK-Akkumulation. Obwohl der OBK-Vorrat selbst vom Tongehalt abhängt gibt es keinen Zusammenhang zwischen Veränderung des OBK-Vorrats und
dem Tongehalt - oder anderen abiotischen Faktoren.
Soil depth (cm)
0-10
*
10-20
*
20-30
30-50
Cropland (N=126)
SRC (N=126)
50-80
0
10
20
30
40
3
SOC density (kg C m )
Abbildung 2: Organischer Bodenkohlenstoff von
Acker und KUP in den 5 untersuchten Tiefenstufen
Abbildung 3: Veränderung der Vorräte an
organischem Bodenkohlenstoff in 0-80 cm in
Abhängigkeit des KUP-Alters
Schlussfolgerung:
Keine generelle Veränderung der Kohlenstoffvorräte unter KUP, weder bei Etablierung auf
Acker noch auf Grünland.
Nutzen und Verwertbarkeit:
Bei der Bilanzierung der Klimaschutzleistung von Bioenergie-Linien mit KUP wurde bisher
teilweise eine CO2-äqu-Vermeidung durch OBK Anreicherung veranschlagt. Nach unseren
Ergebnissen ist dies nicht gerechtfertigt. Diese Arbeit trägt damit dazu bei, die THG- Bilanzierung des Bioenergie-Anbaus weiter zu verbessern. Diese Arbeit gehört zu den umfangreichsten Studien zu OBK unter KUP, da sie sehr viele KUP-Flächen und die ältesten in ganz
Deutschland umfasst. Methodische Unsicherheiten bei anderen ähnlichen Studien konnten
56 vermieden werden durch ein angepasstes Beprobungsdesign mit ausreichend tiefer Bodenbeprobung. Die Ergebnisse ermöglichen es, die Klimaschutzleistung von KUP als Bioenergieträger adäquat zu quantifizieren.
Direkte N2O-Emissionen aus Raps:
Im Vergleich zu Getreide emittiert Raps bei gleicher N-Düngung 22% mehr N2O (Abb. 4). Im
Herbst und Winter nach der Ernte sind die N2O-Emissionen der Rapsflächen besonders
hoch.
Abbildung 4: Vergleich der jährliche Lachgasemissionen von (a) Getreide- und (b) Rapsflächen
verschiedener Standorte in Abhängigkeit des Dünge-N; Ergebnis des eigenen Modells (schwarze Linien) und der Vorhersage durch das Modell von Stehfest & Bouwman (2006) (die gestrichelte Linien zeigt die mittlere Vorhersage für diese Standorte, der graue Bereich die zugehörige Spanne)
Schlussfolgerung:
‐
‐
Beim Anbau von Raps wird mehr N2O aus dem Boden emittiert als beim Getreideanbau
Bestehende Berechnungsoptionen zu N2O-Emissionen aus Raps müssen überarbeitet
und entsprechend angepasst werden.
Nutzen und Verwertbarkeit:
Das entwickelte rapsspezifische Modell hilft, die direkten N2O-Emissionen besser abzuschätzen und so auch Ökobilanzen der Bioenergie-Linie Biodiesel aus Raps auf eine bessere Datengrundlage zu stellen.
3. Projekte und Arbeiten anderer Einrichtungen
Während der Projektlaufzeit untersuchten verschiedene Institute und Projekte (z.B. SLU in
Schweden, das POPFULL-Projekt in Belgien oder das CEH in UK) die Veränderung der Humusvorräte durch KUP, allerdings mit leicht abweichenden Schwerpunkten und in keinem
Fall so umfassend wie in diesem BEST-Arbeitspaket geschehen. Unter anderem folgende
Veröffentlichungen gingen daraus hervor:
Dimitriou I., Mola-Yudego B., Aronsson P., Eriksson J. (2012) Changes in Organic Carbon
and Trace Elements in the Soil of Willow Short-Rotation Coppice Plantations. Bioenergy
Research, 5, 563-572.
Verlinden M. S., Broeckx L. S., Zona D. et al. (2013) Net ecosystem production and carbon
balance of an SRC poplar plantation during its first rotation. Biomass & Bioenergy, 56,
412-422.
57 Keith, A. M., Rowe, R. L., Parmar, K., Perks, M. P., Mackie, E., Dondini, M. and McNamara,
N. P. (2014), Implications of land-use change to Short Rotation Forestry in Great Britain
for soil and biomass carbon. GCB Bioenergy. doi: 10.1111/gcbb.12168.
Auch die THG Emissionen verschiedener Bioenergie-Linien wurden an anderen Stellen untersucht. Die wichtigsten neuen Veröffentlichungen hierzu stammen von der Universität Hohenheim und den oben genannten Institutionen:
Drewer J., Finch J. W., Lloyd C. R., Baggs E. M., Skiba U. (2012) How do soil emissions of
N2O, CH4 and CO2 from perennial bioenergy crops differ from arable annual crops?
Global Change Biology Bioenergy, 4, 408-419.
Gauder M., Butterbach-Bahl K., Graeff-Hönninger S., Claupein W., Wiegel R. (2012) Soilderived trace gas fluxes from different energy crops – results from a field experiment in
Southwest Germany. GCB Bioenergy, 4, 289-301.
Zona D., Janssens I. A., Gioli B., Jungkunst H. F., Serrano M. C., Ceulemans R. (2013) N2O
fluxes of a bio-energy poplar plantation during a two years rotation period. Global Change Biology Bioenergy, 5, 536-547.
Am Joint Research Centre der Europäischen Kommission wurde der „Global nitrous oxide
calculator“ (GNOC) entwickelt, mit dem die N2O-Emissionen verschiedener Bioenergieträger
an verschiedenen Standorten abgeschätzt werden können:
JRC (2013) The global nitrous oxide calculator - GNOC, http://gnoc.jrc.ec.europa.eu/.
4. Veröffentlichungen der Projektergebnisse
Die Projektergebnisse wurden und werden in folgenden wissenschaftlich-begutachteten Artikeln veröffentlicht:
Walter K, Don A, Flessa H (2014) No general soil carbon sequestration under Central European short rotation coppices. GCB Bioenergy. doi: 10.1111/gcbb.12177
Walter K, Don A, Fuß R, Kern J, Drewer J, Flessa H (2014) Direct nitrous oxide emissions
from oilseed rape cropping – a meta-analysis. GCB Bioenergy. accepted
Walter K, Don A, Flessa H (in prep) Greenhouse gas emissions of annual and perennial bioenergy crops grown in two central German areas
Don A, Osborne B, Hastings A, Skiba U, Carter M S, Drewer J, Flessa H, Freibauer A, Hyvonen N, Jones MB, Lanigan GJ, Mander U, Monti A, Djomo SN, Valentine J, Walter K,
Zegada-Lizarazu W, Zenone T (2012) Land-use change to bioenergy production in Europe: implications for the greenhouse gas balance and soil carbon. Global Change Biology Bioenergy, 4, 372-391.
Die vorläufigen Projektergebnisse flossen auch in einen Report ein, der direkt zur Beratung
politischer Entscheidungsträger genutzt wurde:
Strohm K, Schweinle J, Liesebach M, Osterburg B, Rödl B, Baum S, Nieberg H, Bolte A,
Walter K (2012) Kurzumtriebsplantagen aus ökologischer und ökonomischer Sicht. Arbeitsberichte aus der vTI-Agrarökonomie
Zudem wurden die Projektergebnisse in Form von Vorträgen und Posterpräsentationen auf
wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt:
Walter K, Don A, Flessa H (2012) Greenhouse gas fluxes during growth of different bioenergy crops. European Geosciences Union, General Assembly, Wien, 22.-27. April 2012.
Walter K, Don A, Flessa H (2012) Treibhausgasflüsse und Bodenkohlenstoff in Kurzumtriebsplantagen. 3. Forum Agroforstsysteme, Cottbus, 6.-7. Juni 2012.
58 Walter K, Don A, Flessa H (2013) Soil organic carbon stock change by short rotation coppice
cultivation on croplands. European Geosciences Union, General Assembly, Wien, 7.-12.
April 2013.
Walter K, Don A, Flessa H (2013) Treibhausgasemissionen des Bioenergieanbaus in der
Thüringer Ackerebene. Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft,
Rostock, 7.-12. September 2013.
Walter K, Don A, Flessa H (2013) Towards a full greenhouse gas balance of short rotation
coppice - soil organic carbon stock change and N2O emissions. PRO-BIOPA Konferenz,
Freising, 27.-29. November 2013.
Anhang 1: Erfolgskontrollbericht
1. Beitrag des Ergebnisses zu den förderpolitischen Zielen
Durch die Erfassung der Klimaschutzleistung unterschiedlicher Bioenergie-Linien trägt das
Ergebnis des BEST-Arbeitspakets dazu bei, die für die jeweiligen Regionen klimaschutzeffizientesten Formen der Erzeugung von Energie aus nachwachsenden Rohstoffen zu identifizieren. Die daraus erfolgenden Handlungsempfehlungen unterstützen das förderpolitische
Ziel, „Innovative Systemlösungen für ein nachhaltiges Landmanagement“ aufzuzeigen. Weiterführende Ergebnisse und deren Beitrag zu den förderpolitischen Zielen sind im Abschlussbericht des BEST-Projektverbundes nachzulesen.
2. Wissenschaftlich-technische Ergebnisse, Nebenergebnisse und wesentliche Erfahrungen
Die wichtigsten Ergebnisse sind in Abschnitt II 2. zusammengefasst. Diese Ergebnisse wurden bisher in drei Artikeln in internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht und in drei Vorträgen und zwei Postern bei wissenschaftlichen Konferenzen präsentiert (vgl. II 4.). An weiteren zwei Artikeln wird derzeit gearbeitet (vgl. II 4. und Anhang 1 3.). Die hohe wissenschaftliche Qualität des Projekts dokumentiert sich auf deutlichsten in der erfolgreichen Veröffentlichung von Projektergebnissen in zwei Fachartikeln in hochrangigen internationalen Fachzeitschriften. Das Projekt bewegte sich damit an der internationalen Forschungsfront zum Thema Klimabilanz von Bioenergie und hat international einen signifikanten Beitrag zum Wissensfortschritt geleistet.
3. Fortschreibung des Verwertungsplans
Wissenschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende
Anhand der gemessenen THG-Emissionen der BEST-Versuchsflächen und mithilfe der Ergebnisse der Studien zu OBK-Veränderung unter KUP und N2O-Emissionen aus Raps werden die auf KUP, Kleegras, Mais und Raps basierenden Bioenergie-Linien mithilfe von Ökobilanzen verglichen. Diese Arbeit wird in Kooperation mit Dr. Sylvestre Njakou Djomo von der
Universität Antwerpen realisiert, der Experte auf dem Gebiet der Ökobilanzierung ist. Die
Daten zu Landbewirtschaftung und Ertrag stammen so weit möglich von BESTVersuchsflächen in BERTA (KUP, Gras und Mais) und Reiffenhausen (KUP, Gras und
Raps). Die Konzeption und Datensammlung ist abgeschlossen. Die Berechnung wird im September 2014 erfolgen, die Auswertung und Veröffentlichung der Ergebnisse ist für Ende 2014
vorgesehen.
Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit
Um zusätzlich zur Betrachtung der Veränderung der OBK Vorräte auch Aussagen über die
Stabilität des OBK unter KUP im Vergleich zur Vornutzung treffen zu können wurden an einigen Bodenproben Kohlenstofffraktionierungen durchgeführt. Zusätzlich wurden von allen
Bodenproben Nahinfrarotspektren (NIR-Spektren) aufgenommen. Damit besteht die Möglichkeit, mithilfe von Regressionsanalysen auf die Zusammensetzung der Kohlenstofffraktionen
59 aller Bodenproben zu schließen. Diese Arbeit konnte nicht während der Projektlaufzeit realisiert werden, könnte aber im Anschluss durchgeführt werden.
Arbeiten, die zu keiner Lösung geführt haben
Wie im vorangehenden Abschnitt dargestellt, konnten die Untersuchungen der Stabilität der
OBK unter KUP noch nicht zu Ende geführt werden. Die Möglichkeit zum Abschluss dieser
Arbeit besteht aber weiterhin.
Präsentationsmöglichkeiten für mögliche Nutzer
Siehe Abschlussbericht des BEST-Projektverbundes.
Einhaltung der Ausgaben- und Zeitplanung
Durch den verzögerten Projektbeginn des Gesamtverbundprojekts kam es zu insgesamt zu
Verzögerungen im Projektablauf. Angefangen bei der Feldarbeit setzten sich die zeitlichen
Änderungen auch bei der Analyse und Auswertung fort. Einen Vergleich der geplanten und
real umgesetzten Meilensteine sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Meilenstein
geplant
real
Bemerkungen
Jahr/Quartal Jahr/Quartal
Abschluss der Feldinstallationen
2011 / 1
2011 / 2
verzögerter Projektbeginn
Standortdifferenzierte Bewertung der
Kohlenstoffsequestrierung in den Böden
2012 / 1
2013 / 1
verzögerter Projektbeginn und
erhöhter Aufwand
durch Flächensuche
Erste Zwischenergebnisse zur regional
differenzierten Klimaschutzleistung
unterschiedlicher Bioenergieträger
2012 / 2
2012 / 2
Zwischenbericht
und Präsentation
der Ergebnisse
Abschluss der Freilandmesskampagne
2013 / 2
2013 / 4
in Reiffenhausen
länger gemessen
Bewertung der CO2-Einsparkosten
2013 / 2
2014 / 3
Abschusspräsentation der Ergebnisse:
Integrierende Bewertung von regional
differenzierten Klimaschutzleistungen
unterschiedlicher Bioenergieträger
2013 / 2
2014 / 3
Standortdifferenzierte Bewertung der
Veränderung bodenchemischer und
bodenphysikalischer Eigenschaften im
Zuge der Produktion unterschiedlicher
nachwachsender Energieträger
Insgesamt wurde der Finanzplan im Wesentlichen eingehalten. Es kam zu einer Umwidmung
von Reisekosten in Sachkosten, da die wöchentlichen Messungen der Treibhausgasflüsse
von Projektpartnern vor Ort durchgeführt werden konnten und über Sachmittelkosten abgerechnet wurden und nicht, wie geplant, durch wöchentliche Dienstreisen von Braunschweig
aus zu den Messflächen. Die erhöhten Personalkosten ergaben sich aus bei der Planung
nicht berücksichtigen Tariferhöhungen, sowie den hohen Arbeitsaufwand zur Aufarbeitung
der Bodenproben, der nur mit zusätzlichen Personalmitteln zu bewältigen war.
60 Arbeitspaket:
ÖL 4
Thema:
Ressourceneffizienz
Antragsteller
Prof. Dr. A. Polle
Institut:
Abt. Forstbotanik und Baumphysiologie, Büsgen-Institut, Georg-AugustUniversität Göttingen
Dauer:
01.01.2011 – 30.06.2014
Wiss. Mitarbeiterin: Dejuan Euring
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Energiepolitisches Ziel in diesem Projekt war es, die Nutzung fossiler Energieträger deutlich
einzuschränken und die Verwendung nachwachsender Rohstoff zu erhöhen. Ein Vorteil der
Nutzung nachwachsender Rohstoffe liegt neben ihrer Verfügbarkeit auch in ihrer potentiellen
CO2-Neutralität, d.h. im Idealfall wird nicht mehr CO2 in die Atmosphäre abgegeben als zuvor durch die Photosyntheseprozesse der Pflanze in der Biomasse festgelegt wurde. In Europa soll Biomasse als nachwachsender Energieträger weiterentwickelt werden mit Ziel im
Jahr 2020 etwa 20 % des Energiebedarfs aus nachwachsenden Rochstoffen zu erzeugen
(Potočnik, 2007). Abschätzungen für die EU haben gezeigt, dass die Produktion von Energiehölzern in Kurzumtriebsplantagen im Vergleich mit anderen landwirtschaftlich erzeugten
Energieträgern die beste Option für Änderungen der Landnutzung darstellt, um die Ziele Klimaschutz, CO2-Sequestrierung und Energiesicherung möglichst effizient zusammenzubringen (Smith et al., 2000). Inwieweit dies für bestimmte Regionen in Deutschland ein tragfähiges Konzept darstellt, sollte in diesem Projekt durch entsprechende Untersuchungen geklärt
werden. Hierbei war zu berücksichtigen, in welchen Anbausystemen der energetische Gewinn in der Biomasse in Relation zum Verbrauch an Wasser und Stickstoff am höchsten ist.
Hierzu wurden die ermittelten Messgrößen in Bezug zueinander gesetzt und in Relation zu
den klimatischen Verhältnissen und der Wasserspende bewertet. Die Daten sind für Entscheidungssysteme im Hinblick auf stoffliche oder energetische Nutzungssysteme bedeutsam. Die Frage stellte sich vor allen Dingen für KUPs, da auf europäischem Level KUPs als
wichtige Rohstoffquelle für nachhaltig produzierbare Biotreibstoffe angesehen werden. Für
Energiegewinnung durch Verbrennung (z. B. Holzpellets) ist ein hoher Ligningehalt vorteilhaft, da diese Verbindung den entscheidenden Energieträger in Holz darstellt. Für die Gewinnung von Ethanol (Stichwort Biofuels) aus Holz ist Lignin nachteilig, da seine Einlagerung
die Gewinnung von Zellulose behindert. Der Ligningehalt wird durch das N-Angebot verändert. Die Beziehungen von N-/Lignin-/und Energiegehalt der biogenen Rohstoffe sollten für
die ausgewählten Regionen ermittelt und für die geplanten Modellentwicklungen (ÖL 1 Bioklimatologie, ÖL 2 Wasserhaushalt) bereitgestellt werden.
Planung und Ablauf des Vorhabens
In Abstimmung mit den anderen Teilprojekten dieses Clusters wurden schwerpunktmäßig
Messflächen in KUP und anderen Forst- und Agrarflächen festgelegt (BEST-Flächen BERTA
1 und 2, Reiffenhausen, sowie eine Göttinger Plantage). Auf diesen Flächen wurden übern
den gesamten Projektzeitraum Gaswechselmessungen zur Erfassung von CO2 und H2O
Flüssen durchgeführt und die stomatäre Leitfähigkeit ermittelt. Die C-, Lignin- und N-Vorräte
der Biomasse wurden in der aktiven und in der Ruhephase ermittelt, um die Bedeutung von
Speicherpools in der holzigen Biomasse zu erfassen. Der Energiegehalt von Holzproben
wurde kalorimetrisch bestimmt. Als Nährungswert für die Wassernutzungseffizienz wurde das
Verhältnis von 13C/12C in Blatt ermittelt.
61 Weiterhin galt es festzustellen, in welchen Anbausystemen der energetische Gewinn in der
Biomasse in Relation zum Verbrauch an Wasser und Stickstoff am höchsten war. Hierzu
wurden die ermittelten Messgrößen in Bezug zueinander gesetzt und in Relation zu den klimatischen Verhältnissen und der Wasserspende (ÖL 1, ÖL 2) bewertet. Die Daten waren
und sind für Entscheidungssysteme im Hinblick auf stoffliche oder energetische Nutzungssysteme bedeutsam. Die Frage stellte sich vor allen Dingen für KUPs, da auf europäischem
Level KUPs als wichtige Rohstoffquelle für nachhaltig produzierbare Biotreibstoffe angesehen werden.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
In Hinblick auf die hier verfolgte Fragestellung waren die von der Abteilung Forstbotanik und
Baumphysiologie erfolgreich durchgeführten Projekte wie das BMBF-geförderte Buche/Küstentanne-Projekt, sowie EU-Projekte (EUROFACE und ENERGYPOPLAR) besonders relevant, da sie sich mit der Einführung neuer Baumarten in forstliche Systeme sowie
mit Agroforstsystemen, der Holznutzung und der Erarbeitung von Entscheidungshilfen für die
stoffliche oder energetische Nutzung befassten.
Die Abteilung hat sich dabei besonders mit der Photosynthese, der Festlegung von CO2 in
Holz (Lignin, Zellulose) sowie des kalorimetrischen Energiegehalts unter dem Einfluss verschiedener Düngungsregimes befasst (Luo and Polle, 2009, Müller and Polle, 2009, Luo et
al., 2006). Zum Bespiel konnte bei der Energieholzerzeugung gezeigt werden, dass nterschiedliche Baumarten unterschiedliche Strategien der N-Aufnahme aufweisen (Finzi et al.,
2007).
Desweiteren wurde festgestellt, dass verschiedene Pappelherkünfte sich deutlich in ihrer
Photosyntheseleistung und Wassernutzungseffizienz relativ zur Festlegung von Kohlenstoff
in der Biomasse unterscheiden (Fischer and Polle, 2010), was für die mit KUPs befassten
Teilprojekte anderer Cluster von besonderer Bedeutung ist. Anhand unterschiedlicher Douglasienherkünfte wurde beispielhaft gezeigt, dass die N-Nutzungseffizienz sich deutlich herkunftsabhängig unterscheiden kann (Dučić et al., 2009). Anpassungsstrategien an Trockenstress sind ein weiteres wichtiges Thema der Arbeitsgruppe (Rennenberg et al., 2010).
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Die Untersuchungsergebnisse des Teilprojektes Öl 4 haben entscheidende Erkenntnisse für
die Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Energiesicherung der kommenden Jahre erbracht. Im Sinne der Ressourceneffizienz schnellwachsender Baumarten auf KUPs wurden
bekannte und bewährte Pappelhybride und Weiden hinsichtlich ihrer Biomasseproduktion
unter Ermittlung wichtiger Kennwerte auf ausgewählten Standorten angepflanzt und untersucht. Dabei wurden bereits im frühen Projektverlauf Unterscheide zwischen den beiden
verwendeten Pappelhybriden MAX1 und Hybride 275 deutlich. So verfügt MAX1 über höhere
N-Gehalte, und eine niedrigere N-Ausnutzung als Hybride 275. Hybride 275 wächst jedoch
besser auf fruchtbaren Böden als MAX1, hat jedoch eine geringere Überlebensrate auf ungünstigen Umgebungsbedingungen. Eine hohe Stickstoff- und Wassernutzungseffizienz ist
bei günstigen Umgebungsbedingungen wichtig für die Biomasseproduktion. Eine hohe Stickstoffkonzentration ist bei ungünstigen Umgebungsbedingungen für die Überlebensrate wichtig. Besonders die Stickstoffnutzungseffizienz und Stickstoffaufnahmekapazität müssen bei
der Anzucht von Bäumen zwecks optimaler Biomasseproduktion auf den unterschiedlichsten
Standorten berücksichtigt werden. Wenn wenig Sickstoff verfügbar ist, sollten u. a. Pappeln
gepflanzt werden, die über eine hohe Stickstoffnutzungseffizienz und eine hohe Stickstoffaufnahmekapazität verfügen, da sich dies auf wachstumsfördernde Pflanzenorgane auswirkt
und letztlich die Holzbildung bedingt. Deshalb ist die Kenntnis über die Optimale Stickstoffversorgung für bestimmte Pappelspezies und Genotypen im Hinblick auf die Bodenbeschaffenheiten äußerst wichtig. Die Wasserverfügbarkeit beeinflusst ebenfalls die Stickstoffnutzung von Pappeln. So ist eine Bewässerung während der Trockenperioden gut zur Erhöhung
der Stickstoffnutzungseffizienz und somit der Biomasse.
62 Arbeitsbericht
Untersuchungen der BEST-Flächen
Während der Projektlaufzeit wurden die Photosynthese- und Transpirationsraten der Pappeln, Weiden, Raps- und Maispflanzen der BEST-Flächen in gemessen. Nach den Messungen erfolgte die direkte Entnahme von Blattproben, bei welchen die Blattflächen, das Frischund Trockengewicht gemessen wurde. Weiterhin wurden die in den Blättern enthaltenen
Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen sowie die 13C/12C Isotopenverhältnisse mittels
eines an einen Elementanalysator gekoppelten Isotopen-Verhältnis-Massenspektrometer
bestimmt.
Anzucht und Untersuchungen von Pappelhybriden auf der Göttinger Plantage
Im Frühjahr 2011 wurden auf der Göttinger Plantage (Nordunibereich) im Blockdesign zwei
schnellwachsende Hybridpappeln MAX1 (P. nigra x P. maximowiczii) und Hybride 275 (P.
trichocarpa x P. maximowiczii) angepflanzt. Die Plantage hat eine leichte Neigung von Ost
(günstige Standorteigenschaften) nach West mit flachgründigem Boden und hohem Steinanteil im Westen (ungünstige Standorteigenschaften). Die Plantage ist während der Bepflanzung in 32 Parzellen eingeteilt worden, in welchen entweder nur Stecklinge einer Art, oder
die Hybriden in Mischform angepflanzt wurden. Mit der Variation innerhalb der Parzellen und
der einzelnen Parzellen untereinander sollten während des Projektes die Wechselwirkungen
des Pflanzenwachstums bestimmt werden. Bei den Hybriden MAX 1 und Hybrid 275 handelt
es sich um zwei schnellwachsende Pappelarten, welche als Ressource zur späteren Energiegewinnung populär sind. Während der Vegetationsperioden wurden regelmäßig der Anwuchs der Pappelpflanzen kontrolliert. Um die unterschiedlichen Überlebensraten der beiden
Hybride für die Anpflanzung auf landwirtschaftlichen nicht mehr nutzbaren Flächen genauer
zu untersuchen, wurden ihre physiologischen Eigenschaften, Kohlenstoff- und StickstoffAllokation, stomatären Charakteristika und Holzeigenschaften auf den günstigen und ungünstigen Standorten verglichen. So erfolgten Photosynthesemessungen und Ermittlung der
Transpirationsraten, welche nicht nur in Göttingen, sondern zu Vergleichszwecken auch auf
den Best-Flächen BERTA 1 und BERTA 2 in Thüringen durchgeführt wurden. Zur Bestimmung der Blattfläche und des 13C/12C-Gehaltes wurden stichprobenartig Blätter gesammelt.
Am Ende der jeweiligen Vegetationsperiode wurde bei allen Pflanzen Höhe und Durchmesser ermittelt. Nach der Ernte von Pappelpflanzen wurden neben der Bestimmung der Höhen
und Biomassen wurden die Ligningehalte der Pappelstämme gravimetisch ermittelt. Weiterhin wurde der Energiegehalt der Stämme mit einem Kalorimeter gemessen. Auch hier erfolgten Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationsmessungen, sowie 13C/12C Isotopenverhältnisbestimmungen an den Blättern.
Ergebnisbericht
Stickstoffausnutzung und Wassernutzungseffizienz von unterschiedlichen Anbausystemen
auf den BEST-Flächen
Stickstoff in Blättern ist eines der wichtigsten Nährelemente für die Photosynthese. Wie aus
Tabelle 1 ersichtlich, haben die Blätter der Rapspflanzen den höchsten Stickstoffgehalt aller
verglichenen Pflanzen. Der zweithöchste Gehalt wurde bei Maispflanzen gemessen. In den
Weidenblättern ist mit 2,6 bis 3,0 % mehr Stickstoff enthalten als in Pappelblättern mit 2,0 bis
2,6 %. Die photosynthetische Stickstoffnutzungseffizienz (PNUE) wurde wie folgt ermittelt:
Photosyntheserate (µmolm-2s-1) × Blattfläche (m2) × 100 / Trockenmasse Blatt (g) / N (%). Sie
zeigt die Nettophotosynthesekapazität pro Einheit Stickstoff in Blättern an. Die Pappeln und
Weiden in Reiffenhausen haben eine höhere PNUE als Raps und Mais. Unabhängig von den
Flächen haben Weiden insgesamt höhere PNUEs als Pappeln, jedoch nicht signifikant (siehe
Tabelle 1). Der Quotient aus Photosyntheserate durch Transpirationsrate wird als die momentane Wassernutzungseffizienz (WUE) bezeichnet (Field et al., 1983). Pappeln haben
leicht höhere WUEs als Weiden. Unter trockenen Bedingungen haben beide eine höhere
WUE als unter feuchten. Der durchschnittliche ∆13C-Gehalt der Blätter korreliert signifikant
63 mit der WUE (Li, 1999). Daher haben wir diesen Indikator für die langfristige WUE auch in
unseren Proben bestimmt. Eine Bewässerung verringert die WUE (Tabelle 1). In der Fläche
BERTA 1 enthalten die Pappelblätter ein deutlich höheres 13C/12C-Verhältnis als Weidenblätter und haben gleichzeitig eine höhere WUE.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Weiden einen höheren Stickstoffgehalt in den
Blättern und eine effektivere Stickstoffausnutzung haben als Pappeln (Tabelle 1). Die Wassernutzungseffizienz der Weiden ist dagegen geringer als bei Pappeln. Die PNUEs der Weiden sind vergleichbar mit denen von Rapspflanzen, zumal Weiden nicht gedüngt wurden.
Eine Bewässerung erhöht die Photosyntheserate, begünstigt die Stickstoffausnutzung, jedoch nicht die Wassernutzungseffizienz. Die Fläche Reiffenhausen hat sich als produktiver
als die BERTA-Flächen erwiesen. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei ausreichendem Stickstoffvorkommen die Wasserverfügbarkeit ein limitierender Faktor für die Biomasseproduktion
von Pappeln und Weiden sein können. Im Vergleich zu Pappeln scheinen Weiden den Stickstoff effizienter zu nutzen, benötigen jedoch vermutlich mehr Wasser, um eine optimale Biomassenutzung zu gewährleisten.
Tabelle 1: N-Ausnutzung und Wassernutzungseffizienz der Blätter
A/E (WUE) (µmolCO2/mmolH2O)
∆-13C Blätter
(‰)
4.36 ± 0.17 6.74 ± 0.41(d)
11.68 ± 0.94(c)
-29.03 ± 0.26(ef)
3.24 ± 0.13 7.9 ± 0.26(d)
15.58 ± 1.39(c)
-12.71 ± 0.1(a)
-
2.57 ± 0.13 5.86 ± 0.42(bc)
6.05 ± 0.26(a)
-28.29 ± 0.23(de)
BERTA1
-
2.37 ± 0.07 2.74 ± 0.44(a)
8.14 ± 0.73(b)
-26.1 ± 0.51(b)
BERTA2
-
2.45 ± 0.11 4.28 ± 0.59(ab)
8.73 ± 0.94(b)
-27.17 ± 0.3(bc)
BERTA2
bewässert
2.49 ± 0.07 5.62 ± 0.42(cd)
8.44 ± 0.23(b)
-27.78 ± 0.26(cd)
Reiffenhausen
-
2.53 ± 0.15 7.47 ± 0.46(d)
5.64 ± 0.35(a)
-29.3 ± 0.26(f)
BERTA1
-
2.61 ± 0.31 3.91 ± 1.58(ab)
6.87 ± 1.63(ab)
-28.31 ± 0.89(def)
BERTA2
-
3.01 ± 0.11 5.38 ± 0.64(bcd) 9.54 ± 0.75(b)
-27.46 ± 0.28(cd)
BERTA2
bewässert
2.91 ± 0.1
-28.38 ± 0.26(def)
Pflanzen
Flächen
Behandlung
Raps
Reiffenhausen
Düngung
Mais
BERTA2
Düngung
Reiffenhausen
Pappel
(MAX 1,
2 Jahre
alt)
Weide
(Tordis,
2 Jahre
alt)
N
(%)
PNUE (µmol-1 -1
CO2gN s )
8.57 ± 0.72(e)
8.82 ± 0.99(b)
Bei den Daten handelt es sich um gemittelte Werte aus jeweils 6 bis 8 Probennahmen. Die Signifikanzanalyse erfolgte mittels Tukey Test mit einer Genauigkeit von P < 0,05.
Stickstoffausnutzung in Relation zur Biomasseproduktion unterschiedlicher Pappelsorten auf
der Göttinger Plantage
Auf der Göttinger Plantage (Nordunibereich) wurde die Stickstoffausnutzung bei den Hybridpappeln MAX1 (P. nigra x P. maximowiczii) und Hybride 275 (P. trichocarpa x P. maximowiczii) ermittelt. Die Plantage hat eine leichte Neigung von Ost (günstige sStandortverhältnis)
nach West mit flachgründigem Boden und hohem Steinanteil im Westen (ungünstiges Standortverhältnis). Bei beiden Hybriden war ein Wachstumsgradient von Ost nach West auffällig.
Ein Jahr nach der Pflanzung wurde bei MAX1 (517/ 650 überlebenden Pflanzen) eine um
10,3 % höhere Überlebensrate als bei Hybride 275 (450/650 Überlebenden) ermittelt.
64 Die Biomasseproduktion der Pflanzen unter gleichen Standortverhältnissen war ähnlich (Tabelle 2). Das jeweilige Standortverhältnis war der ausschlaggebende Faktor für die Biomasseproduktion der beiden Hybriden (p < 0.01, Tabelle 2). Die Blatt- und Stammbiomassen
der Hybriden 275 waren auf günstigem Standortverhältnis etwa 19- und 33-mal höher als auf
ungünstigem Standortverhältnis, beim Hybrid MAX1 waren es 9- und 19-mal. Bezogen auf
die Gesamtpflanze war die Biomasse auf günstigem Standort bei Hybride 275 26-mal höher,
bei MAX1 14-mal. Diese Ergebnisse lassen erkennen, dass Hybriden 275 empfindlicher auf
das Standortverhältnis reagiert als MAX1.
Tabelle 2: Biogesamtmasse (trocken) der unterschiedlichen Pappelhybride nach 3 Jahren
Biomasse‐ Blätter Biomasse‐ Stämme Biomasse‐Wurzeln Biogesamtmasse Pspecies
Psoil
Pspecies
H275-d
H275-s
Max1-d
Max1-s
247.5 ± 51.6 (b) 610.2 ± 120.6 (b) 59.8 ± 12.5 (b) 917.5 ± 182.7 (b) 13.2 ± 1.8(a) 250.6 ± 7.3 (b) 27.7 ± 5.5 (a) 0.74 < 0.01 0.83 18.3 ± 2.4 (a) 616.0 ± 31.2 (b) 30.9 ± 3.9 (a) 0.88 < 0.01 0.96 3.3 ± 0.3 (a) 55.4 ± 3.5 (b) 6.9 ± 1.6 (a) 0.96 < 0.01 0.55 34.8 ± 4.2 (a) 922.0 ± 39.2 (b) 65.6 ± 9.4 (a) 0.85 < 0.01 0.89 × soil
(-d = günstiges Standortverhältnis, -s = ungünstiges Standortverhältnis)
Daten = Mittelwerte ± SE, n=7, unterschiedliche Buchstaben in Klammern zeigen signifikante Unterschiede bei p< 0.05, ANOVA (Tukey-HSD Test), p-values des two-way ANOVA Tests mit Faktoren
Sorten (species), Standortverhältnis (soil), Interaktionen Sorten und Standortverhältnis (species × soil)
Als die Stämme der Pappelhybridpflanzen Hybride 275 und MAX1 zwei Jahre alt waren, enthielten sie 26 - 31 % Lignin, was im nach Amthor (2003) und Zhou et al. (2011) ermittelten
Bereich von 15 und 36 % liegt. Unter ungünstigen Standortbedingungen wurde bei beiden
Hybriden ein leicht höherer Ligningehalt ermittelt als bei günstigen Standortbedingungen. Der
kalorimetrische Energiegehalt der beiden Hybriden lag um 18 KJ/g im trockenen Stamm.
Diesbezüglich waren bei den jeweiligen Hybriden und Standortverhältnissen keine signifikanten Unterschiede bei den p-Werten < 0,05 zwischen zu erkennen.
Die Stickstoffkonzentrationen der unterschiedlichen Stammabschnitte (oben, Mitte, unten)
reagierten signifikant zu dem jeweiligen Standortverhältnis (Abbildung 1 A). Die Unterschiede
der Stickstoffkonzentrationen der oberen Stammabschnitte waren deutlicher als bei den verholzten mittleren und unteren Stammabschnitten.
Die Stickstoffkonzentrationen der Blätter wurden von den Standortverhältnissen stark beeinflusst und variieren signifikant zwischen den Hybriden MAX1 und Hybride 275 (Abbildung 1
B) Dabei waren die Konzentrationen bei MAX1 unabhängig vom Standort höher als bei Hybride 275. Keine signifikanten Unterschiede der Stickstoffkonzentrationen waren dagegen bei
den Fein- und Hauptwurzeln zu erkennen (Abbildung 1 B).
65 A
2.0
1.8
N konzentration %
H275-d
H275-s
Max1-d
Max1-s
b
b
1.6
1.4
1.2
a
1.0
0.8
a
0.6
c
b
0.4
0.2
0.0
Oberer Stamm
B
2.0
N konzentration %
1.8
a ab
Psoil
< 0.01
< 0.01
< 0.01
H275-d
H275-s
Max1-d
Max1-s
b
1.6
c
Pspecies × soil
0.43
0.09
0.02
c
b
b
Unterer Stamm
Mittlerer Stamm
Pspecies
< 0.01
< 0.01
< 0.01
Oberer Stamm
Mittlerer Stamm
Unterer Stamm
b
a
1.4
1.2
a
1.0
0.8
a
0.6
a
a
a
0.4
a
a
a
a
0.2
0.0
Blatt
Blatt
Feinwurzel
Hauptwurzel
Feinwurzel
Hauptwurzel
Pspecies
Psoil
Pspecies × soil
< 0.01
0.32
< 0.01
0.77
0.11
0.33
0.72
0.43
0.35
Abbildung 1: Stickstoffkonzentrationen in unterschiedlichen Stammabschnitten (A), Blättern und Wurzeln (B) der Hybriden MAX1 und Hybride 275 nach 3 Jahren
(-d = günstiges Standortverhältnis, -s = ungünstiges Standortverhältnis)
Daten = Mittelwerte ± SE, n=5, unterschiedliche Buchstaben in Klammern zeigen signifikante Unterschiede bei p< 0.05, ANOVA (Tukey-HSD Test), p-values des two-way ANOVA Tests mit Faktoren
Sorten (species), Standortverhältnis (soil), Interaktionen Sorten und Standortverhältnis (species × soil)
66 Die Stickstoffnutzungseffizienz (englisch: nitrogen use efficiency = NUE) ist definiert als die
Menge an Biomasse, die pro Einheit Stickstoff von dem Boden aufgenommen wurde
(Vitousek, 1982). Für das Bestprojekt ÖL4 wurden folgende Daten zur Ermittlung der NUE
herangezogen:
NUE (Jahr 2) = Biomasse (Jahr 2013 - Jahr 2012) / N-Gehalt (Jahr 2013 - Jahr 2012)
NUE (Jahr 3) = Biomasse (Jahr 2014 - Jahr 2013) / N-Gehalt (Jahr 2014 - Jahr 2013)
Die NUE der beiden Pappelhybriden unterschieden sich im Jahr 2 unter den gleichen Standortverhältnissen nicht signifikant (p = 0.09), während die Unterschiede im Jahr 3 für MAX 1
deutlicher ausprägten (p < 0.01, Abbildung 2). Beide Hybriden verhielten sich gegenüber
unterschiedlichen Standortverhältnissen verschieden (Pspecies × soil =0.02). Hybride 275 hat auf
ungünstigem Standortverhältnis den Stickstoff besser umgesetzt als MAX1 (p< 0.05).
450
b
H275-d
H275-s
Max1-d
Max1-s
400
350
ab
NUE
300
250
200
ab
150
b
b
b
a
a
100
50
0
Jahr 3
Jahr 2
Jahr 2 Jahr 3 Pspecies
Psoil
Pspecies × soil
0.99
< 0.01
< 0.01
0.02
0.21
0.02
Abbildung 2: Stickstoffnutzungseffizienz in unterschiedlichen Stammabschnitten (A), Blättern und
Wurzeln (B) der Hybriden MAX 1 und Hybride 275
(-d = günstiges Standortverhältnis, -s = ungünstiges Standortverhältnis)
Daten = Mittelwerte ± SE, n=5, unterschiedliche Buchstaben in Klammern zeigen signifikante Unterschiede bei p< 0.05, ANOVA (Tukey-HSD Test), p-values des two-way ANOVA Tests mit Faktoren
Sorten (species), Standortverhältnis (soil), Interaktionen Sorten und Standortverhältnis (species × soil)
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Die Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen, insbesondere im Cluster ÖL (Ökologische
Landschaftsfunktionen), sowie im Cluster IO-A (Anbausysteme und –verfahren) verlief ohne
Probleme. Die Daten der Gaswechselmessungen wurden und werden ÖL1 und ÖL2 zwecks
Modellierung zur Verfügung gestellt.
67 Tabellarische Übersicht geplante Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Auswahl von Messflächen in KUP‘s
Messflächen wurden bepflanzt und kontrolliert
Messung von Photosynthese
Messungen in den jeweiligen Vegetationsperioden abgeschlossen und ausgewertet
Messung von Energiegehalten und Lignin in Biomasse
Daten wurden erhoben und ausgewertet
Kalorimetrische Messungen
Daten wurden erhoben und ausgewertet
Messung von 13C/12C Isotopenverhältnis etc.
Daten wurden erhoben und ausgewertet
Bewertung der Ressourceneffizienz
Daten wurden erhoben und ausgewertet
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Arbeits- und Zeitplan
Die Arbeitspakete konnten vom tatsächlichen Projektbeginn (01.01.2011) an und trotz Abhängigkeit von den Vegetationsperioden plangemäß durchgeführt werden.
Finanzplan
Wegen der kurzen Vorlaufzeit zwischen Genehmigung und Beginn des Forschungsvorhabens konnte in dem Arbeitspaket ÖL-4 die Arbeit erst mit erheblicher Verzögerung begonnen
werden, da sich die Ausschreibungen und die Einstellungen von MitarbeiterInnen erheblich
verzögert haben. Aus diesem Grund wurde die Laufzeit des Arbeitspaketes bis zum
30.06.2014 verlängert. Die ursprüngliche Laufzeit des AP sollte eigentlich zum 31.08.2013
enden. Die Finanzmittel hierfür wurden aus dem AP zur Verfügung gestellt (kostenneutrale
Verlängerung).
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspaketes
Euring D, Löfke C, Teichmann T, Polle A (2012). Nitrogen fertilization has differential effects
on N allocation and lignin in two Populus species with contrasting ecology. Trees 26:
1933–1942.
Euring D, Bai H, Janz D, Polle A (2014). Nitrogen-driven stem elongation in poplar is linked
with wood modification and gene clusters for stress, photosynthesis and cell wall formation. BMC Plant Biol 14:391-403.
Euring D, Polle A (2015, accepted). Nitrogen use of poplars in short rotation coppice plantations. In: Butler Manning, D., Bemmann, A., Bredemeier, M., Lamersdorf, N., Ammer, C.
(2015): Bioenergy from dendromass for the sustainable development of rural areas, Viley
Verlag. Polle A, Janz D, Teichmann T, Lipka V (2013) Poplar genetic engineering: promoting desirable wood characteristics and pest resistance. Applied Microbiology and Biotechnology
97:5669–5679, DOI 10.1007/s00253-013-4940-8.
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× P.maximowiczii and P. trichocarpa × P. maximowiczii) in a young plantation on deep
and shallow soil. Master’s thesis, Georg-August-Universität Göttingen.
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Dučić T, Berthold D, Langenfeld-Heyser R, Beese F, Polle A (2009) Mycorrhizal communities in relation to biomass production and nutrient use efficiency in two varieties of Douglas fir (Pseudotsuga
menziesii var. menziesii and var. glauca) in different forest soils. Soil Biol Biochem 41: 742–753.
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efficiency in five species of California evergreens. Oecologia 60: 384–389.
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225–246.
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Vitousek P (1982) Nutrient cycling and nutrient use efficiency. Am Nat 553–572.
69 Arbeitspaket:
IO-H 1
Thema:
Laserscan Biomasse
Antragsteller
Prof. Dr. C. Ammer
Institut:
Abt. Waldbau und Waldökologie, Büsgen-Institut, Univ. Göttingen
Dauer:
01.02.2011 – 31.05.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. Dominik Seidel
Arbeitsbericht 2011-2014:
Mit Beginn der Projektbearbeitung zum 01.02.2011 wurde zunächst das Versuchsdesign
abgeändert und hinsichtlich des erwarteten Nutzens für andere Teilprojekte optimiert. Dies
bedeutet, dass von einer detaillierten Einzelbaummodellierung auf Basis von Skeletonisierungsalgorithmen, wie zunächst angedacht, abgesehen wird um stattdessen den Schwerpunkt auf die, im Projektantrag angesprochenen, neuen Verfahren zur Schätzung der Biomasse zu legen. Hintergrund dieser Änderung ist der voraussichtlich höhere Praxisnutzen
der alternativen Verfahren (s.u.) zur Bestimmung der Biomasse verschiedener Gehölze im
Vergleich zu einem rechenintensiven Skeletonisierungsansatz. Als Hauptziel des Projektes
wurde definiert, praxistaugliche, scanbasierte Verfahren zur Biomasseschätzungen für Kurzumtriebsplantagen (KUP´s), Obstwiesen etc. zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen soll
die Erfassung der Biomasse pro Volumeneinheit im Vordergrund stehen und im Vergleich zur
Partitionierung innerhalb einer Pflanze (Stamm, Derbholz etc.) in den zukünftigen Projektarbeiten überwiegen. Neben einer intensiven Literaturrecherche zum Thema Skeletonisierung
ergaben auch Gespräche innerhalb des Projektverbundes, dass diese Zielsetzung dem Gesamtprojekt deutlich mehr Gewinn bringen wird, als die zunächst Anvisierte.
Die Entwicklung eines neuen Aufnahmekonzeptes, welches auf die Bedingungen in dicht
gewachsenen KUP´s ausgerichtet werden muss, stand daher im Mittelpunkt der Arbeit in
2011. In der Literatur waren zu Beginn der Untersuchungen noch keine Erfahrungen zum
Einsatz von terrestrischen Laserscannern in solch dichten Beständen dokumentiert und so
wurden erste Tests noch in im Frühjahr 2011 durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser
Studien sollten zunächst einmal klären, ob alternative Verfahren abseits der Skeletonisierung
zu verwertbaren Biomasseschätzung führen können, wie sie bereits für Einzelpflanzen erfolgreich eingesetzt wurden. Beispielhaft seien hier Punkt-Rasterbasierte Ansätze genannt, basierend auf sogenannten Point cloud grids.
Nach viel versprechenden Test konnte die Entwicklung eines geeigneten neuen Aufnahmekonzeptes, welches auf die Bedingungen in dicht gewachsenen Beständen ausgerichtet war,
noch 2011 abgeschlossen werden. Das Aufnahmekonzept ist ein nicht-destruktives, einzelscanbasiertes Probekreisverfahren mit einem geringen Kreisdurchmesser der Probekreise
als Adaption an dichte Bestände. Punkt-Raster-basierte Ansätze wurden zwar ebenfalls getestet führten jedoch stets zu schlechteren Ergebnissen bei höherem Arbeitsaufwand. Zusätzlich enthielten die Punkt-Raster-basierten Ansätze einige notwendige subjektive Bearbeitungsschritte welche schließlich zu einer Einstellung der Arbeiten an eben diesen geführt
haben (mangelnde Aussicht auf wissenschaftliche Verwertbarkeit).
Zur Evaluierung der Methoden wurden verschiedene Bestände eingescannt und nachfolgend
beerntet (Erhebung der Referenzdaten).
1. Mittelwaldflächen Forstamt Dörnten (Frühjahr und Herbst 2011)
2. Eichen-Plantage Uni Göttingen (Frühjahr und Herbst 2011, sowie Frühjahr 2012)
3. Hecken im LK-Göttingen (Herbst 2011 und Frühjahr 2013)
70 Mittelwaldflächen
Die nachfolgende Abbildung 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Brusthöhendurchmesser
und dem Trockengewicht von über 500 geernteten Bäumen im Mittelwald. Diese wurde mittels einer Regression in eine standortspezifische Allometrie überführt und diente als Basis
zur Berechnung der Trockenmassen aus scanbasierten Durchmessermessungen. Parallel
dazu wurde eine Allometrie aus der Literatur verwendet um festzustellen, inwieweit destruktive Messungen am Standort überhaupt zu besseren Biomasseschätzungen führen.
Abbildung 2 (nachfolgend) zeigt, dass sowohl die standortspezifische Allometrie als auch die
der Literatur entnommene zu sehr guten Biomasseschätzungen führen.
71 In Tabelle 1 (siehe unten) ist zu erkennen, dass mit mittleren absoluten Fehlern (MAE) von
etwa 10 kg pro Plot zu rechnen ist, was einem relativen Fehler von etwa 15% entspricht. In
Anbetracht des vollkommen nicht-destruktiven Charakters der Methode und ihrer hohen zeitlichen Effizienz ist dies ein überaus zufriedenstellendes Ergebnis. Von Beginn der Messung
bis zur Verfügbarkeit einer Biomasseschätzung (in kg) vergehen pro Plot (~12 m² Fläche) nur
etwa 6 min!
Model name
Source
R²
p-value
MAE
Mean relative error (%)
Site-specific
This study
0.91
<0.001
9.9 kg
14.91
generalized
Fehrmann, 2006
0.91
<0.001
9.4 kg
15.70
Eichen-Plantage
In Zusammenarbeit mit IO-A 3 wurde 2012 eine Messreihe mit 15 Scans in der Eichenplantage der Uni Göttingen durchgeführt. Dazu wurden insgesamt 2,5 Tonnen Eichenjungbäume
(<10 m) von Hand gefällt und gewogen. Für die Eichung der aus den Scans gewonnen Biomasseschätzung wurde eine exakte Bestimmung der geernteten Holzmenge aller Bäume
innerhalb der Messplots von je 12,56 m² vorgenommen. Auf Basis des schon im Mittelwald
erprobten und hier weiterentwickelten Scan-Allometrie Verfahrens wurden Biomasseschätzungen durchgeführt und weitere Aspekte des Laserscannings in extrem dichten Beständen
untersucht (z.. Durchmesserverteilung der erfassten und nicht-erfassten Bäume).
Abbildung 3 (nachstehend) zeigt die Beziehung zwischen der tatsächlich gemessenen und
der aus den Scandaten geschätzten Biomasse für die untersuchten Eichen-Plots.
72 Kurzumtriebsplantage
2013 konnte die Eignung für Untersuchungen in KUP’s ebenfalls bestätigt werden. Zusätzlich
zu einer Anwendung der bereits vorgestellten Methodik wurde hier ein in der Fachliteratur
noch kaum diskutiertes Phänomen, das sogenannte „shadowing“, genauer untersucht. Hierbei handelt es sich um die Verdeckung von Stämmen durch näher am Scanner stehende
Bäume. Da über die Existenz im Schatten stehender Bäume keine Informationen aus dem
Scanverfahren gewonnen werden können, wird auch deren Biomasse nicht erfasst. Durch
die präzise räumliche Lage und Größe der erfassten Bäume im Vordergrund (Schattenwerfer) lässt sich aber abschätzen, wie viel Fläche beschattet wird. Es lässt sich also errechnen,
welche Fläche eines Probekreises tatsächlich beprobt wurde und welche im Schatten liegt
und daher unbeprobt blieb. Aus diesem Verhältnis kann ein Korrekturparameter berechnet
werden, welcher die Genauigkeit der Biomasseschätzung in einem Probekreis erhöht.
Die untenstehende Abbildung zeigt, wie auf Basis des Durchmessers eines identifizierten
Baumes (DBH) und seiner Entfernung vom Scanner (rtree) der von ihm erzeugte Schatten
(Ashadow) mit Hilfe der Formel
∗
∗
∗ arctan
°
)- (
∗
²
)
bestimmt werden kann.
α
∗
∗
∗
∗
Der mittlerer absolute Fehler der Grundflächenschätzung konnte in der 2013 durchgeführten
Studie in der Pappel-KUP Berta 1 durch die Berücksichtigung der unbeprobten Bereiche von
9.8% auf 8.4% gesenkt werden. Es zeigte sich, dass im Mittel rund 5.2% der Probekreisfläche vom Scanner nicht erfasst werden konnten. Eine solche probekreisspezifische Quantifizierung des shadowing-Effektes und die direkte Nutzung dieser Information zur Verbesserung der Grundflächenschätzung ist neu und konnte erfolgreich in der entsprechenden Fachliteratur vorgestellt werden (Seidel und Ammer, in press).
Die eigentliche Bestimmung der Baumdurchmesser erfolgte in der Pappel-KUP mit hoher Zuverlässigkeit, da die stangenartige und verzweigungsarme Stammstruktur der Pappeln dem
Erkennungsalgorithmus dienlich war. Das untenstehende Streudiagramm zeigt den deutlichen Zusammenhang zwischen den im Feld gemessenen Durchmesserreferenzen und den
vom Scanner bestimmten Durchmessern.
73 Die nachfolgende Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Feld- und scanbasierter
Messung der Bestandesgrundfläche auf Probekreisebene und unter Berücksichtigung des
shadowing-Effektes. Auch hier ist ein starker positiver Zusammenhang zu erkennen.
Vor allem aufgrund des geringen Aufwandes im Feld, kann das Scan-Allometrie-Verfahren
als ein praxisorientiertes, effizientes Tool zur nicht-destruktiven Biomassebestimmung bezeichnet werden.
74 Hecken
In Gesprächen mit dem Geschäftsführer des Landschaftspflegeverbandes Göttingen (König),
sowie dem Leiter der unteren Naturschutzbehörde (Eggers) zu Beginn des Jahres 2011 stellte sich heraus, dass insbesondere an Struktur- und Physiognomiedaten von Hecken ein gesteigertes Interesse seitens der Behörden/Vereine/Interessengruppen besteht. Im Sommer
2011 wurde darum ein anwendungsorientiertes Projekt (Wahlpflicht im Bachelorstudiengang)
mit dem Thema „Quantifizierung des Einflusses von Pflegemaßnahmen auf die Struktur von
Hecken mit terrestrischem Laserscanning“ angeboten. Dieses fand regen Zulauf und konnte
im Winter 2011/12 erfolgreich durchgeführt werden. Innerhalb des Projektes wurde ein automatisiertes Verfahren zur Erfassung von Hecken hinsichtlich ihrer Physiognomie, sowie zur
messdatengestützten Bewertung des Pflegezustandes erstellt und getestet. Für wissenschaftlich fundierte Ergebnisse fehlen bislang noch weitere Stichproben. Im Rahmen dieses
Projektes zeigte sich auch, das terrestrisches Laserscanning derzeit zur Erfassung der Biomasse von Hecken nicht effizient eingesetzt werden kann, da diese meist von so dichtem
Wuchs sind, dass eine Erfassung ihres inneren Aufbaus unmöglich ist und damit keine zuverlässigen Rückschlüsse auf die Biomasse folgen können.
2012 konnten zwei Gemeinden gewonnen werden die innerhalb des gesetzlich vorgeschriebenen Zeitraumes die Beerntung zweier Hecken ermöglichten. Dies kann zwar nicht als ausreichende Stichprobe angesehen werden, aber die beiden ausgewählten Hecken können
bezüglich ihrer Struktur und Artenzusammensetzung als repräsentativ für beide Enden des
im Rahmen von IO-H2 und IO-H3 aufgenommen Spektrums von mehr als 1900 kartierten
Strauchhecken, Strauch-Baumhecken und Baumhecken gelten.
Durch beide Hecken wurden von Hand insgesamt 13 exakt 1 Meter breite Gassen geschlagen, die gesamte darin enthaltene Biomasse entnommen und deren Frischgewicht bestimmt.
Proben quer durch das Spektrum der vorkommenden Trieb- und Astdurchmesser wurden
entnommen und getrocknet um das Trockengewicht zu bestimmen. Die entstanden Gassen
wurden mit dem terrestrischen Laserscanner eingescannt um das präzise Volumen zu bestimmen welches die erfasste Biomasse enthalten hatte. Dies diente unter anderem dazu, zu
überprüfen, ob für die im Landkreis Göttingen vorgefundenen Hecken Biomasseschätzungen anhand von Literaturwerten möglich sind, oder ob die tatsächlichen Biomassen die betreffenden Kennzahlen deutlich unter- oder überschreiten.
Die Ergebnisse der Bestimmung von Volumen/Biomasse-Relationen für die beiden repräsentativen Hecken, zeigt die nachfolgende Tabelle.
*aus dem terrestrischen Laserscanning gewonnen
75 Im Mittel befanden sich in einem Kubikmeter Hecke rund 2.18 kg trockene Holzbiomasse,
was gemäß ÖNorm M7133 rund 0,0048 SRM Hackschnitzel entspricht. Diese Daten können
zusammen mit Literaturwerten, wie sie zum Beispiel von Wenzelides (2008) für verschiedene
Heckentypen veröffentlicht wurden, genutzt werden um für den Landkreis Göttingen und die
Bioenergieregion Thüringer Ackerland Hochrechnungen zum Biomassepotenzial aus dem
Offenland zu stützen.
Die Verwendung des terrestrischen Laserscanners ermöglicht erstmals den tatsächlich besetzten Wuchsraum einer Hecke zu bestimmen und somit geerntete Holzmassen direkt auf
diesen zu beziehen. Bisher ist es üblich auf Basis von Grundfläche und Höhe quaderförmige
Volumina mit der Biomasse in Beziehung zu setzen (z.B. Cremer und Konold 2007, im Mittel
0,002 SRM Hackschnitzel pro m³ Hecke), was vereinzelt zu großen Fehlern führen kann. Im
Rahmen des vorliegenden Projektes konnte die Methodik zu einer genauen Beschreibung
des Biomasse-Volumen-Verhältnisses entwickelt und erfolgreich getestet werden.
Tabellarische Übersicht geplanter Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Entwicklung eines geeigneten Scandesign zur Erfassung der Datengrundlage für
Biomasseschätzungen in
dichten Beständen
Verfahren ist erfolgreich getestet worden für:
1. Mittelwald (2011)
2. Eichen-Plantage (2012)
3. Pappel-Kurzumtriebsplantage (2013)
und erlaubt in Verbindung mit allometrischen Modellen
auch direkte Biomasseschätzungen.
Anwendung und Evaluierung
des Konzepts auf Probeflächen
Erfolgt für Mittelwald und Niederwald
- Mittelwald abgeschlossen (Publiziert)
- Niederwald abgeschlossen (Publiziert)
- KUP abgeschlossen (Publiziert)
Anwendung des Konzepts
auf weitere Bestandesformen, wie etwa Hecken,
Waldränder
- Bestandesformen ohne klare Stammstrukturen erwiesen
sich als ungeeignet. Dies betrifft z.B. Hecken und Waldränder. Hier können zwar Strukturdaten gewonnen werden, Biomasseschätzungen sind aber derzeit nicht möglich.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Wegen der kurzen Vorlaufzeit zwischen Genehmigung und Beginn des Forschungsvorhabens konnte die Arbeit erst mit erheblicher Verzögerung begonnen werden, da sich die Ausschreibungen und die Einstellungen von MitarbeiterInnen erheblich verzögert haben. Aus
diesem Grund wurde die Laufzeit des Arbeitspaketes bis zum 31.05.2014 verlängert. Die
Finanzmittel hierfür wurden aus dem AP zur Verfügung gestellt (kostenneutrale Verlängerung).
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
Bereitstellung eines hocheffizienten, vollautomatisierten Verfahrens zur nicht-destruktiven
Bestimmung der Biomasse von Mittelwäldern, KUPs (und anderer Plantagen).
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben


Enge Zusammenarbeit bei der Erhebung von Biomassedaten in verschiedenen Beständen bestand mit dem Arbeitspaket IO-A3 (siehe Arbeitsbericht)
Biomassebestimmungen an den Hecken wurden in Zusammenarbeit mit IO-H2 durchgeführt
76 


Die Entwicklung des Algorithmus zur Bewertung des Pflegezustandes von Hecken erfolgte in Zusammenarbeit mit IO-H 3 (B. Krause)
Die Klassifizierung der mehr als 400 Waldränder auf Luftbildbasis erfolgte in Zusammenarbeit mit IOH2 und IOH3 im Rahmen des gemeinsam durchgeführten „Anwendungsorientierten Projekts im Bachelorstudiengang WS 2012/13“ unter Mithilfe von 8 studentischen Teilnehmern.
In der letzten Projektphase (2013-2014) wurde zusätzlich zu den bereits bekannten Kooperationen mit IOH3, IOH2, und IOA3 gemeinsam mit Norbert Lammersdorf und Gerald
Busch wurde ein Forschungsantrag beim FNR eingereicht bei dem die Verwendung des
im Rahmen von IOH1 entwickelten Verfahrens ein zentraler Baustein ist. Das Verfahren
würde, Genehmigung vorausgesetzt, für ein regelmäßiges Monitoring von Zuwächsen in
KUP’s eingesetzt werden.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Seidel D, Albert K, Fehrmann L, Ammer C (2012). The potential of terrestrial laser scanning
for the estimation of biomass in coppice-with-standard systems. Biomass and Bioenergy
47: 20-25.
Seidel D, Albert K, Ammer C, Fehrmann L, Kleinn C (2013). Using terrestrial laser scanning
to support biomass estimation in densely stocked young tree plantations. International
Journal of Remote Sensing 34 (24): 8699-8709.
Seidel D and Ammer C (2014). Efficient measurements of basal area in short rotation forests
based on terrestrial laser scanning under special consideration of shadowing. iForestBiogeoscience and Forestry (Early view: doi: 10.3832/ifor1084-007).
Seidel D and Ammer, C. (in review): Supporting the use of woody energy crops through efficient stand assessment via terrestrial laser scanning (Best Abschlusspublikation in Buchform).
77 Arbeitspaket:
IO-H 2
Thema:
Biomasse Offenland
Antragsteller
Prof. Dr. C. Kleinn
Institut:
Abt. Waldinventur und Fernerkundung, Burckhardt-Institut,
Universität Göttingen
Dauer:
01.02.2011 –31.12.2013 (abgeschlossen)
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. Dominik Seidel
Projektziele
Oberziel des Projektes war die Verbesserung der wissenschaftlichen Datengrundlage zu
Biomassevorräten und –produktivität von Offenlandgehölzstrukturen im Untersuchungsgebiet. Diese Datengrundlage ist Voraussetzung für „evidenzbasierte“ Entscheidungen im Rahmen der Entwicklung von effizienten und nachhaltigen Bewirtschaftungsansätzen.
Die technischen Ziele unter diesem Oberziel umfassten:
•
•
•
•
Die Entwicklung von angepassten Inventurverfahren zur stichprobenbasierten Erfassung
von vorhandenen Gehölzen im Offenland sowie vorhandenen Flächenpotenzialen für den
gezielten Anbau von Biomasse,
Die Einrichtung eines Netzes von permanenten Stichproben zum langfristigen Monitoring
von Veränderungen und Dynamik von Offenlandgehölze,
Die Abschätzung von mittleren Biomassedichten für verschiedene Klassen von vorhandenen Gehölzstrukturen (Hecken, Büsche, Bäume außerhalb Wald),
Die Integration von flächendeckenden Fernerkundungsdaten (RapidEye), Luftbild-Stichproben und terrestrischen Inventuren zur Erstellung von Biomassekarten im Offenland.
Arbeitsbericht 2011-2013:
Nach erfolgreicher Beschaffung aller Datengrundlagen im Frühjahr und Sommer 2011 (Luftbilder, Satellitenbilder, digitale Geländemodelle, Landnutzungskarten etc.) konnte schon im
selben Jahr mit der Kartierung von 4.460 ha Land im Landkreis Göttingen begonnen werden.
BERTA folgte im Sommer 2012. Alle Feldarbeiten geschahen in Zusammenarbeit mit IO-H3,
wobei ein gemeinsames Stichproben und Probeflächendesign sowie koordinierte Kartierarbeiten zu großen Synergieeffekten geführt haben.
Im Landkreis Göttingen wurden innerhalb von 279 systematisch verteilten Probeflächen (4x4
km Raster) zu je 16 ha alle Biotoptypen und Offenlandgehölze erfasst. In Berta waren es 140
Probeflächen von jeweils 16 ha. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf den Offenlandgehölzen (Erfassung der Höhe, Artenzusammensetzung, Fläche u.v.a.m.). Durch die Digitalisierung und Einarbeitung der Daten in ein geographisches Informationssystem wurde eine umfangreiche Sammlung von Referenzdaten zur Validierung verschiedener Stichprobenverfahren für Offenlandgehölze erstellt.
78 Abbildung1: Stichprobenraster in den beiden Untersuchungsgebieten. Ein Beispiel für eine Probefläche ist exemplarisch dargestellt (Original-Luftbild und interpretierte Probefläche)
Der in Kooperation mit IOH-1 geplante Einsatz des terrestrischen Laserscannings für die
Biomassebestimmung von Feldgehölze, Baumreihen etc. während der Kartierarbeiten im
Gelände wurde getestet, erwies sich dabei aber als wenig effizient, so dass anderen Methoden der Vorzug gegeben wurde.. Zur weiteren Verwendung der Methode für Biomassenabschätzungen an Offenlandgehölzen muss auf weitere Fortschritte im TP IO-H1 gewartet werden. Die Erfolgsaussichten werden als eher gering eingestuft, da die flächige Ausdehnung
zusammen mit der dichten innere Wuchsstruktur der meisten Offenlandgehölze die Möglichkeiten des terrestrischen Laserscanning letztlich überfordert; es gibt derzeit keine Algorithmen, die es erlauben würde, aus den im TLS erzeigten Punktewolken die Biomasse oder
auch nur die wichtigsten biomasserelevanten Strukturvariablen dieser Feldgehölze abzuleiten.
Insgesamt standen Ende 2012 4.464 Hektar detailliert kartierter Fläche aus dem Landkreis
Göttingen und weitere 2.240 ha aus Berta als Grundlage für weitere Analysen zur Verfügung.
Das dazu verwendete Stichprobenraster kann auch für nachfolgende Untersuchungen verwendet werden.
Ein Vergleich der statistischen Effizienz von sechs verschiedenen Stichprobenverfahren zur
Erfassung von Landschaftselementen, insbesondere der Offenlandgehölze, erfolgte Anfang
2013. Auf Basis der vollständigen Kartierung innerhalb der Probeflächen wurden die sechs
Probeflächenvarianten (Abbildung 2) hinsichtlich ihrer Schätzgenauigkeit bei der Bestimmung
der Flächenanteile von Offenlandgehölzen verglichen. Als Offenlandgehölze (wood outside
forest, Abk. WOF) wurden dabei die folgenden Gehölz-Strukturen des Offenlandes definiert:
Feldgehölze, Hecken, Einzelbäume, Baumreihen, Gebüschgruppen sowie Straßenbegleitgrün.
79 Abbildung 2: Illustration der sechs getesteten Probeflächenvarianten zur Erfassung von Landschaftselementen.
Neben fünf Varianten des Line Intercept sampling (A-E) wurden auch eine punktbasierte Variante mit Clustern von jeweils acht Probepunkten getestet (F). Dazu wurden jeweils die Anfangs- und Endpunkte der vier 100 Meter langen Linien aus Variante D verwendet. Insofern
wurde hier der methodisch sehr interessante Vergleich von Punktclustern und Linienabschnittsverfahren basierend auf denselben Linien durchgeführt. Insbesondere bei einer potentiellen Anwendung im Gelände wäre natürlich der Zeitaufwand zur Durchführung der beiden Verfahren sehr unterschiedlich.
Tabelle 1 gibt einen Überblick über die geschätzten Flächenanteile der erfassten Landnutzungsklassen (geschätzte Mittelwerte und geschätzte relative Standardfehler der Schätzung)
für die beiden Untersuchungsgebiete.
Aufgrund des kleineren Stichprobenumfangs (140 statt 279) sind zwar in BERTA alle Schätzfehler höher als in Göttingen, die generelle Vergleichbarkeit (Rangordnung) der Verfahren ist
aber gleichwohl gegeben, Eine einheitliche Rangordnung der verschiedenen Verfahren zwischen den beiden Regionen ist nicht ersichtlich, was aber aufgrund der unterschiedlichen
Populationen (d,h, vor allem der räumlichen Strukturen der beiden Untersuchungsgebiete)
nicht überrascht, Einige generelle Aussagen zur Genauigkeit der Verfahren lassen sich jedoch ableiten: So ist zum Beispiel zu erkennen, dass das Probeflächen-Design mit dem
Cluster von Punkten (F), welches das kostengünstigste der hier getesteten Verfahren wäre,
geringere Schätzfehler aufweist als beide Line Intercept Verfahren mit nur einer Linie, Dies
deckt sich mit den Erwartungen für bestimmte Gehölzstrukturen im Offenland, Generell treten
bei jenen Verfahren, die eine größere räumliche Streuung erfassen können (C,D,E,F) geringere Fehler auf, Auch dieser empirische Befund lässt sich theoretisch begründen,, Für das
Untersuchungsobjekt „Offenlandgehölz“ zeigt sich dies deutlich in beiden Testgebieten, anders als bei flächigen Landnutzungsformen wie zum Beispiel Wald.
80 Tabelle 1: Ergebnisse der Stichprobensimulationen zur Schätzung der Anteile (%) der Flächenklassen. In Klammern: relativer Standardfehler. (WOF= wood outside forest = engl. Sammelbegriff für Offenlandgehölze)
Göttingen
Vollkartierung
A
B
C
D
E
F
Acker
39,31 (5,46%)
38 (6,52%)
39,58 (5,99%)
40,37 (5,62%)
39,99 (5,57%)
39,6 (5,9%)
39,56 (5,62%)
Wald
35,87 (6,77%)
35,89 (7,45%)
35,88 (7,11%)
35,51 (6,98%)
35,88 (6,83%)
35,86 (7,14%)
35,57 (6,93%)
Grünland
8,05 (9,05%)
8,61 (13,7%)
7,66 (12,18%)
8,13 (10,52%)
7,83 (10%)
7,84 (11,75%)
8,38 (10,33%)
Siedlung
11,91
(10,89%)
12,59
(12,62%)
12,07
(11,92%)
11,61
(11,39%)
11,66
(11,25%)
11,87
(11,86%)
11,78
(11,55%)
Saum
2,48 (6,41%)
2,59 (13,39%)
2,6 (10,04%)
2,04 (9,47%)
2,31 (8,25%)
2,49 (9,17%)
2,37 (15,46%)
Gewässer
0,2 (50,35%)
0,02 (82,1%)
0,23 (70,72%)
0,15 (62,8%)
0,16 (55,84%)
0,2 (57,78%)
0,22 (52,67%)
WOF
2,18 (11,59%)
2,3 (17,75%)
1,98 (18,97%)
2,18 (15,7%)
2,16 (13,95%)
2,15 (14,62%)
2,11 (16,1%)
BERTA
Vollkartierung
A
B
C
D
E
F
Acker
75,73 (3,53%)
74,23 (4,38%)
75,14 (3,89%)
75,48 (3,75%)
75,99 (3,65%)
74,96 (3,88%)
74,55 (3,78%)
Wald
5,59 (29,01%)
5,94 (30,68%)
6,2 (28,83%)
5,97 (29,11%)
5,67 (29,08%)
5,92 (29,45%)
5,63 (30%)
Grünland
3,55 (25,37%)
4,7 (29,55%)
3,39 (29,31%)
3,9 (27,76%)
3,76 (27,06%)
3,76 (30,47%)
3,84 (28,76%)
Siedlung
9,13 (20,21%)
9,61 (22,14%)
9,76 (20,69%)
9,11 (20,96%)
9,3 (20,54%)
9,31 (21,38%)
9,64 (19,95%)
Saum
2,27 (30,92%)
1,88 (39,11%)
1,94 (35,22%)
2,11 (34,4%)
2,05 (34,67%)
2,25 (31,96%)
2,32 (35,2%)
Gewässer
0,85 (83,62%)
0,79 (91,14%)
0,78 (91,37%)
0,82 (87,66%)
0,78 (91,75%)
0,83 (85,79%)
0,8 (89,5%)
WOF
2,88 (25,43%)
2,85 (33,15%)
2,79 (29,56%)
2,61 (29,78%)
2,46 (29,27%)
2,97 (25,39%)
3,21 (26,85%)
Um eine räumlich explizite Hochrechnung der Biomassepotentiale für die jeweils gesamten
Untersuchungsgebiete vornehmen zu können (Projektziel: Biomassekarte), bedarf es jedoch
flächendeckender Informationen über die Verteilung der Feldgehölze,
Hierzu wurden zunächst objektorientierte Verfahren zur Erkennung von Offenland-gehölzen
in hochaufgelösten Luftbildern getestet, Es konnte gezeigt werden, dass unter Verwendung
der Software E-Cognition vielversprechende Offenlandgehölzkartierungen prinzipiell möglich
sind (s, Abbildung 3), Die getesteten Verfahren erwiesen sich jedoch als nicht ausreichend
automatisierbar, um eine Fläche von insgesamt rund 1,650 km² zu prozessieren, da der hohe
Detailgrad der Luftbilder zu zahlreichen Fehlklassifizierungen führte, die eine aufwendige
Nachbearbeitung unbedingt notwendig machten,
Abbildung 3: Luftbildausschnitt einer Probefläche (links) und die entsprechende Kartierung in Gehölze und nicht-Gehölze (rechts) als Resultat einer objektorientierten Luftbildauswertung mit E-Cognition,
81 Auch RapidEye Bilddaten erwiesen sich für diesen Zweck als ungeeignete Datengrundlage:
Eine Vorstudie auf Basis von acht Gemeinden im Landkreis Göttingen, für die eine vollständige Kartierung im GIS durchgeführt wurde, ergab hierbei, dass nur rund 37% der kartierten
Gehölze auch in RapidEye Bildern identifiziert werden konnten! Der Großteil der Gehölze im
Offenland erreicht nicht die Flächenausdehnung die für eine sichere Identifizierung als Gehölz in den RapidEye Bildern notwendig wäre (5 mal 5 Meter = 1 Pixel; 2-3 Pixel -> sichere
Identifizierung), Zudem kam es häufig zu Falschidentifizierungen von Maisfeldern, da diese
ähnliche spektrale Signaturen aufweisen wie einige Gehölztypen, z,B, Gebüschgruppen, Es
wurde daher die Entscheidung getroffen, eine flächendeckende manu-elle Kartierung aller
Offenlandgehölze auf Grundlage geeigneter Luftbilder durchzuführen,
Die vollständige Kartierung aller Offenlandgehölze im Landkreis Göttingen und in BERTA
unter Verwendung von QGIS und Luftbildern aus dem „Bing aerial maps“-Plugin konnte Anfang 2014 abgeschlossen werden (Berta wurde vom Kooperationspartner IOH3 beendet),
Für die Kartierarbeiten wurden zunächst jene Gebiete als Offenland definiert, die nicht im
ATKIS als Wald oder Siedlungs- bzw, Verkehrsfläche ausgewiesen sind,
Am Beispiel des LK Göttingen wurde eine Biomassehochrechnung durchgeführt, Insgesamt
konnten dort 61,029 einzelne Gehölze-Objekte identifiziert werden (siehe Abbildung 4) welche eine Gesamtfläche von rund 24,35 km² (2,17% des LK) bedecken, Im direkten Vergleich
mit den Ergebnissen aus der Stichprobeninventur (24,37 km² bzw, 2,18% des LK, siehe
Fehrmann et al, 2014) zeigten sich also nur geringe Abweichungen.
Abbildung 4: Beispiel für manuelle Kartierung der Offenland-Gehölze,
Alle Gehölze wurden auf Basis ihrer Form und Größe klassifiziert, um eine genauere Unterteilung hinsichtlich der zu erwartenden jährlichen Biomasseproduktion zu erreichen (siehe
Tabelle 2), Details zur Klassifizierungsmethodik finden sich in Seidel et al, (in Vorbereitung)
da sie den Umfang dieses Berichtes sprengen würden.
Tabelle 2: Klassifizierung der Offenland-Gehölzstrukturen
Klasse
E
L
F
Beschreibung
Einzelobjekt (Baum,
Strauch)
Lineare Objekte (Hecke, Baumreihe)
Flächige Objekte
(Feldgehölze, Baumgruppen)
Klassifizierung über
Mittlerer Biomasseertrag*
Größe
3 t/ha/Jahr
Größe u. Form
7 t/ha/Jahr
Größe u. Form
6,55 t//ha/Jahr
*Walther und Bernath 2009; Brändel und Herold 1999; Kaltschmitt 2001
82 Die aus der Stichprobeninventur gewonnenen Gehölzpolygone (Shape-File) wurden für eine
Hochrechnung der jährlichen Biomasseproduktion im LK ebenfalls in die oben genannten
Biomasseklassen E, L und F überführt, Dies erfolgte auf Basis des BfN-Schlüssels zur Biotoptypenkartierung und ist in Tabelle 3 verdeutlicht,
Tabelle 3: Zur Kompatibilität der Offenland-Gehölz-Klassen nach BfN Schlüssel und der hier verwendeten Biomasseklassen
Typ
BfN Schlüssel
Merkmale
Biomasseklasse
Strauchhecke
6110
strauchdominiert
L
Strauchbaumhecke
6140
Bäume und Sträucher
L
Baumhecke
6150
Baumdominiert
L
Verkehrsbegleitgrün
4790*
L
Feldgehölz A
6210-6219
Gehölze an Wegen,
Schienen etc,
Baumdominiert
F
Gebüschgruppe
6220
Gebüschdominiert
F
Busch
6230
Einzelner Busch
E
Baumreihe oder Allee
63x2 and 63x3**
Einzelbäume in Reihe
L
Baumgruppe
63x1**
F
Obstbaumgruppe
6370
Einzelbaum
6410,6420,6430
Baumgruppe ohne
Gebüsche
Streuobstwiesen, Obstplantagen
Solitärbaum
F
E
*4790 ist eine Kombination aus 47,2 und 9280 im BfN-Schlüssel
**x steht für alle Zahlen zwischen 1 und 7
Die Berechnungen der jährlichen Biomasseproduktion auf den Gehölzflächen auf Basis der
zwei verschiedenen Ansätze (flächendeckende Kartierung vs, Stichprobeninventur) kommen
zu ähnlichen Ergebnissen, Während die Stichprobeninventur einen Biomassezuwachs von
15,638 t pro Jahr schätzt, ergab die flächenhafte Kartierung einen geringfügig abweichenden
Wert von 15,714 t pro Jahr, Berücksichtigt man Konversionsverluste von rund 25%, ließe
sich daraus ableiten, dass potentiell rund 223 TJ Energie bereitgestellt werden könnten, Dies
entspräche rund 0,89% des Energiebedarfs des Untersuchungsgebietes, Verluste durch die
verbrauchte Energie bei Ernte und Transport sind hierbei nicht berücksichtigt, so dass der
tatsächlich Energiegewinn bei rein energetischer Nutzung der Gehölzzuwächse noch erheblich kleiner wäre,
Auf Basis der Informationen zur räumlichen Lage, die aus der flächenhaften Kartierung gewonnen wurden, erfolgte schließlich die Untersuchung der Erreichbarkeit der Gehölze, wie
sie zum Beispiel im Falle einer Ernte von Interesse wäre, Mit Hilfe detaillierter Informationen
zur Straßeninfrastruktur aus ATKIS wurde im GIS ermittelt, ob eine Straße in direkter Nähe
(max, 5 m) zu einem Gehölz liegt, und wenn ja, von welchem hierarchischen Typ diese Straße ist, Dabei wurde unterschieden zwischen Autobahn, Bundesstraße, Landstraße, Kreisstraße, Gemeindestraße, untergeordneter Straße und Feldweg (nicht befestigt).
Es zeigte sich, dass 62,7% aller Gehölze bzw, 77,5% der vorhandenen Biomassezuwächse
über eine Straße in weniger als 5 m Entfernung erreichbar wären, Bei rund 63% dieser Gehölze wäre jedoch die Verwendung von unbefestigten Straßen unumgänglich, Während rund
40% der erreichbaren Gehölze zum Biomassetype E (Einzelobjekte) gehören, waren nur
rund 5% flächige Gehölze und rund 18% lineare Strukturen in der Landschaft, Die linearen
Strukturen tragen jedoch mit rund 47% erheblich zur Biomasseerzeugung der gesamten erreichbaren Gehölze bei, sodass ihre systematische Nutzung eine realistische Option wäre,
Einzelne Objekte wie Bäume oder Büsche sind hingegen von geringer Bedeutung (3%), Den
83 höchsten energetischen Nutzen haben die zuwachsstarken und flächenhaften Gehölze, die
zwar selten sind, jedoch insgesamt rund 50% der Zuwächse der erreichbaren Gehölze erbringen.
Tabellarische Übersicht geplanter Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Sichtung der zur Verfügung stehenden Luftund Satellitenbilder und Bedarfsklärung
betreffend des Neuerwerbs von Fernerkundungsdaten, DGM´s, GIS-Daten etc,
Abgeschlossen, Luft- und Satellitenbilder
erworben und alle benötigten Daten im GIS
vereint.
Entwicklung von Modellansätzen zur Biomasseschätzung von Hecken und Feldgehölzen
Geplantes terrestrisches Scanverfahren
nicht effizient einsetzbar für Offenlandgehölze, Literaturstudie um Hochrechnung
von Biomassemengen auf Basis fernerkundlich erfasster Flächenverteilungen zu
ermöglichen.
Ausarbeitung eines geeigneten Inventurverfahrens zur Bestimmung der Biomasse im
Offenland und dessen Evaluierungsmöglichkeiten
Verschiedene Inventurverfahren wurden
getestet und verglichen, Effiziente und geeignete Verfahren mit geringen Schätzfehlern konnten identifiziert werden.
Fernerkundliche Erfassung aller Offenlandgehölze in den Untersuchungsgebieten
Vollständige Kartierung der Offenlandgehölze in beiden Untersuchungsgebieten
abgeschlossen.
Änderung des Forschungsansatzes und / oder der Arbeitshypothese
Terrestrisches Laserscanning ist nach Erkenntnissen von IOH-1 zur Erhebung der Biomassevorräte für Offenlandgehölze derzeit noch ungeeignet, Zwar konnten präzise Wuchsraumvolumina erstmals erhoben werden, direkte Biomassebestim-mungen waren aber nicht
möglich, Daher wird zur Hochrechnung der Biomasse-potenziale im hier vorgestellten Projekt
auf Literaturangaben zurückgegriffen,
Weiterentwicklung des Verwertungsplans


Kernziel des Projektes war über den gesamten Verlauf der Untersuchung die Erstellung
von Biomasseverteilungskarten für Offenlandgehölze für die beiden Untersuchungsgebiete, Im Verlauf des Projektes manifestierte sich ein hoher Bedarf an dieser Informatione
von Seiten des Landkreises, und auch von Landschaftsplanern und Naturschutzbehörden,
Auf Basis der flächendeckenden Gehölzverteilungskarten können Analysen des Biotopverbundes, der Landschaftsfragmentierung und der Biomassebereitstellung in den Untersuchungsgebieten durchgeführt werden, Beispielhaft wurde eine Analyse der Erreichbarkeit der Offenlandgehölze über das bestehende Straßennetz im LK Göttingen durchgeführt,
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Die Kartierarbeiten und Digitalisierungen der Daten in GIS erfolgten in Kooperation mit IOH3, IO-H3 übernahm nach Ende von IO-H2 auch die Vervollständigung der Arbeiten in BERTA (im April 2014 erfolgreich beendet),
84 Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets:
Fehrmann L, Seidel D, Krause B, Kleinn C (2014), Sampling for landscape elements - A case
study from Lower Saxony, Germany, Environmental Monitoring and Assessment 186:
1421-1430.
Seidel D, Busch G, Krause B, Bade C, Fessel C, Kleinn C (in review), Quantification of production potentials from woody biomass outside forests- a case study from Central Germany.
85 Arbeitspaket:
IO-H 3
Thema:
Optimierung der Ökosystemdienstleistungen von Gehölzstrukturen
im Offenlandbereich im Zuge bio-energetischer Nutzung (Ökosystemdienstleistungen Offenland)
Antragsteller
Prof. Dr. R. Bürger-Arndt
Institut:
Abt. Naturschutz und Landschaftspflege, Burckhardt-Institut,
Universität Göttingen
Dauer:
01.04.2011 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Krause, Benjamin
Wiss. Hilfskraft:
Ohse, Bettina
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Im Rahmen des Arbeitspaketes IO-H3 sollte ein praktikables und standardisiertes Inventurverfahren zur multikriteriellen Erfassung und Bewertung der verschiedenen Ökosystemleistungen von Offenlandgehölzen als Grundlage für ein nachhaltiges und multifunktionales Pflege- und Entwicklungskonzept im Zuge bioenergetischer Nutzung entwickelt werden.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Die ursprüngliche Projektplanung und der tatsächliche Arbeitsablauf sind der nachfolgenden
Übersicht zu entnehmen. Sie werden im Abschnitt „Arbeitsbericht“ näher erläutert.
Stand der Wissenschaft und Technik, auf dem aufgebaut wurde
Unter Ökosystemdienstleistungen versteht man gemäß dem Konzept des Millenium Ecosystem Assessment (2005): „The benefits people obtain from ecosystems. These include provisioning services such as food and water; regulating services such as regulation of floods,
drought, land degradation, and disease; supporting services such as soil formation and nutrient cycling; and cultural services such as recreational, spiritual, religious and other nonmaterial benefits.” Für Deutschland hat sich im Zuge von TEEB DE der Begriff Ökosystemleistungen durchgesetzt, womit die direkten und indirekten Beiträge von Ökosystemen zum
menschlichen Wohlergehen im Form von verschiedenen Versorgungsleistungen, Regulierungsleistungen und kulturellen Leistungen gemeint sind. Sie werden unterschieden von den
Basisleistungen der Ökosysteme, d.h. von den elementaren ökosystemaren Prozessen die
Voraussetzung für die Bereitstellung aller anderen Ökosystemleistungen sind (http://www.
naturkapital-teeb.de/glossar).
Das Konzept der Ökosystemleistungen ist die Grundlage des Bewertungsansatzes für Offenlandgehölze im Arbeitspaket IO-H3. Dieser Bewertungsansatz war neu zu entwickeln, da bis
dato keine entsprechenden Verfahrensansätze für Offenlandgehölze vorlagen.
Die hierfür erforderliche Erfassung der Gehölzstrukuren des Offenlandes erfolgte sowohl
luftbildgestützt (flächendeckend) als auch terrestrisch (repräsentativ). Dabei war es für die
Vorhaben IO-H2 und IO-H3 sehr hinderlich, dass die ursprünglich geplante Beauftragung
einer eigenen Befliegung zur Generierung der benötigten Fernerkundungsdaten (multispektral und laserscanning Daten) im Rahmen der clusterübergreifenden Abstimmung nicht
durchgesetzt werden konnte. Denn die Erfassung auf Grundlage von vorhandenen RapidEye
86 Tabelle 1: Arbeitsplanung und –ablauf im Teilprojekt IO-H3
1) Kalkulierter Projektbeginn: 4/2010; 2) tatsächliche Bearbeitung: 2/2011 bis 3/2014 (bei zweimonatiger Elternzeit (03.08.2012 - 02.10.2012) des
Projektbearbeiters und kostenneutraler Verlängerung bis 31.08.2014); +: zusätzliche Arbeitsschritte.h
Nr.
geplante Arbeitsphasen 1)
realisierte Arbeitsschritte 2)
Jahr
Quartal
2010
3
2011
4
1
2
3
2012
4
1
X
X
2
3
I
Vorbereitungs- und Konzeptphase
(Inventur- und Bewertungskonzept)
1
Überprüfung der Funktionsfähigkeit von MULBO und
Aufbau eines eigenen GIS-gestützten Informationssystems für die Projektgebiete (basierend auf Arc-GIS und
Q-GIS)
X
X
X
Erstellen und Abstimmung eines Katalogs der fernerkundlich zu erfassenden Gehölzstrukturen (Biotoptypenschlüssel) und Abklärung der durch terrestrische
Inventur zu identifizierenden Merkmale (in Kooperation
mit IO-H2)
X
X
X
X
X
X
X
Literatur-basierte Entwicklung und fortlaufende Anpassung eines Inventurkonzepts zur multikriteriellen Erfassung und Bewertung von Gehölzstrukturen des Offenlands (Bestandesebene)
X
X
X
X
X
X
X
2
3
4
Konzeption zur Abschätzung von Raumwirkungen /
Distanzeffekten für einzelne Schutz- und Erholungsfunktionen für die Landschaftsebene
87 2013
4
1
2
X
X
X
X
X
X
X
3
X
2014
4
1
X
X
X
X
X
2
3
X
X
II.
Inventurphase
(repräsentative + flächendeckende Gehölzkartierung)
5
terrestrische Merkmalserfassung (Kartierung) der in den
Kacheln vorkommenden Gehölzstrukturen
+
repräsentative Erfassung von Waldrandsituationen
+
fernerkundungsbasierte Erfassung aller Offenlandgehölze in den beiden Untersuchungsräumen
III.
Datenverarbeitungs- und Auswertungsphase
(Karte der Ökosystemleistungen von Gehölzstrukturen
auf Bestandesebene)
6
fortlaufende Integration der erhobenen Daten und weitere räumliche Analysen in GIS
7
multikriterielle Bewertung der Ökosystemleistungen
inventarisierter Gehölzstrukturen (Bestandesebene)
8
multikriterielle Bewertung der Ökosystemtleistungen auf
Landschaftsebene
IV.
9
X
X
X
X
X
+
+
+
+
X
X
X
X
X
X
X
X
X
+
+
+
+
+
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Erprobungs- und Beratungsphase
(Maßnahmenkatalog mit good practice Beispielen)
Aufbereitung von Pflegeverfahren auf der Grundlage
von Literaturrecherche und Praxiserfahrungen
10
Naturschutzfachliche Pflege- und Entwicklungsplanung
zur Optimierung der Ökosystemleistungen
+
Wissenschaftliche Begleitung (Dokumenation und Evaluation) exemplarischer Waldrandpflege-Maßnahmen
V.
Abschluss- und Veröffentlichungsphase
11
Erstellung von Arbeitsberichten (B) / Publikationen (P)
X
X
X
X
88 X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
+
+
X
X
+
X
X
X
Bilddaten aus dem Projekt IO-H2 erwies sich aufgrund einer zu großen Zahl an Fehlklassifizierungen als nicht praktikabel, während die heterogene Datengrundlage vorliegende Luftbilder
(mit unterschiedlichen Luftbildquellen und Aufnahmezeiten) im Rahmen einer flächendeckenden Inventur nur eine grobe Ansprache mit den Kategorien Einzelobjekt, längliches Objekt und
flächiges Objekt zuließ.
Das „Multikriterielle Landschaftsbewertungs- und Optimierungsverfahren MULBO“, das ursprünglich für die weitere GIS-gestützte Analyse eingesetzt werden sollte (Meyer 2006, Meyer
und Grabaum 2008, www.mulbo.de/handbuch_index.html) stellte sich bei genauer Betrachtung als nicht geeignet heraus. Die hier entwickelten Erfassungs- und Bewertungsansätze
waren deutlich zu grob für die detaillierten Informationen aus der terrestrischen Bestandeserfassung. Stattdessen wurde eine ACCESS-Datenbank erstellt und mit dem projektinternen
Arc-GIS-Projekt verknüpft. Durch die enge Kooperation mit dem Teilprojekt IO-H2 (Dr. Dominik
Seidel) wurde das Arc-GIS-Projekt laufend erweitert. Information aus diesem gingen ebenfalls
in das Beratungstool von Teilprojekt UP 3 (Jan C. Thiele) ein.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Im Gegensatz zu eher grob und großräumigen abschätzenden Verfahren zur Ansprache von
Ökosystemleistungen auf landschaftlicher Ebene (Burckhard et al. 2009, 2012, 2013, 2014) beruht das entwickelte Verfahren auf die Verwendung von detaillierten Strukturparameter als
Indikatoren auf der Objektebene der Offenlandgehölze. Dabei werden im Unterschied zu bisherigen Bewertungsverfahren, die sich v.a. Biodiversitätsaspekten widmen (wie z.B. Bewertungsansatz für Waldränder von Krüsi (Krüsi und Schütz 1994, Krüsi et al. 2010, Tidow et al.
1997) eben auch weitere Ökosystemleistungen angesprochen. Gestützt auf den wissenschaftlichen Kenntnisstand zur ökologischen Funktionsfähigkeit und zu den ökologischen Wirkungen
von Offenlandgehölzen im Landschaftshaushalt konnten zahlreiche Zustandsparameter für die
Einschätzung ihrer Ökosystemleistungen identifiziert und deren Ausprägung in einem Bewertungsansatz zusammengeführt werden. Das entwickelte standardisierte Verfahren ermöglicht
nicht nur die Leistungsansprache und den Vergleich zwischen verschiedenen Gehölzstrukturen unter Rückführung auf die dafür entscheidenden Zustandsparameter. Durch die flächengenaue Kartierung gestattet es auch eine bilanzierende Betrachtung des Dargebotes von
Ökosystemleistungen in verschiedenen Landschaftsausschnitten oder in den beiden Untersuchungsräumen („Bioenergieregionen“). Angesichts der gemeinsamen Datengrundlage und
Kooperation mit den Teilprojekten IO-H1 und IO-H2 lassen sich diese Ergebnisse zusammen
mit den Biomassepotenzialen raumbezogen darstellen und können damit als Grundlage für ein
multifunktional optimiertes Flächenmanagement dienen.
Arbeitsbericht
Das Projekt startete Anfang März 2011 mit 4-monatiger Verzögerung gegenüber dem ursprünglich geplanten Projektbeginn und 2-monatigem Versatz gegenüber dem kooperierenden
Teilprojekt IO-H2.
Mit Blick auf die dadurch unmittelbar anstehenden Felderhebungen wurde zunächst in Kooperation mit dem Teilprojekt IO-H2 ein Katalog der zu erfassenden Flächennutzungs- und Gehölztypen (Biotoptypenschlüssel auf der Grundlage von Drachenfels 2011 und BfN 2002) zusammengestellt (Anhang 1). Parallel dazu erfolgte die Auswahl der bei der terrestrischen Erfassung und anschließenden multikriteriellen Bewertung der Offenlandgehölze zu berücksichtigenden Strukturparameter auf der Basis einer umfangreichen Literaturrecherche. Alle benötigten Informationen wurden in einem Kartierbogen für die Geländeerhebungen zusammengeführt (Anlage 2).
Mit der weiteren Vorbereitung und Ausführung der Geländearbeiten konnte aufgrund von Problemen bei der Finanzierung von Luftbildern erst Mitte Juni begonnen werden. Als Inventurpunkte für die repräsentative Gehölzkartierung wurden die 2 x 2 km BWI-Rasterpunkte für den
Wald in das Offenland erweitert. Für den LK-Göttingen ergaben sich damit 279 Aufnahmepunkte; für BERTA 140 (Abbildung 1). Sie bilden das Zentrum einer jeweils 400 x 400 m (16
ha) großen Stichprobenfläche, in der eine flächige Kartierung (Vollaufnahme) aller Biotoptypen
sowie die detaillierte Erfassung der Offenlandgehölze (u.a. Höhe, Struktur, Exposition, Alter,
89 Pflege, Gefährdungen, Arten - siehe Anhang 2) mittels des generierten Kartierbogens erfolgte:
Zunächst (2011) im Landkreis Göttingen, im Folgejahr (2012) in der Thüringer Ackerebene.
Abbildung 1: Probedesign und Erfassungsjahr für die Stichprobenflächen im Landkreis Göttingen und
in der Thüringer Ackerebene (BERTA)
BERTA 2012
LK- GÖ 2011
Die erhobenen Daten wurden im Anschluss an die terrestrische Kartierung in Arc-GIS digitalisiert und die Bestandesdaten fortlaufend in eine Access-Datenbank übertragen. Weiterführende Berechnungen und Analysen wurden in Arc-GIS und z.T. in Q-GIS durchgeführt. Die Digitalisierungen der Kachelflächen und die Eingabe der Geländebögen konnten Ende 2012 für beide Modellregionen abgeschlossen werden und lagen damit aufbereitet für weitere Analysen
und den Vergleich der beiden Untersuchungsräume vor.
Weitere Geländerarbeit erfolgte in 2013 durch einzelne terrestrische Überprüfung der am Luftbild ausgewerteten Waldränder.
Mit Blick auf ihre räumlich-strukturelle und funktionale Ähnlichkeit mit den untersuchten Offenlandgehölzen wurden im Winter 2012/13 im Rahmen einer Lehrveranstaltung und in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt IO-H2 auch die Waldränder in den Stichprobenflächen näher
untersucht. Dabei standen die Funktionen, der räumliche Aufbau und die Luftbildinterpretation
zur Erfassung von Waldrändern im Vordergrund. Letztere erfolgte mit Hilfe eines modifizierten
Luftbild-Interpretationsschlüssels (Landesforstpräsidium Sachsen 2003). Das Projekt wurde im
Frühjahr 2013 erfolgreich abgeschlossen, d.h. für beide Untersuchungsgebiete konnten sämtliche Waldränder in den Aufnahmeflächen erfasst und analysiert werden. Damit liegt eine essenzielle Ergänzung zur Abschätzung von nutzbaren Biomassepotentialen, zur raumkonkreten
Bewertung von Ökosystemleistungen sowie für die Biotopverbundplanung vor.
Zur Bewertung von Ökosystemleistungen der Offenlandgehölze auf Ebene der Einzelobjekte
wurde ab 2012 ein Punktwertverfahren entwickelt und fortlaufend optimiert. Es stützt sich auf
umfangreiche Fachliteratur zu deren Struktur und ökologischer Funktionsfähigkeit und es ermöglicht nicht nur die Ansprache einzelner Gehölzstrukturen sondern auch den Vergleich verschiedener Bestandestypen hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Ökosystemleistungen sowie
die Bildung von Mittelwerten für alle Gehölzstrukturen als Kennwerte für die verschiedenen
Stichprobenflächen oder vergleichend für die beiden Untersuchungsräume.
Für eine raumkonkrete Bewertung von Ökosystemleistungen auf landschaftlicher Ebene, die
nicht nur auf Hochrechnungen der Datensätze aus den Stichprobeflächen basiert, sowie für
Empfehlungen zu deren Optimierung ist allerdings eine vollflächige Erfassung und genaue
Verortung aller Gehölzvorkommen unerlässlich. Daher wurden in 2013 in Kooperation mit dem
Teilprojekt IO-H2 und mit studentischer Hilfe (Projektarbeit, HiWi-Verträge, Bachelorarbeiten)
sämtliche Offenlandgehölze in beiden Untersuchungsräumen in QGIS auf Grundlage vorhandener Luftbilder digitalisiert. Die sehr arbeitsintensive Erhebung konnte im April 2014 erfolgreich abgeschlossen werden, wobei die heterogene Datengrundlage (unterschiedlichen Luftbildquellen und Aufnahmezeiten) allerding nur eine grobe Ansprache mit den Kategorien Einzelobjekt, längliches Objekt und flächiges Objekt gestattete.
90 Der anschließende Versuch, diese Inventurdaten mit den sehr detaillierten Informationen aus
den Stichproben-basierten Felderhebungen zu verschneiden und so zu einer ganzflächigen
Einschätzung der Ökosystemleistungen der Offenlandgehölze, aber auch zu einer naturschutzfachlichen Pflege- und Entwicklungsplanung in den beiden Untersuchungsräumen zu
gelangen konnte dadurch leider nicht befriedigend gelöst werden.
Die Aufbereitung von Pflegeverfahren wurde auf Grundlage einer Literaturrecherche zusammengestellt und ist im Ergebnisteil zu finden. Der Vergleich der hier angegebenen Pflegeanleitungen mit dem aktuellen Zustand der Gehölze zeigt aus naturschutzfachlicher Sicht große
Defizite auf.
Mit Blick auf die Potenziale und Optionen für die Waldrand- und Heckenpflege im Zuge bioenergetischer Nutzung wurde zudem ein exemplarischer Pflegeingriff an einer Hecke zusammen mit einer Waldrand-Rückverlegung auf den historischen Stand von vor 40 Jahren in der
Nähe von Göttingen wissenschaftlich begleitet. Diese Kooperation wurde durch die Vermittlung durch die Energieagentur Region Göttingen (Dr. I. Mölder) ermöglicht. Der Waldrand war
aufgrund von natürlicher Sukzession weit in ein angrenzendes und sehr artenreiches Grünland
eingewandert und drohte dies in Kombination mit einer vorgelagerten Hecke auszukonkurrieren. Der Eingriff erfolgte im Februar 2014. Als Grundlage für die Bewertung von Ausgangszustand und weiteren Entwicklung wurde die Hecke entsprechend den übrigen Gehölzinventuren
mit dem detaillierten Geländebogen erfasst. Zudem erfolgte eine Dokumentation der vegetationskundlichen Ausgangssituation sowie der vegetationskundlichen Entwicklung des Waldrandes nach dem Eingriff mittels Transektaufnahmen.
Weiterhin war das Projekt IO-H3 mit je einem Vortrag bei der Informationsveranstaltung „Gehölze auf unserem Land? Produktion holziger Biomasse – Vereinbarkeit von Ökonomie und
Ökologie in Göttingen und bei dem 20-Jährigen Jubiläum des Deutschen Landschaftspflegeverbandes im Fachforum 4: Ökosystemdienstleistungen - vom Wert der Kulturlandschaftspflege für die Gesellschaft in Berlin vertreten.
Ergebnisbericht
Insgesamt wurde im Landkreis Göttingen eine Stichprobenfläche von 4460 ha vollflächig kartiert (knapp 4 % des gesamten LK). Hiervon entfallen 35,9 % (1600 ha) auf Wald und 11,9 %
(531 ha) auf Siedlungs- und Verkehrsflächen, so dass sich ein Offenlandanteil von 52,3 %
(2334 ha) ergibt. 4,2 % dieser Fläche ist mit Gehölzen bestanden, was einem Anteil von 2,2%
an der erfassten Gesamtfläche entspricht. Hochgerechnet auf den gesamten Landkreis ergibt
sich daraus eine Fläche von Offenlandgehölzen in der Größenordnung von gut 2400 ha.
Baumreihen, Feldgehölze und Strauch-Baumhecken sind hier die flächenmäßig am stärksten
vertretenen Offenlandgehölze. Auffallend ist der hohe Anteil an gewässerbegleitenden Gehölzstrukturen, die ca. 25 % aller erfassten Bestände ausmachen und damit gut 1 % des Offenlandbereichs abdecken.
In der Bioenergieregion BERTA wurden 2240 ha und damit ebenfalls ca. 4 % der Gesamtfläche vollflächig kartiert. Der Offenlandanteil liegt hier mit 85,3 % (1911 ha) deutlich über dem
Wert im LK Göttingen, während der Waldanteil mit 5,6 % entsprechend geringer ausfällt. Auch
der Gehölzanteil im Offenlandbereich ist mit 3,4 % und damit 2,9 % der kartierten Gesamtfläche geringer (Tabelle 2).
Die bei der repräsentativen terrestrischen Erfassung ermittelten Flächenanteile für Offenlandgehölze von 2,18% im LK Göttingen und 2,88% in der BERTA-Region konnten durch die flächendeckende, auf Luftbilder gestützte Kartierung bestätigt werden, die mit Flächenanteilen
von 2,17% für den LK Göttingen und 2,96% für BERTA zu nahezu identischen Werten kam.
Weitere Informationen sind im Abschlussbericht des Teilprojektes IO-H2 (Dr. D. Seidel) zu
finden.
91 Tabelle 2: Ergebnisse der Geländekartierungen in den beiden Bioenergieregionen aus den Jahren
2011 und 2012 - Angaben in % der kartierten Stichprobenfläche sowie *) des Offenlandbereiches
Acker
Wald
Grünland
Siedlung
Saum
Gewässer
Offenlandgehölze
*)
Göttingen
39,3
35,9
8,1
11,9
2,5
0,2
2,2
4,2
BERTA
75,7
5,6
3,6
9,1
2,3
0,9
2,9
3,4
Viele der Gehölzstrukturen in der BERTA-Region wurden erst um 1990 angelegt und sind zu
teilweise hohen Anteilen von gebietsfremden Arten dominiert. Beispielhaft sind hier Acer negundo und Robinia pseudoacacia zu nennen. Demgegenüber scheint eine Vielzahl der Gehölzbestände im LK Göttingen durch Sukzession entstanden zu sein. So lassen sich häufig
alte Weidezaunelemente im Inneren der Gehölze finden. Der Anteil an gebietsfremden Arten
ist deutlich geringer. Zudem sind viele Hecken sehr schmal und in einem schlechten Pflegezustand, so dass sie sowohl aus naturschutzfachlicher Sicht wie auch unter dem Aspekt der Biomassenutzung ihr Potential nicht entfalten können.
Die zu bewertenden Ökosystemleistungen wurden in Anlehnung an Naturkapital Deutschland
– TEEB DE (2012) in vier Kategorien eingeteilt:
Kategorie:
Versorgende Leistungen:
Ökosystemleistung:
Biomassepotential (erste Nutzung)
Biomassepotential (Folgenutzungen)
Nutzungspotential (= Biomassepotential - Restriktionen)
Regulierende Leistungen: Erosionsschutz (Wind)
Erosionsschutz (Wasser)
Uferschutz (bachbegleitend)
Kulturelle Leistungen:
Ästhetik (Landschaftselemente)
Basisleistungen:
Insektenbestäubung
Pflanzenschutz (biol. Schädlingsbekämpfung)
floristische Diversität
potentielle faunistische Diversität
Die Bewertung erfolgt jeweils unter Berücksichtigung einer Vielzahl an Indikatoren, die zum
einen bei der Geländearbeit und zum anderen durch GIS-Analysen ermittelt wurden.
Jeder Indikator wird entsprechend seiner in der Kartieranleitung genauer definierten Merkmalsausprägung in verschiedene Levels untergliedert, denen eine Punktzahl zwischen 0 und
100 entspricht. Zudem wird jeder Indikator entsprechend seiner Bedeutung gewichtet, wobei
die maximal erreichbare Punktzahl für die betreffende Ökosystemleistung bei 100 liegt. Der
jeweils erzielte Gesamtwert kann als Zielerfüllungsgrad (in %) gelten, der sich in die Klassen
sehr gutes (76-100%), gutes (51-75%), mäßiges (26-50%) und geringes ÖSL-Angebot übersetzen lässt. Auf diese Weise können sowohl die verschiedenen Ökosystemleistungen untereinander wie auch zwischen unterschiedlichen Biotoptypen und Gebieten miteinander verglichen werden.
Exemplarisch für dieses Vorgehen sind nachfolgend der jeweilige Bewertungsansatz und das
Bewertungsergebnis für die faunistische Diversität sowie für die ästhetische Wirkung dargestellt. Die Ergebnisse der Bewertung des Biomassepotentials (als Versorgungsleistung) werden im Bericht von Dominik Seidel (IO-H2) ausführlich präsentiert.
92 Tabelle 3 Beispielhafte Bewertung der Ökosystemleistung potentielle faunistische Diversität. D2 = Gehölzart, die regelmäßig in einem Bestand vorkommt, D3 = dominierende Gehölzart Indikator
Vernetzungsgrad (Proximity index)
Breite gesamt
Aufbau (Höhe)
Alter
besondere Strukturen
Totholz
Saumbreite
Blütenreichtum (Saum)
Artenabundanz von Arten zur Bienenweide /Insektenbestäubung
Artenabundanz vogelfrüchtige Arten
Artenabundanz dornige Arten (Dornsträucher)
Biotopverbund (Heckendichte)
Level
<0.3
0.3-0.6
>0.6
1-2m
2-4m
4-6m
6-8m
>8m
flächig
gleiche Höhe
leichte Höhendiff.
reich strukturiert
neu
bis 20 J.
21-50 J.
>50 J.
keine
Lesesteinhaufen
Graben
Bach
Hang
Senke
Zaun
fehlend
Haufen (d<10cm)
liegend (d>20cm)
stehend (d<20cm)
stehend (d>20cm)
fehlend
bis 1m
1-2m
2-4m
>4m
nicht vorhanden
fehlend-wenig
regelmäßig
blütenreich
keine
1 Art mit D2
2 Arten mit D2
3 Arten mit D2
mind. 1 Art mit D3
keine
1 Art mit D2
2 Arten mit D2
3 Arten mit D2
mind. 1 Art mit D3
keine
1 Art mit D2
2 Arten mit D2
3 Arten mit D2
mind. 1 Art mit D3
niedrig (< 25m/ha)
mittel (25 - 80m/ha)
hoch (> 80m/ha)
93 Punkte
0
50
100
0
20
40
60
100
100
10
50
100
15
90
100
60
0
100
100
100
50
50
0
0
50
75
25
100
0
25
50
75
100
0
33
66
100
0
33
66
100
100
0
33
66
100
100
0
33
66
100
100
0
50
100
Gewichtung
0.15
0.1
0.1
0.05
0.1
0.1
0.1
0.05
0.05
0.05
0.05
0.1
Abbildung 2: Beispielhafte Darstellung der potentiellen faunistischen Diversität für je 2 Stichprobenflächen der BERTA-Region und des LK Gö auf Grundlage der in Tabelle 3 aufgeführten Kriterien und
Gewichtungen. 0-25% = geringes ÖSL-Angebot; 26-50% = mäßiges ÖSL-Angebot; 51-75% = gutes
ÖSL-Angebot; 76-100% = sehr gutes ÖSL-Angebot.
Tabelle 4 Beispielhafte Bewertung der Ökosystemleistung ästhetische Wirkung. D2 = Gehölzart, die
regelmäßig in einem Bestand vorkommt, D3 = dominierende Gehölzart
Indikator
Anzahl der Landschaftselemente
pro Kachel (16ha)
Aufbau (Höhe)
Verlauf
Artenabundanz Blühaspeket /
Herbstfärbung
Blütenreichtum Saum
Level
keine
1-3
4-6
7-10
>10
gleiche Höhe
leichte Höhendifferenzierung
reich strukturiert
gerade
bogig oder leicht
gebuchet
stark gebuchtet /
flächig aufgelöst
keine
1 Art mit D2
2 Arten mit D2
3 Arten mit D2
mind. 1 Art mit D3
nicht vorhanden
fehlend-wenig
regelmäßig
blütenreich
94 Punkte
0
50
80
90
100
0
50
100
0
50
Gewichtung
0.5
0.1
0.1
100
0
33
66
100
100
0
33
66
100
0.2
0.1
Abbildung 3: Beispielhafte Darstellung der ästhetischen Wirkung (als kulturelle ÖSL) für je 2 Stichprobenflächen der BERTA-Region und des LK Gö auf Grundlage der in Tabelle 4 aufgeführten Kriterien
und Gewichtungen. 0-25% = geringes ÖSL-Angebot; 26-50% = mäßiges ÖSL-Angebot; 51-75% = gutes
ÖSL-Angebot; 76-100% = sehr gutes ÖSL-Angebot
Mittlere Prozentwerte
50
40
30
20
10
0
Göttingen
BERTA
Abbildung 4: Vergleich der durchschnittlichen floristischen Diversität (als Basisleistung) der bewerteten
Gehölzstrukturen (Hecken, bachbegleitende Gehölze, Feldgehölze) in beiden Untersuchungsräumen
95 Uferbegleitende Gehölzlänge [%]
100
80
60
40
20
0
Göttingen
BERTA
Abbildung 5: Durchschnittlicher Bestockungsgrad
Vergleich der durchschnittlichen Bestockung mit uferbegleitenden Gehölzen (Länge des mit
Gehölzen bestockten Uferbereiches je 100m Gewässerlänge - als regulierende ÖSL) in beiden Untersuchungsräumen
Eine raumkonkrete Einschätzung von Ökosystemleistungen der Offenlandgehölze auf landschaftlicher Ebene ließ sich infolge der dafür unzureichenden Datenlage verfügbarer Luftbilder
nicht realisieren. Zwar gibt die vollständige Erfassung der Gehölzvorkommen in beiden Untersuchungsräumen Auskunft über deren genaue Lage und Verteilung und ermöglicht damit z.B.
eine detaillierte und räumlich differenzierte Einschätzung der nutzbaren Biomassevorkommen
und der Erreichbarkeit der Bestände (siehe Bericht IO-H2, Dr. D. Seidel); für die fundierte Ansprache von anderen Ökosystemleistungen erwies sie sich jedoch als zu grob.
Die Aufbereitung von Hinweisen und Empfehlungen aus bisher veröffentlichten Pflegeverfahren lieferte ein sehr homogenes Ergebnis. Empfohlen werden durchgängig:
- Abschnittsweiser Rückschnitt (20-50m, max. 100m)
- „Auf den Stock setzen“ (bodennaher, sauberer Schnitt)
- Schonung von einzelnen Überhältern (Bestandesabhängig)
- Pflegeintervalle von 10-20 Jahren
- Pflegezeitraum Anfang Oktober bis Ende Februar
Im Gefolge einer solchen Pflege bilden sich dichte Bestände heraus, in denen aufgrund des
wiederkehrenden Lichtgenusses viele Arten vorkommen. Sie haben in der Regel nicht nur den
größten naturschutzfachlichen Wert sondern erfüllen auch dauerhaft eine Vielzahl an Ökosystemleistungen. Wichtig ist hierfür allerdings eine ausreichende Breite (mind. 2-4 m) der Bestände.
Bei den nur mäßig bis schlecht bewerteten Gehölzbereichen war häufig eine zu geringe Breite
zu bemängeln. Die Gehölze wurden meistens nicht auf den Stock gesetzt sondern lediglich
beidseitig beschnitten. Das Resultat waren häufig sehr schmale, durchlässige und überalterte
Offenlandgehölze die dadurch in ihrer Funktionsfähigkeit deutlich eingeschränkt waren.
Insgesamt ist davon auszugehen, dass eine adäquate multifunktional orientierte Pflege der
vorhandenen Gehölzbestände auch deren Biomassepotienzial befördert und nachhaltig sichert
und damit zu Ihrer Inwertsetzung beitragen kann. Dieses Potenzial ließe sich weiter ausbauen
durch die gezielte Neuanlage von Gehölzstrukturen, für die anhand der repräsentativen Stichprobenflächen ein unproblematisches Flächenpotenzial von 4,7% (LKGÖ) bzw. 2,7% (BERTA) der Offenlandfläche identifiziert werden konnte. Hierbei handelt es sich größtenteils um
gut zugängliche Ackerraine und lineare Saumstrukturen entlang der Wege, so dass keine Verluste an Wirtschaftsflächen entstehen. Durch den hohen Waldrandanteil (48 lfm/ha), vor allem
in Göttingen, und dem häufig einer Hecke ähnelnden Aufbau sollten diese Bereiche sowohl
aus naturschutzfahlicher als auch aus wirtschaftlicher Sicht in zukünftige Pflegemaßnahmen
96 involviert werden. Für die geregelte bioenergetische Nutzung wird wahrscheinlich nur ein kleinerer Teil geeignet sein.
Die Ergebnisse und das Verfahren zur Erfassung der Waldrandsituationen war allerdings nicht
zentraler Bestandteil des Projektes und aus Platzgründen hier nicht näher behandelt.
Tabelle 5: Ziele und Ergebnisse im Arbeitspaket IO-H3
Geplante Ziele
I. Entwicklung eines
Inventurkonzepts für
die multikriterielle
Erfassung und Bewertung der Ökosystemleistungen
von Gehölzstrukturen des Offenlands
Erreichte Ergebnisse
 Erstellung eines detaillierten Erfassungsbogens (Anhang 2) als Grund-



II. Repräsentative und
flächendeckende
Gehölzinventarisierung








III. Karte der Ökosystemleistungen von
Gehölzstrukturen



IV. Maßnahmenkatalog
mit good practice
Beispielen zur Pflege- und Entwicklungsplanung



lage für die Bewertung des Dargebotes an Ökosystemleistungen auf
der Grundlage von Zustandsparametern wie Artenzusammensetzung,
Alter, Höhe, Länge, Struktur usw. (basierend auf Literaturauswertung)
Erprobung und Optimierung anhand von Kartierungen im LK Göttingen
und in der Bioenergieregion BERTA
Identifikation der relevanten potentiellen Ökosystemleistungen und
Kategorisierung in: bereitstellend, regulierend, kulturell und unterstützend (in Anlehnung an das Konzept des „Millenium Ecosystem Assessment“)
Entwicklung und Erprobung eines Punktwertverfahrens zur Bewertung
des Dargebotes an verschiedenen Ökosystemleistungen auf der
Grundlage umfangreicher Literaturrecherche (ohne Abschätzung der
Raumwirkungen)
systematische Stichproben-basierte Kartierung auf ca. 4% der Fläche
vollflächiger Ansprache der umgebenden Landnutzungs-/Biotoptypen
Biotoptypenansprache der Gehölzstrukturen mit Hilfe eines modifizierten Biotoptypenschlüssels (teilweise Zusammenlegung von Biotoptypen)
Detaillierte Zustandserfassung mit Hilfe des erstellten Kartierbogens für
Offenlandgehölze
2011 für die Bioenergieregion Landkreis Göttingen
2012 für die Bioenergieregion BERTA in der Thüringer Ackerebene
Aufnahme und Analyse der Waldrandsituation durch den Luftbildinterpretationsschlüssel des Landesforstpräsidiums Sachsen (2003) im
Rahmen eines angewandten Bachelorprojektes in allen 419 Stichprobenflächen der beiden Bioenergieregionen als Zusatzleistung
Fernerkundungsbasierte, vollständige Erfassung von Lage und Umriss
aller Offenlandgehölze (Digitalisierung anhand von Luftbildern in QGIS)
in beiden Untersuchungsregionen
liegt für sämtliche Stichprobenflächen und beide Untersuchungsräume
vor als multikriterielle Bewertung der Ökosystemleistungen der inventarisierten Gehölzstrukturen (Bestandesebene).
Die Übertragung des entwickelten Bewertungsverfahrens auf die fernerkundlich flächendeckend erfassten Gehölzstrukturen ließ sich hingegen infolge mangelhafter und heterogener Datenlage nicht befriedigend
realisieren.
Dem entsprechend liegt auch keine Bewertung der Ökosystemleistungen auf der Landschaftsebene vor
Aufbereitung von Pflegeverfahren auf der Grundlage von Literaturrecherche und Praxiserfahrungen
Eine raumkonkrete naturschutzfachliche Pflege- und Entwicklungsplanung zur Optimierung von Ökosystemleistungen konnte angesichts der
begrenzt aussagefähigen flächendeckenden Gehölzkartierung nicht realisiert werden.
Wissenschaftliche Begleitung einer exemplarischen Waldrandrückverlegung bei Waake (Dokumentation des Ausgangs- und Folgezustandes; Angaben zum Holzertrag - als Zusatzleistung)
97 Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben




IO-H1 und IO-H2: Enge Zusammenarbeit bei Kartierungen, Digitalisierungen und GISaufbau
UP3: Dateneinspeisung
Energieagentur Region Göttingen (Teilprojekt UP 1, Dr. I. Mölder): Verstärkte Kooperation
und gegenseitige Unterstützung bei der Öffentlichkeitsarbeit; Gewinnung von Akteuren für
die Heckenpflege und Waldrandrückverlegung in Waake
UP4: Absprache zur Beurteilung von Ökosystemleistungen auf landschaftlicher Ebene
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Anstelle des ursprünglich geplanten GIS-gestützen Informationssystems MULBO wurde eine
ACCESS-Datenbank erstellt und mit dem Arc-GIS-Projekt verknüpft. Der Zeitplan konnte im
Hinblick auf Abfolge und Umfang der Arbeitsschritte eingehalten werden.
Die Laufzeit des Arbeitspaketes wurde bis zum 31.08.2014 kostenneutral verlängert.
Gründe für diese zeitliche Verschiebung lagen
 in einem deutlich verspäteten Arbeitsbeginn infolge der für die Stellenausschreibung und
Anwerbung von Projektmitarbeitern zu geringen Vorlaufzeit zwischen Genehmigung und
Start der Forschungsförderung
 in einer zweimonatigen Elternzeit des wissenschaftlichen Mitarbeiters Benjamin Krause
vom 03.08.2012 bis 03.10.2012, die nur zum Teil durch den Einsatz einer wissenschaftlichen Hilfskraft kompensiert werden konnte.
 durch den Promotionsbeginn der wissenschaftlichen Hilfskraft Bettina Ohse ab dem
01.03.2013 wurde ihre monatliche Stundenzahl reduziert und das so eingesparte Budget
zur Verlängerung des wissenschaftlichen Mitarbeiters genutzt
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspaketes
Fehrmann L, Seidel D, Krause B, Kleinn C. (2014). Sampling for landscape elements - A case
study from Lower Saxony, Germany. Environmental Monitoring and Assessment 186:
1421-1430.
Seidel D, Busch G, Krause B, Bade C, Fessel C, Kleinn C (2015). Quantification of biomass
production potentials from trees outside forests- a case study from Central Germany. Bioenergy Research. DOI10.1007/s12155-015-9596-z
Krause B, Ohse B, Bürger-Arndt R (2013). Ecosystem Services Supply of Hedgerows in a Cultural Landscape. Poster at the Ecosystem Services Partnership Conference, Bali, Indonesia.
Literatur
Drachenfels, O. v. (2011): Kartierschlüssel für Biotoptypen in Niedersachsen unter besonderer Berücksichtigung der gesetzlich geschützten Biotope sowie der Lebensraumtypen von Anhang I der FFHRichtlinie. Naturschutz Landschaftspfl. Niedersachs. Heft A/4. 1-326, Hannover.
Bundesamt für Naturschutz (2002): Systematik der Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierung (Kartieranleitung). Schriftenreihe für Landschaftspflege und Naturschutz Heft 73.
Burkhard, B., Kandziora, M., Hou, Y. & Müller F. (2014): Ecosystem Service Potentials, Flows and Demands – Concepts for Spatial Localisation, Indication and Quantification. Landscape online 34:132.
Burkhard, B., Crossman, N., Nedkov, S., Petz, K. and Alkemade R. (2013): Mapping and Modelling
Ecosystem Services for Science, Policy and Practice. Ecosystem Services 4: 1-3.
Burkhard, B., Kroll, F., Nedkov, S. and Müller F. (2012): Mapping supply, demand and budgets of ecosystem services.- Ecological Indicators 21,17–29.
98 Burkhard, B., Kroll, F., Müller, F. and Windhorst, W. (2009): Landscapes‘ capacities to provide ecosystem services – a concept for land-cover based assessments. Landscape Online 15: 1-22.
Krüsi, B. und Schütz, M. (1994): Schlüssel zur ökologischen Bewertung von Waldrändern. Beilage Inf.bl.
Forsch. Bereich Landsch: WSL 20.
Krüsi, B., Tenz, R., Arquint, D. und Grossmann, M. (2010): Praxishilfe für die Aufwertung von Waldrändern in der Schweiz. Broschüre: 1-52.
Landesforstpräsidium Sachsen (Hrsg.) (2003): Luftbild-Interpretation. Bestimmungsschlüssel für die
Beschreibung von strukturreichen Waldbeständen im Color-Infrarot-Luftbild. Schriftenreihe des LPF
26. Landesforstpräsidium, Pirna: 1-48.
Meyer, B.C. (2006): Entscheidungsunterstützung zur Umsetzung der differenzierten Landnutzung in
Bördelandschaften.- Naturschutz und Biologische Vielfalt 38. 87: 118.
Meyer, B.C. and Grabaum, R. (2008): MULBO - Model framework for multicritieria landscape assessment and optimisation – A support system for spatial land use decision. In: Landscape Research
33(2), 155 - 179.
Millennium Ecosystem Assessment (2005): Ecosystems and Human Well-being: Synthesis. Island
Press, Washington, DC.
Naturkapital Deutschland – TEEB DE (2012): Der Wert der Natur für Wirtschaft und Gesellschaft – Eine
Einführung. München, ifuplan; Leipzig, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ; Bonn,
Bundesamt für Naturschutz.
Tidow, S., Schütz, M. und Krüsi, B- (1997): Probleme bei Bewertung und Pflege von Waldrändern.
Inf.bl. Forsch.bereiches Landsch.ökol. 33: 1-4.
99 Anhang 1: Nummerncodes für Feldgehölz- und Landnutzungstype in Anlehnung an die Systematik der Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierung des Bundesamtes für Naturschutz
(2002), z.T. modifiziert.
Gehölze des Offenlandes Bäume, Feldgehölze, Gebüsche Isoliert, außerhalb geschl. Ortschaften, unter 1ha 6000 Feldhecke, Wallhecke Von Sträuchern dominierte Struktur im Acker und Grünland; meist linear (inkl. Relikthecken und weiterer ausgedünnter (lückig und/oder schmale) Gehölzstreifen max.2m Abstand 6100 Feldhecke Ebenerdig auf Rainen und Böschungen 6110 Strauch‐Baum‐Hecke Bewuchs aus Sträuchern und höherwüchsigen Bäumen 6140 Baumhecke Baumreihen ohne oder mit sehr wenigen Sträuchern 6150 Feldgehölz, Feldgebüsch Bäume und Sträucher unter 1 ha; außerhalb geschlossener Ortschaften; Bedeckungsgrad der Gehölze mind. 40% sonst 4700 6200 Feldgehölz Mehrere und/oder dominierende Bäume 6210 Baumschicht nur aus einer Laubholzart (Art notieren) 6211 Baumschicht nur aus einer Nadelholzart (Art notieren) 6212 Feldgehölz mit Laubholz‐
Reinbestand Feldgehölz mit Nadelholz‐
Reinbestand Feldgehölz mit Laubholz‐
Mischbestand Feldgehölz mit Nadelholz‐
Mischbestand Durchmischung von Laubholzarten + Nadel, Laubholz dominiert, aber unter 90% (dominierende Laubart, wichtigste begleitende Nadelart und einen weiteren wichtigen Begleiter ) Durchmischung von Laub + Nadelholzarten, Nadelholz dominiert, aber unter 90% (dominierende Nadelart, wichtigste begleitende Laubart und einen weiteren wichtigen Begleiter ) Mind. 90% Laubholz (dominierende Laubart, wichtigster Laubbegleiter und einen weiteren wichtigen Nadel‐ oder Laubbegleiter) Mind. 90% Nadelholz (dominierende Nadelart, wichtigster Nadelbegleiter und einen weiteren wichtigen Nadel‐ oder Laubbegleiter) Feldgehölzneupflanzung Jungbestand vor Bestandesschluss; meist Anpflanzungen mit erkennbarer Reihenstruktur Gebüsch‐ und Strauchgruppe Gehölzbestand des Offenlandes ohne größere oder dominierende Bäume (<1ha), sonst 7800 (Strukturbildende Art/Gattung notieren) Einzelne vorwiegend alte, große Sträucher sowie kleine Gruppen die nicht unter 6220/6110 fallen Baumansammlung (dominiert von Hochstämmen), wenig Sträucher (sonst 6200) (!4. Stelle: 1=Baumgruppe, 2=Baumreihe, 3=Allee) + (Art notieren) max. 10 m Abstand 6230 Laubholz‐Reinbestand 6310 Nadelholz‐Reinbestand 6320 6330 6340 Laubmischbestand (<90%) 6350 Nadelmischbestand(<90%) 6360 Obstbestand 6370 Einzelbaum Einzelbaum im Acker‐ und Grünland sowie an Verkehrswegen (Art notieren) 6400 Laubbaum 6410 Nadelbaum 6420 Obstbaum 6430 Feldgehölz‐Mischbestand Laub‐Nadel Feldgehölz‐Mischbestand Nadel‐Laub Einzelstrauch Baumgruppe, Baumreihe Mischbestand, Laubdom.(>90%) Mischbestand, Nadeldom. (>90%) 100 6213 6214 6215 6216 6219 6220 6300 Flächennutzung Ackerland landwirtschaftliche Nutzfläche mit Feldfruchtbestand, regelm. bewirtschaft. 4100 Kurzumtriebsplantage sonstige Sonderkultur Saumflächen Kraut‐, Stauden‐ und Grasfluren, Gehölzfrei bis ‐arm aus mehrjährigen Pflanzen (Staudenflur + Saum) ohne Waldränder 4700 Grünland Wiesen, Weiden und Grünland, landw. Fl. des Grünlandes mit regelm. Mahd oder Beweidung 4200 Binnengewässer 2000 Fließgewässer (linear) 5‐10 Meter breit, Bäche und Gräben 2200 Fließgewässer (flächig) Breiter als 10 Meter 2300 Stillgewässer Stehende Gewässer 2500 Sonstige Nutzung Siedlung, Erholung 9000 Verkehrsbegleitgrün 4790 Straßenverkehrsflächen Für den öffentlichen Verkehr zugelassen 9210 Schienenverkehrsflächen Flächen der Gleisanlagen, incl. Leitungen und Bahndammgelände 9221 Wirtschaftswege Feldwege, Reitwege, Radwege, Fußwege 9214 Wald 7000 Gehölze des Offenlandes s. unten 4160_900 101 Anhang 2
Kartierbogen Feldgehölze Kartierer: Kachelnr.: Biotoptyp: Fortlaufende Nr.: Datum: / Photonr.: Stukturangaben Exposition: nicht erkennbar N‐S NO‐SW O‐W SO‐NW Durchschnittliche Baumschicht 5‐7m 7‐9m >9m Höhe: Strauchschicht 1‐3m 3‐5m >5m Durchschnittliche Breite (linearer Objekte) : Gesamtbreite (holzig) 1‐2m 2‐4m 4‐6m 6‐8m >8m flächig Angrenzender links fehlend bis 1m 1‐2m 2‐4m >4m Saum/Ackerain: rechts fehlend bis 1m 1‐2m 2‐4m >4m Aufbau gleiche Höhe leichte Höhendifferenzierungen reich strukturiert Verlauf gerade bogig le gebuchtet st buchtig flächig aufgelöst Alter Neuanpflanzung bis 20 Jahre 21‐50 Jahre >50 Jahre Baumschicht fehlend <10% Anteil 10‐50% Anteil >50% Anteil Strauchschicht fehlend <10% Anteil 10‐50% Anteil >50% Anteil Krautschicht (Lücken) fehlend <10% Anteil 10‐50% Anteil >50% Anteil Nutzung/ keine Einzelstammentnahme seitlich. Rückschnitt Pflege allg. Rückschnitt auf den Stock setzen Kopfbäume Begleitender Weg fehlend unbefestigt Schotter Asphalt Grünland Brache Sonstiges:___________ Angrenzende links Acker Nutzungen: rechts Acker Grünland Brache Sonstiges:___________ Besondere Strukturen: Lesesteinhaufen Graben sonstiges______________ Totholz fehlend Haufen (ᴓ<10cm) lie(ᴓ>20cm) st(ᴓ<20cm) st (ᴓ>20cm) Gefährdungen nicht erkennbar/fehlend Müll Grünschnitt Düngemittel
Heranpflügen Unsachgemäßer Schnitt fehlender Schnitt Pflanzenschutzmittel
Wasserversorgung: trocken frisch feucht Nährstoffversorgung: nährstoffarm mäßig reich Hochstauden Aspekt angrenz. links Magerrasen Grünland Saum/Ackerain: rechts Magerrasen Grünland Hochstauden Blütenreichtum links fehlend‐wenig regelmäßig blütenreich Saum/Ackerrain rechts fehlend‐wenig regelmäßig blütenreich Sonstige Bemerkungen: 102 Artenliste der holzigen Pflanzen: Nr. D und V Deckung 1 Acer campestre
2 Acer pseudoplatanus
3 Acer platanoides
4 Alnus glutinosa
5 Betula pendula
6 Carpinus betulus
7 Clematis vitalba
8 Crataegus spec.
9 Cornus sanguinea
10 Corylus avellana
11 Euonymus europaeus
12 Fagus sylvatica
13 Frangula alnus
14 Fraxinus excelsior
15 Ulmus glabra
16 Picea abies
17 Populus tremula
18 Prunus avium
19 Prunus domestica
20 Prunus padus
21 Prunus serotina
22 Prunus spinosa
23 Rhamnus cathartica
24 Rosa spec.
25 Rubus caesius
26 Rubus fruticosus
27 Rubus ideaus
28 Salix (schmal)
29 Salix (breit)
30 Sambucus nigra
31 Sorbus aucuparia
32 Symphoricarpos albus
33 Syringa vulgaris
34 Viburnum opulus
35 Quercus robur
36 Quercus petraea
103 Arbeitspaket:
IO-H 4
Thema:
Schwachholzbiomasse
Antragsteller
Prof. Dr. H. Spellmann, Prof. Dr. J. Nagel
Institut:
Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt, Abt. Waldwachstum
Dauer:
01.01.2011 – 30.09.2013
Wiss. Mitarbeiter:
Sabine Rumpf, Kai Husmann, Dr. Heidi Döbbeler
Aufgabenstellung
Die Energiegewinnung aus Biomasse steht im Spannungsfeld verschiedener Interessengruppen. Zum einen kann die Biomasse als Brennstoff einen Beitrag zur Energiewende und zur
nachhaltigen, klimaneutralen Energiegewinnung leisten. Auf der anderen Seite der Rohholzverbraucher stehen die Holzkäufer, die an einer stofflichen Nutzung des Holzes in Form von
Stamm- und Industrieholz interessiert sind. Ferner ist die Nährstoffausstattung der Waldböden
entscheidungsrelevant, da der Entzug von Schwachholz mit einem erheblichen Verlust von
Nährelementen verbunden sein kann (BLOCK & MEIWES, 2012). Politische Restriktionen wie
Zertifizierungs- oder Naturschutzprogramme schränken die Möglichkeit der Vollbaumnutzung
zusätzlich ein.
Das Teilprojekt verfolgt das Ziel, die Möglichkeiten und Grenzen einer nachhaltigen Nutzung
und Vermarktung von bisher ungenutztem Waldrestholz in den Modellregionen Göttingen und
BERTA (Thüringer Ackerebene) aufzuzeigen. In den Potenzialabschätzungen werden sowohl
unterschiedliche Bewirtschaftungsintensitäten und Holzsortierungen, als auch die mit der
Holznutzung verbundenen Nährstoffentzüge berücksichtigt, um die Nährstoffnachhaltigkeit der
Eingriffe zu gewährleisten. Zudem wird in dem Teilprojekt eine praxisnahe Methode zur Erfassung der Holzqualitäten im Bestand entwickelt, die als weitere notwendige Grundlage für die
Potenzialanalysen dient.
Die meisten Nährstoffe befinden sich im schwachen Dimensionsbereich von Bäumen. Mit zunehmendem Rindenanteil bzw. mit abnehmendem Astdurchmesser nimmt der Nährstoffentzug
durch die Holzernte überproportional zu. Die aus energetischer Sicht angestrebte Nutzung der
schwächeren Holzsortimente kann nur dort stattfinden, wo auf Dauer eine Verschlechterung
der Standorte auszuschließen ist.
104 Planung und Ablauf
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Auswahl und Erhebung von
Probebäumen für Biomasse- und Nährstoffuntersuchungen

Ergänzungsfunktionen






Hochrechnung der Baumvolumina


Hochrechnung der Biomassen


Analyse der Elementkonzentrationen


Auswertung der Forsteinrichtungsdaten für die Regionen Göttingen und BERTA




Vermessung und destruktive Probenahme von 25 Ahornen,
3 Buchen, 8 Eichen und 37 Eschen zur Ermittlung von Trockenmasse und Nährelementmengen.
Aufbereitung der Daten des 2012 abgeschlossenen FNRProjektes „Möglichkeiten und Grenzen zur Vollbaumnutzung“
zur Erweiterung der Datengrundlage.
Erstellung von baumartenspezifischen Schätzfunktionen auf
Grundlage der biometrischen Messungen zur Ermittlung:
der Rindenstärke,
der Raumdichte verschiedener Kompartimente,
des Reisiganteiles (Astdurchmesser < 1 cm) von Ästen,
und der Abholzigkeit zur Volumenschätzung gebrochener
Äste.
Anpassung und Erweiterung eines Java Programms zur Volumenhochrechnung nach dem RBS-Verfahren - Vollbaumvolumenschätzungen sowie Volumenschätzungen mit variablen
Zopfdurchmessern sind damit möglich Hochrechnung differenziert nach Holz- und Rindenvolumina.
Anpassung und Erweiterung des Java Programms zur Berechnung der Biomasse aus den Kompartimentsvolumina und
den Raumdichtekoeffizienten.
Hochrechnung differenziert nach Holz- und Rindenbiomasse
sowie getrennte Bestimmung der Reisig- (Astbereich < 1 cm)
und Totholzbiomasse.
Nährelementgehalte in Baumkompartimenten für die Elemente Ca, Mg, K, Na, Al, Fe, Mn, C, N, P, S und Si (in g/kg).
Differenzierung nach Holz und Rinde bei Proben mit einem
Durchmesser ≥ 7 cm.
Berechnung der Flächenanteile der Waldbesitzarten.
Ermittlung der Baumartenanteile am Gesamtvorrat; Berechnung der Holzvorratsverteilung für 10-jährige Altersstufen.
Aufbereitung der Forsteinrichtungsdaten für eine qualitätsdifferenzierte Holzaufkommensprognose.
Abschätzung und Bewertung des energetischen Holzpotenzials der Bioenergie-Regionen.
Qualitätsansprache in Testrevieren

Entwicklung und Test eines vereinfachten Verfahrens zur
Qualitätsbestimmung am stehenden Stamm (siehe Abschlussbericht NW-FVA).
Berechnung der qualitätsdifferenzierten Holzaufkommensprognose für die
nächsten 30 Jahre

Berechnung der Flächen- und Vorratsverteilungen zum Stichjahr 2011 auf Grundlage der Forsteinrichtungsinformationen
und deren Fortschreibung mit der Wachstumssimulationssoftware „Waldplaner“ für 30.
Berechnung von Nutzungsszenarien und Erarbeitung
von Entscheidungshilfen

Berechnung unterschiedlicher Aushaltungsszenarien und
Weitergabe derSzenarienergebnisse an das Teilprojekt „UP
3“, um in das Online Beratungswerkzeug integriert zu werden.
105 Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Voraussetzung für eine nachhaltige Erschließung der Waldrestholzpotenziale sind zuverlässige Inventurdaten und Planungswerkzeuge. Eine bewährte und meist verfügbare Planungsgrundlage sind die Ergebnisse der Forsteinrichtung. Zur Einschätzung der Angebotsstruktur
und zur Festlegung der Nutzungsintensitäten fehlte es an einer operationalen Methode zur
Erfassung der Bestandesqualität.
Um mit Biomassenmodellen die Nutzungspotenziale und Nährstoffentzüge nutzungs- bzw.
standortsspezifisch quantifizieren zu können, sind Kenntnisse zur Biomasse einzelner Baumkompartimente und ihrem Nährstoffvorrat in Abhängigkeit von Baummerkmalen und den jeweiligen Standortsverhältnissen erforderlich. In den letzten Jahren wurde auf diesem Gebiet intensiv geforscht (u.a. KÄNDLER UND BÖSCH, 2009, KRAUß UND HEINSDORF 2008, RADEMACHER
et al. in BRUMME und KHANNA, 2009, ZIANIS et al., 2005).
Die Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt (NW-FVA) verfügt über einschlägige Erfahrungen in den Bereichen Holzaufkommensprognose (s. Clusteranalysen RÜTHER et al. 2007,
2008a & b) und in der Modellierung waldbaulicher Szenarien (DUDA 2006, SPELLMANN et al.
2006, Hansen 2011, Hentschel 2012,Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt 2013). In
den von der FNR geförderten Projekten „Möglichkeiten und Grenzen der Vollbaumnutzung
(FKZ: 22015407)“ und „Weichlaubholz - Ungenutztes Rohstoffpotenzial?“ (FKZ: 22011209)
(FISCHER et al. 2014) haben die Antragsteller bereits Biomassefunktionen und Nährstoffgehalte für die Hauptbaumarten und Weichlaubhölzer hergeleitet. Im Projekt „Vollbaumnutzung“
wurden zudem die Möglichkeiten der Waldrestholznutzung bei gleichzeitiger Wahrung der
standörtlichen Nachhaltigkeit bilanziert und daraus Empfehlungen für die betriebliche Planung
abgeleitet. Darüber hinaus wurden mehrere Testläufe zur Qualitätseinschätzung im Rahmen
der vereinfachten Bestandesinventur im FoA Sellhorn in Kooperation mit dem Niedersächsischen Forstplanungsamt (NFP) erfolgreich durchgeführt (die Ergebnisse sind im detaillierten
Abschlussbericht der NW-FVA aufgeführt). Des Weiteren enthält der an der NW-FVA entwickelte “Waldplaner“ eine Komponente, mit der sich unterschiedliche Nutzungsszenarien im
Hinblick auf die Biomassen- und Nährstoffentnahme und das Totholzangebot untersuchen
lassen (HANSEN UND NAGEL, 2014).
Die meisten der für die Untersuchung notwendigen Verfahrenselemente waren somit vom Antragsteller bereits entwickelt und bedurften überwiegend einer Datenergänzung zur Validierung
der regionaltypischen Verhältnisse (Standorte, Baumarten, natürliche Altersstufen) und einer
begrenzten Methodenerweiterung.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Um die Ernteentzüge und somit das Energiepotenzial differenziert nach Baumkompartimenten
simulieren zu können, wurden für die Baumarten Esche und Ahorn Biomasseschätzfunktionen
für das Derbholz, die Derbholzrinde, Äste sowie Reisig in Abhängigkeit von Baummerkmalen
entwickelt und für Buche und Eiche durch Erweiterung des Datenbestandes neu parametrisiert. Des Weiteren wurden bei den untersuchten Probebäumen Nährstoffmengen der Hauptnährstoffe innerhalb der Kompartimente ermittelt. Zur Bilanzierung des Biomassepotenziales
aus Waldholz wurden mit Hilfe der forstlichen Simulationssoftware „Waldplaner“ Modellbestände auf Grundlage von Forsteinrichtungsinformationen der Regionen generiert und aus
diesen Modellbeständen die forstliche Ausgangssituation 2011 berechnet. Für die Potenzialabschätzung wurden die Modellbestände auf Grundlage der Entscheidungshilfen zur Behandlung und Entwicklung der Hauptbaumarten in den Niedersächsischen Landesforsten 30 Jahre
in die Zukunft fortgeschrieben und das ausscheidende Holzvolumen mit Einstellungen aus
dem Teilprojekt SÖB 1 sortimentiert. Die Nutzungsintensität wurde auf Grundlage der Nährstoffausstattung der Standorte und flächiger Restriktionen (wie Naturschutzgebietsauflagen
oder forstlicher Zertifizierung) bestandesspezifisch eingeschätzt. Die Ergebnisse des Projektes
fanden Eingang in Entscheidungshilfen der hessischen und niedersächsischen Landesforsten
sowie der von der Landwirtschaftskammer Niedersachsen betreuten Waldbesitzer.
106 Arbeitsbericht
Zur Simulation der Ernteentzüge und des Energiepotenzials wurden Biomasseschätzfunktionen für das Derbholz, die Derbholzrinde, Äste sowie Reisig in Abhängigkeit von Baummerkmalen parametrisiert. Des Weiteren wurden hierfür Nährstoffmengen der Hauptnährstoffe innerhalb der Kompartimente ermittelt. Hierzu wurden 73 Bäume destruktiv mit dem Stichprobenverfahren „Randomized Branch Sampling“ (CANCINO & SABOROWSKI, 2005) vermessen und
im Labor analysiert sowie auf eine Datenbank mit 143 Bäumen des Projektes „Möglichkeiten
und Grenzen der Vollbaumnutzung“ zurückgegriffen. Die Biomassefunktionen für Weichlaubhölzer wurden aus dem von der FNR, der Volkswagenstiftung und dem Land Niedersachsen
geförderten Projektes „WEIPOL“ (FISCHER et al., 2011) übernommen.
Zur Bilanzierung des Biomassepotenziales aus Waldholz wurden mit Hilfe der forstlichen Simulationssoftware „Waldplaner“ Modellbestände auf Grundlage von Forsteinrichtungs-informationen der Regionen generiert. Aus diesen Modellbeständen wurde die forstliche Ausgangssituation 2011 berechnet. Für die Potenzialabschätzung wurden die Modellbestände auf Grundlage der Entscheidungshilfen zur Behandlung und Entwicklung der Hauptbaumarten in den
Niedersächsischen Landesforsten (ML, 2004; NLF, 2004) 30 Jahre in die Zukunft fortgeschrieben und das ausscheidende Holzvolumen mit Einstellungen aus dem Teilprojekt SÖB 1 sortimentiert. Die Nutzungsintensität wurde auf Grundlage der Nährstoffausstattung der Standorte
und flächiger Restriktionen (wie Naturschutzgebietsauflagen oder forstlicher Zertifizierung)
bestandesspezifisch variiert. Die Potenziale wurden für die verschiedenen Baumkompartimente separat ausgegeben. Anschließend wurden die Ergebnisse der Potenzialabschätzung an
das Teilprojekt UP 3 weiter gegeben, um in das Online Beratungswerkzeug für Waldbesitzer
integriert zu werden. Die Ergebnisse der Elementuntersuchungen wurden vom Teilvorhaben
IO-H1 verwendet.
Aufgrund eines längeren Ausfalls von Frau Rumpf (seit Dezember 2012) wurde Herr Husmann
als wissenschaftlicher Mitarbeiter mit einer Halbtagsstelle (04.02.2013 bis 30.09.2013) im Projekt eingestellt.
Ergebnisbericht
1. Biomasse- und Elementgehalterhebung
1.1 Biomassefunktionen
Zur Erstellung der Biomassefunktionen für die Baumkompartimente wurde die nichtlineare,
generalisierte Methode der kleinsten Quadrate gewählt. Als Modelltyp wurde die von HOCHBICHLER et al. (2006) entwickelte Form (Formel 1) genommen, da diese sich gut für die Beschreibung der Biomasse [kg] in Abhängigkeit von BHD (d [cm]) und Höhe eignet (h [m])
(HUSMANN, 2010). Bei Fichte und Kiefer wurden die Biomassefunktionen des Vollbaumprojektes übernommen (RUMPF et al., 2011).
Yˆ  e    *ln(d )  *ln( h )
Formel 1
Die Koeffizienten der Modelle mit dem jeweils kleinsten AIC sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die
hergeleiteten Schätzfunktionen wurden genutzt, um die Biomassen der getrennt betrachteten
Baumkompartimente für die ausscheidenden Einzelbäume der fortgeschriebenen Bestände in
den Bioenergieregionen Göttingen und BERTA zu ermitteln.
107 Tabelle 1: Koeffizienten der Funktionen zur Schätzung der Biomasse einzelner Kompartimente der
Baumarten Eiche (Ei), Buche (Bu), Esche (Es) und Ahorn (Ah).
Baumart
Ei
N
41
Bu
38
Es
37
Ah
25
Kompartiment
Derbholz ohne Rinde
Rinde des Derbholzes
Äste 1-7 (inkl. Rinde)
Reisig (inkl. Rinde)
Vollbaumbiomasse
Derbholz ohne Rinde
Rinde des Derbholzes
Äste 1-7 (inkl. Rinde)
Reisig (inkl. Rinde)
Vollbaumbiomasse
Derbholz ohne Rinde
Rinde des Derbholzes
Äste 1-7 (inkl. Rinde)
Reisig (inkl. Rinde)
Vollbaumbiomasse
Derbholz ohne Rinde
Rinde des Derbholzes
Äste 1-7 (inkl. Rinde)
Reisig (inkl. Rinde)
Vollbaumbiomasse
α
-5,4191
-6,9530
-1,3639
-3,1553
-3,6182
-4,4541
-6,7088
-1,1858
-4,0085
-3,6581
-4,5215
-6,5302
-2,1798
-3,8610
-3,4901
-4,0252
-6,7289
-3,5384
-4,3526
-3,4517
β
1,8998
1,6992
1,5745
1,6764
1,9831
2,1698
1,9488
1,5617
1,8937
2,0301
2,0307
1,8294
1,8773
1,7932
2,0270
2,0298
1,4897
2,1800
1,9075
2,0471
γ
1,6205
1,5711
1,0288
1,0349
0,9512
0,9934
1,1869
1,1374
0,9320
0,9805
1,0224
0,8269
1.2 Elementgehalte
Die Höhe der Elementgehalte hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von den
Baumkompartimenten, von der Baumart, dem Bestandesalter und der Standortsqualität. Im
Folgenden wird für den Untersuchungsraum dargelegt, wie hoch die Elementgehalte in den
Kompartimenten der Baumarten Ahorn (Acer pseudoplatanus [L.] und platanoides [L.]), Buche
(Fagus sylvatica [L]), Eiche (Quercus robur [L.] und petraea [Liebl.]) und Esche (Fraxinus
excelsior [L.]) sind. Die Probebäume wurden analog zu der Beschreibung von RUMPF et al.
(2011) in die Kompartimente unterteilt und beprobt; die Probenbearbeitung und chemische
Analyse erfolgte nach RADEMACHER et al. (2011).
Die mittleren Elementmassen je Trockenmasse wurden über einen multiplen Mittelwertvergleich errechnet. Somit lassen sich signifikante Unterschiede zwischen den Baumarten an den
korrespondierenden simultanen Konfidenzintervallen (95 %) ablesen. Im Rahmen einer Residuenanalyse wurden die Vorraussetzungen eines parametrischen Mittelwertvergleiches geprüft und eine Plausibilitätsuntersuchung der Labormessungen durchgeführt. Tabelle 2 zeigt
die mittleren Elementgehalte der einzelnen Kompartimente der untersuchten Baumarten. Die
mittleren Gehalte der untersuchten Nährelemente lagen mit Ausnahme einzelner Calciumgehalte in den 1 – 7 cm starken Ästen (inkl. Rinde) von Ahorn und Esche im Bereich < 25 g/kg.
Bei den Hauptnährstoffen gab es hinsichtlich der Höhe ihrer Gehalte (auf Massenbasis [g/kg])
bis auf wenige Ausnahmen folgende Rangfolge: Ca >> K >> Mg > P. Die Gehalte im Derbholz
waren am geringsten, gefolgt von den Ästen (ø 1-7 cm, inkl. Rinde). Die höchsten Gehalte
wurden im Reisig sowie der Derbholzrinde gefunden. Auffällig sind die sehr hohen Calciumgehalte in der Derbholzrinde, die 20 bis 30-fache über denen im Derbholz liegen. Eine detaillierte Beschreibung der Elementgehalte kann dem Abschlussbericht der NW-FVA entnommen
werden.
108 Tabelle 2: Mittlere Elementgehalte [g/kg] für die Kompartimente Derbholz und Derbholzrinde, Äste 1-7
cm (inkl. Rinde) und Reisig < 1 cm (inkl. Rinde).
Ca
Mg
K
P
Eiche
Buche
Esche
Ahorn
Eiche
Buche
Esche
Ahorn
Eiche
Buche
Esche
Ahorn
Eiche
Buche
Esche
Ahorn
Derbholz
Derbholzrinde
Äste 1-7 cm
Reisig
0,62
0,89
1,08
1,07
0,13
0,31
0,19
0,32
1,06
1,16
1,70
1,40
0,13
0,10
0,09
0,11
19,56
18,13
25,51
25,18
0,85
0,60
0,66
0,86
2,41
2,38
5,07
3,78
0,34
0,35
0,29
0,57
4,38
2,42
4,82
4,09
0,50
0,39
0,32
0,49
1,82
1,48
2,52
2,39
0,35
0,23
0,23
0,32
6,00
5,61
8,81
9,67
0,98
0,61
0,82
0,82
2,98
2,95
6,34
3,89
0,87
0,82
0,77
0,90
Beim Vergleich von Kalk- und Nichtkalkstandorten des Berglandes ergeben sich für Calcium
(vgl. Abbildung 1) erwartungsgemäß höhere Gehalte in den Kompartimenten der auf Kalkstandorten beprobten Bäume. Besonders deutlich sind hier die Unterschiede bei der Baumart
Buche. In der Rinde des Derbholzes, sowie den Ästen 1–7 cm (inkl. Rinde) und Reisig (Äste <
1 cm, inkl. Rinde) sind die Calciumgehalte dieser Kompartimente auf Kalkstandorten 80 %
höher als auf Nicht-Kalkstandorten. Eine vollständige Aufstellung aller Elemente ist im Anhang
aufgeführt.
Abbildung 1: Mittlere Calciumgehalte [g/kg] in Baumkompartimenten der Baumarten Ahorn, Buche,
Eiche und Esche bei Kalk- und Nicht-Kalkstandorten
109 2 Bioenergieregionen Göttingen und BERTA
2.1 Material und Methoden
2.1.1 Datenbeschaffung
Die Basisdaten der Simulationen bilden die Forsteinrichtungsdaten für den Privat-, Kommunalund Landeswald, die von der Landwirtschaftskammer Niedersachsen, den Stadtforstämtern
und den Niedersächsischen Landesforsten bereitgestellt wurden. Im Einzelnen stammen die
Forsteinrichtungsdaten aus
-
dem Niedersächsischen Forstamt Münden,
dem Niedersächsisches Forstamt Reinhausen,
den Realgemeinden, Forstgenossenschaften und Kirchenforsten, die von diesen beiden
Forstämtern betreut werden,
dem Landwirtschaftskammerforstamt Südniedersachsen für den Privatwald der Forstbetriebsgemeinschaften Wellersen, Solling, Duderstadt-Herzberg und Harz-Leine,
dem Stadtforstamt Hann. Münden für den Stadtwald Hann. Münden
und dem Stadtforstamt Göttingen für den Stadtwald Göttingen.
Die Forsteinrichtungsdaten für die Region BERTA wurden von der Thüringer Landesanstalt für
Wald, Jagd und Fischerei zur Verfügung gestellt.
Mit dem Waldplaner wurden aus den Forsteinrichtungsinformationen Modellbestände auf Abteilungs- oder ggf. Unterabteilungsebene generiert. Strukturelemente und Hilfsflächen wurden
räumlich vom Hauptbestand getrennt. Nicht parametrisierte Baumarten wurden durch solche
ersetzt bzw. näher spezifiziert, die ein möglichst ähnliches Wuchsverhalten aufweisen (HANSEN, 2014). Die Flächen wurden entsprechend ihrer Bestandesstruktur in Bestandestypen eingeordnet. Bei einer etwaigen Bestandesneubegründung im Simulationszeitraum wurden für
den Folgebestand standortsgemäße Waldentwicklungstypen nach der Richtlinie zur Baumartenwahl der Niedersächsischen Landesforsten (ML, 2004) ausgewählt.
Die Forsteinrichtungen in den Forstbetrieben wurden zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt. Um einen gleichen Startpunkt für die Szenariorechnungen zu erhalten, wurde als gemeinsames Stichjahr das Jahr 2011 gewählt und alle Modellbestände bis zu diesem Zeitpunkt
fortgeschrieben.
2.1.2 Simulationsparameter
Behandlung
Für die Fortschreibung zum Stichjahr 2011 und die Simulationsrechnungen wurde eine Bestandesbehandlung festgelegt, die sich an den Behandlungskonzepten der Niedersächsischen
Landesforsten (NLF, 2004) orientiert. Sie wurde über die in Tabelle 3 dargestellten Parameter
definiert. Die Bestände wurden im 5-jahrigen Turnus nach den Grundsätzen einer gestaffelten
Durchforstung behandelt. Die Durchforstungsstärke wurde baumartenspezifisch festgelegt und
orientierte sich an der Höhenentwicklung. Eine Durchforstung fand nur statt, wenn für den Eingriff ein Mindestdurchforstungsvolumen von 10 VFm/ha erreichte. Das maximale Durchforstungsvolumen betrug 40 VFm/ha. Bei der Endnutzung wurden je Eingriff höchstens 100 VFm/
ha entnommen. Die Parameter der anderen Baumarten mit hohem und niedrigem Umtrieb
wurden ebenfalls baumartenspezifisch festgelegt. Diese Parameter wurden nicht im Einzelnen
aufgeführt.
Da aus einem in der Simulationsperiode begründeten Bestand bis 2040 noch kein energetisch
relevantes ausscheidendes Holzvolumen zu erwarten ist, wurde auf die Simulation von Verjüngung verzichtet.
110 Tabelle 3: Behandlungsparameter der Bestandesfortschreibung
Baumart
Eiche
Buche
Alh
Aln
Fichte
Douglasie
Kiefer
Lärche
Zielstärke [cm]
80
60
60
35- 45
45
65
45
60
Starthöhe der Durchforstung [m]
14
16
12
10
12
14
13
12
Sortimentierung
Die Bäume, die im Zuge einer Durchforstung oder Endnutzung ausscheiden, wurden sortimentiert. Die Zopfgrenzen wurden vom Cluster SÖB 1 (Sozioökonomische Bewertung- Forst) bereitgestellt. Dabei wurde beim Stammholz zwischen Nadel- und Laubholz differenziert.
Stammholz wurde bei einer möglichen Überschneidung mit Industrieholz bevorzugt ausgehalten. Jedes Sortiment war inkl. Zugabe zwischen 3,10 und 18,10 m lang. Die im Waldplaner
implementierte Methodik der Sortimentierung ist in SCHMIDT (2001) beschrieben.
Die Parameterauswahl basiert auf der Annahme, dass Stammholz nicht energetisch genutzt
wird, während für Industrieholz sowohl eine stoffliche als auch energetische Verwertung in
Frage kommt. Das Sortiment Laub-Stammholz steht demnach stellvertretend für Stammholz in
Furnier-, A-, B-, C- Qualität. Für Paletten-, Schwellen- oder CGW-Holz kommt eine energetische Nutzung (z. B. für Säge- und Spaltautomaten) in Frage. Es wird demnach aus methodischen Gründen nicht dem Laub-Stammholz, sondern als mögliches Brennstoffpotenzial dem
Industrieholz/ Energieholz zugeordnet. Beim Nadelholz wird angenommen, dass Palettenholz
und Abschnitte nicht zum energetischen Potenzial zählen können. Diese Sortimente bestimmen folglich den Zopfdurchmesser des Nadel-Stammholzes.
Die einzelnen Sortimente können je Baum mehrfach ausgehalten werden. Laub-Stammholz
wird nur bis zum Kronenansatz ausgehalten. Das nicht sortierte Holzvolumen wird als Restholz bezeichnet, welches wiederum in die Durchmesserklassen Derbholz (≥ 7 cm mit Rinde),
Astholz (1-7 cm m. R.) und Reisig (< 1 cm m. R.) aufgeteilt ist.
Der Zopfdurchmesser des Industrie/ Energieholzes kann szenarienabhängig in 2 cm Schritten
Werte zwischen 7 und 15 cm annehmen. Es wird ein mittleres Szenario mit 7 cm Zopfdurchmesser für Laub- und 9 cm Zopfdurchmesser für Nadelholz berechnet.
Schutzgebietsauflagen und Nutzungsbeschränkungen
Nutzungsbeschränkungen wurden bei der Bestimmung des zu erwartende Holzaufkommens
berücksichtigt. Für Naturwälder (188 ha) wurde eine Nutzung ausgeschlossen. In Naturschutzgebieten (2519 ha) war eine naturnahe Waldbewirtschaftung vorgesehen. Für die übrigen Schutzgebiete (FFH-Gebiete, Vogelschutzgebiete usw.) wurden, abgesehen von den einzuhaltenden Totholzvorräten und Habitatbaumzahlen keine weiteren Einschränkungen unterstellt. Auf den FSC zertifizierten Flächen (1193 ha) konnte nur Holz über 7 cm Durchmesser
entnommen werden. Die entsprechenden Auflagen wurden bei allen Simulationen berücksichtigt.
Standörtliche Restriktionen
Die Möglichkeiten und Intensitäten der Schwachholznutzung wurden flächenspezifisch mit
Hilfe des Nährstoffentzugsindex (Block & Meiwes, 2012; Meiwes et al. 2013) abgeschätzt. Der
Index berücksichtigt das Verhältnis des Bodenvorrates an verfügbaren Nährstoffen zu den
Nährstoffentzügen bei der jeweiligen Biomassenutzung. Das Verhältnis des Nährstoffentzugindex zu dem jeweiligen Grenzwert entscheidet über die Höhe des Risikos, mit der die
vorgegebene Nutzungsintensität verbunden ist. Aufgrund aktueller Forschungsegebnisse zur
Phosphorversorgung unserer Bäume (Talkner, 2012) und Unsicherheiten hinsichtlich der Kaliumernährung nach Bodenschutzkalkungen (Dammann et al., 2013, Guckland et al., 2011)
wurden im Sinne einer konservativen Risikobewertung nur die oberen Grenzwerte von Block &
Meiwes (2013) (0,7 K und 1 für Mg & Ca) zur Standortsklassifizierung herangezogen.
Zur flächenhaften Anwendung des Indikators wurden mit einem verallgemeinerten additiven
111 Regressionsmodell (AHRENDS et al., 2012) die Elementvorräte an Calcium, Magnesium und
Kalium unter Verwendung von qualitativen Bodenparametern der niedersächsischen forstlichen Standortskartierung regionalisiert. Die Elementvorräte wurden mit baumarten- und nutzungsspezifischen Nährstoffentzügen in Abhängigkeit von der Leistungsklasse der Standorte
in Beziehung gesetzt, um die potenzielle Eignung der Standorte abzuschätzen, und die Rahmenbedingungen für die Simulationen mit dem Waldplaner festzulegen. Entsprechend des
Indikators wurden flächige Nichtderbholznutzungen je nach Nährstoffausstattung entweder
ausgeschlossen oder in jedem 2. bis 5. Eingriff simuliert.
Die Anwendung dieser Methodik setzt das Vorliegen einer forstlichen Standortskartierung voraus. Entsprechend können nur für die Standorte Aussagen getroffen werden, für die Daten der
Standortskartierung und Forsteinrichtung vorliegen. Diese umfasst etwa 40 % des Untersuchungsgebietes. Bei nichtvorliegen von Standortsinformationen wurde, wenn die Nichtderbholznutzung nicht aus anderen Gründen ausgeschlossen war, bei jedem 5. Eingriff eine
Schwachholznutzung simuliert.
Biomasse- und Energiepotenzial
Die durch den Waldplaner sortimentierten Stammholz- und Industrieholz/ Energieholzsortimente wurden über die Rinden- und Derbholzraumdichten baumartenspezifisch in Biomasse
umgerechnet. Die berechneten Größen stellen den Vorrat, nicht die Erntemasse dar.
In Anhalt an PFLÜGER-GRONE (2007) berechnet sich der Heizwert [kWh] von holzigen biogenen Brennstoffen aus dem Heizwert der Trockenmasse (BM [kg]) abzüglich der Energie, die
dem System durch Verdampfungswärme der Feuchtigkeit entzogen wird. Es wurde eine Holzfeuchte (H) von 20 % (entspricht einem Wassergehalt von 16,67 %) angenommen (Formel 2).
Der Energiedichtekoeffizient α [kWh/kg] kann 5,2 (Nadelholz) oder 5,0 (Laubholz) annehmen.
Der Verdunstungsenergiekoeffizient β [kWh/kg] hat den Wert 0,68.
Heizwert   * BM  ( H * BM *  )
(Formel 2)
2.2 Ergebnisse
2.2.1 Flächen- und Vorratsverteilungen 2011
Die Flächenausstattung 2011 beschreibt die Ausgangslage der Projektregionen. Die Waldfläche der Region Göttingen umfasst insgesamt 39.556 ha (Abbildung 2). Bei etwa einem Drittel
(14.232 ha) dieser Flächen handelt es sich um Landeswald. Weitere 30 % (11.648 ha) sind
von den Landesforsten betreute Genossenschaftswälder. Demnach sind etwa 2/3 der Gesamtfläche durch die beiden Forstämter Reinhausen und Münden betreut. 1/4 der Fläche ist
durch die Landwirtschaftskammer betreuter Privatwald, der kleinste Teil (10 %) ist Stadtwald.
In der Region BERTA, welche insgesamt 3.429 ha Waldfläche umfasst, machen Staatswald
(375 ha= 10 %) sowie Kommunalwald (824 ha= 25 %) nur einen geringen Teil Gesamtfläche
aus. 2.228 ha sind Privatwald.
Abbildung 2: Flächenverteilung nach Besitzarten 2011 in den Bioenergieregionen Göttingen (links) und
BERTA (rechts).
112 Bei der Bestimmung der Flächenanteile der Baumartengruppen in mehrschichtigen Beständen
musste darauf geachtet werden, dass nicht mehrfach bilanziert wurde. Dies wurde erreicht,
indem bei allen Flächenauswertungen weitere Bestandesschichten der dominierenden Schicht
zugeordnet wurden. Die differenzierte Betrachtung ergibt, dass etwa 50 % der Buchenflächen
Mischbeständen sind. Bei der Fichte trifft dies für ca. 1/3 der Flächen zu. In der Region Göttingen sind die Hauptbaumartengruppen Buche und Fichte dominierend. Sie bilden gemeinsam
etwa 80 % der Gesamtfläche (33.400 ha). In der Region BERTA ist die Baumartenverteilung
heterogener. Edellaubhölzer, Eichen- und Fichtenarten nehmen mit 2.520 ha etwa 75 % der
Gesamtfläche ein.
Abbildung 3: Flächenverteilung nach Baumartengruppen 2011 in den Bioenergieregionen Göttingen
(links) und BERTA (rechts).
In Abbildung 4 sind die Flächen der dominierenden Baumarten Buche und Fichte in der Region Göttingen differenziert nach 10-jährigen Altersstufen dargestellt. Die Verteilungen zeigen,
dass die Buchenbestände wesentlich älter sind und ihren Altersschwerpunkt im Bereich der
100 – 130-jährigen Bestände haben. Die Fichtenbestände konzentrieren sich im Altersspektrum von 50 bis 70 Jahren. Bemerkenswert ist der hohe Anteil der über 160-jährigen Buchenbestände, die die üblichen Produktionszeiträume schon deutlich überschritten haben. Hier
muss es sich entweder um Nutzungsrückstände mit Entwertungsgefahr durch Rot- und Spritzkern, Vorrangflächen für den Naturschutz oder um Bestände geringer Bonitäten handeln.
Bei der Vorratsbetrachtung werden alle Bestandesschichten mit einem Mischungsanteil über
10 % berücksichtigt. In der Region Göttingen dominiert die Baumartengruppe Buche mit 52 %
(6.858.000 Vfm) des Gesamtvorrates, vor der Baumartengruppe Fichte (29 % = 3.787.000
Vfm) (Abbildung 5). Die Eichenarten und andere Laubbaumarten mit hoher Umtriebszeit sind
mit je 6 - 7 % (750.0000 bzw. 940.000 VFm) vertreten. Den geringsten Anteil am Gesamtvorrat
haben die Lärchen- (ca. 4 %= 460.000 Vfm) und Kiefernarten (ca. 2 %= 200.000 Vfm) sowie
die anderen Laubbaumarten mit niedrigem Umtrieb (ca. 1 %= 72.000 Vfm).
Die Verteilung der Vorräte auf die Baumartengruppen Buche und Fichte getrennt nach Altersstufen zeigt, dass die Buchenbestände in den Altersstufen 120 und 130 Jahre die höchsten
Vorräte mit jeweils ca. 650.000 Vfm aufweisen, bei den 60-Jährigen Fichtenbeständen ist die
Alterstufe 60 Jahre mit über 700.000 Vfm mit den höchsten Vorräten ausgestattet (Abbildung
6). Die Verteilungen der Vorräte in 5 cm-Durchmesserstufen weisen aus, dass sich die Fichtenvorräte in den Durchmesserstufen 20 bis 30 cm konzentrieren, während bei der Buche die
Durchmesserbereiche 40 bis 55 cm am stärksten ausgestattet sind (Abbildung 7). Angesichts
des Altersaufbaus der Buchenbestände ist dies ein Hinweis auf eine unzureichende Pflege der
heutigen Altbestände in der Jugend.
113 Abbildung 4: Fläche der Buche und Fichte in Altersstufen, Göttingen 2011
Abbildung 5: Vorratsverteilung nach Baumartengruppen 2011
114 Abbildung 6: Vorrat der Buche und Fichte in Altersstufen, Göttingen 2011
Abbildung 7: Vorrat der Buche und Fichte in Durchmesserstufen, Göttingen 2011.
Die Vorratsverteilung der Baumartengruppen ist in der Region BERTA entsprechend der Flächenverteilung heterogener. Andere Baumarten mit hohem Umtrieb, Eichen- und Fichtenarten
bilden mit je etwa 300.000 bis 310.000 Vfm (21- 23 %) die größten Gruppen. Der Buchenanteil
am Gesamtvorrat ist mit ca. 241.000 Vfm (18 %) etwas geringer. Noch geringere Anteile verzeichnen in absteigender Reihenfolge Kiefer (ca. 108.000 Vfm), andere Baumarten mit niedri-
115 gem Umtrieb (ca. 96.000 Vfm) und Lärche (ca. 19.000 Vfm).
Die Vorräte der wichtigsten Baumartengruppen in der Region BERTA sind über die Altersstufen sehr unterschiedlich verteilt. Das Spektrum der Eichenbestände reicht von der Altersstufe
20 bis zur Altersstufe 280 Jahre mit einem Schwerpunkt im Altersbereich von 130 bis 160 Jahren, die Fichte ist am stärksten im Altersbereich 80 bis 120 Jahre vertreten und die Edellaubbäume in den Altersstufen 70 und 80 Jahre, wo sie Vorräte von 55.000 bis fast 80.000
Vfm erreichen (Abbildung 9)
Abbildung 9: Vorrat der Fichten- und Eichenarten sowie anderen Laubbaumarten mit hohem Umtrieb
in Altersklassen, BERTA 2011.
2.2.2. Flächen- und Vorratsverteilung 2040
Die flächenmäßige Baumarten-Ausstattung in den beiden Regionen unterscheidet sich am
Ende des Simulationszeitraumes im Jahre 2040 nur leicht von dem Ausgangszustand im Jahre 2011. Die Altersstruktur der dominierenden Buchenbestände in der Region Göttingen verschiebt sich weitgehend nur um 30 Jahre. Die Flächen in einem Alter von über 160 Jahren
nehmen jedoch entsprechend der in den Simulationsrechnungen umgesetzten waldbaulichen
Regeln ab. Bei den jüngeren Altersstufen bis zum Alter 80 nehmen die Flächen deutlich ab
(Abbildung 10).
Die altersbezogene Vorratsstruktur der Buche ist 2040 (Abbildung 11) analog zur Flächenverteilung deutlich in den älteren Bereich gerückt. Das maximale Alter erhöht sich auf 250 Jahre.
Bei der Fichte ist ersichtlich, dass sich die Vorratshaltung insgesamt erhöht und dass der
Großteil des Vorrates im Altersbereich zwischen 90 und 110 Jahren akkumuliert ist. In den
jungen Altersstufen bis 50 ist Buche stärker vertreten als Fichte.
Der Vorrat in Durchmesserklassen verändert sich im Vergleich zu 2011 (Abbildung 7) für Fichte und Buche ebenso deutlich (Abbildung 12). Zum einen ist der Gesamtvorrat wesentlich höher, zum anderen verlagern sich die Verteilungen grundsätzlich in Richtung höherer Durchmesserdimension. Bei der Buche vergrößert sich die Durchmesserspanne. Während 2011 fast
das gesamte Volumen in Durchmessern unter 60 cm aggregiert ist, fällt die Durchmesserverteilung 2040 erst bei 65 cm ab. Bei der Fichte ist hingegen keine Erweiterung des Wertebereiches sichtbar. Die maximale Vorratshaltung verlagert sich von 15 bis 25 cm (2011) auf 20 bis
35 cm. Der Durchmesserbereich 35 bis 45 cm ist 2040 ebenfalls deutlich stärker vertreten als
2011. Im Durchmesserbereich oberhalb des Zielstärkendurchmessers verringert sich die Vorratshaltung entsprechend der umgesetzten waldbaulichen Regeln.
116 Abbildung 10: Fläche der Buche und Fichte in Altersstufen, Göttingen 2040
Abbildung 11: Vorrat der Buche und Fichte in Altersstufen, Göttingen 2040
117 Abbildung 12: Vorrat der Buche und Fichtenarten in Durchmesserklassen, Göttingen 2040
Die Vorratsverteilung der Region BERTA ist 2040 vergleichbar mit der Situation 2011. Unter
der Annahme, dass auf den Alh-Standorten die gleichen Baumarten wieder eingebracht werden und die gleichen Zieldurchmesser wie in der Region Göttingen gelten, erhöht sich die Altersstufe in den meisten Fällen. In den Altersklassen bis 30 Jahre verringert sich der Anteil der
Fichte zugunsten der Buche.
2.2.3 Biomasse- und Energiepotenzial
Das Potenzial ergibt sich aus der Bilanz der ausscheidenden Bäume. Dabei wird Stammholz
nicht zum energetischen Potenzial gezählt. Das dargestellte Industrieholz-Potenzial kann sowohl einer stofflichen als auch einer energetischen Nutzung zugeführt werden. Es kann auf
Grundlage des Nutzungsverhaltens der vergangenen 10 Jahre angenommen werden, dass
durchschnittlich 45,5 % des anfallenden Laub- und 13,4 % des Nadel-Industrieholzes energetisch genutzt werden (WÖRDEHOFF, 2014). Das Restholz wird komplett zum energetischen Potenzial gezählt. Potenziale, die aufgrund von aktuellen Nutzungseinschränkungen nicht realisierbar sind, werden nicht dargestellt.
Dem hier dargestellten Szenario liegen die in Tabelle 3.3 abgebildeten Stammholzzöpfe sowie
Zopfgrenzen von 9 cm für Nadel- und 7 cm für Laub-Industrieholz zugrunde. Für die Region
Göttingen bedeutet dies, dass im gesamten Zeitraum von 2011 bis 2020 maximal 249.000 t
Biomasse als Industrieholz anfallen (Tabelle 4). Davon werden nach dem Schlüssel von WÖRDEHOFF (2014) 113.000 t energetisch genutzt. Dies entspricht einem Heizwert von 1.212.000
MWh. Im Zeitraum von 2021 bis 2030 erhöht sich dieses Potenzial deutlich auf 300.000 t Biomasse bzw. 1.461.000 MWh Heizenergie. Im dritten Jahrzehnt der Simulation beträgt das Potenzial 388.000 t. Wenn das Restholz im Derbholzbereich als energetisches Potenzial berücksichtigt wird, erhöht sich das anfangs zur Verfügung stehende Potenzial deutlich auf 386.000 t
(1.885.000 MWh). In der zweiten (502.000 t bzw. 2.450.000 MWh) und dritten (700.000 t=
3.417.000 MWh) Simulationsperiode steigt dieses erweiterte Potenzial ebenfalls stetig. Die
Biomasse des Restholzes unterhalb der Derbholzgrenze beträgt demgegenüber im Simulationszeitraum 2011 bis 2020 nur 42.000 t (207.000 MWh). Im darauffolgenden Simulationszeitraum ist ein Aufkommen von 48.000 t (238.000 MWh) zu erwarten. Im letzten Simulationszeitraum erhöht sich das Schwachholzpotenzial nochmals auf 64.000 t (317.000 MWh).
118 Tabelle 4: Biomasse- und Energiepotenzial inkl. Derbholzvolumen der Region Göttingen in 10-jahres
Zeiträumen
Biomasse Industrieholz [t]
davon energetische Nutzung [t]
Biomasse Restholz > 7 cm [t]
Biomasse Restholz 1- 7 cm [t]
Biomasse Restholz < 1 cm [t]
Energie Industrieholz [MWh]
davon energetische Nutzung [MWh]
Energie Restholz > 7 cm [MWh]
Energie Restholz 1- 7 cm [MWh]
Energie Restholz < 1 cm [MWh]
2011- 2020
249.000
113.000
137.000
31.000
11.000
1.212.000
551.000
673.000
150.000
57.000
2021- 2030
300.000
137.000
202.000
36.000
12.000
1.461.000
664.000
989.000
178.000
60.000
2031- 2040
388.000
177.000
312.000
48.000
16.000
1.890.000
859.000
1.527.000
237.000
80.000
Im Gegensatz zur Bioenergieregion Göttingen steigt das Biomasse- und Energiepotenzial der
Thüringer Ackerebene (Tabelle 5) nicht stetig an, sondern stagniert oder sinkt sogar. Die Unterschiede zwischen den Simulationszeiträumen sind hierbei relativ gering. Im dargestellten
Szenario fallen in der Region BERTA 2011 bis 2020 bis zu 57.000 t (279.000MWh) Biomasse
aus Derbholz an. 2021 bis 2030 ist ein Derbholzbiomassepotenzial von 46.000 t (219.000
MWh) prognostiziert. Dieses ist 2031 bis 2040 wieder höher (50.000 t= 245.000 MWh).
Tabelle 5: Biomasse- und Energiepotenzial inkl. Derbholzvolumen der Region BERTA in 10-jahres Zeiträumen
Biomasse Industrieholz [t]
davon energetische Nutzung [t]
Biomasse Restholz > 7 cm [t]
Biomasse Restholz 1- 7 cm [t]
Biomasse Restholz < 1 cm [t]
Energie Industrieholz [MWh]
davon energetische Nutzung [MWh]
Energie Restholz > 7 cm [MWh]
Energie Restholz 1- 7 cm [MWh]
Energie Restholz < 1 cm [MWh]
2011- 2020
34.000
16.000
23.000
4.000
1.000
167.000
76.000
112.000
20.000
5.000
2021- 2030
26.000
11.000
20.000
3.000
1.000
123.000
56.000
96.000
15.000
4.000
2031- 2040
28.000
13.000
22.000
4.000
1.000
137.000
62.000
108.000
18.000
5.000
3.3 Ergebnisdiskussion
Unter der Annahme, dass die waldbaulichen Konzepte der Niedersächsischen Landesforsten
die Grundlage der Waldbewirtschaftung in den Modellregionen bilden, sind in der Region Göttingen im Simulationszeitraum vor allem Massen aus Jung- und Altdurchforstungen zu erwarten. Mittelfristig fällt auch verstärkt Holz aus Zielstärkennutzung an. Dies liegt vor allem an
dem sehr hohen Buchenanteil. An der Durchmesserverteilung 2011 (Abbildung 7) ist erkennbar, dass sich bei der Buche wenig Vorrat im zielstarken Bereich befindet. Gleichwohl ist viel
Volumen in mittleren Stärken (40 bis 55 cm BHD) vorhanden, weshalb einerseits relativ viel
starkes Durchforstungsmaterial anfällt und andererseits der Anteil des anfallenden Holzes aus
Zielstärkennutzung stetig höher wird. Bei der Fichte ist 2011 relativ viel Holzvolumen in
Durchmessern kurz unterhalb der Endnutzungsstärke. In der Periode 2031 bis 2040 fällt erstmals ein größerer Anteil aus Zielstärkennutzung der Buche an (Abbildung 3.11), während bei
der Fichte bereits im ersten Jahrzehnt Endnutzungsvolumen anfällt. Die Alters- (Abbildung 11)
und Durchmesserverteilung (Abbildung 12) 2040 lässt erwarten, dass sich das Endnutzungspotenzial der Buche in den folgenden Jahrzehnten auf diesem Niveau hält, weil der Vorratsaufbau abgeschlossen ist. Da der Großteil des Vorrates 2011 in den Durchmesserklassen 20
bis 30 cm und 2040 entsprechend in den Durchmesserklassen 25 bis 40 cm lokalisiert ist, ist
auch bei der Fichte von einem weiteren Anstieg des Potenzials auszugehen, vor allem im Zuge von Altdurchforstung und Zielstärkennutzung.
Angesichts der geringen Holzvolumina in Durchmessern oberhalb von 60 cm im Jahre 2011
119 (Abbildung 7) ist davon auszugehen, dass der Zieldurchmesser für die Endnutzung bisher unter dem in der Simulation angenommenen Durchmesser von 65 cm lag. Ab der Durchmesserklasse bis 50 cm wird der Vorrat deutlich geringer bis in der Klasse bis 65 cm kaum noch Vorrat vorhanden ist.
Langfristig wird sich das Potenzial weiter zugunsten der Buche entwickeln. In den jungen Altersstufen bis 40 Jahre ist der Buchenanteil stets höher als der Fichtenanteil. Dies ist aus dem
Flächendiagramm (Abbildung 10) 2040 nicht ersichtlich, da Buchenverjüngung unter Schirm in
der Flächenbilanz nicht berücksichtigt wird, während bei der Fichtenverjüngung von Pflanzungen auf Freiflächen ausgegangen wird, die unmittelbar den Hauptbestand darstellen.
Die Bestandesstruktur in der Region BERTA unterscheidet sich grundlegend von jener der Region Göttingen. Zum einen sind die Wälder aus Edellaubbaumarten mit hohem Umtrieb (Alh),
Eichen- und Fichtenarten zusammengesetzt und nicht buchendominiert wie in der Region Göttingen. Zum anderen sind die Bestände durchschnittlich deutlich älter. Die heterogene Altersund Artenzusammensetzung (Abbildungen 2 und 3) führt im Betrachtungszeitraum zu einem
verhältnismäßig gleich bleibenden Holzpotenzial (Tabelle 5). Es gibt einerseits viel jüngere
Eichen- und Alh- Bestände, die bis 2040 nicht die Zielstärke erreichen, aber andererseits auch
im Sinne des definierten Zieldurchmessers überalterte Fichtenbestände. Diese homogene Potenzialstruktur ist auch in den Jahren nach 2040 weiter zu erwarten, da sich an der Vorratsstruktur langfristig nichts ändert. Bei einer angenommenen Zielstärke der Eiche von 80 cm,
fällt auch mittelfristig nur wenig Endnutzungsvolumen an.
Bei den Potenzialanalysen ist zu beachten, dass es sich um das ausgewiesene Gesamtpotenzial handelt. Ernteverluste und im Bestand verbleibende Biomasse sind nicht bilanziert. Ebenso werden technische und ökonomische Restriktionen nicht berücksichtigt und es wurde keine
zusätzliche Flächenstilllegung angenommen. Lediglich 2011 geltende Einschränkungen wie
Zertifizierungen und Naturschutzauflagen sind berücksichtigt. Des Weiteren wurde angenommen, dass keine vorzeitige Nutzung aufgrund von unvorhergesehenen Ereignissen, wie Katastrophen eintritt. Zu beachten ist auch, dass die Potenzialschätzung gleich bleibende Bodenverhältnisse unterstellen.
2.4 Berechnung von Nutzungsszenarien
In Ermangelung bestandesbezogener Qualitätsangaben für die Bestände wurde im Rahmen
dieses Projektes vereinfachend mit den marktbeeinflussten Ergebnissen der Einschlagsstatistik des Jahres 2012 für die Forstämter Münden und Reinhausen gearbeitet. Danach verteilen
sich die Qualitäten des genutzten Stammholzes auf die Baumartengruppen wie in Abbildung
13 dargestellt.
Abbildung 13: Anteile der Qualitäten des Stammholzes der in den Proberegionen relevanten Baumartengruppen.
120 Unter der Annahme, dass sich im Simulationszeitraum das ausscheidende Stammholz wie im
Jahr 2012 verteilt, fallen die in Tabelle 6 dargestellten Qualitäten an. Stammholz der Qualität
D ist eine Zusammenfassung aus CGW, Palletten und Schwellenholz. Es wird für Laubholz
nicht dargestellt, da diese Sortimente zum Energiepotenzial zählen können und demzufolge
bereits in Kapitel 2.2.3 differenziert dargestellt wurden.
Tabelle 6: Antizipiertes Erntevolumen unterschiedlicher Stammholzqualitäten des gesamten Simulationszeitraumes
Erntevolumen [m3]
Simulationsperiode
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2011- 2020
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2021- 2030
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
2031- 2040
Region
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
BERTA
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Göttingen
Baumartengruppe
100
200
300
400
500
600
700
800
100
200
300
400
500
600
700
800
100
200
300
400
500
600
700
800
100
200
300
400
500
600
700
800
100
200
300
400
500
600
700
800
100
200
300
400
500
600
700
800
Furnier
A
B
BC
C
D
182,7
53,6
524,9
16,9
0,0
0,0
0,0
0,0
144,7
46,1
689,6
7,2
0,0
0,0
0,0
0,0
161,8
59,3
1003,7
7,2
0,0
0,0
0,0
0,0
873,1
810,8
2101,7
16,9
0,0
0,0
0,0
0,0
929,2
1454,4
3152,9
14,4
0,0
0,0
0,0
0,0
1172,5
2652,0
4012,8
24,1
0,0
0,0
0,0
0,0
232,9
34,8
0,0
11,0
0,0
0,0
0,0
0,0
184,4
29,9
0,0
4,7
0,0
0,0
0,0
0,0
206,2
38,5
0,0
4,7
0,0
0,0
0,0
0,0
1113,1
526,0
0,0
11,0
0,0
0,0
0,0
0,0
1184,6
943,5
0,0
9,3
0,0
0,0
0,0
0,0
1494,8
1720,4
0,0
15,6
0,0
0,0
0,0
0,0
1761,0
2978,4
1425,1
939,9
3190,9
381,2
2448,7
48,7
1394,7
2561,3
1872,2
399,1
1897,9
185,1
2163,6
15,0
1559,6
3295,1
2725,2
400,1
1572,9
17,9
2026,5
31,7
8417,0
45046,7
5706,3
941,2
63772,5
5275,0
4764,6
2336,7
8957,8
80805,8
8560,3
799,4
34963,9
3173,7
7694,4
1892,0
11303,5
147344,9
10894,8
1337,9
30928,6
1376,4
7553,4
1168,2
111,6
541,1
2435,3
170,7
588,0
70,2
451,2
9,0
88,4
465,3
3199,4
72,5
349,7
34,1
398,7
2,8
98,9
598,6
4657,1
72,7
289,8
3,3
373,4
5,8
533,5
8183,1
9751,3
171,0
11751,0
972,0
878,0
430,6
567,8
14679,0
14628,5
145,2
6442,6
584,8
1417,8
348,6
716,5
26766,4
18617,9
243,0
5699,0
253,6
1391,8
215,3
5567,6
11281,1
1686,0
3559,9
297,1
35,5
228,0
4,5
4409,5
9701,2
2215,1
1511,5
176,7
17,2
201,4
1,4
4930,8
12480,7
3224,3
1515,5
146,5
1,7
188,7
2,9
26611,7
170620,1
6751,2
3564,8
5937,7
491,1
443,6
217,6
28321,4
306062,4
10127,9
3027,7
3255,4
295,5
716,4
176,2
35737,6
558087,4
12889,9
5067,4
2879,7
128,2
703,3
108,8
0,0
0,0
0,0
0,0
804,9
96,2
617,7
12,3
0,0
0,0
0,0
0,0
478,8
46,7
545,8
3,8
0,0
0,0
0,0
0,0
396,8
4,5
511,2
8,0
0,0
0,0
0,0
0,0
16087,0
1330,7
1201,9
589,4
0,0
0,0
0,0
0,0
8819,9
800,6
1941,0
477,3
0,0
0,0
0,0
0,0
7801,9
347,2
1905,4
294,7
121 3 Gesamtdiskussion und Ausblick
Ausgehend von der begründeten Annahme, dass die Nachfrage nach Energieholz stetig
wächst und diejenige des stofflich genutzten Rohholzes übersteigt, ist es notwendig, die Möglichkeiten und Grenzen der Energieholzbereitstellung aufzuzeigen (MANTAU, 2012). Der Forschungsbericht des Teilprojektes IO-H4 bilanziert anhand von zwei Projektregionen den möglichen Anteil des Waldholzes an der regenerativen Energieerzeugung. Es zeigt sich, dass abhängig von Bestockung und Standort und unter der Annahme, dass die in sich schlüssigen
Waldbaukonzepte der Niedersächsischen Landesforsten Anwendung finden, maximal mit einer bis 1,9 t Biomasse aus Derb- und Nichtderbholz (atro) pro ha und Jahr gerechnet werden
kann.
Der Derbholzanteil dieser Biomasse beträgt über 90 %. Hierbei ist die potenziell stofflich genutzte Industrieholzmasse nicht berücksichtigt (vgl. 2.2). Dies bedeutet, dass vor allem beim
Laubholz eine Konkurrenz zwischen Energieholz und den nächsten Produkten der Wertschöpfungskette (z. B. Industrieholz, CGW-Stammholz oder Schwellenholz) entsteht. Eine Nutzungsänderung des schwächeren und geringwertigen Derbholzes beeinflusst die ökonomischen und sozioökonomischen Rahmenbedingungen der Region unmittelbar. Demnach kann
die steigende Energieholznachfrage zu Versorgungsengpässen und Verteilungsproblemen am
Rohholzmarkt führen (RÜTHER et al., 2007).
Wie die Analyse der Elementkonzentrationen zeigt, führt Schwachholznutzung, vor allem wegen des hohen Rindenanteiles zu überproportionalem Nährstoffentzügen. Vollbaumnutzung ist
daher in Bezug auf die Standortsnachhaltigkeit der Bodenfruchtbarkeit ein sensibles Themenfeld. Die aus energetischer Sicht sinnvolle Nutzung der schwächeren Holzsortimente kann nur
dort stattfinden, wo eine langfristig wirksame Verschlechterung des Standortes ausgeschlossen ist.
Des Weiteren muss die Holzbereitstellung sowohl aus ökonomischen als auch ökologischen
Gesichtspunkten vertretbar sein. Die Untersuchungen der Bereitstellungsprozesse für Waldschwachholz (Arbeitspaket IO-H 5) und die sozioökonomische Bewertung (Arbeitspaket SÖB
1) ergaben, dass eine Bereitstellung von schwachem Waldrestholz (z. B. Hackgut) nach einer
Derbholznutzung in der Regel sehr energieaufwendig und nur selten kostendeckend ist.
Insgesamt ist davon auszugehen, dass das Restholzpotenzial im Wald nur einen geringen
Beitrag zur Deckung des Energiebedarfes in der Region Göttingen leisten kann. Die energetische Nutzung ist allenfalls als Brückentechnologie anzusehen, solange bis andere regenerative Energien die Bedarfslücken schließen. Die Erhaltung der Nährstoffnachhaltigkeit der Waldstandorte hat grundsätzlich Vorrang vor der Substitution fossiler Brennstoffe.
Die Ergebnisse des Projektes finden Eingang in Entscheidungshilfen der hessischen und niedersächsischen Landesforsten sowie in die Betreuungsarbeit der von der Landwirtschaftskammer Niedersachsen betreuten Privatwaldflächen.
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Vollbaumnutzung. Ergebnisbericht (FKZ: 22015407). Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe
des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, Göttingen, S. 25124.
RÜTHER, B., HANSEN, J., LUDWIG, A., SPELLMANN, H., NAGEL, J. (2007): Clusterstudie Forst und Holz Niedersachsen. Universitätsdrucke Göttingen, 91 S.
RÜTHER, B.; HANSEN, J.; LUDWIG, A.; SPELLMANN, H; NAGEL, J.; MÖHRING, B.; LÜPKE, N. V.; SCHMIDTWALTER, P.; DIETER, M. (2008): Clusterstudie Forst und Holz Schleswig-Holstein. Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt (Hrsg.), Göttingen, 78 S.
RÜTHER, B.; HANSEN, J.; SPELLMANN, H.; NAGEL, J.; MÖHRING, B.; SCHMIDT-WALTER, P.; DIETER, M. (2008):
Clusterstudie Forst und Holz Sachsen-Anhalt. Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt
(Hrsg.), Göttingen, 60 S.
SCHMIDT, M. (2001): Prognosemodelle für ausgewählte Holzqualitätsmerkmale wichtiger Baumarten.
Dissertation an der Georg-August-Universität, 309 S.
TALKNER, U. (2012): PHOSPHOR. Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt: Waldzustandsbericht
2012 für Niedersachsen, S. 31.
VENABLES, W. N. & RIPLEY, B. D. (2002): Modern Applied Statistics with S. Springer, 512 S.
WOOD, S. N. (2006): Low-Rank Scale-Invariant Tensor Product Smooths for Generalized Additive Mixed
Models. Biometrics, 62 (4), S. 1025–1036.
ZIANIS, D.; MUUKKONEN, P.; MÄKIPÄÄ, R. u. MENCUCCINI, M. (2005): Biomass and stem volume equations
for tree species in Europe. Silva Fennica Monographs, 4, 63
Danksagung
Für die Bereitstellung der Daten sei dem Forstamt Niedersachsen Süd der Landwirtschaftskammer, dem Stadtforstamt Hann. Münden, dem Stadtforstamt Göttingen, den Nds. Forstämtern Münden und Reinhausen, der Thüringer Landesanstalt für Wald, Jagd und Fischerei Gotha sowie den privaten Waldbesitzern der Region Göttingen herzlich gedankt.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Es fand eine enge Zusammenarbeit mit den Teilvorhaben IO-H5, IO-H1 und SÖB1 statt.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Der Arbeits- und Zeitplan wurde im Berichtszeitraum eingehalten. Es wurden Zuwendungsgelder in Höhe von 138.011,53 € ausgegeben. Gemäß des zahlenmäßigen Zwischennachweises
vom 9.1.2015 besteht ein positiver Kassenbestand in Höhe von 99,10 €.
124 Arbeitspaket:
IO-H 5
Thema:
Schwachholzbereitstellung
Antragsteller
Prof. Dr. H. Jacke
Institution:
Abt. Arbeitswissenschaft und Verfahrenstechnologie, Burckhardt-Institut,
Georg-August-Universität Göttingen
Projektdauer:
01.01.2010 – 30.06.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Stephan Willems
Aufgabenstellung des Arbeitspaketes
Der Abteilung Arbeitswissenschaft und Verfahrenstechnologie (ifa) kam innerhalb des BESTProjektes mit dem Arbeitspaket IO-H 5 die Zusammenstellung optimierter Bereitstellungsketten für Rohholzsortimente aus dem Wald zu. Ein besonderer Fokus wurde dabei auf die
Schwachholzbereitstellung gelegt. Die Analyse und Evaluation entsprechender Bereitstellungsketten unter ökonomischen und ökologischen Aspekten war ebenso wie eine Gefährdungsbeurteilung inbegriffen. Unter Berücksichtigung des hohen Unfallrisikos bei stetig steigender Selbstwerbung durch Privatleute galt es eine kostengünstige hochmechanisierte Alternative zu entwickeln.
Folgende Arbeitsverfahren wurden genauer untersucht:
1. Konventionelle Holzernte
2. Hochmechanisierte Holzernte
3. Hochmechanisierte Brennholzbereitstellung aus Buchenkronen
Sowohl für die konventionelle als auch die hochmechanisierte Holzernte sollten allgemeingültige und anwenderfreundliche Kalkulationsmodelle hergeleitet werden. Für die Bereitstellung
von Sortimenten aus Baumkronen war ein ergonomisch sinnvolles, wirtschaftlich vertretbares
und ökologisch vorteilhaftes Verfahren zu entwickeln.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Für die konventionelle und hochmechanisierte Holzernte konnten anhand umfangreicher Literaturstudien Bereitstellungsketten erstellt und bewertet werden. Für die hochmechanisierte
Bereitstellung von Sortimenten aus Laubholzkronen wurden durch Zeitstudien begleitete Versuchseinsätze geplant und erfolgreich durchgeführt.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Zahlreiche, oftmals regionalisierte Kalkulationsmodelle für die Holzernte sind dokumentiert.
Jedoch sind die zugehörigen Datengrundlagen meist unzugänglich oder schwer nachvollziehbar. Stattdessen wurde umfangreich vorhandenes und belastbares Datenmaterial (SCHÖPFER
UND DAUBER, 1989; AFL, 2012; WALDARBEITSSCHULE NRW, o. J.) in Anpassung an die Fragestellungen aufbereitet und ausgewertet.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Die anvisierten Ziele wurden im Wesentlichen erreicht. Nachvollziehbare und anwenderfreundliche Modelle für die konventionelle und hochmechanisierte Holzernte wurden erstellt. Abwei-
125 chend von gängigen anderen Modellen basieren die erarbeiteten Ergebnisse auf dem leicht zu
erfassenden Brusthöhendurchmesser und bieten somit die Grundlage für unkomplizierte Kalkulationen durch Waldbesitzende, Unternehmer und weitere forstlich interessierte Personen.
Die hochmechanisierte Bereitstellung von Sortimenten aus Laubbaumkronen birgt erhebliche
Potentiale und ist als volkswirtschaftlich, ökologisch und ergonomisch vorteilhaft zu bewerten.
Arbeitsbericht
Für die konventionelle Holzernte fand Datenmaterial der Forstlichen Versuchsanstalt BadenWürttembergs Anwendung (SCHÖPFER UND DAUBER, 1989). Anhand der dort zu findenden
Informationen über die Sortimentierung in Verbindung mit dem Brusthöhendurchmesser und
EST-Vorgabezeiten für die sechs Baumartengruppen Buche, Eiche, Fichte, Tanne, Kiefer und
Lärche wurden treffsichere Modelle unter Verwendung der Eigentlich Nichtlinearen Regressionsanalyse erstellt. Für den Zeitbedarf wurde dabei ein gängiger Zeitgrad von 150 % unterstellt. In einem weiteren Schritt konnten zur Vereinfachung einzelne Sortimente zusammengefasst werden. Anschließend wurden für die sechs Baumartengruppen teils in Abhängigkeit des
verfügbaren Datenmaterials leicht voneinander abweichende Durchmesserklassen gebildet.
Die dargestellten Mittelwerte wurden unter Anwendung der Integralrechnung erzeugt.
Für die Langholzrückung wurde auf den Langholzrücketarif NRW zurückgegriffen. Unter Zuhilfenahme einer bei WITTKOPF (2004) zu findenden Volumenfunktion wurden für die Stückvoluminia zugehörige Brusthöhendurchmesser ermittelt. Anhand deckungsgleicher Intervalle wie
für die Holzernte wurden auch für die Rückung intervallbezogene Mittelwerte berechnet.
Die Ergebnisse für die hochmechanisierte Holzernte basieren auf Daten der Arbeitsgemeinschaft forstwirtschaftlicher Lohnunternehmer Niedersachsen e. V. (AFL, 2012). Anhand vorgegebener Plankosten sowohl für die Aufarbeitung als auch die Maschinenarbeitsstunde lassen
sich Werte für den Planzeitbedarf je Festmeter ermitteln. Mit abnehmendem Bhd stoßen die
sich aus dem Planzeitbedarf ableitenden Kosten an ihre wirtschaftliche Grenze. Ab dem Bhd
von 32 cm respektive einem Stückvolumen von 0,7 Efm wurde ein gleichbleibender Zeitbedarf
je Volumeneinheit angenommen.
Für die anschließende Rückung von Kurzholzsortimenten wurde von einer kaum sinnvoll umzusetzenden Leistungsberechnung in Abhängigkeit des Brusthöhendurchmessers abgewichen. Für die Kurzholzrückung spielt das Stückvolumengesetz eine untergeordnete Rolle. Der
Zeitbedarf variiert weit stärker in Abhängigkeit von Geländeneigung, Rückeentfernung, Anzahl
der Sortimente und weiterer Einflussfaktoren.
Die Herleitung erster Kalkulationsgrundlagen für die hochmechanisierte Bereitstellung von
Sortimenten aus Laubholzkronen basiert auf durchgeführten Versuchen, begleitet durch entsprechende Zeitstudien. Im Forstrevier Verliehausen des Forstamtes Münden wurde ein Buchen-Lärchen-Fichten-Mischbestand bearbeitet. Das Durchschnittsalter der ausscheidenden
Buche betrug 81 Jahre, ihr Bhd 25,9 cm. Der Bestand war in einem regelmäßigen Abstand
von 20 m durch Rückegassen erschlossen. Nach erfolgter hochmechanisierter Aufarbeitung
des Nadelholzes und des Buchenstammholzes fand der eigentliche Versuch mit einem modifizierten Tragschlepper statt. Mit dem am Ausleger montierten Fällgreifer Hypro FG 45
(Abbildung 6) wurden aus den Buchenkronen einzelne Brennholzabschnitte herausgetrennt
und direkt in den mitgeführten Rungenkorb geladen, um anschließend am Forstwirtschaftsweg
gepoltert zu werden.
Den aufgetretenen Problemen entgegenzuwirken, wurde in einem Folgeversuch im Forstrevier
Stauffenburg des niedersächsischen Forstamtes Seesen der bis dato verwendete Fällgreifer
Hypro FG 45 am Ausleger des Tragschleppers durch einen Standardgreifer mit Kappsäge
(Abbildung 7) ersetzt. Der 192 Jahre alte Buchenreinbestand wurde motormanuell durchforstet
und die Rohschäfte mit einem Seilschlepper an den befestigten Wirtschaftsweg verbracht. Die
anschließende Aufarbeitung der Kronen erfolgte wie in Verliehausen mit dem modifizierten
Tragschlepper. Der mittlere Gassenabstand betrug in diesem Fall 40 m, wodurch ein zielge-
126 richtetes Fällen erforderlich war. Die Baumkronen kamen so in Gassennähe und damit im Manipulationsbereich des Forwarders zu liegen.
Abbildung 6: Der verwendete Fällgreifer Hypro
FG 45
Abbildung 7: Verwendeter Standardgreifer mit
Kappsäge
Ergebnisbericht
Die Abbildung 8 zeigt den erforderlichen Zeitbedarf für die konventionelle Holzernte in Minuten
je Festmeter bei dargestellter Sortimentierung über dem Brusthöhendurchmesser für die
Baumartengruppe Buche.
100
Arbeiterzeit [min/m³] {ZG 150 %}
80
90
Sortimentsanteil [%]
70
60
Anteil Sortiment L [%]
Anteil Sortiment IL [%]
Anteil Sortiment IS [%]
Anteil Sortiment X [%]
Anteil Sortiment NV [%]
50
40
30
60
50
40
30
20
20
10
10
0
Zeitbedarf [min/m³]
80
70
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Brusthöhendurchmesser [cm]
Abbildung 8: Sortimentierung und Aufarbeitung über dem Bhd bei Buche
In der Abbildung 9 sind sowohl die Industrieholzsortimente als auch das X-Holz und die nicht
verwertbaren Sortimente aufsummiert abgebildet. So reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Sortimentsmodelle auf drei. Neben den Stammholzsortimenten sind die Industrieholzsortimente und mit dem minderwertigen Derbholz das heute oftmals als Waldrestholz ausgewiesene Material dargestellt.
127 100
90
80
80
70
70
60
60
Anteil Sortiment L [%]
Anteil Sortimente IL + IS [%]
Anteil Sortimente X + NV [%]
50
40
50
40
30
30
Zeitbedarf [min/m³]
Sortimentsanteil [%]
90
Arbeiterzeit [min/m³] {ZG 150 %}
100
20
20
10
10
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Brusthöhendurchmesser [cm]
Abbildung 9: Vereinfachte Darstellung der Sortimentierung und Aufarbeitung bei Buche
Einen Überblick der verwendeten Regressionsmodelle einschließlich der berechneten Bestimmtheitsmaße gibt die Tabelle 3.
Tabelle 3: Verwendete Regressionsmodelle für die konventionelle Holzernte
Buche
Regressionsmodell
R²
L (%)
Y = 78.8 * (1.0 - EXP(-0.09981 * X))^16.8
0,99
IL (%)
Y = X / (0.002783 * X * X + (-0.1029) * X + 1.245) 0,97
IS (%)
Y = X / (0.004088 * X * X + (-0.0375) * X + 0.041950,94
IL+IS (% Y = X / (0.001322 * X * X + (-0.0345) * X + 0.3895) 0,99
X (%)
Y = 1.339e+005 * (X^(-4.472)) * EXP(0.113 * X)
0,92
NV (%)
Y = 74.24 * (X^(-0.852)) * EXP(0.01599 * X)
0,89
X+NV (% Y = 1089 * (X^(-1.855)) * EXP(0.04348 * X)
0,97
Az (min/mY = X / (0.0009735 * X * X + 0.0172 * X + (-0.2205 0,97
Eiche
Regressionsmodell
R²
L (%)
Y = 71.69 * EXP(-24.93 * EXP(-0.1384 * X))
0,99
IL (%)
Y = X / (0.005509 * X * X + (-0.1803) * X + 1.86)
0,97
IS (%)
Y = X / (0.001672 * X * X + 0.0243 * X + (-0.3223)) 0,98
IL+IS (% Y = X / (0.001755 * X * X + (-0.03942) * X + 0.38960,99
X (%)
Y = 1.718e+007 * (X^(-6.324)) * EXP(0.1701 * X)
NV (%)
Y = X / (0.0008053 * X * X + 0.03979 * X + 0.4141) 0,29
X+NV (% Y = 536.6 * (X^(-1.368)) * EXP(0.03257 * X)
0,96
0,96
Az (min/mY = X / (0.0006337 * X * X + 0.02316 * X + (-0.250 0,99
128 (Fortsetzung Tabelle 4:)
Fichte
Regressionsmodell
R²
L (%)
Y = 92.39 * (1.0 - EXP(-0.2589 * X))^69.32
0,99
IL (%)
Y = 101.6 * EXP(-0.2707 * EXP(-(-0.09233) * X) 0,99
IS (%)
Y = X / (0.02267 * X * X + (-0.5449) * X + 3.532) 0,99
IL+IS (% Y = X / (0.009772 * X * X + (-0.2366) * X + 1.5690,99
X (%)
Y = X / ((-0.00179) * X * X + 0.6956 * X + (-5.6970,67
NV (%)
Y = X / (0.04677 * X * X + (-1.442) * X + 13.44) 0,97
X+NV (% Y = X / (0.01021 * X * X + (-0.1833) * X + 2.023) 0,95
Az (min/mY = 2.895e+004 * (X^(-2.153)) + 12.53
0,98
Tanne
Regressionsmodell
R²
L (%)
Y = 95.17 * EXP(-116.6 * EXP(-0.2781 * X))
0,99
IL (%)
Y = 54.97 * EXP((-0.06878) * X)
0,52
IS (%)
Y = X / (0.03298 * X * X + (-0.8119) * X + 5.126) 0,99
IL+IS (% Y = X / (0.01111 * X * X + (-0.2796) * X + 1.894) 0,99
X (%)
Y = X / (0.01797 * X * X + 0.1015 * X + (-1.69)) 0,91
NV (%)
Y = X / (0.06101 * X * X + (-1.924) * X + 17.2)
0,96
X+NV (% Y = X / (0.02207 * X * X + (-0.6016) * X + 5.412) 0,97
Az (min/mY = 1.145e+005 * (X^(-2.622)) + 17.95
0,99
Kiefer
Regressionsmodell
R²
L (%)
Y = 92.38 * EXP(-95.3 * EXP(-0.2121 * X))
0,99
IL (%)
Y = X / (0.009664 * X * X + (-0.3253) * X + 3.01) 0,97
IS (%)
Y = X / (0.02247 * X * X + (-0.5328) * X + 3.357) 0,99
IL+IS (% Y = X / (0.00458 * X * X + (-0.1223) * X + 0.961) 0,96
X (%)
Y = X / ((-0.01267) * X * X + 2.025 * X + (-18.82) 0,88
NV (%)
Y = X / (0.02501 * X * X + (-0.7909) * X + 8.202) 0,94
X+NV (% Y = X / (0.01317 * X * X + (-0.3383) * X + 3.682) 0,94
Az (min/mY = 3.004e+004 * (X^(-2.246)) + 8.209
0,99
Lärche
Regressionsmodell
R²
L (%)
Y = 96.34 * EXP(-51.15 * EXP(-0.1819 * X))
0,99
IL (%)
Y = X / (0.00829 * X * X + (-0.275) * X + 2.649) 0,89
IS (%)
Y = X / (0.01853 * X * X + (-0.5016) * X + 3.62) 0,98
IL+IS (% Y = X / (0.004598 * X * X + (-0.1234) * X + 0.9710,96
X (%)
Y = 16.22 * (X^(-0.6468)) + (-1.301)
NV (%)
Y = X / (0.02327 * X * X + (-0.6726) * X + 7.269) 0,93
0,82
X+NV (% Y = X / (0.02112 * X * X + (-0.5947) * X + 6.098) 0,96
Az (min/mY = X / (0.0018 * X * X + (-0.03052) * X + 0.19960,98
In der Tabelle 5 sind die ausgewiesenen Intervalle schwach, mittel und stark aller sechs
Baumartengruppen dargestellt. Die mittleren Zeitbedarfswerte für die Aufarbeitung zeigt die
Tabelle 6. Zu berücksichtigende Zuschläge sind dem EST (bspw. EST, 1979) zu entnehmen.
Möglich ist auch die Kalkulation mit einem mittleren Zuschlag von 15 bis 20 %.
129 Tabelle 5: Baumartenspezifische Durchmesserspannen zur Berechnung mittlerer Zeitbedarfswerte
Bu
Ei
Fi
schwach
Ki
Lä
Ta
12-25 cm
mittel
> 25-40 cm
stark
gesamt
> 40-70 cm
> 40-60 cm
> 40-65 cm
12-70 cm
12-60 cm
12-65 cm
Tabelle 6: Durchmesserklassenspezifische Leistungsvorgaben in Fm/h für die konventionelle Holzernte
Bu
(Fm/h)
Ei
(Fm/h)
Fi
(Fm/h)
Ki
(Fm/h)
Lä
(Fm/h)
Ta
(Fm/h)
Ø
(Fm/h)
schwach
1,25
1,15
0,80
1,03
0,76
0,71
0,95
mittel
2,48
2,13
2,02
2,84
1,97
1,90
2,22
stark
3,92
3,14
3,13
4,60
3,72
2,75
3,54
gesamt
2,4
2,08
1,59
2,15
1,59
1,50
1,71
Für die Langholzrückung nach dem NRW-Rücketarif sind die Ergebnisse in der Abbildung 10
dargestellt. Zu berücksichtigende Zuschläge sind in der Tabelle 7 angegeben.
Y=25.61*(X^(-0.04208))*EXP((-0.03614)*X) / R ² = 0.9896
16
der mittlere Zeitbedarf
beträgt 6.86 min/m³
der mittlere Zeitbedarf
beträgt 11.74 min/m³
der mittlere Zeitbedarf
beträgt 6.93 min/m³
der mittlere Zeitbedarf
beträgt 3.65 min/m³
Zeitbedarf [min/Fm o.R.]
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
Brusthöhendurchmesser [cm]
Abbildung 10: Mittlere Zeitbedarfswerte für die Langholzrückung
130 50
60
Tabelle 7: Zu- und Abschläge nach NRW-Langholzrücketarif (WALDARBEITSSCHULE NRW, o. J.)
Zuschlagkriterium
Bereich
Zuschlagshöhe
> 20 – 30 %
> 30 – 45 %
+ 10 %
+ 15 %
Rückeentfernung
> 200 – 300 m
> 300 – 400 m
> 400 – 500 m
> 500 m
+5%
+ 10 %
+ 15 %
+ 20 %
Beiseilentfernung
> 20 – 30 m
> 30 – 40 m
> 40 – 50 m
> 50 m
+5%
+ 10 %
+ 15 %
+ 20 %
Hangneigung
Die Zeitbedarfswerte für die hochmechanisierte Holzernte veranschaulicht die Abbildung 11.
Laubholz Harvesterzeit [min/m³]
Harvesterzeit [min/m³]= 2.108e+008 * (X^(-6.243)) + 3.606 / R² = 0.9439
Fichte Harvesterzeit [min/m³]
Harvesterzeit [min/m³] [Fi]= 1.908E+008*(X^(-6.243)) + 3.261 / R² = 0.9439
Kiefer Harvesterzeit [min/m³]
Harvesterzeit [min/m³]= 1.634e+008 * (X^(-6.243)) + 2.795 / R² = 0.9439
Stückvolumen [Efm] = 0.0009 * (BHD^2.0) + (-0.0076*BHD) + 0.0209
4
Stückvolumen
> 0,1 Efm
20
Stückvolumen
> 0,7 Efm
15
2
10
Erntefestmeter [m³]
Zeitbedarf [min/m³]
3
1
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Brusthöhendurchmesser o.R. [cm]
Abbildung 11: Zeitbedarf der hochmechanisierten Holzernte für die Baumartengruppen Laubholz, Fichte und Kiefer
Die Tabelle 8 zeigt die ausgewiesenen Intervalle für die hochmechanisierte Holzernte. Diese
sind für alle drei Baumartengruppen identisch. Der Tabelle 9 sind die intervallbezogenen Leistungsangaben für die Baumartengruppen Laubholz, Fichte und Kiefer zu entnehmen. Das
arithmetische Mittel über die Baumartengruppen zeigt die geringe Variation zwischen den verschiedenen Baumarten und erleichtert somit die Kalkulation in Mischbeständen.
131 Tabelle 8: Durchmesserintervalle zur Berechnung mittlerer Zeitbedarfswerte der hochmechanisierten
Holzernte
Lh
Fi
Ki
14-20 cm
schwach
mittel
≤ 20-30 cm
stark
≤ 30-65 cm
14-65 cm
gesamt
Tabelle 9: Intervallbezogene Leistungsangaben der hochmechanisierten Holzernte nach Baumartengruppen
Lh
(Efm/MAS)
Fi
(Efm/MAS)
Ki
(Efm/MAS)
Ø
(Efm/MAS)
schwach
6,55
7,25
8,45
7,42
mittel
14,49
16,04
18,69
16,41
stark
16,53
18,29
21,35
18,72
gesamt
13,70
15,15
17,70
15,52
Für die Rückung der Kurzholzsortimente wird aufgrund geringen Einflusses des Stückvolumens von Fixwerten ausgegangen wie sie die Tabelle 10 veranschaulicht.
Tabelle 10: Kosten, Leistungen und Zeitbedarfswerte der hochmechanisierten Kurzholzrückung für
einfache und schwierige Verhältnisse (nach AFL, 2012)
Kosten
(€/Fm)
Leistung
(Fm/MAS)
Zeitbedarf
(min/Fm)
Flachland, einfache Verhältnisse
7,70
15,53
3,86
Bergland, schwierige Verhältnisse
8,20
14,59
4,11
Die folgenden Abbildungen veranschaulichen die Zeitanteile für die Ablaufabschnitte der
durchgeführten Versuche im Versuchsbestand Verliehausen. Die Abbildung 12 zeigt die tatsächlich gemessenen Anteile, welche in der Abbildung 13 rechnerisch abgewandelt wurden,
da ein Anteil von lediglich 4,79 % Allgemeiner Zeiten an der Gesamtarbeitszeit (GAZ) dauerhaft zu gering ist. Dadurch verringert sich die tatsächlich gemessene Leistung von 4,41
Fm/MAS auf 4,03 Fm/MAS. Aufgrund unzureichender Vorbereitung und Einarbeitung des Fahrers wurde ein Leistungsgrad (LG) von 85 % unterstellt, wodurch sich eine Normalleistung von
4,74 Fm/MAS errechnet.
132 Manipulieren (11,71 Stunden)
Allgemeine Zeiten (1,11 Stunden)
Leerfahrt (3,09 Stunden)
Entladen (3,19 Stunden)
Lastfahrt (1,95 Stunden)
Positionieren (2,15 Stunden)
Manipulieren
Allgemeine Zeiten
Leerfahrt
Entladen
Lastfahrt
Positionieren
46.10%
50.48%
13.04%
4.79%
8.46%
9.27%
13.31%
8.39%
7.66%
12.16%
12.57%
13.77%
Dauer der Ablaufabschnitte [min/Fm]
Abbildung 12: Anteile der Ablaufabschnitte an
der GAZ im Versuchsbestand Verliehhausen
7
Abbildung 13: Anteile der Ablaufabschnitte an
der GAZ bei einem Anteil von 15 % AZ von der
RAZ im Versuchsbestand Verliehausen
Manipulieren
AZ
Leerfahrt
Entladen
Lastfahrt
Positionieren
-38,49 %
6
5
4
im Mittel -40,23 %
3
-40,23 %
2
-55,28 %
-37,70 %
1
0
V S
V S
V S
V S
-37,04 %
-34,80 %
V S
V S
Abbildung 14: Absolute Dauer der Ablaufabschnitte der Zeitstudien Brennholz Verliehausen (V) und
Brennholz Stauffenburg (S) im Vergleich
Im Versuchsbestand Stauffenburg konnte bei Anwendung des Standardgreifers mit Kappsäge
eine deutlich höhere Produktivität erzielt werden. Die Abbildung 14 gibt die Zeitersparnis je Ablaufabschnitt, welche im Mittel 40,23 % betrug, wieder. In der Tabelle 11 sind die wichtigsten
leistungsbeeinflussenden Parameter der beiden Versuchsbestände wiedergegeben.
133 Tabelle 11: Vergleich der die Leistung beeinflussenden Parameter der beiden Versuchsbestände Verliehausen und Stauffenburg bei der Brennholzbereitstellung
Verliehausen
Stauffenburg
Differenz
Hiebsvolumen (Fm/ha)
9,31
16,88
+81 %
Abschnitte (N)
618
414
- 33 %
Stückvolumen (Fm)
0,17
0,32
+ 88 %
Rückeentf. (m)
485
378
- 22 %
In der Tabelle 12 sind die Ergebnisse einer Vergleichskalkulation verschiedener Bereitstellungsverfahren dargestellt. Bei der motormanuellen Bereitstellung von Brennholzsortimenten
aus Laubbaumkronen ist mit Kosten von ca. 30,00 €/Fm zu rechnen. Die Bereitstellung mit
dem Fällgreifer im Forstrevier Verliehausen verursachte Kosten in Höhe von 18,88 €/Fm, was
knapp ⅔ der motormanuellen Bereitstellung entspricht. Im Versuchsbestand Stauffenburg, wo
die Kappsägenkombination zum Einsatz kam, lagen die Bereitstellungskosten bei gut ⅓ der
konventionellen Bereitstellungskosten.
Für den Forstwirt wurden bei einer Leistung von 2,78 Fm/h Kosten in Höhe von 10,07 €/Fm
veranschlagt. Auf die Motorsäge entfallen zusätzliche 3,19 €/Fm. Der Forst(spezial)-schlepper
verursacht bei einer Leistung von gut 4 Fm/MAS zusätzlich Kosten von 16,08 €/Fm.
Nach entsprechender Maschinenkostenkalkulation entfallen auf die Maschinenarbeitsstunde
des Forwarders, eines Gremo 950 R, mit Fällgreifer 89,49 €. Demgegenüber werden für die
Basismaschine mit Kappsäge nur 88,33 €/MAS kalkuliert.
Tabelle 12: Leistungen und Kosten für motormanuell bereitgestelltes Industrieholz sowie für mit dem
Fällgreifer und der Kappsäge bereitgestelltes Brennholz
Leistung
(Fm/MAS)
Kosten
(€/MAS)
Motormanuelle Bereitstellung
Kosten
(€/Fm) [€/Srm]
29,34
Fällgreifer BS
4,74
89,49
18,88
Kappsäge BS
7,49
88,33
11,79
Die dargestellten Versuche zur hochmechanisierten Bereitstellung von Sortimenten aus Laubbaumkronen zeigen beachtliche Ergebnisse. Zweifelsfrei handelt es sich dabei um erste Ansätze zur Herleitung von Kalkulationsgrundlagen, doch konnten diese bereits wirtschaftlich, ergonomisch und ökologisch überzeugen. Neben einer Vielzahl leistungsbeeinflussender Parameter wie der Hangneigung, Rückeentfernung, eingesetzter Technik und aufgearbeiteter Sortimente müssen die Anforderungen an eine hinreichende Erschließung erfüllt werden. Der im
Forstrevier Stauffenburg durchgeführte Versuch konnte zeigen, dass für das dargestellte Verfahren ein Gassenabstand von 40 m vollkommen ausreicht, sofern zielgerichtet gefällt wird.
Die Qualität des bereitgestellten Holzes genügt aufgrund differierender Längen und in Ermangelung stammebener Entastung keiner Industrieholzqualität. Für Selbstwerber hingegen stellt
dieses Holz eine hinreichend gute Qualität dar.
In Verliehausen konnte deutlich die Vorteilhaftigkeit einer kombinierten Bereitstellung von
Brennholz und Waldrestholz belegt werden. Einerseits wurde das Restholz nach Aufarbeitung
des Brennholzes strukturiert zu Raubeugen aufgeschichtet und andererseits konnte der Maschinenführer aufgrund vorhandener Flächenkenntnis beim Zusammenfahren des Restholzes
die auf der Fläche verteilt liegenden Mengen gut einschätzen und Fahrten sehr geringer Materialausbeute vermeiden.
134 Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Die Versuche zur hochmechanisierten Bereitstellung von Laubholzsortimenten aus Buchenkronen wurden in Kooperation mit den Niedersächsischen Landesforsten A. d. ö. R. durchgeführt. Hier sind besonders die Mitarbeiter der betroffenen Forstämter Münden und Seesen
dankend zu erwähnen. Für die technische Umsetzung der Versuche zeichnete das im Solling
beheimatete Forstunternehmen Leibecke verantwortlich. Bei einer Veranstaltung mit Waldbesitzern konnten in Kooperation mit der Energieagentur Göttingen (UP 1) erste Ergebnisse präsentiert werden. Die ständige Zusammenarbeit mit den Projektpartnern der Forstökonomie
(SÖB 1) und der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt (IO-H 4) waren für den Arbeitsfortschritt sehr hilfreich. In die aktive Kooperation mit den Arbeitspaketen Ökoinformatik
(UP 3) und Landschaftsökologie (UP 4) konnten Erkenntnisse eingebracht und diskutiert werden.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Aufgrund witterungsbedingter Verzögerungen wurde eine kostenneutrale Verlängerung um
sechs Monate bis zum 30.06.2014 bewilligt. In diesem Rahmen wurde der Arbeits-, Zeit- und
Finanzplan eingehalten.
Weiterentwicklung des Verwertungsplanes
Mit der hochmechanisierten Bereitstellung von Sortimenten aus dem Kronenholz konnten beachtliche Ergebnisse erzielt werden. Eine Fortsetzung und Weiterentwicklung dieses gegenwärtig bedeutenden Betätigungsfeldes erscheint zweckmäßig und zielführend.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspaketes
Willems, S. (2014): Zur Abschätzung der Holzernte-Produktivität bei Optimierung von Bereitstellungsverfahren für Sortimente aus Laubholzkronen. Dissertation. (unveröffentlicht)
Quellen
AFL (2012): AfL-Info 2012/13 – Richtpreise, Tarife, Kalkulationen, Adressen. Arbeitsgemeinschaft forstwirtschaftlicher Lohnunternehmer Niedersachsen e. V.
EST (ERWEITERTER SORTENTARIF) (1979): Tarifvertrag über die Entlohnung von Holzerntemaßnahmen nach dem Erweiterten Sortentarif vom 3. Mai 1979; i. d. F. des ÄndTV Nr. 5
vom 4. Juni 1987 mit Anlagen.
SCHÖPFER, W., DAUBER, E. (1989): Bestandessortentafeln ´82/85 – Mitteilungen der Forstlichen Versuchs- u. Forschungsanstalt Baden-Württemberg. Heft 147.
WALDARBEITSSCHULE NRW (o. J.): Rücketarif der Waldarbeitsschule NRW, Neheim.
WILLEMS, S. (2014): Zur Abschätzung der Holzernte-Produktivität bei Optimierung von Bereitstellungsverfahren für Sortimente aus Laubholzkronen. Dissertation. (unveröffentlicht)
WITTKOPF, S. (2004): Bereitstellung von Hackgut zur thermischen Verwertung durch Forstbetriebe in Bayern. Dissertation, Technische Universität München.
135 Arbeitspaket:
IO-H 6
Thema:
Betreuungsmanagement Waldeigentümer
Antragsteller
Prof. Dr. Max Krott
Abteilung/Institut:
Abt. Forst- und Naturschutzpolitik, Burckhardt-Institut, Univ. Göttingen
Projektdauer:
01.09.2010 – 31.08.2012; 01.06.2013-31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. Michael Böcher, Lena Runge, MSc (bis 31.5.2012) Markus von Willert,
MSc (ab 01.06.2013)
Aufgabenstellung
 Theoretisch-empirische Analyse der Erfolgsfaktoren und Schwachstellen der relevanten
Beratungs- und Betreuungsalternativen.
 Anpassung und praktische Erprobung des neuartigen Instruments eines partnerschaftlichen
Betreuungsmanagements nach dem Prinzip einer „public-private-partnership“, um Kleinprivatwaldeigentümer für langfristige und nachhaltige Holzbiomasseangebote aus ihrem Wald
zu gewinnen.
 Erweiterung der Beratungsinhalte von Kleinprivatwaldeigentümern um die neuen Erkenntnisse über optimierte Wertschöpfungsketten.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Der Ablauf des Vorhabens entsprach der vorherigen Planung und gliederte sich in die folgenden Abschnitte:
 Analyse & Evaluierung der bestehenden Beratungslösungen im Bereich des Kleinprivatwaldes
 Analyse & Evaluierung der Holzbiomassegewinnung aus dem Kleinprivatwald mittels „partnerschaftlichem Betreuungsmanagement“ (PPP)
 Analyse & Evaluierung möglicher Partner im Rahmen einer Zusammenführung
 Prüfung des Angebotes einer Informationsplattform für Waldeigentümer
Die Aufgabenstellungen des Arbeitspaketes konnten umfänglich bearbeitet werden und lieferten bzgl. aller Unterpunkte verwertbare Ergebnisse.
Einzige Abweichung bildete eine kostenneutrale Unterbrechung in Abstimmung mit dem Gesamtprojekt, welche einer verbesserten Verwertung von Zwischenergebnisen diente jedoch
keine inhaltliche Änderung des Arbeitsplans mit sich brachte.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Der Kleinprivatwald und die Beratungsmöglichkeiten für Kleinprivatwaldbesitzer stellen ein
etabliertes Thema der Forstpolitikforschung dar (Bieling 2003, Härdter 2003, Schraml und Volz
2003). Unter dem Gesichtspunkt der Aktivierung von Waldeigentümern für intensivere Bewirtschaftung ihrer Wälder haben im letzten Jahrzehnt viele Initiativen in Deutschland stattgefunden. Diese waren jedoch nur kurzfristig erfolgreich.
136 Seit 2006 begleitet Prof. Krott die Privatwaldförderung Thüringen, die einen neuen Ansatz
entwickelt und in der Praxis erprobt, das partnerschaftliche Betreuungsmanagement nach dem
Governance-Prinzip einer „public-private-partnership“ (PPP) (Sack 2007, Krott 2008). Die Potenziale dieses Modells eines Betreuungsmanagements durch PPP wurden in der Forstpolitik
zuvor noch nicht erforscht.
Die Abteilung für Forst- und Naturschutzpolitik befasst sich seit längerem mit den forstpolitischen Akteuren und der Rolle von Forstverwaltungen (Krott 2001), und konnte im Projekt auf
Erfahrungen aus den Projekten „Neue Instrumente der Betreuung und Förderung des Privatund Kommunalwaldes“ (Leßner 2005) sowie „Beratung und Betreuung des nichtbäuerlichen/
urbanen Kleinprivatwaldes - Aufbereitung von Expertenwissen zur Analyse von Bedingungen
und Erfolgsfaktoren, sowie der Ableitung von Musterlösungen“ (Bittner 2003) zurückgreifen.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Durch vorbereitende Analyse und kritische Evaluierung bestehender Beratungslösungen zur
Mobilisierung von Kleinprivatwaldeigentümern konnte herausgestellt werden, welchen Beitrag
die einzelnen Lösungen zur Erfüllung der BEST-Ziele leisten können. Aufbauend auf Stärken
und Schwächen der Beratungslösungen wurden daraufhin neuartige Kooperationslösungen
nach dem Modell einer PPP eruiert, welche eine synergetische Wirkweise bzgl. der Ziele erwarten lassen. Daraufhin wurden interessierte und handlungsfähige Akteure zusammen gebracht, um mögliche Partnerschaften zur Aktivierung von Biomassepotentialen aus dem Wald
zu initiieren.
Im Ergebnis konnte herausgestellt werden, dass sich bestehenden Beratungslösungen und
PPP-Modelle zur Mobilisierung stofflicher Holzpotentiale nicht dazu eignen, um gezielt Biomassepotentiale für energetische Zwecke zu mobilisieren. Hintergrund dazu bildet die Nutzungskonkurrenz auf Seiten stofflicher Verwerter sowie ein vergleichsweise geringes langfristiges Interesse auf Seiten der forstlichen Produzenten (niedrigpreisige energetische Sortimente). Weiterhin wurde jedoch aufgezeigt, dass die gezielte Bündelung von Akteuren innerhalb
einer PPP auch im Bereich der Bioenergie erfolgsversprechend ist. Besondere Chancen bieten jedoch gänzlich neue Partnerschaften, welche sich insbesondere auf Bündispartnern auf
Zeit aus dem Bereiche „Energie“ plus öffentlicher Partner stützen und/oder sich auf die Verwertung von Restholzmengen konzentrieren. Ein besonderes Augenmerk sollte dabei auch
auf Biomassepotentiale gelegt werden, welche im Rahmen einer „integrierten Rohstoffgewinnung“ bzw. der Nutzung von Rohstoffresten der stofflichen Verwerter bestehen (bspw. Sägeund Holzindustrie).
Durch den erlangten Wissensgewinn konnten Modelllösungen aufgezeigt werden und wichtige
Hinweise in Richtung einer Vielzahl von Praxisakteuren gegeben werden, welche zum Aufbau
von PPP-Initiativen zur Energieholzmobilisierung und –verwertung genutzt werden können.
Die herausgestellten Erfolgsfaktoren der Akteure bieten dabei eine weitere praktische Orientierung. Weiterhin bietet sich durch die erfolgte Einordnung der Akteure zu bestimmten Interessen die Möglichkeit dazu die Erfolgsaussichten und Wirksamkeit möglicher PPP-Kooperationen zu beurteilen.
Arbeitsbericht
Im Rahmen der Vorbereitungs- und Konzeptphase wurde zunächst analysiert, welche Beratungslösungen zur Mobilisierung von Kleinprivatwaldbesitzern existieren. Dabei wurden die
verschiedenen Angebote der Landesforstverwaltungen und Kammern, der forstlichen Zusammenschlüsse, der Forstbetriebe und –verbände, der Unternehmen und Verbände der
Holzwirtschaft, sowie die Wirkungen des Holzmarktes hinsichtlich der Holzmobilisierung untersucht. Im Mittelpunkt standen Typen und Zielgruppen der vorhandenen Modelle und eine
kritische Evaluierung dessen, was diese Modelle hinsichtlich einer Mobilisierung von Kleinprivatwaldbesitzern bezüglich der neuen Ziele des BEST-Projektes leisten können. Dabei wurden
die Beratungsangebote bereits im Bezug auf die neuen Inhalte der Opti- mierten Wertschöpfungskette beurteilt.
137 Aufbauend auf den analysierten Stärken und Schwächen traditioneller Betreuungsangebote
wurden im 2. Jahr Optionen für die Erprobung alternativer Betreuungsmöglichkeiten durch
verschiedene Kooperationsformen nach dem Modell von „Public-Private-Partnerships“ eruiert.
Dieses Modell verbindet die vom staatlichen Träger vertretenen Ziele mit den wirtschafts- und
effizienzorientierten Zielen der Waldeigentümer. Größte wissenschaftliche Herausforderung ist
dabei die Aufrechterhaltung der Balance zwischen den öffentlichen und privaten Interessen
und Zielen. In Kooperation mit der gGmbH „wald-wird-mobil.de“ (www.wald-wird-mobil.de)
wurde zudem geprüft ob deren Internetplattform „Wald-wird-mobil.de“ hinsichtlich der Ziele
und Inhalte von BEST weiterentwickelt werden kann.
Im 3. Jahr wurde auf Basis der gesammelten Erkenntnisse erste Akteure zusammen geführt,
um eine Weiterentwicklung des PPP-Konzeptes in Bezug auf die Aktivierung von Biomassepotenzialen darzustellen und mögliche Partnerschaften zu initiieren, welche die zuvor untersuchten Erfolgsfaktoren und Ergebnisse der Untersuchung von Kooperationsalternativen widerspiegeln. Der gesamte Prozess wurde wissenschaftlich begleitet und dokumentiert, um Chancen und Grenzen derartiger Kooperationen im Bereich der Bereitstellung von Biomasse aus
dem Wald aufzeigen zu können.
Ergebnisbericht
Ziel des Teilprojektes IO-H6 war es, das neuartige Instrument eines partnerschaftlichen Betreuungsmanagements nach dem Prinzip einer „Public-Private-Partnership“ (PPP) anzupassen
und zu erproben, um Kleinprivatwaldeigentümer für langfristige und nachhaltige Holzbiomasseangebote aus ihrem Wald zu gewinnen. Erfolgsfaktoren und Schwachstellen der relevanten
Beratungs- und Betreuungsalternativen wurden theoretisch und empirisch auf der Basis politikwissenschaftlicher Governance-Ansätze zu Public-Private-Partnerships analysiert, um die
Beratungsinhalte von Kleinprivatwaldeigentümern um die neuen Erkenntnisse über optimierte
Wertschöpfungsketten hinsichtlich Biomassenutzung im Wald zu erweitern.
Für die Analyse und Evaluation der unterschiedlichen Beratungs- und Betreuungsalternativen
wurde ein Set an Erfolgsfaktoren erarbeitet, das dazu diente, die Stärken und Schwächen der
alternativen Ansätze einzuschätzen.
Die identifizierten Erfolgsfaktoren lauten (vgl. Krott 2008 und Runge 2011):





Nachhaltigkeitskompetenz
Effizienz
Ressourcen
Vertrauen
Eigentümerorientierung
Die Nachhaltigkeitskompetenz umfasst die drei Teilbereiche der ökonomischen, ökologischen und sozialen Nachhaltigkeit. Nachhaltigkeitskompetenz beschreibt in diesem Zusammenhang die Fachkompetenz eines forstlichen Akteurs bei der nachhaltigen Waldbewirtschaftung. Die Effizienz beschreibt den optimalen Einsatz knapper Ressourcen. Um die Beratung
der Kleinprivatwaldbesitzer durchführen zu können, ist es notwendig, dass Berater über entsprechende finanzielle und personelle Ressourcen verfügen. Damit Beratung erfolgreich ist,
müssen die Waldbesitzer den Beratern bzw. den beratenden Institutionen und ihren Beratungsinhalten Vertrauen entgegen bringen. Die Eigentümerorientierung schließlich beschreibt die Fähigkeit des Beraters, auf die persönlichen Wünsche des Waldeigentümers einzugehen.
138 Die benannten Erfolgsfaktoren (siehe Abbildung 1) wurden nachfolgend zur Analyse und Evaluierung der verschiedenen Beratungstypen eingesetzt. Die abgeschlossene Evaluation dieser
Beratungsalternativen stellt den ersten Meilenstein des Teilprojektes dar und war wurde im
April 2011 abgeschlossen.
Abbildung 1: Erfolgsfaktoren der Beratung für Holzmobilisierung
(Quelle: M. Krott, Erfolgsprinzipien der „wald-wird-mobil.de“ AFZ-DerWald 14/2008, 752)
Die Auswahl potenzieller PPP-Partner stützte sich auf die Annahme, dass die individuellen Interessen Handlungsorientierungen für diese Akteure darstellen. Ausgehend von dieser Grundlage wurde unterstellt, dass es nicht möglich ist, Akteure für eine PPP zu gewinnen und diese
dauerhaft an deren Ziele zu binden, wenn es den Akteuren nicht gelingt, innerhalb der PPP
ihre individuellen Ziele zu verwirklichen. Auf Grund der Knappheit des Rohstoffs Holz herrscht
Konkurrenz um diesen, vor allem in Bezug auf die stoffliche und energetische Nutzung. Dieses
Spannungsverhältnis überträgt sich auf die möglichen Partner einer PPP, insbesondere aus
dem Bereich der privaten Unternehmen.
Akteure, deren Priorität auf der stofflichen Nutzung liegt (wie beispielsweise Landesforstverwaltungen) werden nicht dauerhaft in einer PPP mit dem Ziel einer energetischen Nutzung
mitwirken. Bioenergetische Nutzung ist mit diesen Akteuren vermutlich nur im Bereich von
Restholzmengen zu erwarten. Deshalb ist eine interessenorientierte Partnersuche entscheidend für die erfolgreiche Etablierung einer PPP für die Bioenergienutzung. Eine PPP mit dem
Ziel der Bioenergie sollte deshalb versuchen, ihre Akteure hauptsächlich aus dem Politikfeld
Energie zu gewinnen. Mögliche Bündnispartner für eine PPP zur Bioenergienutzung aus dem
Bereich der öffentlichen Akteure wären beispielsweise die LWK Niedersachsen oder die Stadt
Göttingen. Als Vertreter aus dem Bereich der privaten Verbände kämen z.B. der Waldbesitzerverband oder der Bundesverband für Bioenergie in Frage. Aus dem Feld der privaten
Unternehmen wäre eine Beteiligung von Kesselherstellern, Maschinenherstellern oder Energiekonzernen denkbar.
139 Abbildung 2: Interessenanalyse der potenziellen Partner für eine PPP im Cluster Forst und Holz (eigene Darstellung)
Die Interessenanalyse der potenziellen Partner für eine PPP im Bereich Bioenergie stellt die
Vernetzung der potenziellen Bündnispartner mit den möglichen Interessen an einer PPP dar
(Abbildung 2). Es wird unterschieden zwischen den Interessen der Akteure an einer stofflichen
Nutzung (grün dargestellt), an der energetischen Nutzung (gelb dargestellt) und an sonstigen
öffentlichen Zielen (blau dargestellt), wie beispielsweise dem Erhalt und die Verbesserung der
Biodiversität. Potenzielle Bündnispartner finden sich bei staatlichen Akteuren, den privaten
Verbänden und Unternehmen.
In der Analyse erfolgte dann eine Zuordnung verschiedener potenzieller Partner zu den möglichen Zielen bzw. Nutzungsformen einer forstlichen PPP. Die Pfeile stellen zum einen eine
mögliche Durchlässigkeit zwischen den einzelnen Nutzungsformen für die Aktivitäten der verschiedenen Akteure dar. So kann sich beispielsweise ein staatlicher Akteur sowohl für die
stoffliche als auch für die energetische Nutzung entscheiden oder sogar beide Ziele gleichzeitig verfolgen.
Private Unternehmen müssen nicht direkt als Akteure in einer PPP auftreten, sondern können
sich auch unter dem Dach eines Verbandes zusammenschließen und so als Vertragspartner
in einer PPP mitwirken. Dies kann den Unternehmen individuell Anonymität verschaffen. Allerdings wird sich nach unseren Analysen ein Unternehmen, welches im Bereich der stofflichen
Nutzung aktiv ist, wie beispielsweise ein Sägewerk, nicht primär für eine energetische Nutzung
des Rohstoffes Holz einsetzen.
Ursache hierfür ist die Konkurrenz zwischen stofflicher und energetischer Nutzung, die in der
Endlichkeit des Rohstoffs Holz begründet ist. Jener Rohstoff, der energetisch genutzt wurde,
ist für die stoffliche Nutzung unwiederbringlich verloren. Bei steigender Nachfrage im energetischen Sektor und gleichbleibender Nachfrage auf Seiten der stofflichen Nutzer führt diese
Konkurrenzsituation zu einer Preissteigerung auf dem Markt. Eine Unterstützung der energetischen Nutzung des Rohstoffs durch die Akteure der stofflichen Nutzung ist demnach nicht zu
erwarten.
Potenzielle Partner für eine PPP für die bioenergetische Nutzung aus dem öffentlichen Sektor
sind die Landwirtschaftskammer, die Landesforstverwaltung, die Universität Göttingen, die
Stadt Göttingen oder das Bioenergiedorf Jühnde im Landkreis Göttingen. Das gemeinsame
Ziel der öffentlichen Akteure ist die Erfüllung der öffentlichen Aufgaben. Nur die Landesforstverwaltung und die Landwirtschaftskammer verfügen über die für die Ansprache der Waldbe-
140 sitzer notwendigen Kontaktdaten, daher ist eine Beteiligung dieser Akteure an der PPP eine
Notwendigkeit. Jedoch sind – so das Ergebnis der Analyse - forstliche Akteure eher der stofflichen als der energetischen Nutzung verhaftet.
Dies bedeutet, dass Information eingesetzt werden muss, um ein Interesse dieser potenziellen
Partner an der energetischen Nutzung zu wecken. Die potenziellen Partner einer PPP für die
bioenergetische Nutzung aus dem Bereich der privaten Unternehmen können die unterschiedlichsten Produkte produzieren. Denkbar sind Energiekonzerne wie die E.ON AG oder die
Stadtwerke Göttingen, welche ausschließlich das Endprodukt, die Energie, produzieren und
verkaufen. Aber auch Unternehmen, welche Heizkessel herstellen, um die Biomasse zu Energie umzuwandeln, wären denkbare Partner. Weitere potenzielle Partner könnten aber auch
lokale Maschinenhersteller oder Forstunternehmer sein, die von einem erhöhten HolzEinschlag unabhängig von der Nutzungsart profitieren würden. Private Verbände, die als Partner für eine bioenergetische PPP denkbar wären, sind der Waldbesitzerverband und alle Verbände, die sich der Bioenergie verschrieben haben, wie beispielsweise der Bundesverband für
Bioenergie. Auf Grund der lokal eingeschränkten Aktivität der PPP im Landkreis Göttingen ist
es notwendig, dass einige potenziellen Partner einen lokalen Bezug zu der PPP haben, wie
beispielsweise die öffentlichen Akteure. Prinzipiell ist jedoch jeder Akteur ein potenzieller Partner, dessen Interessen mit den Zielen der PPP vereinbar sind.
Auf Grundlage des in 2012 erstellten Konzeptes für eine neue Partnersuche entlang energiepolitischer Ziele, wurden nachfolgend Interviews mit einer Vielzahl möglicher Akteure geführt.
Zielstellung war dabei, das grundsätzliche –sowie konkrete- Akteursinteresse in Bezug auf
eine Energieholzbereitstellung und -verwertung aus dem Wald sowie einer Bereitschaft zu
Partnerschaften mit anderen Akteuren zu benennen. Weiterhin gab eine gezielte Initiierung
von Erstgesprächen zwischen interessierten Partnern wichtige Aufschlüsse bzgl. Chancen und
Hindernissen eines partnerschaftlichen Zusammenwirkens.
In der folgenden Aufstellung werden die Ergebnisse der Befragungen dargestellt:
Abbildung 3: Akteursinteressen in Bezug auf eine Energieholzbereitstellung und -verwertung aus dem
Wald
Forstliche Partner weisen auf Grund der geringen preislichen Attraktivität des Massenproduktes „Energieholz“ ein mittleres Interesse an einer Energieholzbereitstellung aus ihren Wäldern
auf. Eine Ausnahmestellung nimmt dabei die Bereitstellung und/oder die Selbstwerbung von
Brennholz (Stückholz) ein, welches insbesondere innerhalb privater Haushalte Verwendung
findet. Aufgrund der hohen Erlöse stellt dieses Sortiment eine attraktive Erwerbsquelle dar.
Auf Seiten privater Selbstversorger besteht folglich ein hohes Interesse bzgl. einer lokalen
Bereitstellung von Brennholz. Ebenfalls sind diese zur Zahlung vergleichsweise hoher Preise
141 bereit, da auf Grund vorangegangener privater Investitionen (Stückholzvergaser) Lieferabhängigkeiten bestehen.
Große energetische Verwerter (öffentlich & privat) besitzen grundsätzlich ein mittleres Interesse an einer verstärkten Energieversorgung aus dem Wald, da auf Grund der angespannten
Rohstoffverfügbarkeit zunehmend die Sorge um Liefersicherheit und Preisentwicklung des
Holzrohstoffes überwiegt. Erschwerend kommt ebenfalls die Unsicherheit bzgl. der Lösung
logistischer Problemstellungen hinzu, welche mit einer Energieholzversorgung im urbanen
Raum einhergehen.
Private stoffliche Verwerter zeichnen sich durch ein ambivalentes Verhältnis zur Bioenergie
aus dem Wald aus: „Vor dem Werk“ stehen sie im starken Rohstoffwettbewerb mit dem Energiesektor. „Hinter dem Werk“ sind sie jedoch auf einen intakten, stark nachfragenden Bioenergiesektor angewiesen, welcher die erheblichen Mengen an Industrierestholz, Sägenebenprodukten und Schwarzlauge abnimmt, die im Zuge der Produktionsprozesse anfallen. Folglich
besteht das Interesse an einer Bereitstellung von energetischen Sortimenten alleinig „indirekt“
nach bereits erfolgter Wertschöpfung im Rahmen der stofflichen Verwertung.
Öffentliche Körperschaften weisen ein hohes Interesse an der Bioenergie aus dem Wald
auf. Dieses beruht primär auf einem dominierenden Umweltinteresse. Die Kosten der Energieversorgung erscheinen vor diesem Hintergrund zweitrangig, da eine Finanzierung der „Energiewende“ aus Steuerbeiträgen erfolgen kann.
Das Interesse kaufkräftiger Bürgerschichten unterliegt einem ähnlichen Schema und ist als
„hoch“ zu bezeichnen. Eine „grüne“ Energieversorgung ist dabei zu vergleichen mit der Marktnische „hochpreisige Bioprodukte“: Die Erfüllung ideeller Zielstellungen, welche mit einer erneuerbaren -sowie vergleichsweise lokalen- Energieversorgung aus dem Wald verknüpft sind,
ebnen den Weg in Richtung einer durch Bürgerinvestitionen und Beiträgen bestrittenen Finanzierung.
Das Interesse privater Energieunternehmen weist ein mittleres Niveau auf. Ein tatsächliches
Interesse an einer Energieversorgung aus dem Wald besteht nicht. Das Wissen um das zuvor
benannte politische/gesellschaftliche Interesse an umweltfreundlicheren Energieversorgungskonzepten, bringt jedoch die Bereitschaft von Energieversorgern gegenüber „grüner Leuchtturmprojekte“ mit sich. Die Finanzierung der Image verbessernden Projekte erfolgt dabei in
profitorientierter Mischkalkulation.
Neben der Analyse des grundsätzlichen Interesses relevanter Akteure konnte zudem ein weiterer Faktor herausgestellt werden, welcher neue Partnerschaften im Bereich einer Energieversorgung aus dem Wald beeinflussen kann. Im Rahmen eines durch das Teilprojekt initiierten Erstgespräches zwischen einem großen energetischen Verwerter und einem größeren
Energieholzhändler trat der Maßstab der geforderten Energieholzbereitstellung als limitierender Faktor in Erscheinung. Den Erwartungen an Liefermenge, Preisstabilität und Liefersicherheit über den Zeitraum der Investitionsabschreibung auf Seiten des Verwerters konnte nicht
entsprochen werden. Es kam in der Folge nicht zu einer Angebotserstellung von Seiten des
Rohstoffhändlers. Diese Erkenntnis bietet einen ersten, wichtigen Hinweis auf negative Auswirkungen einer einsetzenden Rohstoffverknappung: Die eingeschränkte Rohstoffverfügbarkeit grenzt die Wahl der Partner stark ein.
Der Göttinger Raum bietet, entlang der vorangestellten Analyse, die folgenden Möglichkeiten
zum Aufbau von Partnerschaften im Bereich der Energieholzbereitstellung und -verwertung:
a) Umfassende Versorgung mittlerer privater Verwerter
 bspw. Partnerschaft zwischen Saline Luisenhof und Forstverwaltung
142 b) Partielle Versorgung größerer privater/öffentlicher Verwerter
 bspw. Partnerschaft zwischen Uni Göttingen/ Eon / RWE und Energiehändler / Forstverwaltung/Privatwald.
Hinweis: Die Größe der Pilotanlage richtet sich dabei nach der verlässlichen, regionalen Verfügbarkeit von Energieholzsortimenten.
c) Erhöhte Versorgung größerer privater/öffentlicher Abnehmer.
 Eine derartige Versorgung scheint jedoch nur über eine „integrierte Rohstoffgewinnung“ zu gewährleisten zu sein (bspw. Partnerschaft zwischen Uni Göttingen/ Eon/
RWE und Fa. Pollmeier Massivholz GmbH & Co KG) sowie unter Lösung logistischer
Problemstellungen.
Aus der aufkommenden Rohstoffknappheit resultiert die Empfehlung vorhandene Potentiale
sichtbar zu machen, welche im Rahmen einer „integrierten Rohstoffgewinnung“ vorhanden
sind. Die integrierte Gewinnung von energetischen und stofflichen Sortimenten, respektive die
Ausweisung energetischer Sortimente nach erfolgter Wertschöpfung innerhalb stofflicher Verwertungsprozesse, besitzt langfristig das größte Potential zur kosteneffizienten Gewinnung
energetischer Rohstoffe aus dem Wald. Ein solches Vorgehen würde eine Lösungsmöglichkeit
zur Minderung des Rohstoffwettbewerbs darstellen und gleichzeitig einer erhöhten (volks-)
wirtschaftlichen Wertschöpfung dienen. Eine gezielte Fördermöglichkeit der integrierten Rohstoffgewinnung im Rahmen der Energiewende sollte auf politischer Ebene geprüft werden.
Neben den zuvor aufgeführten Analysen wurde durch das IO-H6 geprüft, inwiefern eine Nutzung der bestehenden Informationsplattform für Waldeigentümer (CRM) in Thüringen für eine
gezielte Bereitstellung energetischer Sortimente aus dem Privatwald nutzbar ist. Hierbei kam
im Ergebnis zum Tragen, dass die bestehende Lösung nicht im Rahmen einer gezielten energetischen Rohstoffbereitstellung fungieren kann. Hintergrund sind divergierende Interessen
von Seiten der stofflichen Verwerter, welche die Entwicklung der Plattform initiiert haben. Der
zuvor benannte Rohstoffwettbewerb zwischen stofflicher und energetischer Holzverwendung
kommt dabei zum Tragen.
Nutzbar ist die bestehende Informationsplattform jedoch im Rahmen einer Integration von Daten bzgl. Ökosystemleistungen sowie geographischer Informationen (GIS-Daten). Zielstellung
ist dabei ein vereinfachter Zugang zu relevanten, flurstücksscharfen Flächenparametern für
Waldeigentümer. Die flurstücksscharfe Informationsbereitstellung eröffnet bspw. die Möglichkeit zur Vergabe von Ökopunkten für Waldeigentümer und bereichert die Plattform um Nachhaltigkeitsindikatoren.
Nutzen und Verwertbarkeit der gesammelten Ergebnisse:
Die gewonnenen Ergebnisse sind insbesondere auch deshalb von Bedeutung, da sich das in
BEST erarbeitete Wissen vor allem an die übergeordnete Planung des Bioenergieausbaues
durch Fachplaner, politische Entscheidungsträger und Öffentlichkeit richtet. Diese Akteure
werden zwar ebenfalls durch die Erkenntnisse des Teilprojektes IO-H6 angesprochen, jedoch
fügt es zu diesen Praxisakteuren noch weitere wichtige Gruppen von Akteuren hinzu, welche
direkt von BEST profitieren können. Dies sind die Zielgruppen der Grund- und Waldeigentümer (forstliche Produzenten), der öffentlichen und privaten Berater sowie der privaten Energieunternehmen und öffentlichen Körperschaften.
Die durch das Teilprojekt erfolgte Analyse von Interessen sowie die Zuordnung einzelner Akteure zu selbigen, bieten zudem erstmalig die Möglichkeit dazu, bestehende Optionen bzgl.
zielführender PPP-Kooperationen unter diesen Akteuren zu identifizieren sowie realistisch
bzgl. ihrer Erfolgsaussichten zu beurteilen.
Eine interessensbasierte Zusammenarbeit allein, welche die Durchsetzungskraft von Akteursgruppen im Rahmen eines forst- und energiepolitischen Diskurses stärkt, ist jedoch nicht aus143 reichend zur wirksamen Lösung sektor-spezifischer Herausforderungen. Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus eine zielorientierte Verknüpfung individueller Erfolgsfaktoren
(Kompetenzen) zusammenwirkender Akteure.
Es wird folglich erst durch eine Verschneidung von Interessenslage und Kooperationswillen
sowie der Analyse spezifischer Erfolgsfaktoren (handlungsfähiger) Akteure, der Grundstein
dazu gelegt, um mögliche Bündnispartner zu verbinden. deren gezieltes Zusammenwirken
einer effektiven Lösung spezieller Problemstellungen im Sektor dienen kann.
Exemplarisch konnten die benannten Lösungspotentiale derartiger Öffentlich-PrivaterPartnerschaften am analysierten Fallbeispiel der Beratung und Betreuung von Privatwaldeigentümern aufgezeigt werden:
1. Interessensübereinstimmung involvierter Akteure
Die (staatliche) Offizialberatung des Privatwaldwaldes stellt ein klassisches Beratungsinstrument dar, welches die Umsetzung öffentlicher Interessen (Schutz-, Nutz-, Erholungsfunktion)
im Privatwald gewährleisten soll. Aus diesem Grund wird dieser Beratungstyp in erheblichem
Maße durch Bereitstellung öffentlicher Mittel subventioniert.
Der innerhalb der vergangenen Dekaden erfolgte Rückgang der für diesen Zweck aufgewendeten Mittel, der daraus resultierende Stellenabbau innerhalb der Forstverwaltungen sowie die
gleichzeitige Vergrößerung der Betreuungsreviere, führen jedoch zu rückläufigen Betreuungsquoten durch staatliche Revierbetreuer. Eine Verbesserung der Betreuungssituation im Privatwald wird dadurch stark erschwert.
Die Holzwirtschaft sowie dessen Verbände weisen ebenfalls ein großes Interesse an einer
wirksamen Beratung/Betreuung des Privatwaldes auf; besteht doch der Wunsch danach, die
stark rückläufige Marktverfügbarkeit von Rundholz durch gezielte Nutzung der überdurchschnittlich hohen Holzvorräte im Privatwald auszugleichen. Dies gilt insbesondere für das wirtschaftlich überaus bedeutsame Nadelholz.
Daraus resultiert eine bedeutsame (Teil-)Schnittmenge zwischen Interessen von Staat und
Privatwirtschaft, welche sich in dem gemeinsamen Wunsch nach Erhöhung der Betreuungsquote sowie der effektiven Beratung privater Waldbesitzer manifestiert und eine erste wichtige
Basis zur Kooperation der potentiellen Partner schafft.
2. Synergetische Verknüpfung von Erfolgsfaktoren von Kooperationspartnern
Als Ergebnis der vorliegenden Studie, verfügt grundsätzlich kein Einzelakteur über alle Erfolgsfaktoren, welche für eine nachhaltig wirksame Beratung/Betreuung des Privatwaldes benötigt werden – dies gilt insbesondere für das beratungs- und betreuungsintensive Klientel im
Kleinprivatwald:
Die Forstverwaltung (Offizialberatung) weist eine hohe Nachhaltigkeitskompetenz auf, welche
im Rahmen der Umsetzung öffentlicher Interessen unabdingbar, ist und genießt zudem aufgrund ihrer hohen forstlichen Kompetenz sowie ihrer Unabhängigkeit von Einzelinteressen,
höchstes Vertrauen auf Seiten der Waldeigentümer.
Gleichzeitig fehlt es dem Verwaltungsapparat jedoch an erhöhter Effizienz und Innovationen
sowie zusätzlichen Ressourcen, welche die Folgen der zuvor benannten Hemmnisse ausgleichen könnten.
Die Holzwirtschaft weist zwar ein hohes, dem wirtschaftlichen Denken eigenes, Effizienzpotential auf und ist zunehmend dazu bereit eigene Ressourcen zur Verbesserung der Privatwaldbetreuung aufzubringen, scheitert jedoch im Alleingang (Mobilisierungsprojekte zur kurzfristigen Nutzungserhöhung) am mangelnden Vertrauen der Eigentümer, welches unabdingbar für
einen erfolgreichen Beratungsprozess ist.
144 Aus der Kooperation sowie dem gezielten Zusammenwirken der Akteure kann somit eine synergetische Wirkweise der Beratung resultieren.
Die Analyse zeigt jedoch auf, dass keiner der beiden Akteure die ebenfalls als bedeutend ausgewiesene „Eigentümerorientierung“ aufweist, welche der Vielzahl individueller Wert- und Zielvorstellungen der -sehr heterogenen- Eigentümerschaft im Rahmen des Beratungsprozesses
Rechnung trägt. Die synergetische Wirkweise beider Akteure in Bezug auf einzelne Erfolgsfaktoren (Nachhaltigkeitskompetenz; Vertrauen; Ressourcen; Effizienz) muss folglich um einen
Akteur erweitert werden, welcher auch letzteren Erfolgsfaktor wirksam in die Kooperation einbringt. Im analysierten Fallbeispiel der PPP „Privatwaldförderung Thüringen“, wird dies durch
eine gemeinnützige GmbH gewährleistet (www.wald-wird-mobil.de), welche ein onlinegestütztes Kundenbetreuungsmanagement-System (CRM) für Privatwaldbetreuer (Revierbetreuer/Forstliche Zusammenschlüsse) bereitstellt und somit eine auf den einzelnen Eigentümer
fokussierte stark individualisierte Ansprache und Betreuung ermöglicht. Zudem werden weiterführende, kostenfreie Dienstleistungen angeboten, welche am Bedarf der Waldeigentümer
orientiert sind und diese gezielt ansprechen. Diesbezüglich bietet die GPS-gestützte Grenzsteinsuche zur Anzeige der Besitzgrenzen ein idealtypisches Beispiel, welches sich als wirksam im Rahmen der Ansprache erwiesen hat.
Im Rahmen der erfolgten Bewertung der Erfolgsaussichten einer gezielten Übertragung des
PPP-Modelles auf die Energieholzbereitstellung aus dem Wald, konnten wertvolle Erkenntnisse gesammelt werden. Diese können helfen, PPPs mit Zielstellung einer effizienten sowie
nachhaltigen Versorgung mit energetischen Sortimenten zu etablieren. Das zuvor beschriebene Wissen um Akteursinteressen und Erfolgsfaktoren bietet diesbezüglich eine wichtige Praxisorientierung in Bezug auf Chancen und Grenzen während des Aufbaus von Kooperationen
sowie der Verbesserung der Problemlage.
Grundsätzlich konnten drei mögliche PPP-Modelle identifiziert werden, welche unterschiedliche Akteure mit einbinden.
1)
PPP-Modell nach Vorbild der stofflichen Mobilisierung unter Einbindung von Forstlichen
Produzenten, Forstverwaltungen, Verbänden, Forstunternehmer/Bioenergieholzhändlern
und großen privaten oder öffentlichen Verwertern
2)
PPP-Modell „KUP“ unter Einbindung von landwirtschaftlichen & forstliche Produzenten
von Bioenergieholz im Bereich von Kurzumtriebsplantagen, Verbänden, Forstunternehmern/Bioenergieholzhändlern, großen privaten oder öffentlichen Verwertern
3)
PPP-Modell „Integrierte Rohstoffnutzung“ unter Einbindung von stofflichen Produzenten,
großen stofflichen Verwertern, Verbänden, Forstunternehmern/Bioenergieholzhändlern,
großen private oder öffentlichen Verwerter
Die Forstverwaltung selbst ist -aufgrund ihres hohen stofflichen Fokus im Rahmen der forstlichen Produktion- nicht nachhaltig für eine ausschließliche Partnerschaft innerhalb der energetischen Holzbereitstellung zu gewinnen. Die vergleichsweise geringen, erzielbaren Erlöse
durch Bereitstellung energetischer Sortimente, stellen hierbei ein wichtiges Hemmnis dar. Eine
Nutzung von Waldrestholz, welches keiner langfristigeren Verwendung zugeführt werden kann
und ungenutzt im Wald verbleiben würde, ist jedoch als zusätzliche Einnahmequelle interessant (Verkauf von Holzhackschnitzeln aus Waldrestholz).
Die Forstverwaltung kann darüber hinaus im Rahmen ihrer Beratungstätigkeiten im Privatwald,
wirksam in Erscheinung treten - bspw. um auch dort die nachhaltige Bereitstellung von Waldrestholz zur energetischen Verwertung gezielt zu stimulieren und in der Nutzungsumsetzung
mit nachfolgenden Akteuren zu kooperieren.
Ein Mitwirken der Forstverwaltung an einer PPP, welche private Waldeigentümer als forstliche
Produzenten mit einbezieht, ist als obligatorisch anzusehen. Hintergrund dafür das Informationsmonopol der Verwaltungen in Bezug auf Kontaktdaten von Waldeigentümern.
145 Für private Waldeigentümer bietet eine Nutzung von Restholz nach Pflegeeingriffen/ Durchforstungen sowie Holzeinschlag (Kronenholz) interessante zusätzliche Einnahmequellen, um
die oftmals problematische Erlössituation zu verbessern, welche insbesondere im Kleinprivatwald vorherrscht. Die Eigentümer profitieren folglich von der Beratung sowie Betreuung, welche eine energetische Verwertung von Restholz ergänzend mit einbezieht.
Da die Nutzung energetischer Sortimente –fern des klassischen Scheitholzes- eine eher junge
Nutzungsform darstellt, ist das Wissen um damit verbundene Erlöspotentiale wenig verbreitet.
Die breite Information von Waldeigentümern könnte folglich, über die Offizialberatung hinaus,
durch ein Mitwirken von Waldbesitzerverbänden stimuliert werden, welche an einer Partnerschaft mitwirken und entsprechenden Einfluss auf die Information und Fortbildung ihrer Mitglieder nehmen.
Die Waldbesitzerverbände profitieren im Gegenzug von einer Erhöhung der forstlichen Erlöse
sowie Zufriedenheit ihrer Mitglieder, welche sich in der Folge positiv auf die Mitgliederzahl auswirken kann. Gleichsam erreichen sie durch den Austausch mit involvierten Akteuren eine erhöhte Sichtbarkeit und können den Prozess zudem aktiv mitgestalten.
Verbände des Bioenergiesektors (bspw. Bundesverband für Bioenergie) können den Prozess durch Bereitstellung zusätzlicher Ressourcen sowie mediale/politische Unterstützung
sehr sinnvoll voranbringen. Die Erhöhung des Anteils erneuerbarer (Bio-)Energien steht im
Zentrum des Interesses ihrer Mitglieder. Das Mitwirken an einer Partnerschaft, welche diese
Zielstellung explizit verfolgt, ist folglich von großer politischer Bedeutung für die Verbände.
Eine effiziente Nutzung von Waldrestholz weist jedoch -über den Wissenstransfer um damit
verbundene Erlöspotentiale sowie eine vitale Lobbyarbeit- eine stark technologische (Holzernte) sowie auch logistische Komponente (Transport/Vermarktung) auf, welche unbedingt Beachtung finden muss, um eine effiziente Produktkette zu gewährleisten. Eine mögliche Partnerschaft zur Energieholzbereitstellung ist daher gut beraten, von der bestehenden Expertise
Gebrauch zu machen, welche auf Seiten privater Forstunternehmer und Bioenergieholzhändler zu finden ist. Eine frühe Koordination der Bioenergiebereitstellung hilft Kosten zu
vermeiden. Dies ist insbesondere bei niedrigpreisigen Sortimenten elementar wichtig, um den
Erlös für forstliche Produzenten sowie energetische Verwerter zu erhöhen und somit eine
nachhaltige Konkurrenzfähigkeit der Bioenergie aus dem Wald sicher zu stellen.
Mitwirkende Forstunternehmer profitieren durch die Kooperation von einer Verbesserung der
allgemeinen Auftragslage sowie einer erhöhten Maschinenauslastung (Kosteneffizienz).
Bioenergieholzhändler profitieren mittelfristig durch eine Erhöhung möglicher Liefermengen
und können, vor dem Hintergrund der angespannten Rohstoffsituation, verbindlichere Lieferverträge mit den Verwertern eingehen.
Als besonders interessant stellt sich jedoch auch die direkte Einbindung großer privater oder
öffentlicher Verwerter in eine PPP dar, da somit die Kette von der Mobilisierung des Rohstoffs bis hin zur Verwertung miteinbezogen werden kann und gezielt die so wichtige Versorgungssicherheit der Verwerter erhöht wird. Da Bedenken um eine Versorgungsicherheit als
zentrales Hemmnis in Bezug auf Neuinvestitionen im Bereich von Holzbiomassekraftwerken
nachgewiesen werden konnte, könnten derartige (lokale) Partnerschaften stimulierend auf den
Neubau von Anlagen wirken.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
2010: Nicht relevant
2011: Kooperation mit der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt
2012: Kooperation mit der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt sowie den BESTTeilprojekten IO-H1, IO-H2, IO-H3
2013: Aufgrund vorheriger Abstimmung in 2012 nicht relevant.
146 Tabellarische Übersicht: Geplante Ziele vs. erreichte Ergebnisse
Projektjahr 2010
Beginn der Analyse von Betreuungslösungen und Erfolgsfaktoren. Ergebnisse siehe 2011.
Projektjahr 2011
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Evaluation der bestehenden Beratungslösungen
Die bereits bestehenden Beratungslösungen in den beiden Projektregionen wurden
ermittelt mit Fokus auf Ihre Eignung zur
Betreuung von Kleinprivatwaldbesitzern
evaluiert.
Erprobung und Evaluation alternativer Betreuungsmöglichkeiten durch verschiedene
Kooperationsformen nach dem Modell von
„Public-Private-Partnerships“
Als Grundlage für die Erprobung und Evaluation alternativer Betreuungsmöglichkeiten
durch verschiedene Kooperationsformen
nach dem Modell von PPPs wurde eine
aktive Partnersuche durchgeführt.
Projektjahr 2012/2013
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Analyse & Evaluierung möglicher Partner
Akteursinteressen wurden analysiert, Mögliche Partner wurden identifiziert und evaluiert. Ein möglicher Maßstab einer energetischen Rohstoffbereitstellung wurde eingegrenzt.
Angebot einer Informationsplattform für Nutzbarkeit der bestehenden Plattform wurWaldeigentümer
de evaluiert und negativ beschieden, Ausbau der Plattform in Richtung von Nachhaltigkeitsindikatoren möglich.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Der Arbeits-, Zeit- und Finanzplan konnte über die gesamte Projektlaufzeit eingehalten werden. Ausnahme bildete eine kostenneutrale Projektunterbrechung, welche in Abstimmung mit
dem Gesamtprojekt erfolgte und eine verbesserte Arbeitsplanung ermöglichte (Verfügbarkeit
von Daten/Ergebnissen).
Weiterentwicklung des Verwertungsplanes
Der Forschungsansatz sowie die Arbeitshypothese konnten über den gesamten Verlauf des
Projektes aufrechterhalten werden.
Einschränkend zu erwähnen sind lediglich die interessensbasierten Konflikte im Bereich des
Rohstoffwettbewerbs, welche keine Nutzung bestehender (stofflicher) IT-Lösungen (CRM) zur
Bereitstellung energetischer Sortimente ermöglichte.
Während der Projektlaufzeit wurden keine Erkenntnisse durch Dritte im Bereich des hier vorliegenden Forschungsgebietes bekannt.
147 Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Runge, Lena (2011): Sicherung der öffentlichen Aufgaben im Privatwald durch PPPs Verfahren, Risiken und Potenziale am Beispiel der wald-wird-mobil.de gGmbH und der
Privatwaldförderung Thüringen, Beitrag zum Forstpolitiktreffen in Duderstadt.
Geplante Publikationen:
Der Schwerpunkt des Teilprojektes lag auf der praxisrelevanten Bearbeitung des Themas. Daher werden die Ergebnisse erst im Anschluss Eingang in wissenschaftliche Veröffentlichungen
finden. Insbesondere ist eine wissenschaftliche Veröffentlichung über den Beitrag von PublicPrivate-Partnerships zur Bündelung von Akteuren im Konfliktfeld „Kurzumtriebsplantagen“ geplant.
Literatur:
Bieling C. (2003): Naturnahe Waldbewirtschaftung durch private Eigentümer. Freiburger Schriften zur
Forst- und Umweltpolitik, Bd. 2. Freiburg. Verlag Dr. Kessel.
Bittner, A. (2003): Im Spannungsfeld zwischen Umweltkommunikation und Hilfe zur Selbsthilfe: Die
Beratung nichtbäuerlicher Kleinprivatwaldbesitzer. In: Schraml, U. & Volz, K. (Hrsg.) (2003): Urbane Waldbesitzer. S.117-159, Remagen: Kessel.
Härdter, U (2003): Nichtbäuerliche Waldbesitzer – Strukturierung und Charakterisierung im Kontext
gesellschaftlicher Entwicklungstrends. In: SCHRAML, U. und VOLZ, K.R. (2003): Urbane Waldbesitzer. Freiburger Schriften zur Forst- und Umweltpolitik, Bd. 1. Freiburg. Verlag Dr. Kessel.
Krott, M (2008) Erfolgsprinzipien der „wald-wird-mobil.de“ In: AFZ/Der Wald 14, S. 752-752.
Krott, Max (2001): Politikfeldanalyse Forstwirtschaft, Berlin: Parey. 106
Leßner, C. (2005 ) Reformalternativen und Umsetzungsstrategien für die forstliche Beratung. Verlag
Kessel. Remagen-Oberwinter.
Runge, Lena (2011): Sicherung der öffentlichen Aufgaben im Privatwald durch PPPs - Verfahren, Risiken und Potenziale am Beispiel der wald-wird-mobil.de gGmbH und der Privatwaldförderung Thüringen, Masterarbeit, Abteilung für Forst- und Naturschutzpolitik und Forstgeschichte, Universität
Göttingen.
Sack, D. (2007) Governance und Politics - die Institutionalisierung öffentlich-privater Partnerschaften in
Deutschland. Habilitationsschrift Universität Kassel.
Schraml, U.; Volz, K.-R. (Hrsg., 2003) Urbane Waldbesitzer. Verlag Kessel. RemagenOberwinter
148 Arbeitspaket:
IO-A1
Thema:
Agroforst & Kurzumtriebsplantagen
Antragsteller
Prof. Dr. N. Lamersdorf
Institut:
Abt. Ökopedologie der gemäßigten Zonen, Büsgen-Institut, Univ. Göttingen
Dauer:
01.11.2010 – 31.03.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Geogr. Linda Hartmann
Aufgabenstellung des Arbeitspaketes
Ziel des Teilprojektes Agroforst und Kurzumtriebsplantagen war es aufzuzeigen, welche stoffhaushaltlich-ökologischen Folgewirkungen durch die Integration holziger Pflanzen zur Erzeugung von holziger Biomasse in landwirtschaftliche Produktionslinien entstehen können. Gleichzeitig sollten in den beteiligten Bioenergieregionen zentrale Versuchs- und Demonstrationsflächen zum Kurzumtrieb (KUP) bzw. Agroforst (AF) aufgebaut werden, die auch von allen benachbarten Teilvorhaben innerhalb von BEST als Untersuchungs- und Demonstrationsflächen
genutzt werde konnten.
Im Detail wurden folgende Aufgaben bearbeitet:
-
Auswahl von geeigneten Anbau- und Untersuchungsflächen, incl. Berücksichtigung und
Integration von bereits vorhandenen KUP- oder sonstigen agroforstlichen Flächen (z.B.
Streuobstwiesen) sowie, zu Vergleichszwecken, die möglichst dichte Anbindung an benachbarte konventionelle Produktionslinien zur Erzeugung von Biomasse (z.B. Mais oder
Raps)
-
zielorientierte, standortgerechte und landschaftsökologische Planung der Anlage und Bewirtschaftung von größeren KUP-Flächen
-
umfassende bodenökologische Charakterisierung des Ausgangszustands der Versuchsflächen, incl. Feinkartierung und Bereitstellung der Daten für die beteiligte Projektpartner
-
Anlage von KUP und standortsangepassten agroforstlichen Untersuchungsflächen
-
Begleitende bodenökologische Untersuchungen für alle zentralen Untersuchungsflächen
(u.a. Quantifizierung des Nährstoffein- und -austräge durch Ernte, atmosphärische Stoffdeposition, Bestimmung der jährlich anfallenden Streumengen, incl. Gehaltsanalysen und
Umsatzbilanzierungen, Charakterisierung der Sickerwasserchemie über kontinuierliche
Beprobung der Bodenlösung, Untersuchungen zur Entwicklung der mineralisch gebundenen N-Vorräte (Nmin)
-
Beurteilung und Beratung zu bodenökologischen Pflegemaßnahmen
-
Aufstellung von Stoffbilanzen, incl. Messung der Sickerwasserqualität an ausgesuchten
Standorten.
149 Planung und Ablauf des Vorhabens
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Die Verfahrenstechniken zur Bewirtschaftung von Kurzumtriebsplantagen (KUP) hatten sich
bis zum Zeitpunkt der Antragstellung derart weiterentwickelt, dass diese Form der Landnutzung zur Erzeugung holziger Biomasse aus rein technischer Sicht als gut etabliert angesehen
werden konnte. Auch konnten durch ältere oder jüngst abgeschlossene Begleituntersuchungen die ökologischen Vorzüge und Potentiale dieser Anbaulinie, im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft, oftmals bestätigt werden (u.a. Extensivierung der Bodenbearbeitung,
Steigerung der C-Sequestrierung, Minderung der Spurengasfreisetzung, De-Eutrophierung
und De-Kontamination von Belastungsstandorten, Verbesserung der Sickerwasserqualität,
Förderung der Phyto- und Zoodiversität). Es wurde allerdings immer wieder darauf hingewiesen, dass die ökologischen Vorteilswerte eines KUP-Anbaus nur dann erreicht werden, wenn
eine zielorientierte, standortgerechte sowie landschaftsökologische Planung und Bewirtschaftung von KUP-Flächen gegeben ist. Ansonsten könnten auch die potentiell negativen Eigenschaften eines KUP-Anbaus überwiegen (u.a. übermäßige Reduktion der Grundwasserneubildung, allgemeine Monokultureffekte mit u.a. der Gefahr von Kalamitäten bei großflächigem
Anbau weniger Klone). Zum Zeitpunkt der Antragstellung gab es in Deutschland insgesamt
lediglich ca. 1500 ha an KUP-Fläche, allerdings wurden mehrere zehntausend Hektar als potentielle Anbaufläche avisiert. Dabei wurde jedoch auf die Gefahr hingewiesen, dass die Anlage von KUP in den meisten Fällen wohl nur großflächig erfolgen würde und somit ökologisch
wertvolle Optionen, wie z.B. die Erhöhung der Strukturvielfalt durch einen kleinteiligeren Anbau in der Landschaft, nicht genügend Rechnung getragen werden würde. Weiterhin wurde
immer wieder betont, dass es in Deutschland an der Etablierung und der praktischen Demonstration von positiven ökologischen Effekten von KUP mangele. Zudem fehlte es bis dato
an Konzepten zur möglichen Einbindung von KUP in das moderne Konzept einer Agroforstwirtschaft (AF), also der direkte Kombination von annuellen Anbauten wie Getreide oder auch
Grasland mit einer holzigen Komponente wie z.B. KUP, u.a. in Form eines so genannten "Alley-Croppings". Dabei wurde herausgehoben, dass eine agroforstliche Landnutzung in anderen europäischen Ländern wie Frankreich und Großbritannien, aber vor allem auch in Nordamerika und Kanada bereits gut etabliert ist und dass diese nachweislich zur Erzeugung eines
sowohl ökologischen als auch ökonomischen Mehrwertes führen kann.
Erzielte Erweiterung des Wissenstandes
Aus der Kombination verschiedener und direkt beteiligter Disziplinen (u.a. Meteorologie, Geologie, Bodenkunde, Geographie), unterschiedlicher Datenquellen (u.a. langjährige klimatische
150 Informationen des Deutschen Wetterdienstes) und eigenen Erhebungen (z.B. Durchführung
einer Bodenfeinkartierung, Anlage und Analyse von zentralen Bodenleitprofilen, Bestimmung
der aktuellen Nährstoffversorgung durch Blattanalysen, Erfassung der internen Stoffumsätze
durch Zersetzungs- und Mineralisationsvorgänge sowie der externen Stoffeinträge durch die
atmosphärische Deposition) wurden die ausgewählten Versuchsflächen naturräumlich
charakterisiert. Weiterhin wurde eine Beurteilung der Standorte im Hinblick auf deren
Eignung zur Anlage von schnellwachsenden Gehölzen (hier, Pappelklon "Max 1" und Weidenklon "Tordis") vorgenommen.
Zur Charakterisierung des Wasserhaushaltes der Versuchsflächen dienten verschiedene
klimatische und bodenphysikalische Parameter. Im Detail konnte aus der Kombination der
langjährigen Niederschlagssumme innerhalb der Vegetationsperiode und der nutzbaren
Wasserspeicherfähigkeit des Bodens geschlossen werden, dass die Integration von KUP
und AF in der Bioenergieregion "Thüringer Ackerebene" nicht empfehlenswert ist. Hingegen kann aus Sicht der Wasserversorgung die Anlage von KUP und AF im "Göttinger
Land" uneingeschränkt empfohlen werden. Die Ergebnisse der geologischen und bodenchemischen Untersuchung zeigen, dass die Versuchsflächen in beide Untersuchungsregionen nährstoffreich sind und sich demzufolge für einen ertragreichen Anbau der Pappelund Weidenklone eignen. Durchgeführte Blattanalysen nach ein- bzw. zweijähriger Standdauer belegen, dass den Gehölzen für ein ertragreiches Wachstum, genügend Nährstoffe zur Verfügung stehen.
Dennoch wurden nach zweijähriger Standdauer nur geringe Erträge von maximal 3,2 tatro
ha-1 mit Hilfe allometrischen Biomassefunktion ermittelt. Mit dem Pappelklon "Max 1" konnten,
unter Berücksichtigung der Anwuchserfolge, höhere Erträge im Vergleich zum Weidenklon
"Tordis" festgestellt werden. Allerdings lag die Anwuchsrate der Weide mit ca. 90 % wesentlich
höher als bei der Pappel (74 %).
Die Ergebnisse zur Laubproduktion, des Laubumsatzes und der Nährstofffreisetzung zeigen,
dass signifikant mehr Laub vom Pappelklon "Max 1" im Vergleich zum Weidenklon
"Tordis" produziert wurde und dass das Pappellaub wesentlich schneller zersetzt wurde.
Demzufolge werden über die Laubstreu der Pappel (Klon "Max 1") auch vergleichsweise mehr
Nährstoffe rezykliert, als bei der Weide (Klon "Tordis").
Zur Untersuchung des initialen Stickstoffkreislaufes (N-Kreislauf) wurden verschiedene NFlüsse und -Vorräte bestimmt, die N-Nutzungseffizienz ermittelt und eine erste N-Bilanz für
KUP und AF in den beiden Regionen aufgestellt. Als Eintragsgrößen (Input) gingen in die NBilanz die N-Nettomineralisation sowie die atmosphärische N-Deposition ein. Die N-Nettomineralisationsmengen unterschieden sich jeweils nicht signifikant zwischen KUP, AF
und der Kontrollfläche Acker. Die Jahresdeposition betrug in beiden Untersuchungsregionen ca. 11 bis 13 kg (N) ha-1.
Als Austragsgrößen (Output) gingen in die N-Bilanz die Nitratausträge mit dem Sickerwasser,
die Verluste über die Emission von Lachgas (N2O) sowie die möglichen Exporte von N über
die Ernte der oberirdischen holzigen Biomasse ein. Die Nitratausträge wiesen insbesondere
unmittelbar nach der Anlage von KUP bzw. AF hohe Werte auf, die sich jedoch im Laufe
des Anlagejahres signifikant verringerten. Die größten Nitratausträge mit dem Sickerwasser wurden unabhängig vom Standort unter der Weide in der Anbauform KUP beobachtet. Der N-Entzug mit der Ernte der holzigen Biomasse fiel am größten bei der Pappel
unter KUP aus, verursacht durch höhere Nährstoffgehalte und Erträge im Vergleich zur Weide.
Nach den vorliegenden Ergebnissen aus dem Teilprojekt ÖL 3 wurden die Lachgasemissionen
für die Pappelflächen beider Untersuchungsregionen mit maximal 2 kg ha-1 a-1 veranschlagt.
Unter Berücksichtigung der gesamten N-Eintrags- und N-Austragsflüsse ergaben sich
N-Bilanzen von -14,7 kg (N) ha-1 a-1 bis +22,5 kg (N) ha-1 a-1 für KUP und AF auf den Versuchsflächen der Untersuchungsregionen in der Etablierungsphase. Im "Göttinger
151 Land" wurden ausschließlich positive N-Bilanzen ermittelt. Positive Bilanzen bedeuten,
dass trotz gewisser N-Austräge mit dem Sickerwasser, als Lachgas und über den Export von holziger Biomasse über die Erntemaßnahmen Stickstoff im System zurückgehalten wird. Auf den Versuchsflächen in der "Thüringer Ackerebene" ergaben sich hingegen negative N-Bilanzen für KUP mit Pappel und Weide. Hier kommt es zu einem Netto-Verlust an N.
Unter Berücksichtigung der N-Nutzungseffizienz wurde festgestellt, dass von der Weide, unter
Einsatz der gleichen N-Mengen, mehr holzige Biomasse produziert wurde, im Vergleich zur
Pappel.
Im Falle geringer bodenbürtiger N-Vorräte sollte im Hinblick auf die N-Nutzungseffizienz
die Weide (Klon "Tordis") bevorzugt angebaut werden. Der Anbau des Pappelklons
"Max 1" in KUP kann empfohlen werden, um einen vorhandenen Überschuss an Stickstoff aus z.B. ehemaliger intensiver Düngung oder sonstigen Einträgen (z.B. atmosphärische Deposition) zu minimieren und dabei viel Biomasse in der Etablierungsphase zu
produzieren.
Aus der Kombination der Untersuchungsergebnisse zur naturräumlichen Charakterisierung
und der N-Bilanz können die Versuchsflächen im "Göttinger Land" zum Anbau von KUP und
AF im vollen Umfang empfohlen werden. Dies gilt jedoch nicht für die Versuchsflächen in der
"Thüringer Ackerebene". Insbesondere durch die limitierte Wasserversorgung ergeben sich
klare Einschränkungen. Mögliche Nachteile können jedoch ggf. standortspezifisch über die
Anbindung an relativ hoch anstehendes Grundwasser ausgeglichen werden. Die hier analysierten N-Überschüsse stammen vermutlich aus der vorherigen intensiven landwirtschaftlichen
Nutzung und werden als temporär gewertet. D.h., auch hier ist zu erwarten, dass sich nach
einigen Jahren des Aufwuchses von KUP oder AF mit entsprechend steigenden Aufnahmeraten von N und dem Aussetzen der intensiven N-Düngung, positive N-Bilanzen einstellen werden.
Arbeitsbericht
Zu Beginn des Projektes (November 2010) wurden 10 Flächen besichtigt, charakterisiert und
anschließend auf ihre Eignung, unter Berücksichtigung verschiedener Kriterien (z.B. Flächengröße, Hangneigung etc.), geprüft. Aus diesem Flächenpool wurden insgesamt 3 Flächen in
der Bioenergie-Region "Thüringer Ackerebene" (BERTA) und im "Göttinger Land" (Landkreis
Göttingen) als geeignet befunden und als Versuchsflächen festgesetzt.
In den beiden Bioenergieregionen wurden 2011 und 2012 zentrale, standortangepasste Versuchsflächen eingerichtet, die allen Beteiligten am Projekt BEST für Felduntersuchungen zur
Verfügung standen. Vor der Pflanzung wurden genaue Flächenpläne erstellt. In der Etablierungsphase 2011 und 2012 wurden die heranwachsenden Bestände vor starken Unkrautdruck
durch chemische und mechanische Maßnahmen geschützt. Weiterhin wurden Maßnahmen
ergriffen, um biotische Schäden zu verhindern. Aufgrund der außergewöhnlichen Trockenheit
im Frühjahr 2011 konnte die Versuchsfläche Friedland nicht wie gewünscht etabliert werden,
sodass 2012 eine erneute Anlage notwendig wurde.
Um einen Überblick über die Entwicklung der Bestände zu erhalten wurden 2012 und 2013 die
Anwuchs-, Ausfall- und Schadraten der Versuchsflächen erfasst. Weiterhin wurden verschiedene ertragskundliche Parameter (WHD, BHD, Höhe) erfasst. Diese bildeten die Grundlage für
die Ernte und Biomaseertragsermittlung in 2013. Die Bestandsentwicklung wurde auf der
Fachtagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften (GPW) im September 2013 in
Freising in einem Poster vorgestellt und im Tagungsband veröffentlicht.
Im Frühjahr 2011/2012 (Bodeninventur / Feinkartierung) und im Sommer 2011 (Bodenansprache) wurden die Flächen Reiffenhausen und BERTA II bodenkundlich kartiert. Die Ergebnisse
152 Bodenuntersuchung dienten der bodenökologischen Charakterisierung der Versuchsflächen.
Genaue Informationen zum Flächendesign, zur Bewirtschaftung, Klimatologie und Bodenökologie der Versuchsflächen sowie zur Biomasseentwicklung der Bestände finden sich im Artikel
von Hartmann et al. (2014; Etablierung von Kurzumtriebsplantagen im Rahmen des Verbundprojektes BEST in Süd-Niedersachsen und Mittel-Thüringen – Standorteigenschaften und anfängliche Erträge, erschienen im Forstarchiv 85 (4)).
Ferner wurde im Teilprojekt IO-A1 auch der Nährstoffim- und –export (insbesondere für Stickstoff) charakterisiert. Ziel war es, möglichst vollständig die relevanten Größen und Flüsse zu
bestimmen und diese anschließend zu bilanzieren, um später Handlungsempfehlungen für die
Praxis abzuleiten. Ergebnisse dazu finden sich im Beitrag von Hartman und Lamersdorf (2015,
im Druck) mit dem Titel "Site conditions, initial growth and results on nutrient and litter cycling
of newly installed short rotation coppice (SRC) and agroforestry systems (AFS) within the
BEST project" (siehe dazu auch die Butler-Manning et al., 2015 im Druck; "Nachhaltige Entwicklung ländlicher Regionen durch Dendromasse-Nutzung", Buchveröffentlichung in Zusammenarbeit der Verbundprojekte BEST und AgroForNet).
Ferner wurde die Dissertation "Implementierung und bodenökologische Charakterisierung von
Kurzumtriebsplantagen und Agroforstsystemen am Beispiel der Bioenergie-Regionen "Göttinger Land" & "Thüringer Ackerebene" von Frau Linda Hartmann abgeschlossen.
Für die 2. European Agroforestry Konferenz, die vom 04.06.2014 bis 06.06.2014 in Cottbus
stattfand, wurde ein Abstract mit dem Titel "Willow short rotation plantation as an alley cropping system – aspects on yield development and nutrient cycling" für das Buch "European
Agroforestry Conference: integrating science & policy to promote agroforestry practice (2nd).
Book of Abstracts" zum Poster verfasst.
Ergebnisbericht
Tagungsbeitrag GPW
Hartmann L., Ehret M., Richter F., Leitch C., Lamersdorf N. (2013). Ertragsschätzung von
schnellwachsenden Gehölzen in Kurzumtriebs- und Agroforstsystemen während der Etablierungsphase im Rahmen des Verbundprojektes BEST. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 25:
273-274.
Artikel im Forstarchiv
Hartmann L., Richter F., Busch G., Ehret M., Jansen M., Lamersdorf N. (2014). Etablierung
von Kurzumtriebsplantagen im Rahmen des Verbundprojektes BEST in Süd-Niedersachsen und Mittel-Thüringen – Standorteigenschaften und anfängliche Erträge. Forstarchiv
85, 134-150. DOI 10.4432/0300-4112-85-134
Buchbeitrag
Butler-Manning D., Bemmann A., Bredemeier M., Lamersdorf N., Ammer C. (Eds.) (2015). Bioenergy from dendromass for the sustainable development of rural areas. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Weinheim, ISBN 978-3-527-33764-4.
Peer reviewed original research paper
Hartmann L, Lamersdorf N. (2015). Site conditions, initial growth and nutrient and litter cycling
of newly installed short rotation coppice (SRC) and agroforestry system (AFS). In: ButlerManning D., Bemmann A., Bredemeier M., Lamersdorf N., Ammer C. (Eds.) Bioenergy
from dendromass for the sustainable development of rural areas. Wiley-VCH Verlag
GmbH & Co. KGaA Weinheim, ISBN 978-3-527-33764-4.
153 Abstract
Newly installed short rotation coppice (SRC) applied as monocultures with poplar (poplar variety: ‘Max 1’) and willow (willow variety: ‘Tordis’) or as an agroforestry system (AFS) with rows
of willow and grassland alleys in-between are introduced for two bioenergy regions, the Göttingen district and the BERTA initiative (Thüringen Arable Plain BioEnergy Region). Sites were
characterized with respect to different climate background conditions, soil physical and chemical properties, initial management and growth rates, litter turnover as well as a first N-budget
after two years of growth. Results of soil physical investigations indicate reduced potentials for
poplar and willow yields for the BERTA site due to below 140 mm reduced available soil water
capacity and a low level of precipitation during the growing season (< 300 mm). Soil chemical
analysis revealed medium to high levels of nutrient availability and thus favorable growth conditions. Results of litter investigations indicated that litter production, decomposition and nutrient release was higher for poplar compared to willow. The initial N budget and N-use efficiency
calculations indicated that willow SRC appeared to stimulate biological activity initially, which
led to an initiate nitrate leaching. However, it is expected that this will largely cease with greater root development and N uptake by growing plants. It was furthermore apparent that poplar
SRC was more efficient in terms of N-uptake but willow seemed to be more efficient with respect to N-utilisation.
Keywords: poplar, willow, biomass, litter, nitrogen cycling, nitrogen budget, nitrogen use efficiency
1
Short rotation coppice (SRC) and agroforestry systems (AFS) as resourceefficient cropping systems
Short rotation coppice (SRC) is a land use system using fast growing trees such as poplar and
willow grown on agricultural land to provide the highest possible amounts of woody biomass in
the shortest time possible (BOELCKE, 2006; BIELEFELDT et al., 2008; BÄRWOLFF et al., 2012).
According to EU and German legislation, SRC are permanent agricultural crops and will not be
treated as forest as long as harvesting occurs at least once every 20 years. Of the various
means of renewable feedstock production in agriculture, woody biomass cultivated in SRC is
the most cost- and impact-effective land use system in terms of avoiding CO2-emissions (DON
et al., 2012). However, its attractiveness is at present rather limited due to economic insecurity
(e.g., a lack of subsidies), land leasing issues (e.g., site restoration after cultivation ends), but
also due to mental barriers inhibiting various stakeholder communities (e.g., “trees don’t belong on my arable land”) and a lack of sufficient knowledge. Agroforestry systems (AFS) may
be described as land use systems that deliberately integrate woody vegetation with crops or
animal production systems on the same plot in order to benefit from the resulting ecological
and economic interactions (UNSELD et al., 2011). Classic AFS are widespread in certain areas
such as the 'Knicks' found in northern Germany and the ‘Streuobstwiesen’ in southern Germany.
Trees grown on agricultural land generate not only woody biomass and other by-products
(e.g., fruit), they can also supply a set of ecological services; for example, reducing soil nutrient leaching through intensified deep-rooting, diminishing soil erosion by braking wind speeds,
improving C-sequestration quality and quantities through enhanced above- and belowground
litter production, providing shade for animals and fostering overall biodiversity by promoting
structural habitats (TSONKOVA et al., 2012). Nonetheless, there remain some general traits and
specific aspects of wood plantations that must be considered seriously prior to cultivation:
1. Trees are perennial plants; once the decision to establish a certain type of plantation (e.g.,
single trees, pure SRC plantation, AFS, buffer strips, etc.) is made, it will and should last for
years, decades or even generations. Therefore, a completely different planning approach is
required compared to traditional agriculture employing annual crops in terms of economics
(cf. KRÖBER et al., this volume), land use ecology and management.
2. Tree plantations tend to transpire more water than other common crops. In areas with limited precipitation, soils with reduced water holding capacities, or where there are specific
154 demands with respect to groundwater recharge quantities, estimates of the water budget
should be made prior to planting.
3. Single trees and tree plantations may reach heights of 20 m or more and may influence the
landscape significantly by impeding sightlines (cf. BOLL et al., this volume), restricting access to open fields and creating unwanted shading.
It is necessary to examine whether, and how, these specific or other even less favourable aspects of woody plantations can be optimised by means of site-adapted landscape planning
and distinct management options. The selection of an appropriate site for the cultivation of a
SRC plantation or an AFS requires serious planning (cf. BUSCH & MEIXNER; BUSCH & THIELE;
HENNEMANN-KREIKENBOHM et al.; WILHELM et al., all this volume). The most important feature
is a sufficient water supply during the growing season, but also an abundant available soil water capacity, adequate aeration and a suitable rooting depth. These factors are key elements
for growth and so too for the economic success of SRC plantations. The height of the groundwater level, the site history and the previous management should also be considered. In most
cases, the nutrient supply of arable land is often more than sufficient for tree growth and remains so over several rotations due to the nutrient accumulation from past fertiliser applications (JUG et al., 1999; LAMERSDORF et al., 2010). In addition, the canopies of SRC are able to
filter airborne particles loaded with nitrogen and other nutrients. The nutrient inputs can be
sufficiently high to cover the net output through harvesting. For nitrogen this applies in particular in areas where there are high N-emissions from animal husbandry.
Having selected an appropriate site, the proper planning and management of the establishment phase of a SRC plantation and of an AFS is critical to the success of the cropping system. This includes aspects such as the pre-treatment of sites (e.g., herbicide application,
ploughing), timing of planting (weather conditions, soil water status), planting material (condition of cuttings), planting techniques (setting and depth of planting) and the weed management
during the first and possibly also the second year (herbicide application, mechanical weed control).
In this paper and the following contributions by EHRET & GRAß, LORENZ & MÜLLER and BUSCH
& MEIXNER, the sites and manner of SRC and AFS plots installed within the BEST project will
be described, and the results obtained with respect to the initial soil conditions, growth and
yield developments as well as the nutrient and matter cycling and feedstock processing (grassland) will be presented. The results of an irrigation experiment in a SRC using wastewater will
be outlined, as will the outcome of a systematic approach to the acquisition of appropriate sites
for SRC and AFS subject to a given order of priority of ecological requirements (e.g., prevention of erosion and reduction of nitrate leaching) for a whole district.
2
Study region and research site description
From the very beginning of the BEST project, all of the research activities were linked to the
development of two so-called ‘bioenergy regions’ in central Germany: the Göttingen district,
located in the south of the German federal state Niedersachsen, and the BERTA initiative
(Thüringen Arable Plain BioEnergy Region) in the centre of the state Thüringen, about 100 km
southeast of Göttingen. The aim of bioenergy regions is to become, on the basis of sustainable
land management, increasingly fossil fuel independent in the coming decades. The two regions involved in BEST represent typical landscapes of central Germany but differ in their geophysical background conditions (climate, geology, land cover). The climate of Göttingen is
characterised by an average annual temperature of 9.2 °C and mean annual precipitation of
642 mm (period 1991-2010), whereas in BERTA the mean temperature is slightly higher
(9.4 °C) and the precipitation lower (549 mm). Mean precipitation in the growing season (MaySeptember) is 312 mm in Göttingen and 289 mm in BERTA (German Weather Service [DWD]
stations Göttingen [ID 1691] and Dachwig [ID 896]).
Two fast growing tree plantations comprising poplar and willow were established in Göttingen.
One is located next to the village Reiffenhausen (51° 39’ 83” N, 9° 98’ 75” E; 325 m a.s.l.) and
the other about 5 km further north, in the vicinity of the village Friedland (51° 41’ 21” N,
9° 92’ 02” E; 188 m a.s.l.).
155 2.1
Reiffenhausen
The research site by Reiffenhausen was installed in March 2011 and consisted of three plots.
There were two SRC plots, one planted with the poplar variety ‘Max 1’ (Populus nigra x Populus maximowiczii), hereinafter referred to as the ‘poplar SRC’, and another planted with the
willow variety ‘Tordis’ ((Salix viminalis x Salix schwerinii) x Salix viminalis)), referred to as the
‘willow SRC’. The third plot was arranged as an agroforestry system (AFS) with rows of the
willow variety Tordis and grassland alleys in-between. This plot is denoted the ‘willow AFS’.
The poplar SRC was planted with 20 cm long cuttings on 0.4 ha in a double row system, with
0.75 m between the rows in a double row and 1.50 m between each double row. The plant
spacing within the rows was 1.0 m. The overall planting density was 8 890 cuttings ha-1. The
willow SRC occupied 0.6 ha, with a planting density of 11 850 cuttings ha-1. Tordis cuttings of
20 cm length were planted in double rows spaced as for poplar, but with only 0.75 m between
plants in the rows. The willow stripes in the AFS consisted of four double rows adhering to the
same spacings as the willow SRC. The plant density was 5 330 trees ha-1. Cuttings of 20 cm
were used here also. The Reiffenhausen site was previously used as arable land. However,
cultivation of the land was interrupted occasionally in the past, due in part to unfavourable
stagnant soil conditions. In the year of SRC and AFS establishment, no common site preparation for SRC (e.g. herbicide application plus ploughing already in autumn before planting) was
done, as barley was already sown. Nevertheless the site was harrowed in winter 2010 to control emerging barley plants but the remaining seeds and plants still caused serious problems
during the cuttings’ development phase due to water and light competition. In addition, in spite
of a pre-emergent herbicide (Bacara) application immediately after planting in Reiffenhausen,
several weeds such as chamomile and thistle appeared in large numbers together with the
barley in spring 2011. Between May and July 2011 mowing, hoeing and harrowing took place
to control the weed and barely growth. Nevertheless, many cuttings died (5-40 %) and were
replaced in April 2012 with new 80 cm long rods. The problems of establishment were exacerbated by a relatively dry spring in 2011, with total precipitation of only 247 mm between May
and September.
The soil conditions in Reiffenhausen were characterised by sedimentary deposits of Triassic
sandstone material, partly mixed with clay stone material and covered by loess sediments. The
main soil types were a stagnic cambisol (IUSS Working Group WRB 2007) and a haplic stagnosol (IUSS Working Group WRB 2007). The north-eastern part of the research site (poplar
SRC) was dominated by loamy sand whereas the soil texture in southwest (willow SRC) was
dominated by silty clay. However, higher nutrient stocks of nitrogen, phosphorus, potassium,
magnesium and calcium were determined in the southwest part of the site.
2.2
Friedland
The Friedland research site was first established on 2 ha in 2011, employing the same design
and varieties described for the willow SRC and poplar SRC in Reiffenhausen. High mortality
rates in 2011 due to the severe spring drought led to a complete failure of the crops and a new
installation in May 2012. The second design employed in Friedland differed to Reiffenhausen.
Only the poplar variety Max 1 was planted, using at least 30 cm long cuttings planted in single
rows. The distance between the rows was 2.7 m with 0.4 m within the rows. A total of 9 250
trees ha-1 were planted. After the failure of the first SRC in spring 2011, the vegetation was
completely chaffed in September 2011 and the emerging plants were treated with glyphosate
(Roundup). Later in autumn 2011, the study site was ploughed again and, after an additional
harrowing in spring 2012, the new cuttings were planted mechanically (using a P&P planter). A
pre-emergent herbicide (Bacara) was applied immediately after planting. Mechanical weeding
was done using a miller in July 2012. Additionally, a specific herbicide combating thistles (Lontrel) was applied in June 2012.
The Friedland site was characterised by loess sediments deposited during the Pleistocene and
Holocene. The main soil type present was a haplic cambisol calcaric (IUSS Working Group
WRB 2007) with a clayey silt texture. Prior to the first planting of SRC in Friedland, the site had
been abandoned for several years. This was due to its relatively small size and its unfavourable shape for the use of large machinery.
156 2.3
BERTA
The BERTA research site (51° 06’ 78” N, 10° 80’ 92” E; 190 m a.s.l.), with an overall area of
1.8 ha, was also installed in March 2011. It consisted of plots similar to those described for
Göttingen: poplar SRC (0.6 ha), willow SRC (0.6 ha) and willow AFS (0.6 ha) employing identical varieties, spacings and plant densities as in Reiffenhausen (for layout see figure 2, LORENZ & MÜLLER, this volume). Mechanical weeding was applied to the plots as described for
Göttingen (mowing, harrowing, etc.). However, chemical weeding was used only to combat
monocotyledonous plants (Fusilade Max). Prior to the establishment of the SRC and AFS
plots, the area was used as arable land for the production of winter wheat and spring barley.
As in Göttingen, precipitation during the first growing season in 2011 was especially low at
only 214 mm and the cuttings that did not survive in the first year were replaced by new 80 cm
long rods in April 2012. The soils of the plots in BERTA were characterised by sedimentary
deposits of the Middle Keuper, such as gypsum and marl stone. These deposits were covered
by quaternary unconsolidated sediments such as loess. The main soil type present was a haplic cambisol (IUSS Working Group WRB 2007). The soil texture was dominated by silty clay.
Here, stocks of nutrients (nitrogen, phosphorus, potassium, magnesium and calcium) were
distributed homogenously over the whole research site.
3
Physical and chemical properties of the soils
Several climatic and soil ecological characteristics can be used to estimate the expected long
term biomass yields of poplar and willow (PETZOLD et al., 2006; RÖHLE et al., 2008; PETZOLD et
al., 2010; PETZOLD, 2010; AUST, 2012). To obtain sufficient biomass yields (> 8 odt ha-1 a-1) the
soil should have:





an effective rooting zone > 40 cm (PETZOLD et al., 2006; RÖHLE et al., 2008);
an available water capacity (AWC) > 140 mm in the effective rooting zone (PETZOLD et al.,
2006; PETZOLD, 2010);
a medium to high total cation exchange capacity (CEC) (table 1);
a medium to high air capacity (AC) (table 1) and
a medium to high nutrient status (table 1).
To evaluate these parameters, soil profiles were dug to a depth of 2 m on each plot. Soil material was taken for chemical and physical analyses from soil depths of 0-10, 10-30, 30-60, 60-90
and 90-120 cm. Only one soil profile was excavated in Friedland (FR) and BERTA (B) due to
the obvious homogeneity of the soil conditions. In Reiffenhausen two soil profiles were dug,
due to the pronounced heterogeneity of the bedrock material. The first soil profile in Reiffenhausen (Reiffenhausen reference, RR) was located next to the poplar SRC and the second
(Reiffenhausen willow, RW) was within the willow SRC. The laboratory analyses applied to
determine the AWC, CEC, AC and nutrient status were detailed by HARTMANN et al. (2014). In
accordance with a suggestion made by the Ad-Hoc-Arbeitsgruppe Boden (2005), the results
were related to the calculated effective rooting zone for arable land with the addition of 50 %
for deciduous trees.
The physical analysis of the soil revealed a moderate to high AC for all soil profiles, except for
the profile RW, where the values were low (table 1, table 2). Low AC values indicate slow seepage of rainwater and a low rate of conversion of organic matter. The plots in Göttingen exhibited very high AWC values (196-306 mm), whereas at BERTA the AWC was only 139 mm due
to the soil conditions (stone fraction > 50 % at a soil depth of 50 cm). Optimal growth requires
an AWC of at least 140 mm. Low poplar and willow yields must be expected for the BERTA
site given the AWC value < 140 mm and the low level of precipitation during the growing season (< 300 mm) (HARTMANN et al., 2014). Chemical analysis of the soils revealed medium to
high levels of soil nutrients and a medium CEC for all of the BEST plots. Therefore, growth
conditions were favourable with respect to the nutrient supply (table 1, table 2).
157 Table 1: Classification of air capacity (AC), available water capacity (AWC), total nitrogen (Nt), total
phosphorus (Pt), exchangeable potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg) and total cation exchange capacity (CEC).
CLASS
AC^
[Vol.-%]
AWC*
[mm]
Nt*
[t ha-1]
K*
[t ha-1]
Ca*
[t ha-1]
Mg*
[t ha-1]
Pt*
[t ha-1]
CEC*
[mmolc kg-1]
Very low
Low
Medium
High
Very high
<2
2 - <5
5 - <13
13 - <26
≥26
30 - <60
60 - <90
90 - <120
120 - <180
180 - 240
<2.5
2.5 - <5
5 - <10
10 - <20
≥20
<0.2
0.2 - <0.4
0.4 - <1.2
1.2 - <1.6
≥1.6
<0.2
0.2 - <0.4
0.4 - <4
4 - <8
≥8
<0.05
0.05 - <0.1
0.1 - <1
1 - <2
≥2
<0.75
0.75 - <1.5
1.5 - <3
3 - <7.5
≥7.5
<25
25 - <50
50 - <400
400 - <800
≥800
^Ad-Hoc-Arbeitsgruppe Boden (2005)
*Arbeitskreis Standortskartierung (2003)
Table 2: Mean (± standard deviation; n= 3) physical (air capacity [AC], available water capacity [AWC])
and chemical (total nitrogen [Nt] and total phosphorus [Pt], exchangeable potassium [K], calcium [Ca],
magnesium [Mg], and total cation exchange capacity [CEC]) parameters of the soils in the effective rooting zones of the plots at Reiffenhausen reference (RR), Reiffenhausen willow (RW), Friedland (FR) and
BERTA (B).
SOIL
PROFILE
AC
[Vol.-%]
AWC*
[mm]
Nt
[t ha-1]
K
[t ha-1]
Ca
[t ha-1]
Mg
[t ha-1]
Pt
[t ha-1]
CEC
[mmolc kg-1]
RR (0-80 cm)
15.5 (3.4)
7.0 (1.0)
2.2 (0.3)
65.4 (7.8)
FR (0 -110 cm)
9.4 (6.1)
13.8
(2.0)
4.3 (0.5)
B (0-110 cm)
11.2 (9.8)
4.6
(0.4)
6.2
(0.5)
7.6
(0.6)
6.8
(1.2)
87.8 (18.8)
2.3 (3.5)
3.0
(0.3)
2.1
(0.3)
2.6
(0.3)
1.6
(0.3)
24.5 (2.8)
RW (0-110 cm)
205.8
(11.7)
196.0
(11.8)
306.0
(19.5)
139.0 (8.7)
8.6 (0.8)
10.5
(0.8)
n.d.
72.1 (6.0)
68.7
(13.0)
3.6 (0.7)
185.6 (29.8)
133.3 (12.6)
199.6 (63.7)
* 1.5 x effective rooting zone for deciduous trees, Ad-Hoc-Arbeitsgruppe Boden (2005)
n.d.= not detected
4
Planting success, initial biomass and litter production and nutrient release
Investigations of the plant survival rates were first carried out for Reiffenhausen and BERTA in
March 2012 and for Friedland in February 2013. All of the trees were examined. To estimate
the aboveground biomass, the diameter at breast height (dbh, 1.3 m) was determined for each
plot by measuring randomly selected trees (n= 240) and twelve randomly selected double
rows in Reiffenhausen and BERTA, and 24 randomly selected rows in Friedland. These
measurements were made after the second growth period; i.e., winter 2012/13. Fifteen trees
were harvested per plot, cut at 10 cm above soil level, and their fresh-weight was determined
in situ. After drying the felled trees to a constant mass (105 °C), allometric power equations
introduced by RÖHLE et al. (2006, 2009) and RÖHLE & SKIBBE (2012) were used to estimate the
dry mass of the trees. These estimates were scaled up based on the number of surviving trees
to calculate the dry matter yields per hectare (measured in oven dried tonnes, odt).
Table 3: Survival rates of cuttings after one year of growth, mean (± standard deviation; n= 240) tree
height, diameter at breast height (dbh) and aboveground biomass production after two years of growth.
PLOT
GROWTH CHARACTERIS-
Poplar
SRC
REIFFENHAUSEN
Willow
Willow
SRC
AFS
FRIEDLAND
Poplar
SRC
Poplar
SRC
BERTA
Willow
SRC
Willow
AFS
94.6
2.6 (0.7)
10.3 (6.7)
88.4
5.2 (0.9)
32.0 (7.6)
74.4
2.4 (1.1)
8.8 (7.5)
90.9
1.8 (0.7)
4.5 (5.6)
91.6
1.6 (0.7)
4.5 (5.4)
0.42° (0.93)•
6.81
1.59
0.59
n.d.
TIC
Survival rate [%]
Height [m]
dbh [mm]
Biomass [odt ha-1 a-1]
62.9
2.2 (1.3)
6.4 (6.6)
1.00
88.2
2.6 (1.1)
10.7
(8.2)
1.09
° based on the actual number of trees in the willow AFS (5 330 trees ha-1)
•
calculated as a pure willow SRC (11 850 trees ha-1)
n.d. = not detected
158 The tree survival and yield investigations revealed the following outcomes (table 3):
 in Reiffenhausen and BERTA the survival rates of poplar SRC were always lower than
those of the neighbouring willow plots;
 the poplar survival rates in Friedland were comparable to the survival rates of willow in
Reiffenhausen and BERTA;
 in Reiffenhausen the height and dbh of the willows grown in both the AFS and SRC was
higher than for the poplar SRC plot, the opposite was true in BERTA;
 the greatest height, dbh and aboveground biomass production was observed for the poplar
SRC in Friedland;
 willow SRC exhibited greater aboveground biomass production than poplar SRC in Reiffenhausen, whereas the opposite was true in BERTA.
Litter dry weight production was determined by drying (60 °C) fallen leaves collected on the
ground from six 1 m x 1 m permanent quadrats per plot. The litter bag technique (polyester
bags with 1 mm mesh size, 15 cm x 15 cm, n= 16/plot) with standardised litter, taken from an
existing poplar SRC (poplar variety: Japan, established in 2007) and willow SRC (willow variety: Tora, established in 2003) next to the research site BERTA was exposed for 12 months to
determine litter dry weight loss and rates of nutrient release. The highest nutrient return to the
soil was observed for poplar SRC, because of a significantly higher rate of litter dry weight
production in comparison to willow SRC and willow AFS in Reiffenhausen and BERTA (table
4).
Table 4: Mean (± standard deviation) litter dry weight production, litter dry weight loss and nutrient release of litter bags after one year of application (4 sampling campaigns, Nov. 2011 – Nov. 2012; n= 4/
plot/campaign).
PLOT
LITTER CHARACTERISTIC
Litter dry weight production
[kg ha-1 a-1]
Litter dry weight loss [%]
N-release [%]
P-release [%]
K-release [%]
Ca-release [%]
Mg-release [%]
Poplar
SRC
REIFFENHAUSEN
Willow
SRC
Willow
AFS
Poplar
SRC
BERTA
Willow
SRC
Willow
AFS
941.7
359.9
136.9
1394.3
227.9
34.9
67.0 (8.9)
37.4
48.5
94.3 (1.6)
62.5 (6.8)
75.6
49.7 (6.0)
40.3 (9.1)
44.0
62.3
60.1 (9.5)
36.8
47.5 (4.4)
29.4 (4.4)
27.6
87.1 (5.2)
42.6 (6.9)
73.3 (4.3)
52.8 (2.2)
36.0 (14.8)
52.9 (8.3)
85.6 (2.8)
55.4 (1.7)
48.8 (8.5)
55.0 (9.5)
47.9
50.2
75.1 (8.9)
61.3
34.7
45.0 (7.6)
35.6 (5.8)
46.4 (4.0)
74.6 (3.3)
52.7 (8.9)
43.6 (8.3)
The litter dry weight losses ranged between 67 % (Reiffenhausen, poplar SRC) and 45 %
(BERTA, willow AFS). The sequence for all plots after the 12 month period was: poplar SRC >
willow SRC > willow AFS. Significantly higher dry weight losses were found for poplar in comparison to willow in Reiffenhausen. However, no significant differences between plots were
observed for the release of N, P, K and Mg during the 12 month litter decomposition period.
Obviously, the highest release across all plots was K (62-94 %).
5
Nitrogen budget and N-use efficiency
Nitrogen budget and N-use efficiency calculations were only carried out for the Reiffenhausen
site (table 5). Fluxes of mean net N-mineralisation (NNM) and the measured atmospheric bulk
deposition were taken as the input terms in our estimates (table 5). On all sampling dates, the
NNM supplied almost 100 % nitrate, whereas the share in atmospheric deposition was always
about 50 % nitrate and 50 % ammonium. Despite high spatial variability in the field data, it appeared that more nitrate from NNM was provided under both willow plots than was the case for
the poplar SRC. This may be attributed to higher initial biological activity under willow due to
better survival rates of plants (see table 3). Output terms were defined as the plant uptake in
wood, including the bark; i.e., the potential harvested feedstock material plus the losses of N to
nitrate leaching below the rooting zone (60 cm) or N2O emissions. The calculated uptake of N
was higher in poplar SRC, despite similar biomass production rates (table 3), whereas nitrate
159 leaching under poplar SRC was lower than for the willow plots. Almost two thirds of the input
left the willow SRC system through nitrate leaching during the observation period. This was
mainly driven by enhanced initial nitrate soil solution concentrations under willow SRC
(± 30 mg NO3-N/L), which decreased to almost zero towards the end of the observation period.
However, slightly enhanced nitrate leaching was also observed for the willow AFS plot, indicating that part of the increased nitrate release by NNM under willow was directly lost by nitrate
leaching. This may also lead to enhanced N2O emission rates under willow. As part of this
study N2O measurements were only available for the poplar SRC, the values for which may
have underestimated the emission rates for the willow plots. Nevertheless, the N-budgets for
all of the plots were positive; i.e., even with enhanced initial nitrate leaching losses (willow
SRC), about 10 kg of N were accumulated in the system. Therefore, N-fertilisation of the plantations appears unnecessary. Furthermore, it was apparent that poplar SRC was more efficient
in terms of N-uptake than willow; i.e., about 25 % of the N input was fixed under poplar,
whereas under both willow plots the uptake rates varied between 14 to 17 %. Willow, however,
seemed to be more efficient than poplar with respect to N-utilisation. According to our estimates, between 155 to almost 200 kg of willow SRC woody biomass (DM) was initially produced per 1 kg N, whereas only 135 kg biomass (DM) was gained for 1 kg N in the poplar
SRC. Reduced N-utilisation rates under willow AFS compared to the pure willow SRC were
attributed to impaired growth conditions on the AFS plot.
Table 5: N-budget [kg ha-1 yr-1] and N-use efficiency in [kg kg-1] for the Reiffenhausen site.
CHARACTERISTIC
PLOT
N-input net N-mineralisation (NNM)1
N-input atmospheric deposition2
∑ Input
N-output (uptake by trees, aboveground wood with bark)3
N-output NO3 leaching (estimate)4
N-output N2O emission (estimate)5
∑ Output
N-budget (input-output)
N-uptake efficiency [kg N-uptake by trees / (kg NNM + atmos6
pheric deposition)]
N-utilisation efficiency [biomass kg DM / kg N-uptake by trees]6
POPLAR
SRC
18.6 (13.3)
11.0 (0.4)
29.6
7.4 (0.9)
2.5
≤2
11.9
17.7
0.25
WILLOW SRC
WILLOW AFS
28.1 (25.5)
11.0 (0.4)
39.1
5.5 (0.9)
22.3
≤2
29,8
9.3
0.14
23.9 (21.4)
11.0 (0.4)
34.9
6.0 (0.7)
4.4
≤2
12,4
22.5
0.17
135
198
155
1
Buried bag method, mean of eight sampling dates, Mar.–Oct. 2012, 0-30 cm n= 4/month/plot
Bulk deposition/samplers, biweekly sampling, Nov. 2011–Oct. 2012, n= 4/plot
3
For determination of biomass production see section 4; N was measured as total N in shredded trunk samples,
i.e., incl. bark; n= 15/plot
4
NO3-measurements: monthly means, Dec. 2011–Nov. 2012; n= 4 suction lysimeter cups/plot, 60 cm soil depth;
water fluxes were only modelled for poplar SRC (see also WAHREN et al., this issue) but were applied here also for
the willow plots
5
N2O measurements were made only for poplar SRC, between Oct. 2011 and Oct. 2013 (WALTER, 2014, pers.
comm.) but were applied here also for the willow plots
6
according to MOLL (1982)
2
6
Discussion and conclusions
In accordance with the practical recommendations for the establishment of SRC plantations
(BOELCKE, 2006; WERNER et al., 2006; IHL, 2010), the sites selected in BERTA must be judged
critically. This is due mainly to the limited amounts of precipitation during the vegetation period
and an available water capacity (AWC) of just below the limit (140 mm) in the effective rooting
zone. Therefore, from this point of view, further SRC plantations are not recommended for this
region. However, as there is a partial connection to a groundwater source, trees may achieve
reasonable growth in a more advanced age stadium; i.e., once their roots have gained access
to the water source in the deeper soil layers. Nonetheless, the establishment period of a SRC
at such a location remains critical, especially when more severe spring or summer droughts
may occur. Exactly this happened during the installation of the BEST research sites in 2011.
Additionally, the available soil water storage capacities were not refilled during the previous
winter period due to insufficient rain- and snowfall. In such circumstances, irrigating the plants
during the first few months may be an option to secure the survival of the plantation (cf. LO-
160 & MÜLLER, this issue). The plots selected in the Göttingen district were much more appropriate with respect to water supply and can be recommended for the cultivation of SRC.
One of the most critical aspects for the successful establishment of SRC plots is site preparation prior to planting. Insufficient weed control was clearly the key factor in the failure of the
newly installed SRC plantations within BEST. In addition, the relatively severe rain and soil
water shortage in spring 2011 disadvantaged sapling growth but promoted weed development,
with a pronounced subsequent overgrowth of the young trees when rainwater eventually arrived. This process was also clearly mirrored in the measured yields. At the Friedland site,
where the plantation failed completely in 2011 and had to be renewed in 2012, including a total
herbicide application prior to ploughing in autumn 2011 and strict weed control in spring 2012,
initial tree growth was high, amounting to rates 5 to 7 times higher than that of the poplar plot
in Reiffenhausen one year previously.
Furthermore, it was apparent – particularly for the BERTA plots – that the survival rate of willow was higher than that of poplar. However, the growth rates of the poplar variety Max 1
based on the number of trees that survived in the BEST plots was generally higher than that of
the willow variety Tordis. For this reason, the poplar variety Max 1 should be preferred over
Tordis if further SRC plantations are intended in the regions. Nevertheless, under the more
favourable water regime in the Göttingen district, willow would also appear to be an alternative.
Nutrient supply obviously played a negligible role; all of the BEST sites exhibited sufficient
stores of the major elements in the soil. Furthermore, litter decomposition (weight loss) also
appeared to be comparably high (GUO & SIMS, 1999; ALBERS et al., 2004; COTRUFO et al.,
2005; PÉREZ‐CORONA et al., 2006). Litter input was lowest at the AFS site, which may indicate
that part of the leaf input was transferred to the neighbouring grassland alleys. The litter produced by the poplar variety Max 1 clearly decomposed better than litter from the willow variety
Tordis. This may either have been a clone-specific effect (PÉREZ‐CORONA et al., 2006; POLYAKOVA & BILLOR, 2007; PEH et al., 2012) or possibly due to a lower content of lignin or other
hard decomposable litter constituents in the poplar leaves. Such specific traits might be of distinct interest when a focus of cultivation is on enhancing rates of organic material input to depleted soils or when internal nutrient cycling is to be promoted.
The N budget and N-use efficiency calculations indicated some specific differences between
the tree genera applied, which should be considered or might even be actively used to provide
additional benefits. Willow SRC appeared to stimulate biological activity initially, which can
help to ameliorate depleted soils. However, early nitrate leaching may also follow but, in line
with the findings of other investigations (e.g., SCHMIDT-WALTER & LAMERSDORF, 2012), this will
largely cease with greater root development and N uptake by growing plants. As the initial nitrate leaching in the willow AFS was considerably lower than for the pure willow SRC, it might
also be concluded that, by interposing grassland alleys, initial nitrate leaching by newly installed willow SRC plantations can be lessened. As both the uptake and the uptake efficiency
of N is higher in poplar than in willow, poplar could be used specifically in order to lessen N
leaching of soils. However, under the conditions described, a pure willow SRC is the most Nefficient land use system for the production of woody feedstock material in this way. Furthermore, the N-budget calculations indicated that even under the unfavourable starting conditions
described, i.e., low biomass increments, most of the atmospheric input is consumed by tree
uptake and will later be exported during harvesting. Therefore, SRC can help to diminish N
eutrophication in general.
RENZ
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Dissertation von Linda Hartmann
Implementierung und bodenökologische Charakterisierung von Kurzumtriebsplantagen
und Agroforstsystemen am Beispiel der Bioenergie-Regionen "Göttinger Land" &
"Thüringer Ackerebene"
online verfügbar unter:
https://ediss.uni-goettingen.de/bitstream/handle/11858/00-1735-0000-0023-9962F/Diss_final_Endkorrektur_ohne_Lebenslauf.pdf?sequence=1
Zusammenfassung
Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Verknappung an fossilen Energieträgern soll
der Anteil der erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland gesteigert
werden. Dabei kann die Biomassenutzung wesentlich zur Sicherung der Energieversorgung
beitragen. Im Rahmen der Untersuchungen zur Steigerung der regionalen Biomasseproduktion wird seit Ende 2010 das Verbundprojekt "Bioenergie-Regionen stärken" (BEST) durchgeführt. Das Ziel von BEST ist es, regional angepasste Konzepte und innovative Systemlösungen zur Produktion von Biomasse zu entwickeln und im Hinblick auf ökologische und ökonomische Auswirkungen anhand zweier Bioenergie-Regionen ("Göttinger Land", Südniedersachsen und "Thüringer Ackerebene", Mittelthüringen) zu bewerten. Das BEST-Teilprojekt "Agroforst und Kurzumtriebsplantagen", bildet die Grundlage für die vorliegende Arbeit und untersucht innovative Anbausysteme zur Gewinnung von holziger Biomasse.
Die Hauptziele dieser Studie sind:
163 1. Entwicklung von regional angepassten Konzepten und innovativen Systemlösungen
zur Produktion von Energieholz mittels Kurzumtriebsplantagen (KUP) und Agroforstsystemen (AF). Dabei versteht man unter KUP den Anbau von schnellwachsenden
Gehölzen wie Pappel und Weide auf landwirtschaftlichen Flächen. Eine spezielle Variante
des KUP-Anbaus sind so genannte Agroforstsysteme, eine Mischung von KUP-Streifen mit
Ackerkulturen oder Grünland auf der gleichen landwirtschaftlichen Fläche.
2. Bereitstellung von praxisrelevanten Versuchs- und Demonstrationsflächen mit KUP
und AF in den beiden Bioenergie-Regionen "Göttinger Land" und "Thüringer Ackerebene".
3. Bodenökologische Charakterisierung der Versuchs- und Demonstrationsflächen.
4. Ableitung von Empfehlungen für die Praxis.
Zur Konkretisierung der Hauptziele wurden folgende Teilziele formuliert:







Bereitstellung, Analyse und Bewertung von Daten zu den klimatischen, geologischen, bodenphysikalischen und bodenchemischen Ausgangsbedingungen der Versuchsflächen in
den beiden Bioenergie-Regionen
Analyse des Ernährungszustandes der schnellwachsenden Gehölze
Erfolgskontrolle durch Erfassung der Anwuchs- und Ertragsentwicklung
Vergleichende Bestimmung der Laubproduktion, des Laubumsatzes und der
Nährstofffreisetzung für die eingesetzten schnellwachsenden Gehölze
Abschätzungen zu Vorräten und Flüssen des initialen Stickstoffkreislaufes
Integrierte Bewertung der Versuchsflächen hinsichtlich ihrer Eignung für den Anbau von
KUP und AF.
Tagungsbeitrag: 2. Euopäische Agroforst Konferenz
Willow short rotation plantation as an alley cropping system – aspects on yield development and nutrient cycling
Introduction
Amongst the renewable feedstock production in agriculture, growing of willow and poplar as
short rotation coppice (SRC) to produce woody biomass is the most cost- and impacteffective
land-use system to avoid CO2 emissions. This is mainly due to reduced management input
(e.g. ploughing) and less or even no need of fertilizer caused by lower nutrient demand of
trees and a sufficient nutrient stock from former agricultural land-use. Negative effects of SRC
plantations may arise from i) a generally enhanced water use by trees, leading to a reduced
ground water recharge, ii) a distinct change of landscape view and iii) economic uncertainties,
mainly as a result of lack of subsidies as given for other crops.
However, trees on agricultural ground also supply a set of ecological services , e.g. reduction
of soil nutrient leaching by intensified deep-rooting and soil erosion by breaking wind speeds,
improvement of C-sequestration quality and quantities by enhanced above and belowground
litter production.
As a compromise, SRC plantations can be arranged as agroforestry systems (AFS), e.g. as an
alley cropping systems with stripes of SRC plantings between common crops. In this context,
data from a 2011 newly installed grassland/ SRC willow (AFS willow) experimental intercropping system, established within the joint research project BEST near Göttingen, central Germany will be presented. Given results will focus on tree growth as well as nutrient
cycling and will use a directly neighboring pure willow SRC (SRC willow) plantation as a reference. Specific aspects related to the grassland will be covered by a contribution of Ehret et al.
Material
Both plantations, the pure SRC willow and the AFS willow plot were installed in March 2011
and planted with 0.2 m long cuttings of willow clone "Tordis" ((Salix viminalis x Salix schwerinii)
164 x Salix viminalis)) in a double row system with alternating interrow distances of 0.75 m and
1.50 m, and a spacing of 0.75 m within the rows. The SRC willow plot has a dimension of 0.6
ha and a planting density of 11850 cuttings ha-1. The AFS consists of 3 strips with each 4 double rows of willow and a plant density of 5330 trees ha-1. The resulting alleys have a width of
7,5 m and the net grassland cover per ha is 55 %.
The bedrock material of the study site is Triassic sandstone material, covered by loess deposit
and main soil types present are cambisol (Braunerde) and stagnosol (Pseudogley). Soil texture is dominated by loamy sand or silty clay material. The climate is characterized by an average temperature of 9.2 °C and a mean precipitation of 642 mm (period 1991-2010 station
Göttingen: DWD station-ID 1691).
A full plot survey of the plant survival rate for all plots was applied in March 2012. The aboveground biomass production (without leaves) was estimated by measuring the diameter at
breast height (dbh, 1.3 m) at randomly selected trees (n=240) in winter 2012 and by subsequent harvesting of 15 representative trees per plot at 10 cm above soil level. Tree dry mass
was determined using allometric power equations given by Röhle and Skibbe 2012. Finally
these estimates were scaled up with the number of survived trees to calculate dry matter (DM)
yields per hectare.
Litter dry weight production was determined through collection and drying (60 °C) of fallen
leaves on the ground from six 1 m x 1 m permanent quadrats per plot. The litter bag technique
according to Guo and Sims (1999, 2001; polyester with 1 mm mesh size, 15 cm x 15 cm, n =
16 / plot, standardized litter from a 9-year-old willow clone) was used to determine litter dry
weight loss and nutrient release.
Results
The tree survival rate was 88 % for SRC willow and 94 % for AFS willow. The mean dbh was
10.3 mm (± 6.7 mm) for AFS willow and 10.7 mm (± 8.2 mm) for SRC willow. An above-ground
biomass production of 1.1 Mg DM ha-1 year-1 was observed after the first two years in SRC
willow, whereas the AFS willow showed a an above-ground biomass production of 0.9 Mg DM
ha-1 year-1.
Litter dry weight production was significant higher in SRC willow in comparison to AFS willow
(Table 1). No significant differences in litter dry weight loss and nutrient-release from litterbags
between SRC willow and AFS willow were detected (Table 1).
Discussion
A high biomass production depends on the availability of nutrients, light and water (Sage 1999;
Truax et al. 2012; Headlee et al. 2013). With respect to the nutrient supply, we can exclude
that the relative poor above-ground biomass production was caused by nutrient deficiencies.
According to leaf analysis investigated in 2011 and 2012 the nutrient supply was in an optimal
status and the soil is classified as fertile.
165 Our agroforestry approach in Göttingen, i.e. the application of grassland stripes with willow
stripes seems to have an effect on plant growth. A slightly higher above-ground biomass production was observed in SRC willow with values of 1.1 Mg DM ha-1 year-1 after the first two
years, whereas in AFS willow an above-ground biomass production of only 0.9 Mg DM ha-1
year-1 was achieved in the same period. It is suspected that the willow stripes which grow directly next to the grassland stripes compete with the annuals of the grassland for light and especially water. Stoll and Dohrenbusch (2009) already investigated the impact of grassland
vegetation and management on the survival rate and growth of fast growing tree species on
grassland in Northwest Germany. It was shown that the survival and growth of the trees were
significant lower on grassland, compared to neighboring former arable land. Thus we suspect
that grassland compete with the young trees for water and light and this competition may led to
lower yield and dbh in the willow stripes of AFS willow in comparison to SRC willow.
Similar litter dry weight loss and nutrient release from litterbags after one year of application to
soil were observed for both systems. The litter production is directly linked to above-ground
biomass production (Guo and Sims 1999; Berthelot et al. 2000). According to a higher aboveground-biomass production and a significant higher litter dry weight production a higher nutrient uptake and return to soil was observed for SRC willow. We conclude that the nutrient cycling through above-ground biomass and litter production was more intensive in SRC willow in
comparison to AFS willow.
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166 Gegenüberstellung von vorgegebenen und erreichten Ergebnissen
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Koordinative & partizpative
Flächenauswahl
 abgeschlossen
Detaillierte Flächenplanung
und -Anlage
 abgeschlossen, 2014 Veröffentlichung in Dissertation und
Artikel Forstarchiv
Bodenökologische Untersuchungen
 abgeschlossen, 2014 Veröffentlichung in Artikel Forstarchiv,
Dissertation
Anlage von Agroforstflächen
 abgeschlossen
Begleituntersuchungen
 abgeschlossen, 2014 Veröffentlichung in Dissertation und
Buchbeitrag
Analyse von Sickerwässern
 abgeschlossen, 2014 Veröffentlichung in Dissertation und
Buchbeitrag
Durchführung erster Erntemaßnahmen
 abgeschlossen, 2014 Veröffentlichung in Artikel Forstarchiv
und Dissertation
Herleitung von Stoffbilanzen
 abgeschlossen, 2014 Veröffentlichung in Dissertation und
Buchbeitrag (für Versuchsfläche Reiffenhausen)
Ableitung von Handlungsempfehlungen
 abgeschlossen, 2014 Veröffentlichung in Dissertation und
Buchbeitrag (für Versuchsfläche Reiffenhausen)
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
-
-
Flächenetablierung und Bewirtschaftung
 ÖL 2, ÖL 3, FA 3, IO-A2, UP 2,
ProLoc (Martin Hofmann), P&P (Jörg Brunner), WSD Energieholz – Baumschule (Björn
Diehl), IB Biomasseconsulting/ Salixenergi Europa AB (Carsten Neumeister), Bayerische
Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Abteilung 4 Forsttechnik, Betriebswirtschaft,
Holz (Frank Burger), Bundessortenamt in Dachwig.
Bestandsentwicklung und Biomasseanalysen  ÖL 2, ÖL 3, IO-A2, IO-A4, UP 2, UP 4
Bodenuntersuchungen
 ÖL 2, ÖL4, Abteilung Agrarpedologie
der Uni Göttingen
Artikel im Forstarchiv
 ÖL 2, IO-A2
Tagungsbeitrag GPW
 ÖL 2, IO-A2
Buchbeitrag
 IO-A4, ÖL 2
Tagungsbeitrag 2. Europ. Agroforst Konferenz
 IO-A2
Einhaltung des Arbeits-. Zeit- und Finanzplanes
In 2010 hat sich der Arbeits- und Zeitplan aufgrund des späteren Anlaufs des Projektes um ein
Quartal nach hinten verschoben. Aufgrund der außergewöhnlichen Trockenheit in 2012 konnte
eine Untersuchungsfläche (Friedland) nicht im gewünschten Maß etabliert werden, sodass
2012 eine erneute Flächenanlage, inklusive aller Planungen und Ausgaben, notwendig wurde.
Die Datenauswertung wurde durch zusätzliche Arbeitsaufgaben, die in 2012 bzw. 2013 anfielen (z.B. Flächenneuanlage Friedland, Aufnahme der Bestandsentwicklung) verzögert, weshalb die Laufzeit des Arbeitspaketes bis zum 31.03.2014 kostenneutral verlängert wurde.
167 Veröffentlichungen IO-A1
Hartmann L. et al. 2013. Ertragsschätzung von schnellwachsenden Gehölzen in Kurzumtriebsund Agroforstsystemen während der Etablierungsphase im Rahmen des Verbundprojektes BEST. In: Pekrun C, Wachendorf M, Francke-Weltmann L (eds) Tagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften e.V. mit der Technischen Universität München, der
Bayrischen Landesanstalt für Landwirtschaft und dem Technologie- und Förderzentrum
Straubing 04. bis 06.September 2013, 273–274.
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growing plantations for wood production – integration of ecological effects and economic
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168 Arbeitspaket:
IO-A2
Thema:
Energetische Nutzung von Grünlandbiomasse im Rahmen eines
Agroforstsystems von schnell wachsenden Baumarten und
Grünland
Antragsteller:
Prof. Dr. M. Wachendorf
Institut:
FG Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe, FB 11,
Universität Kassel
Berichtszeitraum:
01.09.2009 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. Rüdiger Graß, Miriam Ehret
Teil I
1. Aufgabenstellung
In dem Arbeitspaket (AP) IO-A2 – „Grünlandbiomasse“ sollten im Rahmen eines neu etablierten Agroforstsystems aus Weiden im Kurzumtrieb und aus Grünland unterschiedliche Grünlandvarianten hinsichtlich ihrer Bestandesdynamik, ihres Biomasseertrags und ihres Energieertrags bei verschiedenen energetischen Konversionsverfahren untersucht werden.
Folgende Faktoren flossen in die Untersuchungen ein:
 2 Standorte:
 2 Grasansaaten:
- LK Göttingen und Thüringen
- Standardmischung (Dt. Weidelgras und Weißklee als Bestandsbildner)
- Diversitätsorientierte Mischung
 2 Düngungsstufen: - ohne und mit (= 100 kg ha-1) N-Düngung
 3 Verwertungsrichtungen:
- Biogaserzeugung (3-4 Schnitte/Jahr)
- Heuverbrennung (2 Schnitte/Jahr)
- IFBB-Verfahren zur Integrierten Biogas- und Festbrennstofferzeugung (2 Schnitte/Jahr)
 2 Referenzflächen: - KUP bzw. Grünland
Im Rahmen einer Energiebilanzierung sollten zum Abschluss des Projektes sowohl die untersuchten Varianten als auch das gesamte Agroforstsystem einer Bewertung unterzogen werden. Ferner war es Aufgabe dieses AP, andere APs des BEST-Verbundes auf den Versuchsflächen kooperativ bei ihrer Arbeit zu unterstützen.
2. Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde
Das Teilprojekt IO-A2 war Teil des Verbundprojektes BEST – Bioenergieregionen stärken, das
von der Universität Göttingen – Forschungszentrum Waldökosysteme koordiniert wurde. Das
TP war innerhalb des Verbundes im Schwerpunkt „Anbausysteme“ eingegliedert, in dem in
intensiver Kooperation sowohl Versuchsflächen etabliert als auch untersucht wurden. TP IOA2 wurde mit dem Zuwendungsbescheid vom 18.10.2010 durch den Projektträger Jülich genehmigt. Aufgrund der verspäteten Projektgenehmigung zum 01.09.2010 erfolgte die Aussaat
des Grünlandes erst im März 2011 gemeinsam mit der Etablierung der Kurzumtriebsbestände
169 aus Weiden sowie Pappeln und nicht wie geplant im Herbst 2010. Im Rahmen der Synchronisation des AP mit dem Gesamt-Verbund des BEST-Projektes wurde die Laufzeit bis zum
31.08.2014 ausgeweitet.
3. Planung und Ablauf des Vorhabens
Entgegen der ursprünglichen Planung, das Agroforstsystem bereits im Herbst 2010 zu etablieren, erfolgte diese mit der Grünlandaussaat erst im Frühjahr 2011 (vgl. Punkt 2).
Die Untersuchungen sollten an den beiden Verbund-Standorten Reiffenhausen im Landkreis
Göttingen (Bioenergieregion Göttingen) und am Standort Großfahner in der Bioenergieregion
Thüringer Ackerebene (BERTA) durchgeführt werden. Daher wurden an beiden Standorten
die geplanten Varianten des Agroforstsystems im Frühjahr 2011 etabliert. Dabei wurden zwei
verschiedene Grünlandansaaten ausgesät: a) Kleegras und b) Diversitätsorientierte Mischung
(32 Arten). Ferner wurde am Standort Großfahner ein weiterer Agroforstversuch angelegt, auf
dem Bewässerungsversuche gemeinsam mit AP IO-A4 durchgeführt wurden.
Das Frühjahr 2011 nach der Etablierung zeichnete sich durch extreme Trockenheit aus, was
zu einer verzögerten Etablierung der Grünlandbestände führte. Der dadurch verstärkte Beikrautdruck und das zusätzliche hohe Verunkrautungspotential der Flächen in Reiffenhausen
und Grossfahner zogen mehrere Schröpfschnitte nach sich. Auch die Weiden im Agroforstsystem (AF) reagierten mit einer verlangsamten Entwicklung auf die abiotischen und biotischen
Stressfaktoren, womit eine wiederholte Begleitwuchsregulierung manuell sowie maschinell
notwendig war. Zudem beeinflussten Schädlinge wie Rehe, Nagetiere und Insekten das
Wachstum der Weiden und des Grünlandes im Agroforstsystem. Am Standort Großfahner
zeichnete sich auch das weitere Jahr 2011 durch extreme Trockenheit aus. Daher konnten in
2011 die Untersuchungen nicht wie geplant durchgeführt werden. Neben der Datenaufnahme
zur Bestandesetablierung und –entwicklung konnte am Standort Reiffenhausen nur eine Biomasseernte durchgeführt werden (geplant: 2-3 Ernten) während in Großfahner in 2011 keine
Ernte durchgeführt werden konnte.
Das Jahr 2012 war ursprünglich als zweites und damit letztes Untersuchungsjahr geplant.
Trotz intensiver Bemühungen und aufwändiger Pflegemaßnahmen in 2012 entwickelten sich
die Bestände am Standort Großfahner nur ungenügend, Dabei konnten keine methodisch abgesicherten Probenahmen durchgeführt werden, so dass im Sommer 2012 beschlossen wurde, diesen Standort zwar noch zu pflegen, aber keine Ressourcen mehr für die Probennahme
aufzuwenden. Stattdessen wurde der Standort Reiffenhausen abweichend von der ursprünglichen Planung auch in 2013 beprobt, wodurch mehrjährige fundierte und wissenschaftlich belastbare Ergebnisse erzielt werden konnten. Aufgrund der in 2012 entfallenen Untersuchungen
in Großfahner und den damit verbundenen Kosteneinsparungen, konnten die Untersuchungen
am Standort Reiffenhausen in 2013 kostenneutral weitergeführt werden.
Das gemeinsam mit dem Teilprojekt IO-A4 durchgeführte Bewässerungsprojekt am Standort
Großfahner wurde zwar bis 2012 durchgeführt, führte aber zu keinen wissenschaftlich verwertbaren Ergebnissen. Die Grünlandareale auf den Untersuchungsflächen waren von Trockenheit und Mäusefraß so stark geschädigt, dass die erhobenen Daten nicht statistisch abgesichert ausgewertet werden konnten.
In 2013 wurden alle geplanten Untersuchungen am Standort Reiffenhausen durchgeführt. Bis
zum Projektende in 2014 wurden alle noch ausstehenden Analysen und Auswertungen vorgenommen und beendet sowie die gemeinsame BEST-Abschlusskonferenz in Göttingen vorbereitet und durchgeführt.
4. Stand der Wissenschaft und Technik, auf dem aufgebaut wurde
Die Etablierung einer Mosaikstruktur in der Landschaft wird aus naturschutzfachlicher Sicht als
sehr bedeutsam angesehen (Graß und Wachendorf, 2007). Das geplante Agroforstsystem aus
schnell wachsenden Hölzern und Grünland im Rahmen des Alley-crop-Designs schafft durch
die Abwechslung niedrig- und hochwüchsiger Bestände eine solche ökologisch wertvolle
Struktur (Quinkenstein et al., 2009). Je artenreicher und extensiver (Düngung, Schnitthäufig-
170 keit) die Grünlandbestände sind, umso höher ist ihr naturschutzfachlicher Wert. Zugleich besteht ein erhöhter Bedarf an erneuerbaren Energieträgern. Allerdings gestaltet sich die energetische Verwertung solcher extensiverer Grünlandaufwüchse durch herkömmliche Konversionsverfahren (Heuverbrennung bzw. Ganzpflanzenvergärung)aufgrund geringer Effizienz und
hoher Schademissionen problematisch (Hartmann, 2001, Prochnow et al., 2005). Mit dem an
der Universität Kassel entwickelten Verfahren der „Integrierten Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse (IFBB)“ ist nach bisherigen Untersuchungen eine effizientere energetische Konversion extensiver Grünlandbiomassen möglich (Wachendorf et al. 2009, Richter et
al., 2009). Es liegen noch keine systematisch durchgeführten Untersuchungen dieses Verfahrens im Rahmen eines Agroforstsystems vor. Hinzu kommt, dass Kurzumtriebsplantagen nur
alle 3-5 Jahre (je nach Umtriebszeit) einen Ertrag bringen, während das Grünland bereits im
Etablierungsjahr und danach dann jährlich Erträge liefert, was die Attraktivität zur Umsetzung
für Landwirte erhöhen könnte.
Literatur
Graß, R. und M. Wachendorf, (2007): Energiepflanzenanbau als Beitrag zur Optimierung von naturschutzfachlichen Zielen in der Landschaft. Mitteilungen der AG Grünland und Futterbau, 8, 173 176.
Hartmann, H., (2001): Brennstoffzusammensetzung und –eigenschaften. In: Kaltschmitt, M., Hartmann,
H. (Hrsg. 2001): Energie aus Biomasse. Grundlagen, Techniken und Verfahren. Springer Verlag,
Berlin, Heidelberg,New York.
Prochnow, A., Heiermann, M., Drenckhahn, A. und H. Schelle (2005): Seasonal pattern of biomethanisation of grass from landscape management. In: Agricultural Engineering International. The CIGRE Journal, Vol. 7, Manuscript EE 05 011.
Quinkenstein, A., Wöllecke, J., Böhm, C., Grünewald, H., Freese, D., Schneider, B.U., Hüttl, R., 2009.
Ecological benefits of the alley cropping agroforestry system in sensitive regions of Europe. Environmental Science & Policy 12, 1112-1121.
Richter, F, Graß, R., Fricke, T., Zerr, W., Wachendorf, M. (2009): Utilization of semi-natural grassland
through integrated generation of solid fuel and biogas from biomass. II. Effects of hydrothermal and
mechanical dehydration on anaerobic digestion of press fluids. Grass and Forage Science, 65/1.
Wachendorf M., Richter F., Fricke T., Graß R., Neff R. (2009): Utilisation of semi-natural grassland
through an integrated generation of solid fuel and biogas from biomass I: Effects of hydrothermic
conditioning and mechanical dehydration on mass flows of organic and mineral plant compounds,
and nutrient balances. Grass and Forage Science, 64/2, 132-143.
5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Folgende Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten und Institutionen wurde realisiert:





Flächenmanagement und Pflege des Versuchsstandortes Reiffenhausen mit den Arbeitspaketen IO-A1 und ÖL-2
Erhebung der Wachstumsparameter und Teilernte zur Biomassebestimmung der KUP mit
ÖL-2 und IO-A1
Flächenmanagement und Datenerhebung des Agroforstsystems aus bewässerten KUPStreifen und Grünlandvegetation am Standort Großfahner in Kooperation mit IO-A 4
Öffentlichkeitsarbeit durchgeführt mit UP-1, ÖL-2, ÖL-3 und IO-A 1 Fachlicher Austausch
im Rahmen der deutschen Arbeitsgemeinschaft Agroforst in der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften e.V. und der European Agroforestry Federation (EURAF)
Zusammenarbeit und fachlicher Austausch mit dem Institut für Internationale Forst- und
Holzwirtschaft der TU Dresden (Projekt AgroForNet) sowie Zusammenarbeit bei der gemeinsamen Publikation der Projekte BEST und AgroForNet.
171 Teil II
1. Verwendung der Zuwendung und erzielte Ergebnisse
a) Etablierung der Bestände
Aufgrund der verspäteten Projektgenehmigung erfolgte die Aussaat des Grünlandes im März
2011 und nicht wie geplant im Herbst 2010. Das Frühjahr 2011 zeichnete sich durch extreme
Trockenheit aus, was zu einer verzögerten Etablierung der Grünlandbestände führte. Der dadurch verstärkte Beikrautdruck und das zusätzliche hohe Verunkrautungspotential der Flächen
in Reiffenhausen und Grossfahner zogen mehrere Schröpfschnitte nach sich. Auch die Weiden im Agroforstsystem (AF) reagierten mit einer verlangsamten Entwicklung auf die abiotischen und biotischen Stressfaktoren, womit eine wiederholte Begleitwuchsregulierung manuell
sowie maschinell notwendig war. Zudem beeinflussten Schädlinge wie Rehe, Insekten und
v.a. Nagetiere (Mäuse) das Wachstum der Weiden und des Grünlandes im Agroforstsystem.
Der deutlich erhöhte Aufwand bei der Bestandesetablierung und –pflege erforderte einen erhöhten Einsatz von Hilfskräften.
b) Entwicklung und Pflege der Bestände
Am Standort Reiffenhausen entwickelten sich die Bestände nach den Problemen bei der Etablierung gut und weitere Pflegemaßnahmen waren in den Grünlandbeständen nicht notwendig.
In den Weidenstreifen des Agroforstsystems wurden mehrfach mechanische Unkrautregulierungsmaßnahmen durchgeführt. Alle geplanten Datenerhebungen und Beprobungen konnten
in den Versuchsjahren 2012 und 2013 durchgeführt werden. In 2011 konnte hingegen nur eine
Ernte vorgenommen werden (vgl. II1).
Am Standort Großfahner entwickelten sich die Bestände auch im weiteren Verlauf nach der
Etablierung nur sehr zögerlich. Starke Trockenheit, sehr hoher Unkrautdruck (standortbedingt)
und hoher Schädlingsdruck verursachten starke Schäden in den Grünlandbeständen sowie in
den Weiden. Eine wissenschaftlich fundierte Probennahme war nicht möglich, so dass die
Flächen an diesem Standort in 2012 noch gepflegt wurden aber keine Datenauswertung erfolgte. Die dadurch freigesetzten Mittel und Kapazitäten wurden für die zusätzlichen Untersuchungen am Standort Reiffenhausen in 2013 verwendet.
c) Biomasseerträge
In Abb. 1 sind die Trockenmasseerträge je Hektar (Summe von drei Jahren) der Grünlandvarianten sowohl im Agroforstsystem mit Weiden als auch im reinen Bestand sowie die Erträge
der Weiden im Agroforstsystem und im reinen Kurzuntriebsplantagen (KUP)-Bestand dargestellt.
Die Flächenanteile im Agroforstsystem betrugen 55 % Grünland und 45 % Weiden. Der
höchste Biomasseertrag innerhalb von 3 Jahren wurde mit 21,5 t TM ha-1 bei den gedüngten
Kleegrasvarianten erzielt, unabhängig von der Schnitthäufigkeit. Ohne Stickstoffdüngung waren die Erträge niedriger und lagen zwischen 18,5 und 19,5 t TM ha-1. Die Erträge der Diversitätsorientierten Grünlandmischung (bestehend aus 32 Arten)waren deutlich niedriger als beim
Kleegras. Hier bewirkte eine N-Düngung eine bedeutende Ertragssteigerung. Im Gegensatz
zum Kleegras, bei dem durch den Kleeanteil als Leguminose Stickstoff fixiert wird, ist dies bei
der Diversitätsmischung nicht so ausgeprägt. Generell ist die artenreiche Mischung ertragsschwächer. Auch im Agroforstsystem wurden vergleichbare Erträge bei den Grünlandvarianten erzielt. Bezogen auf den Hektarertrag nehmen diese aber nur einen Anteil von 55 % ein,
der Rest des Flächenertrags wird von den Weiden gebildet, der im Agroforstsystem 3,15 t TM
ha-1 betrug. Die Weiden als reine KUP (=Kontrolle) verzeichneten einen Ertrag von 7 t TM ha-1,
der damit deutlich unter den Biomasseerträgen der Grünlandbestände lag. Hier machte sich
die zögerliche Entwicklung aufgrund des Trockenstresses während der Etablierungsphase
bemerkbar. Erfahrungsgemäß steigt der Ertrag der Weiden nach der ersten Ernte (nach 35Jahren) merklich an, so dass mit höheren Erträgen zu rechnen ist.
172 KG Kontrolle
KG-W Agroforst
W Kontrolle
25
KG
W
t TM ha-1
20
15
10
5
0
Div Kontrolle
Div-W Agroforst
W Kontrolle
25
Div
W
t TM ha-1
20
15
10
5
0
0 N 100 N
0 N 100 N
0 N 100 N
0 N 100 N
2 Schnitte
3 Schnitte
2 Schnitte
3 Schnitte
0N
Abbildung 1: Biomasseerträge (t TM ha-1) von Kleegras (KG) und Diversitätsmischung (Div) in der
Kontrollvariante (= Referenz) und im Agroforstsystem mit Weiden (W) bei 2- und 3-Schnittnutzung sowie der Weiden in der Kontrollvariante (= Referenz), ohne (0) und mit (100 kg ha-1) Stickstoffdüngung
(N), Summe von 3 Jahren (2011-2013).
Die hier vorliegenden Ergebnisse zeigen deutlich, dass während der Etablierungsphase der
ersten Rotation der Weiden ein höherer Biomasseertrag durch die Grünlandanteile im Agroforstsystem erzielt wird. Somit wurde eine wichtige Zielsetzung erreicht: Fehlende Erträge von
KUP-Flächen während der Etablierung bzw. der ersten Rotation können zumindest teilweise
durch Grünlandbestände im Rahmen eines Agroforstsystems ausgeglichen werden.
Abb. 2 ist zu entnehmen, dass diese Erträge vor allem auch kontinuierlich ab der Etablierung
anfallen, was zu einem regelmäßigeren Einkommen des Landwirts beiträgt.
Der generell höhere Ertrag des reinen Grünlandes wird auch hier deutlich, wobei ab dem 4.
Jahr den Schätzungen zufolge die Erträge des Agroforstsystems die reinen Grünlanderträge
übertreffen könnten.
d) Feldspektroskopische Messungen
Die unterschiedlichen Grünlandbestände im Agroforstsystem wurden mittels spektrometrischer
Methoden in situ von 2011 bis 2013 untersucht. Die Feldspektroskopie dient zur Ertrags- und
Qualitätsprognose mittels „zerstörungsfreier“ Datenaufnahme. Sie kann ein Tool für effizientes
Flächenmanagement sowie die optimierte Steuerung eines Agroforstsystems sein. Die spektralen Messungen wurden mit dem tec5 Handyspec (tec5 AG Oberursel, Deutschland) durchgeführt (hyperspektral 305 - 1690 nm, Auflösung 1nm).
173 40
Grünland
Energieholz
35
Ertrag [t TM ha-1a-1]
30
25
20
15
10
5
0
GL AF
GL AF
GL AF
Jahr 1
(2011)
Jahr 2
(2012)
Jahr 3
(2013)
GL AF KUP
Jahr 4
(2014)
GL AF KUP
Gesamt
Abbildung 2: Vergleich der Trockenmasseerträge eines Agroforstsystems (AF) aus Grünland (GL; Mittel aller Varianten) und Weiden (KUP) mit den Referenzflächen in Reinkultur (Grünland und KUP Weide) während der initialen Rotationsperiode am Standort Reiffenhausen, (2014: geschätzte Werte).
Die Daten aus dem Anbaujahr 2011 konnten nicht in die Kalibrationen einfließen, da die Grünlandbestände unzureichend entwickelt waren (Frühjahrstrockenheit, Beikrautdruck etc.). Ferner konnten aufgrund eines technischen Defektes am Feldspektrometer die Messungen in den
Aufwüchsen der ersten Nutzung nicht verwertet werden. Die Summe der Messwerte in der 2.
und 3. Nutzung umfasste 72 Werte. Im Zuge der Kalibration wurden spektrale Ausreißer entfernt, so dass letztendlich 67 Werte in die Kalibration einflossen. Die Kalibration erfolgte mit
einer "Modified partial least square regression (MPLS)" unter Verwendung des Programms
WinISI 1.63 der Fa, Infrasoft.
Die Kalibrationsgüten sind suboptimal und liegen unter verwertbaren Genauigkeitslimits für die
Praxis (RCS im Feld >2). Allgemein sind Kalibrationen in späteren Aufwüchsen des Grünlandes insbesondere bei extensiv genutztem Grünland aufgrund der Vielfalt phänologischer Entwicklungsstadien schlechter als bei den ersten Aufwüchsen eines Jahres (Tabelle 1). Die im
Artenspektrum homogenere Standardmischung erzielte höhere Kalibrationsgüten, als die
Diversitätsmischung mit einem sowohl höheren Artenspektrum als auch mit einer damit verbundenen vielfältigeren Phänologie. Auffallend ist auch die größere Variation und schlechtere
Schätzgüte der Frischmasseerträge im Vergleich zu den Trockenmasseerträgen. Hier wäre
aufgrund des direkteren Bezuges der Spektren zu Wassergehalten und Bestandesarchitektur
eine höhere Kalibrationsgüte zu erwarten gewesen. Für alle Kalibrationen gilt eine stark eingeschränkte Robustheit bei einer Übertragung in die Praxis, da der Probenumfang für eine
verwertbare Kalibration zu gering war.
Hinsichtlich des erfolgreichen Einsatzes der Feldspektroskopie besteht noch erheblicher Forschungsbedarf.
174 Tabelle 1: Statistik der kalibrierten Ertragsprognose von Frisch- und Trockenmasseerträgen durch die
"modified partial least square regression (MPLS)"
Kalibration
Parameter
Frischmasse
Kreuzvalidation (CV)
Bestandestyp
alle
Mean
SD
SEC R2
SECCV
(t ha-1)
7.92
2.76 1.49 0.71 1.86
1.49
Kleegras
8.58
2.67 0.89
0.89 1.62
1.65
6.97
2.62 1.09
0.83 1.78
1.47
2.06
1.00 0.40
0.84 0.49
1.92
Kleegras
2.06
1.00 0.40
0.84 0.49
2.03
Diversitätsorientierte
Mischung
1.79
0.82 0.36
0.81 0.54
1.52
Diversitätsorientierte
Mischung
Trockenmasse alle
RSC
Mean, Mittelwert
SD, Standardabweichung
SEC, Standardfehler der Kalibration
SECCV, Standardfehler der Kreuzvalidation
RSC, Quotient der Standardabweichung der gemessenen Werte und RMSECV
e) Energieerträge und -bilanz
Die energetische Verwertung der Biomasseaufwüchse war ein wesentlicher Bestand der Untersuchungen im TP IO-A2. Dabei wurden für die Grünlandbestände drei unterschiedliche
Konversionsverfahren analysiert:

Biogaserzeugung (Varianten 2-Schnittnutzung)

Heuverbrennung (Varianten 3-Schnittnutzung)

IFBB-Verfahren (Varianten 3-Schnittnutzung)mit: Biogas- und Brennstofferzeugung.
Die Energieerzeugung der Weiden wurde mittels der Verwertung als Holzhackschnitzel zur
Wärmeerzeugung kalkuliert.
Zur Erstellung einer Energiebilanz wurde dem Energieoutput in Form von Wärme und Strom
der Energieaufwand (= –input) für Erzeugung und Ernte (Diesel, Dünger) der Biomasse sowie
für die energetische Konversion der Biomasse in nutzbare Energie gegenübergestellt. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt.
Bei Betrachtung der Grünlandvarianten wird deutlich, dass der höchste Energieinput/-aufwand
beim IFBB-Verfahren notwendig ist. Dennoch lassen sich ungefähr gleich hohe Nettoenergieerträge wie bei der Biogasbereitung (GPV) erzielen. Nur die Heuverbrennung weist bei allen
Varianten höhere Nettoenergieerträge auf. Allerdings muss bei einer Gesamtbewertung berücksichtigt werden, dass die Brennstoffqualität bei der Variante der Heuverbrennung schlechter als beim IFBB-Verfahren ist (höhere Mineralstoffgehalte, höhere Emissionen, stärkere Belastungen der Brennkammern, …). Dadurch stellt sich die Heuverbrennung in der Praxis als
schwierig dar. Hinzu kommt, dass die Heubereitung mit hohen Bröckelverlusten verbunden ist
und aufgrund zunehmender Witterungsunsicherheiten bei der Heuwerbung infolge des Klimawandels mit steigenden Risiken verbunden ist.
175 KG Kontrolle
KG-W Agroforst
W Kontrolle
80
70
60
50
-1
MWh ha
40
Wärme output (Brennstoffl)
Wärme output (Biogas)
Strom output (Biogas)
Diesel und Dünger input
Strom input
Wärme input
Nettoenergie output
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
Div Kontrolle
Div-W Agroforst
W Kontrolle
80
70
60
50
-1
MWh ha
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
0 N 100 N
HV
0 N 100 N
IFBB
0 N 100 N
GPV
0 N 100 N
HV/WV
0 N 100 N
IFBB/WV
0 N 100 N
GPV/WV
0N
WV
Abbildung 3: Energieinput, -output und Nettoenergieoutput von Kleegras (KG) und der Diversitätsmischung (DIV) in Reinbestand (Kontrolle) und in einem Agroforstsystem mit Weiden (W) sowie von Weiden im Reinbestand (Summe von 3 Jahren: 2011-2013), mit zwei Düngungsstufen im Grünland (0, 100
kg N ha-1) und der Untersuchung von drei Konversionsverfahren für Grünlandbiomasse: Heuverbrennung (HV), Integrierte Festbrennstoff- und Biogaserzeugung aus Biomasse (IFBB) und Ganzpflanzenvergärung-Biogas (GPV). Weidenverwertung als Holzhackschnitzel.
Analog zu den Biomasseerträgen (Abb. 2) werden mit den Kleegrasvarianten höhere Nettoenergieerträge als mit der Diversitätsmischung erzielt. Ferner wirkt sich eine Stickstoffdüngung
positiv auf die Nettoenergieerträge aus. Dieser Effekt ist im Agroforstsystem geringer ausgeprägt. Dort nimmt das Grünland nur 55 % der Fläche ein, die Restfläche wird von den Weiden
belegt, die nicht gedüngt werden.
Insgesamt sind die Nettoenergieerträge im Agroforstsystem geringer als beim reinen Grünland, was wiederum auf die geringen Erträge der Weiden zurückzuführen ist. Daher müssten
für eine weitergehende Bewertung des Agroforstsystems die weiteren Rotationen berücksichtigt werden, in denen erfahrungsgemäß die Erträge der Weiden bedeutend höher ausfallen. Es
wird deutlich, dass eine dreijährige Betrachtung eines solchen Anbausystems für dessen fundierte Bewertung nicht ausreicht.
Dennoch belegen die hier ermittelten Daten und Analysen die Bedeutung eines Agroforstsystems hinsichtlich der zeitlichen Verteilung und der Diversifizierung von Ertragsschwerpunkten
(Grünland versus Weiden). Ferner müssten in eine Gesamtbewertung von Anbausystemen
auch andere ökonomische und vor allem ökologische Faktoren einbezogen werden, wie sie
besonders Agroforstsystemen zugeschrieben werden.
176 Tabelle 2: Tabellarische Übersicht geplante Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Etablierung eines Agroforstsystems aus Grünland und KUPWeiden an 2 Standorten
Erfolgreiche Etablierung am Standort Reiffenhausen
(LK Göttingen); keine erfolgreiche Etablierung am
Standort Großfahner (Region BERTA) – Abbruch des
Versuchs
Ermittlung und Vergleich des
Biomasseertrags für unterschiedliche Anbausysteme und varianten
Erfolgt für Grünland, Agroforst aus Grünland (Kleegras
und Diversitätsmischung) und KUP-Weiden sowie Weiden (Ergebnisse publiziert)
Erstellung einer Energiebilanz zur Erfolgt für alle untersuchten Systeme (Ergebnisse puBewertung der Systeme
bliziert)
Feldspektroskopische Aufnahme
und Auswertung der Grünlandbestände
Spektrenaufnahme aus technischen Gründen nur in
einigen Aufwüchsen erfolgreich durchgeführt; keine
ausreichende Robustheit der Datengüte; keine erfolgreiche Kalibration mit den erhobenen Daten durchführbar
2. Darstellung der wichtigsten Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
- Personalkosten:
Entgegen der ursprünglichen Planung im Projektantrag lagen die Kosten für wissenschaftliches Personal um ca. 9.000 € höher. In dieser Position spiegelt sich der erhöhte Aufwand der
Versuchs- und Flächenbetreuung sowie für kooperative Aufgaben wider, die in diesem interdisziplinären Projekt deutlich höher ausgefallen sind, als ursprünglich veranschlagt. Diese
Aufgaben konnten aufgrund fehlender beruflicher Erfahrung größtenteils nicht von der Doktorandin als hauptsächlich beschäftigte Wissenschaftlerin durchgeführt werden, sondern dafür
bedurfte es eines Postdoc-Wissenschaftlers.
Die Reduzierung der Beschäftigungsentgelte ergab sich durch die Aufgabe des Standortes
Großfahner.
- Aufträge und sonstige allgemeine Verwaltungsausgaben
Die umfangreichsten Kosten bei Aufträgen und Verbrauchsmaterialien entstanden durch die
Analysen des Pflanzenmaterials hinsichtlich von Inhaltsstoffen und Gasausbeute zur Bewertung des Energieertrags und der Brennstoffqualität (z.B. Weender Analyse, Gärversuche,
Elementbestimmung). Durch die Weiterführung des Versuchs am Standort Reiffenhausen im
Jahr 2013 wurden die Mittel nahezu ausgeschöpft, auch wenn der Standort Großfahner aufgegeben wurde.
- Reisekosten
Durch die Aufgabe des Standortes Großfahner wurden die geplanten Reisemittel nicht ausgeschöpft.
Insgesamt wurde das bewilligte Budget um 3.863,26 € nicht ausgeschöpft.
3. Darstellung der Notwendigkeit der geleisteten Arbeit
Die im Rahmen des TP IO-A2 geleistete Arbeit war in vollem Umfang notwendig, um das Agroforstsystem an den beiden Standorten zu etablieren, um die Anbausysteme zu untersuchen
und zu bewerten, um die Daten zu analysieren und eine Gesamtbewertung durchzuführen.
Ferner diente die geleistete Arbeit der Durchführung des interdisziplinären Projektes BEST,
was eines erheblichen Aufwandes bedurfte, sowie der Präsentation der Ergebnisse auf Tagungen und Veranstaltungen und der Veröffentlichung in Fachzeitschriften.
177 4. voraussichtlicher Nutzen
Die erzielten Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Erforschung und Weiterentwicklung der Anbausystematik Agroforst. Diese Anbausystematik gewinnt zunehmend an Bedeutung und das Interesse daran wächst. In den Zeitraum der Projektphase fiel die Gründung der
deutschen Arbeitsgemeinschaft Agroforst (in der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften:
www.gpw.uni-kiel.de/de/arbeitsgemeinschaften), in die die Erkenntnisse des Projektes einflossen. Ebenso steigt dieses Interesse auf europäischer Ebene, weshalb die Projektergebnisse in
der Gruppe der EURAF (European Agroforestry Federation) präsentiert wurden.
Im Rahmen der jüngsten Reform der Europäischen gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) wurden
Änderungen hinsichtlich des "Greenings" sowie die Umschichtung in Richtung zweiter Fördersäule (Förderung der Entwicklung des ländlichen Raumes) eingeführt. Dabei wurde in beiden
Fördersäulen das Thema "Agroforst" als Optionen für ökologische Vorrangflächen berücksichtigt (EU Verordnung 1307/2013 zur Direktzahlung) bzw. gegenüber der vorherigen Periode mit
Blick auf die tatsächliche Nutzbarmachung signifikant erweitert (EU Verordnung 1305/2013 zur
Förderung der ländlichen Entwicklung). Die Ergebnisse des Projektes IO-A2 bieten Landwirten
dazu wertvolle Informationen.
Wissenschaftlich liefern die erzielten Ergebnisse fundierte Informationen für andere Arbeitsgruppen, auf denen weitere Forschungsvorhaben aufgebaut werden können.
5. Bekannt gewordener Fortschritt
Die Arbeiten des TP IO-A2 wurden während der Projektphase durch Erkenntnisgewinn anderer Projekte bzw. entsprechender Veröffentlichungen unterstützt. Im Einzelnen waren dies:
-
Smith, J., Pearce, B.D., Wolfe, M.S., 2012. Reconciling productivity with protection of the
environment: Is temperate agroforestry the answer? Renewable Agriculture and Food Systems: 28(1); 80–92.
-
Tsonkova, P., Böhm, C., Quinkenstein, A. & Freese, D. (2012): Ecological benefits provided by alley cropping systems for production of woody biomass in the temperate region: a
review, Agroforestry Systems, Vol. 85, pp. 133–152.
-
Die Projekte der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (www.lfl.bayern.de/ schwerpunkte/oekolandbau/035394/).
-
Das Projekt AgroForNet (www.agrofornet.de/).
-
Das Projekt AgroForstEnergie (www.agroforstenergie.de/de/).
6. Veröffentlichung der Ergebnisse
Die Ergebnisse von TP IO-A2 wurden auf mehreren Veranstaltungen präsentiert und in Fachzeitschriften publiziert. Im Einzelnen waren dies:
-
2012: Flächenführungen am Standort Reiffenhausen mit Partnern des transnationalen EU
Projektes PROGRASS; im Rahmen der Grünlandtagung der Arbeitsgemeinschaft für
Grünland und Futterbau, Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften; Exkursionen für
Studierende und technische MitarbeiterInnen der Universität Kassel
-
Weitere Feldbegehungen im Rahmen der gemeinsamen Öffentlichkeitsarbeit im BESTProjekt mit den TPs UP-1, ÖL-2, ÖL-3 und IO-A 1.
Vorträge bzw. Posterpräsentationen auf wissenschaftlichen Tagungen mit folgenden Veröffentlichungen:
Ehret M., Graß R., Wachendorf M. (2013): Ertragsentwicklung in der Etablierung ei-nes Agroforstsystems aus Grünland und Weiden im Kurzumtrieb. In: Gülzower Fachgespräche,
Band 43, 33.
178 Ehret M., Hartmann L., Graß R., Lamersdorf N., Wachendorf M. (2013): Ertragsent-wicklung
während der Etablierung eines Agroforstsystems aus Grünland und Weiden zur Erzeugung biogener Festbrennstoffe. In: Mitteilungen der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften. Bd. 25, 184-185.
Ehret M., Graß R., Wachendorf M. (2013): Einfluss von Schatten auf die Produktivität und
Qualität von Weißkleegras in einem Agroforstsystem aus Grünland und Weiden.In: Mitteilungen der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften. Bd. 25, 269-270.
Ehret, M., Graß, R., Wachendorf, M. (2014). Solid biofuel and biogas production from a grassland - willow alley cropping system. In: Chalmin A., Burgess P., Smith J., Strachan M.,
Mirazo J.R., Rosati A. (Hrsg.), 2 nd European Agroforestry Conference. Integrating Science and Policy to Promote Agroforestry in Practice. Book of Abstracts, 106-109.
Ehret M., Graß R., Wachendorf M. (2014): Biomassepotential eines Agroforstsytems aus
Grünland und Weiden zur energetischen Verwertung. In: Mitteilungen der Gesellschaft für
Pflanzenbauwissenschaften. Bd. 26, 52-53.
Ehret M., Graß R., Wachendorf M. (2014): Auswirkungen unterschiedlicher Lichtintensitäten
auf Produktivität, botanische Zusammensetzung und Futterqualität eines Kleegrasbestandes. In: Mitteilungen der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften. Bd. 26, 250-251.
Veröffentlichungen in wissenschaftlich begutachteten Zeitschriften:
Ehret, M., Bühle, L., Lamersdorf, N., Graß, R., Wachendorf, M., 2014. "Bioenergy provision by
an alley cropping system of grassland and shrub willow hybrids: biomass, fuel characteristics and net energy yields", Agroforestry Systems (published online DOI 10.1007/s10457014-9773-7).
In Anlehnung an TP IO-A2:
Ehret, M., Graß, R., Wachendorf, M., 2015: The effect of shade and shade material on white
clover/perennial ryegrass mixtures for temperate agroforestry systems. Agroforestry systems (published online DOI 10.1007/s10457-015-9791-0).
179 Arbeitspaket:
IO-A 3
Thema:
Waldbausysteme
Antragsteller
Prof. Dr. C. Ammer
Institut:
Abt. Waldbau und Waldökologie, Büsgen-Institut, Univ. Göttingen
Dauer:
01.11.2010 – 30.04.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Albert, Katja
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Aufgabe des Clusters „Optimierung bestehender Wertschöpfungsketten und Entwicklung neuer Systemlösungen für die energetische und stoffliche Nutzung von Biomasse – Schwerpunkt
Anbausysteme und –verfahren war es auf dem Sektor der Biomasse- und Bioenergieerzeugung innovative, effiziente und ökologisch sinnvolle Prozessketten eines modernen Landmanagements vergleichend zu prüfen, entsprechende Maßnahmen exemplarisch zu implementieren und neue Wertschöpfungsmöglichkeiten aufzuzeigen. In diesem Zusammenhang bestand
das Ziel des Teilprojektes Waldbausysteme darin die Eignung verschiedener Waldbausysteme
für die Produktion von Biomasse zur Energiegewinnung vergleichend zu untersuchen. Dabei
sollte auch aufgezeigt werden, welche Auswirkungen denkbare Umwandlungen von Hochwaldflächen in Nieder- und Mittelwälder auf ökologische Dienstleistungen haben und unter
welchen ökonomischen Rahmenbedingungen sich solche Umwandlungen betriebswirtschaftlich lohnen. Ausgehend von typischen, die naturräumlichen Verhältnisse der beiden Modellregionen repräsentierenden Hochwaldbeständen sollten anhand von Modellkalkulationen und
terrestrischen Inventuren Hinweise auf die unter derzeitigen und künftigen Klimabedingungen
mögliche Biomasseproduktion dieser Wälder gewonnen werden. Auf der Basis dieser Daten
sollten die möglichen wirtschaftlichen Potentiale für die Wiedereinführung der historischen
Waldbausysteme Nieder- und Mittelwald ausgelotet werden.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Ursprünglich sollten für die Bearbeitung dieses Teilprojektes auf der Grundlage vorhandener
Inventurdaten für beide Bioenergieregionen eine vergleichende ökonomische Bewertung von
Hoch-, Mittel- und Niederwäldern durchgeführt werden. Von dieser Ursprungsidee wurde aus
zwei Gründen abgewichen. Zum Einen zeigte sich, dass von einer Ausnahme (Mittelwald Barterode) abgesehen, in beiden Bioenergieregionen keine Nieder- und Mittelwälder mehr vorhanden sind. Zum Zweiten wurde im Zuge einer Metanalyse zur Produktivität der verschiedenen Waldbausysteme deutlich, dass die für eine Potentialabschätzung konkreter Flächen notwendigen Grundlagen (Produktivität der Stockausschläge) und Restriktionen (Nährstoffentzüge) auch überregional nicht vorlagen. Aus diesem Grund wurde der Schwerpunkt der Untersuchung hin zu (a) methodischen Fragen der Abschätzung der Biomasse der Hausschicht (in Zusammenarbeit mit IO-H1, Laserscan Biomasse), (b) der vergleichenden Abschätzung der Produktivität von Hoch-, Mittel-, und Niederwald auf der Basis von Literaturbefunden und (c) zur
Nährstoffnachhaltigkeit der entsprechenden Systeme anhand von Beispielsbeständen und
Modellkalkulationen (in Zusammenarbeit mit IO-H4, Schwachholzbereitstellung)verschoben.
Stand der Wissenschaft und Technik
Während Modellkalkulationen zur Produktivität von Hochwaldbeständen und dem Export von
Nährstoffen aus solchen Beständen auf der Grundlage von Ertragstafeln, Biomassefunktionen
180 Wachstumssimulatoren möglich sind (vgl. Pretzsch et al. 2014) fehlten bislang standortsbezogene Datengrundlagen zur Modellierung von Biomassenproduktion und Nährstoffentzügen von
Ausschlagswäldern.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Zu allen drei unter Punkt „Planung und Ablauf des Vorhabens“ erwähnten Zielen des Teilprojekts konnte der Wissenstand deutlich erweitert werden. Zum Einen wurden Biomasseschätzfunktionen für Stockausschläge für eine Reihe von Baumarten ermittelt, die wesentliche genauere Abschätzungen der Biomasse auf der Grundlage einfacher terrestrischer Inventuren
erlauben (Albert et al. 2014). In einem gemeinsamen Exkurs mit TP IOH-1 konnte zudem das
Potential des terrestrischen Laserscannings zur Abschätzung der Biomasse in jungen Stockausschlagsbeständen aufgezeigt werden (Seidel et al. 2013). Zweitens wurde eine vergleichende Metaanalyse durchgeführt, die erstmals eine über reine Beispielsbestände hinausreichende vergleichende Abschätzung der Produktivität von Hoch-, Mittel-, und Niederwald erlaubt (Albert und Ammer 2012). Drittens wurden bislang nicht vorliegende Modellkalkulationen
zu den im Zuge von Hoch- und Mittelwaldwirtschaft zu erwartenden Nährstoffentzügen durchgeführt (Albert et al. eingereicht). Entsprechende Vergleiche lagen bislang nicht vor, sind aber
für die Abschätzung der ökologischen Restriktionen der Waldbausysteme von besonderer Bedeutung.
Arbeitsbericht 2011 - 2014:
In den Wintermonaten 2011 und 2012 erfolgte in traditionell bewirtschafteten Mittelwäldern im
Forstamt Münden (Barterode, Ossenberg) und im Forstamt Liebenburg (Revier Liebenburg)
die Datenaufnahme und Biomassebestimmung mittels Vollbaumernteverfahren. Dabei wurden
6 typische Hauschichtgehölze differenziert nach Stockausschlag und Kernwuchs vermessen,
analysiert und getrennt nach Kompartimenten (Holz, Äste und Feinreisig) beprobt. In der zweiten Hälfte des Jahres 2011 wurde zudem eine intensive Literaturrecherche zu den aus europäischen Mittel- und Niederwaldflächen langfristig erzielbaren Biomasseerträgen durchgeführt
und Modellrechnungen zur Produktivität dieser Wälder im Vergleich mit der klassischen Hochwaldbewirtschaftung vorgenommen. Hierfür wurde ein für im Nieder- und Mittelwälder typischer Produktionszeitraum von 30 Jahren unterstellt.
2012 erfolgte die Ableitung von Biomasseschätzfunktionen für die Hauschicht von zwei Mittelwäldern und deren Erfassung durch das 3D- Laserscanning im Falle des Mittelwaldes Liebenburg. Zudem wurden Stammscheiben von Esche und Ahorn für die Analyse von Wachstumsunterschieden zwischen Kernwüchsen und Stockausschlägen gewonnen. Aus den umfangreichen Ernten (siehe oben) wurden Stichproben für die Analyse der Nährstoffe (C, N, Mg, Ca, P,
K) differenziert nach Kompartimenten (Holz, Feinreisig und Rinde) vorbereitet.
2013 wurden auf den Untersuchungsflächen Liebenburg und Barterode Bodenproben entnommen und hinsichtlich der gängigen bodenchemischen Nährelemente untersucht. Gleiches
galt für die Stichproben der verschiedenen Baumkompartimente. Weiterhin wurden an im Jahr
2012 geernteten Stammscheiben von Esche und Bergahorn, Jahrringanalysen unter Verwendung des Programmes Lignovision 1.38e der Firma Rinntech durchgeführt.
2014 wurden mittels der analysierten Biomassedaten und der nach Kompartimenten getrennt
berechneten Nährstoffgehalte Nährstoffentzüge für verschiedene Bestandesbehandlungen
modelliert und Handlungsempfehlungen für Waldbesitzer abgeleitet.
Ergebnisberichte
a) Methodischen Fragen der Abschätzung der Biomasse der Hausschicht
Die zentrale Größe für die Abschätzung der Sinnhaftigkeit eines bestimmten Waldbausystems
zur Produktion von Energieholz ist die Biomasse. Aus diesem Grund wurden zunächst baumartenspezifische Funktionen zur Schätzung der Biomasse der Hauschicht von Mittelwäldern
berechnet. Die Verwendung der Potenzfunktion erlaubte es dabei auf der Grundlage des leicht
zu messenden Brusthöhendurchmessers (BHD) die Biomasse zu berechnen. Die erhobenen
181 Daten ermöglichten es zudem Biomassen aus dem BHD differenziert nach den Kompartimenten Stamm, Ast und Feinreisig zu schätzen (Tabelle 1). Auf der Grundlage der ermittelten
Funktionen wurde zudem ein baumartenspezifischer Vergleich der Biomasse zwischen
Kernwuchs und Stockausschlag durchgeführt. Entsprechende Vergleiche fehlten bislang.
Tabelle 1: Parameter zur Schätzung der Biomasse verschiedener Kompartimente aus dem BHD (aus.
Albert et al. 2014)
Wie sich zeigte wiesen die Stockauschläge im selben Alter höhere Gesmattrockengewichte
auf, als die Kernwüchse auch wenn dieser Unterschied nicht besonders deutlich war. Als
wesentlich relevanter erwiesen sich die Unterschiede zwischen den Untersuchungsbeständen.
Die unterschiedliche Produktivität spiegelt dabei die Unterschiede in der Bodenfruchtbarkeit
zwischen Barterode und Liebennurg eindrucksvoll wider (Abb. 1).
182 Abbildung 1: Beziehung zwischen dem Gesamttrockengewicht und dem Alter von Stockausschlägen
und Kernwüchsen von Bergahorn (links) und Esche (rechts) auf den Versuchsflächen Liebenburg und
Barterode (aus Albert et al. 2014).
b) vergleichende Abschätzung der Produktivität von Hoch-, Mittel-, und Niederwald auf der
Basis von Literaturbefunden
Ausgehend von der Frage welche Biomassepotentiale in Mittel- und Niederwäldern stecken
und wie diese im Vergleich zu verschiedenen Laubhochwaldbeständen zu bewerten sind, wurde eine Metaanalyse durchgeführt, bei der Produktivitätsdaten von insgesamt 56 Nieder- und
139 Mittelwaldbeständen aus den Jahren 1828 bis 2011 aufbereitet und analysiert wurden.
Dazu wurden gegebenenfalls Angaben zu den Holzvolumina der Hauschicht in Biomassen (t
ha-1) umgerechnet, über dem Alter aufgetragen und mit Hilfe einer linearen Regressionsanalyse ausgeglichen. Aufbauend auf den sich daraus im Mittel ergebenden Biomassen in Abhängigkeit des Alters zum Zeitpunkt der Nutzung der Hauschicht (Abb. 2) und – im Falle des Mittelwaldes - des Zuwachses der Oberstandsbäume bis zu diesem Zeitpunkt, wurde für die
Baumart Eiche ein Erntezyklus von 30 Jahren für die Hauschicht simuliert (Abb. 3) und mit der
Gesamtwuchsleistung von Hochwaldbeständen über einem Produktionszeitraum von 120 Jahren verglichen (Abb. 4). Es zeigte sich, dass die Hochwaldbestände erster und zweiter Ertragsklasse unter ausschließlicher Betrachtung der oberirdischen Biomasseproduktion Eichennieder- und mittelwäldern überlegen sind. Insgesamt scheint der Hochwald das produktivere
System zu sein. Die Gegenüberstellung von Nieder- und Mittelwald zeigt, dass die im Vergleich zum Niederwald höhere Produktivität des Mittelwaldes ganz wesentlich vom Oberstand
bestimmt ist und waldbaulich beeinflusst werden kann.
Abbildung 2: Biomasse der Hauschicht in Eichenmittelwäldern, bzw. in Eichenniederwäldern über dem
Alter (aus Albert und Ammer 2012)
183 Niederwald
200
150
150
Biomasse [t ha-1]
Biomasse [t ha-1]
Mittelwaldmodell
200
100
100
50
50
Hauschichtbiomasse
Oberstandbiomasse
0
0
0
20
40
60
80
100
120
0
20
40
60
Alter [Jahre]
80
100
120
Alter [Jahre]
Abbildung 3: Modellhafte Darstellung der im Mittel über einen Zeitraum von 120 Jahren kalkulierten
Biomassennutzung aus Eichenmittel- und niederwaldbeständen (aus Albert und Ammer 2012).
Mittelwald
Niederwald
700
Alter vs BM Hauschicht
Ekl. I Eiche zuzügl. Reisholz
600
Niederwald
Ekl. I Eiche zuzügl. Reisholz
-1
Gesamtwuchsleistung [t ha ]
600
-1
Gesamtwuchsleistung [t ha ]
700
500
400
300
200
100
500
400
300
200
100
0
0
0
20
40
60
80
100
120
0
20
40
60
80
100
120
Alter [Jahre]
Alter [Jahre]
Abbildung 4: Vergleich der Gesamtwuchsleistungen von Eichenbeständen erster Bonität und einem
nach Abbildung 3 modellierten Mittel- (links), bzw. Niederwald (rechts) (aus Albert und Ammer 2012).
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Umwandlung intakter Hochwaldbestände oder Reaktivierung ehemaliger Nieder- und Mittelwälder unter ausschließlicher Berücksichtigung von Produktionsaspekten nicht gerechtfertigt erscheint. Gleichwohl kann auf kleineren Flächen, bestimmten Standorten und/ oder Bestandessituationen vor allem aus Gründen
des Artenschutzes eine Bewirtschaftung von Waldteilen im Nieder- und Mittelwaldbetrieb eine
sinnvolle Option darstellen.
c) Nährstoffentzüge unterschiedlicher Waldbausysteme
Zur Abschätzung der Nährstoffentzüge durch die Ausschlagswirtschaft wurden in zwei
Beispielsbeständen (Barterde und Liebenburg) Nährstoffvorräte im Boden und die Gehalte in
den Biomassekompartimenten der vorkommenden sechs Baumarten bestimmt (C, N, P, K,
Ca, and Mg) .Dazu wurden insgeamt 950 Baume gefällt und ihr Trockengewicht nach den
Kompartimenten Holz, Feinreisig und Rinde bestimmt. Die Elementgehalte wurden an einer
stichprobe von 100 Bäumen ermittelt. Die Biomassenentnahme durch die Ernte und der damit
verbundene Nährstoffentzug wurden für die in den Mittelwäldern real geernteten Biomassen
sowie für durchschnittliche Erntemengen aus Literaturbefunden berechnet und mit Entzügen
für Hochwälder verglichen. Letztere wurden aus Ertragstafelwerten und Literturhinweisen (vgl.
Pretzsch et al. 2014) abgeleitet.
Wie sich zeigte variierten die Nährstoffgehalte zwischen den Baumkompartimenten erheblich.
Obwohl die auf den Mittelwäldflächen entnommene Biomasse deutlich unter dem lag, was in
vergleichbaren Hochwaldbeständen hätte geerntet werden können, lag der Nährstoffexport
184 fast in allen Fällem über dem bei Hochwaldwirtschaft (Abb. 5). Die Verhältnisse ändern sich
lediglich bei Vollbaumnutzung der Hochwaldbestände (Abb. 6 und 7). Insgesmat erwiesen sich
die Hochwälder hinsichtlich der Nährstoffnutzungseffizienz (Biomassenerntemenge pro Einheit
Element) als den Mittelwäldern überlegen.
Biomass
8
7
Overstorey
6
5
-1
t ha a
-1
Coppice layer
4
beech high forest
[yield class I]
3
beech high forest
[yield class III]
2
1
w
ho
le
tre
e
m
e
vo
lu
so
lid
C
m
ea
n
Si
te
Si
te
L
B
W
S
0
Abbildung 5: Biomasseentzug in t ha-1 a-1 der Versuchsstandorte Liebenburg (L) und Barterode (B) sowie eines aus Literaturbefunden abgeleiteten mittleren Mittelwaldsystems (CWS) und eines Buchhochwaldes bei traditioneller Derbholznutzung (soild tree) bzw Vollbaumnutzung (whole tree) der ersten
und dritten Ertragsklasse (aus Albert et al. submitted).
N
1,6
16
1,4
-1 -1
12
kg ha a
10
8
1,2
1
0,8
0,6
6
0,4
4
0,2
2
tre
e
w
ho
le
vo
lu
m
e
so
lid
C
W
S
m
ea
n
L
S
ite
tre
e
w
ho
le
vo
lu
m
e
so
lid
C
W
S
m
ea
n
B
S
ite
L
S
ite
B
0
0
S
ite
-1 -1
14
kg ha a
P
1,8
18
Abbildung 6: N- und P- Entzüge in kg ha-1 a-1 aus der Hauschicht (5 x 20 Jahre Umtrieb) der Mittelwaldflächen Liebenburg (L) und Barterode (B), sowie aus Literaturbefunden abgeleiteten mittleren
Mittelwaldsystems (CWS) und eines Buchhochwaldes bei traditioneller Derbholznutzung (soild tree) bzw
Vollbaumnutzung (whole tree) der ersten und dritten Ertragsklasse bei einer Umtriebszeit von jeweils
100 Jahren (aus Albert et al. submitted).
185 K
12
10
2,5
2
15
k g h a -1 a -1
a -1
-1
kg ha
6
Mg
3
20
8
10
4
1,5
1
5
2
0,5
0
e
tre
e
lu m
o le
wh
vo
l id
so
an
CW
S
eB
me
S it
eL
S it
e
tre
o le
e
lu m
t re
wh
w
le
ho
S
e
vo
li
lu m
lid
so
o
dv
CW
WS
so
me
C
an
an
eB
eB
S it
S it
eL
me
S it
0
eL
0
S it
k g h a -1 a -1
Ca
25
Abbildung 7: K-, Ca- und Mg- Entzüge in kg ha-1 a-1 aus der Hauschicht (5 x 20 Jahre Umtrieb) der Mittelwaldflächen Liebenburg (L) und Barterode (B), sowie aus Literaturbefunden abgeleiteten mittleren
Mittelwaldsystems (CWS) und eines Buchhochwaldes bei traditioneller Derbholznutzung (soild tree) bzw
Vollbaumnutzung (whole tree) der ersten und dritten Ertragsklasse bei einer Umtriebszeit von jeweils
100 Jahren (aus Albert et al. submitted).
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Wie im Ergebnisbericht erwähnt fand zu den methodischen Fragen der Biomassenbestimmung mit Teilprojekt IO-H1 (Laserscan Biomasse) eine intensive Zusammenarbeit statt. Für
die notwendigen Kalkulationen der Nährstoffentzüge galt gleiches für das Teilprojekt IO-H4
(Schwachholzbereitstellung). Eine weitere Kooperation ergab sich mit Herrn Dr. Jens Schumacher von der Universität Jena, der wertvolle Hilfestellungen bei der Ableitung geeigneter
Biomasseschätzfunktionen leistete.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Die Finanzpläne konnten auf Grund von teilweise falsch berechneten Kontoauszügen nicht im
vollen Umfang eingehalten werden. Hinsichtlich des ursprünglichen Zeitplans lag das Projekt
bedingt durch die verzögerte Einstellung 2 Monate zurück. Krankheitsbedingt fiel die Bearbeiterin im Jahr 2013 über 4 Monaten hinweg aus. Auch dadurch kam es zu Verzögerungen. Die
Projektarbeiten konnten jedoch dennoch abgeschlossen werden, die Publikationen wurden
auch nach Abschluss der Projektlaufzeit fertiggestellt.
186 Gegenüberstellung von vorgegebenen Zielen und erreichten Ergebnissen
Geplante Ziele
Identifizierung und Aufnahme von typischen Bestandestypen
Modellierung von Bestandesentwicklung, behandlung und Sortimentsanfall
Ökonomische Bewertung
der Nutzungsvarianten
Ökologische Bewertung
Entscheidungsmatrix für
Waldbesitzer
Erreichte Ergebnisse
 Erreicht durch Aufnahmen auf Mittelwaldflächen im
Forstamt Münden und Liebenburg
 Erreicht im Rahmen der Metaanalyse (vgl. Albert und
Ammer 2012)
 Abschätzung der Biomasseproduktivität von Nieder- und
Mittelwäldern mittels Literaturdaten ist erfolgt und veröffentlicht
 Modelle für Biomasseschätzfunktionen getrennt nach
Baumarten, Stock- und Kernwüchsen wurden veröffentlicht und publiziert.
 Biomasseschätzung aus Scann–Daten ist erfolgt und
veröffentlicht.
 Sortimentsermittlung beschränkt sich nur auf die Hauschicht, da keine Erntemaßnahmen an den Bäumen im
Oberstand durchgeführt werden konnten.
 Entwicklung eines naturalen Vergleichsansatzes auf
Bestandesebene ist erfolgt und veröffentlicht, weiterführende ökonomische Analysen konnten nicht durchgeführt werden (vgl. Abschnitt Planung und Ablauf des
Vorhabens)
 Berechnungen zur Nährstoffentzügen unterschiedlicher
Waldbausysteme ist abgeschlossen einen Publikation
hierzu eingereicht (Forest Ecology and Management).
 In jeder Publikation wurden Schlussfolgerungen für die
Praxis abgeleitet.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Beiträge in referierten Zeitschriften
Albert K, Ammer C (2012): Biomasseprodunktion ausgewählter europäischer Mittel- und Niederwalbestände- Ergebnisse einer vergleichenden Metaanalyse. Allgemeine Forst und
Jagdzeitung 183: 225-237.
Albert K, Annighöfer P., Schuhmacher J., Ammer C (2014): Biomass equations for seven different tree species growing in coppice-with-standards forests in Central Germany. Scandinavien Journal of Forst Research 29: 210-221.
Albert K, Meiwes K-J, Rumpf S, Seidel D, Ammer C (2015) Nutrient export in coppice-withstandard stands. Eingereicht bei Forest Ecology and Management.
Seidel, D., Albert, K., Fehrman, L. and Ammer, C. (2012): The potential of terrestrial laser
scanning for the estimation of biomass in coppice-with-standard systems. Biomass and
Bioenergy 47: 20-25.
Seidel, D., Albert, K., Fehrman, L. Kleinn, C. and Ammer, C. (2013): Using terrestrial laser
scanning to measure the biomass of an oak (Quercus robur L.) plantation. International
Journal of Remote Sensing 34 (24): 8699-8709.
Dissertation
Albert K (2014): Biomasse im Mittelwald – Potenzialabschätzung und Nährstoffnachhaltigkeit.
Cuvillier, E. Verlag. Göttingen. 160 S.
187 Unveröffentlichte Abschlussarbeiten
Steckel M. (2011): Ermittlung von Biomassepotentialen in der Mittelwaldwirtschaft - Aufstellung von Biomassefunktionen für ausgewählte Baumarten im Mittelwald Liebenburg“. Bachelorarbeit, Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie, Universität Göttingen, 45
S.
Stiehm C. (2012): Vergleich von Biomassepotentialen verschiedener Baumarten aus zwei Mittelwaldbeständen. Masterarbeit, Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie, Universität Göttingen, 61 S.
188 Arbeitspaket:
IO-A 4
Thema:
Bewässerung
Antragsteller
Prof. A. Bolte, Dr. J. Müller
Institut:
Thünen- Institut für Waldökosysteme
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. J. Müller, K. Lorenz
Aufgabenstellung
Die Thüringer Ackerebene gehört zu den trockensten Gebieten Deutschlands. Im Zuge des
prognostizierten Klimawandels soll sich die Trockenheit in dieser Region noch verstärken.
Der Untersuchungsschwerpunkt liegt in der Erarbeitung von innovativen Nutzungskonzepten
zur Energieholzerzeugung in Kurzumtriebsplantagen (KUP) in der Thüringer Ackerebene. Ziel
des KUP- Anbaus ist die maximale Produktion von Energieholz zur weiteren thermischen
und/oder stofflichen Verwertung. Zur Reduzierung des vorhandenen Wasserdefizits ist der
Einsatz von biologisch geklärtem Abwasser für die Bewässerung von KUP eine prüfenswerte
Fragestellung. Dadurch ist es möglich, Wasser in der Region zu halten, welches sonst über
die Vorfluter in die Flüsse abfließen würde. Damit stehen diese Forschungen in der Region
„BERTA“ als Beispiel für die Nutzung von Wasserreserven zur Erzeugung von holziger Biomasse in Wassermangelregionen. Ziel ist es deshalb, die Effekte des Abwassereinsatzes in
unterschiedlich alten Pappel- und Weidenbeständen zu untersuchen. Der Schwerpunkt liegt in
der Ermittlung der oberirdischen Biomasse auf den bewässerten und unbewässerten Beständen.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Das Projekt begann am 01.09.2010 und endete am 31.08.2014. Der Ablauf der im Projekt
durchgeführten Arbeiten ist der Tabelle zu entnehmen. Es gab keine Abweichungen vom Arbeitsplan.
Tabelle 1: Durchgeführte Arbeiten „BERTA“ im Zeitraum 2011 bis 2014
Durchgeführte Arbeiten
Zeitraum
Versuchskonzeption und Versuchsflächenauswahl
Herbst 2010 bis Frühjahr 2011
Konzeption Bewässerung
Frühjahr 2011
Versuchsflächeneinrichtung
Frühjahr 2011
Versuchsdurchführung
April 2011 bis Juli 2014
Auswertungsphase
Nach den Vegetationsperioden 20112014
Abschlussbericht als Grundlage für die Promotion
Seit Juli 2014
189 Wissenschaftlich-technischer Stand
Im Jahr 2050 sollen 80 % der Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen stammen
(BMJV 2013). Derzeit werden 23,8 % des Bruttostromes aus erneuerbaren Energien erzeugt
(BMWi 2013). Der Anteil der Biomasse liegt bei 6,8 % der erneuerbaren Energien. Eine Steigerung des Anteils der Biomasse an der gesamten Stromerzeugung kann mit der Anlage von
KUP realisiert werden. Der dezentrale Ansatz der Stromerzeugung aus Biomasse erfordert es,
die Produktion auch in weniger geeigneten Regionen zu ermöglichen. Für die Sicherung und
Steigerung von Biomasseerträgen aus KUP kann eine Bewässerung mit biologisch geklärtem
Abwasser sinnvoll sein. Die Bewässerung von KUP ist eine Möglichkeit der Kompensation der
aktuellen Wasserknappheit.
Das angewendete Verfahren der Abwasser- Furchenbewässerung ist ein bekanntes Verfahren
der Abwasserverwertung und stellt keine Innovation dar. Die angewendeten Methoden zur
Erfassung der ertrags- und holzmesskundlichen sowie der hydrologischen Parameter (siehe
Tabelle 3) entsprechen dem aktuellem Wissensstand.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Die bewässerten Pappeln und Weiden jeden Alters bildeten auf den untersuchten Flächen
größere Bestandesvorräte aus als die unbewässerten. Die Ausbildung einer größeren Biomasse bei einer höheren Evapotranspiration stellten FISCHER et al. (2010) bei einer siebenjährigen Pappelplantage und LINDERSON et al. (2007) bei einer dreijährigen Weidenplantage
(Tordis) fest. BUSCH (2009) und LAMERSDORF et al. (2010) ermittelten eine Zunahme der aktuellen Evapotranspiration bei einer Zunahme des jährlichen Niederschlages bei drei- bis neunjährigen Pappeln und Weiden. Das bedeutet, dass sich bei einer höheren Wasserverfügbarkeit
durch die steigende Transpiration auch größere Bestandes- Biomassen ausbilden. Nach unseren Ergebnissen sind bei allen Versuchsflächen relativ höhere Biomassen (Stammholzvorrat)
bei einer höheren Wasserverfügbarkeit festzustellen, was die Untersuchungen von LINDERSON
et al. (2007) und FISCHER et al. (2010) bestätigen.
Die älteren Bestände weisen eine große Wurzeltiefe (bis 2,40 m) auf. Es ist dadurch möglich,
dass bei niedrigem Grundwasserflurabstand die Zusatzbewässerung durch den kapillaren
Aufstieg überlagert wird. LIEBHARD (2007) bestätigt diese Annahme. Demnach sind KUPStandorte, die zwischen einer Bodentiefe von 0,60 bis 1,50 m grundwasserbeeinflusst sind,
weitestgehend unabhängig von Niederschlägen. Deshalb ist eine Bewässerung der älteren
Pappeln auf grundwasserbeeinflussten Standorten nicht zu empfehlen.
Die jungen bewässerten Bestände („BERTA II“) haben um ein Vielfaches höhere Stammholzvorräte als die unbewässerten. Deshalb ist eine Bewässerung auf grundwasserfernen und
trockenen Standorten der Thüringer Ackerebene in der Etablierungsphase und in den zwei
Jahren danach zur Ertragssteigerung zu empfehlen. Die Pappel ist aufgrund des größeren
Vorrates und der höheren Blattbiomasse besser für eine Zusatzbewässerung auf den untersuchten Standorten geeignet als die Weide.
Die Technik der Zusatzwassergabe mit dem Abwassertransport eines Tankwagens stellt in der
jetzigen Form keine betriebswirtschaftlich optimale Lösung dar. Durch den größeren Wasserverbrauch von KUP sind im Vergleich von herkömmlichen Ackerkulturen größere Zusatzwassermengen erforderlich. Für eine großflächige Bewässerung wäre es sinnvoll, Speicheranlagen in der Nähe des Bewässerungsortes zu nutzen oder neu anzulegen. Rekonstruierte Feuerlöschteiche bzw. neuangelegte Folienbecken könnten sich für die Abwasserspeicherung anbieten.
Arbeitsbericht
Die Tabelle 2 gibt eine Übersicht über die 2010 bis 2014 durchgeführten Arbeiten.
190 Tabelle 2: Arbeitsbericht 2010 bis 2014
Durchgeführte Arbeiten
Zeitraum
Bemerkungen
Versuchskonzeption, Standorterkundung Versuchsflächenauswahl
Herbst 2010 bis Frühjahr 2011
planmäßig
Einrichtung der Versuchsflächen mit Geräten
zur Ermittlung der Wasserflüsse BERTA I, II und
zur Messung des innerjährlichen Wachstums,
Herbst 2010 bis Frühjahr 2011
planmäßig, siehe
Tabelle 3
Parametrisierung der Beregnungs- Software
„Zephyr“ mit Witterungs,-Boden- und Pflanzendaten
Vegetationsperiode
2011 bis 2014
planmäßig
Ermittlung von Zeitpunkt und Menge der Bewässerung mit Hilfe des Wasserhaushaltsmodels „ZEPHYR“
Vegetationsperiode
2011 bis 2014
planmäßig
Durchführung von Bewässerungen auf Grundlage von „Zephyr-Modellierung“
Vegetationsperiode
2011 bis 2014
planmäßig
Versuchsdurchführung, Probebaumernte
2011 bis 2014
planmäßig, siehe
Tabelle 3
Auswertungsphase
Ermittlung des Mehrertragspotentials von bewässerten und unbewässerten KUP
2011 bis 2014
planmäßig
Abschlussbericht als Grundlage für die Promotion
ab Juli 2014
planmäßig
In der Tabelle 3 sind die verwendeten Geräte zur Erfassung ertrags- und wachstumskundlicher sowie hydrologischer Parameter enthalten.
Tabelle 3: Geräte und Erfassungsrhythmus ertrags- und wachstumskundlicher sowie hydrologischer
Parameter
Parameter
Zuwachs
Niederschlag
Stammabfluss
GrundwasserFlurabstand
Phänologie
Geräte
Dendrometer, Maßband, Kluppe
Teleskop-Messstange
Regensammler (Freiland), Niederschlagsrinnen (Bestand)
Stammabflusskragen
Brunnenpfeife
Fotokamera
BlattBiomasse
Laubfallsammler,
Waage,
BestandesVorrat
Ast- und
StammholzBiomasse
Kluppe, TeleskopMessstange
Häcksler, Sägen,
Waage
BERTA I
01.04.- 30.09. 3 x pro
Woche Radialzuwachs
BERTA II
01.04. – 30.09. 2 x pro
Woche Höhenzuwachs
Bestand: 1 x pro Monat
Freiland: nach Niederschlagsereignis
1 x pro Monat
1 x pro Woche
Bestand: 1 x pro Monat
Freiland: nach Niederschlagsereignis
----1 x pro Woche
Blattaustrieb: 01.04. –
15.05., 3 x pro Woche
Blattfall: 01.08. –
31.10. 3 x pro Woche
Blattfall: 1 x pro Monat
bzw. alle 2 Wochen im
Herbst
Nach jeder Vegetationsperiode 2010- 2013
Ganzbaumernte von
repräsentativen Individuen im Jahr 2013
Blattaustrieb: 01.04. –
15.05., 3 x pro Woche
Blattfall: 01.08. –
31.10. 3 x pro Woche
Ganzbaum- Blatternte
von repräsentativen
Individuen
Nach jeder Vegetationsperiode 2010- 2013
Ganzbaumernte von
repräsentativen Individuen im Jahr 2013
191 Die Wirkung der Zusatzbewässerung auf das Baumwachstum wurde auf den Versuchsflächen
„BERTA“ kontinuierlich durch Radialzuwachs- und Höhenzuwachs-Messungen sowie mit Vorrats- und Biomasse- Schätzungen ermittelt (Tabelle 3). Aus den sich dadurch ergebenden
Differenzierungen zwischen den bewässerten und unbewässerten Beständen wurde auf eine
Mehrertragswirkung durch die Abwasserbewässerung geschlossen.
Ergebnisbericht
Bewässerung
Die Klimatische Wasserbilanz (KWB) ist ein Indikator für die meteorologische Trockenheit. Sie
ist die Differenz zwischen Niederschlag und potentieller Evapotranspiration nach Grasreferenzverdunstung (WENDLING 1991).
Kuml.
KWB [mm]
Wie in Abbildung 1 zu erkennen, ist die Kumulierte Klimatische Wasserbilanz ohne Zusatzbewässerung in der Vegetationszeit (01.04.- 31.10.) der Jahre 2011 bis 2013 negativ. Im Jahr
2011 gelang es wegen technologischer Anfangsschwierigkeiten bei der Bewässerung nicht,
die Trockenheit mit der Zusatzbewässerung auszugleichen. Diese Schwierigkeiten konnten
2012 behoben werden, so dass 2012 und 2013 durch eine ausreichende Bewässerung kein
Wassermangel für die Pflanzen auftrat.
200
100
0
-100
-200
-300
2013
2012
2011
Vegetationsperiode
unbewässert
bewässert
Abbildung 1: Kumulierte Klimatische Wasserbilanz Pappel „BERTA I“
Die Menge an Zusatzwasser auf den Versuchsflächen ist der Tabelle 4 zu entnehmen.
Tabelle 4: Menge an Zusatzbewässerung in mm
Versuchsfläche
2011
2012
2013
Pappel BERTA I
104,6
210,9
260,0
Weide BERTA I
84,3
210,8
325,0
Pappel BERTA II
43,3
134,9
346,3
Weide BERTA II
44,4
135,7
346,3
Insgesamt ist festzustellen, dass durch die intensiven Bewässerungsmaßnahmen im Jahr
2012 und 2013 auf allen bewässerten Versuchsflächen die verfügbare nutzbare Feldkapazität
(nFK) über der Optimumsgrenze von 50% nFK gehalten werden konnte.
Blattmasse
Nach DAMMANN et al. (2010) besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Wasserverfügbarkeit und der gebildeten Blattbiomasse. Bei Wasserstress war an den untersuchten Bäumen eine reduzierte Blattmasse festzustellen.
192 Abbildung 2: Blattbiomasse 2012- 13
Die bewässerten Pappeln auf „BERTA I“ produzierten in den Jahren 2012 und 2013 ähnliche
Blattbiomassen wie die unbewässerten (Abb. 2). Dabei ist bei der Pappel kein Bewässerungseffekt zu erkennen. Die bewässerten Weiden bildeten 23 % mehr Blattmasse als die unbewässerten Individuen. Es ist also bei den Weiden ein größerer Bewässerungseffekt bzgl. der
Entwicklung der Blattmasse als bei den Pappeln festzustellen. Im Jahr 2013 bestätigte sich
dies. Die bewässerte Weide erzeugte 14 % mehr Blattmasse als die unbewässerte. Die Ursachen für die Differenzierungen liegen im möglichen Anschluss der Pappeln an das höher anstehende Grundwasser.
Auf den Versuchsparzellen „BERTA II“ bildeten die bewässerten Pappeln im Jahr 2012 und
2013 fast dreimal so viel Blattmasse wie die unbewässerten (Abb. 2). Die bewässerten Weiden produzierten 2012 eine etwa doppelt und 2013 eine sechsmal so große Blattmasse wie
die unbewässerten.
Der Vergleich zwischen den Versuchsflächen lässt den Schluss zu, dass die jüngeren Bestände („BERTA II“) bezüglich der Blattmassenentwicklung eine größere Reaktion auf eine Zusatzbewässerung zeigen als die älteren („BERTA I“).
Wachstum
Die innerjährliche Änderung des Stammdurchmessers wird an repräsentativen Individuen der
Kraft´schen Klassen I und II gemessen. In Abbildung 3 ist eine klare Differenzierung der Entwicklung des Stammdurchmessers zwischen den älteren Beständen der Pappeln und Weiden
zu erkennen. Innerhalb der Vegetationsperiode 2012 und 2013 weisen die Pappeln einen größeren Radialzuwachs als die Weiden auf.
Durchmesserzuwachs [mm]
Bei einem Vergleich zwischen den bewässerten und unbewässerten Beständen im Jahr 2012
ist der Bewässerungseffekt bezüglich des Radialzuwachses bei der Weide höher als bei der
Pappel (Abb. 3). Im Jahr 2013 ist dieser Unterschied zwischen den Pappeln und Weiden nicht
zu erkennen. Beide bewässerte Baumarten bildeten ca. 20 % mehr Stammdurchmesser als
die unbewässerten.
12
10
8
6
4
2
0
2012
2013
Wachstumszeit
Pappel bewässert
Pappel unbewässert
Weide bewässert
Weide unbewässert
Abbildung 3: Kumulierter Durchmesserzuwachs „BERTA I“ 2012 (14.04.- 24.09.) und 2013 (15.04.25.09)
193 Höhenzuwachs [cm]
Insgesamt wiesen die bewässerten Individuen in der Vegetationsperiode 2012 und 2013 eine
größere Durchmesseränderung als die unbewässerten auf.
In Abbildung 4 ist der Höhenzuwachs der Pappeln und Weiden auf „BERTA II“ der Jahre 2012
und 2013 zu erkennen. In den Jahren 2012 und 2013 traten bei der Weide auf „BERTA II intensive Frostschäden auf. Trotz des damit verbundenen Absterbens des Terminaltriebes können 2012 nur sehr geringe Unterschiede zwischen den Baumarten festgestellt werden. Die
bewässerten Bäume sind bei beiden Baumarten 65- 70 % höher als die unbewässerten. Dies
lässt bezüglich der Höhenentwicklung auf einen Bewässerungseffekt und eine ähnliche Sensitivität auf die Bewässerungsmaßnahmen im Jahr 2012 und 2013 schließen. Nach Abbildung 4
reduzierte die bewässerte Weide ab der dritten Julidekade 2013 den Höhenzuwachs. Der
Sommer 2013 war wärmer und trockener als im langjährigen Mittel. Es ist also möglich, dass
die Weide bei sehr warmen Bedingungen trotz einer optimalen Wasserversorgung durch Zusatzbewässerung das Höhenwachstum reduziert. Die Höhenzuwächse der unbewässerten
Baumarten sind 2013 im Vergleich sehr ähnlich.
250
200
150
100
50
0
2012
2013
Vegetation period
Pappel bewässert
Pappel unbewässert
Weide bewässert
Weide unbewässert
Abbildung 4: Höhenzuwachs auf „BERTA II“ 2012 (05.04.- 20.09.) und 2013 (23.04.- 09.09.)
0,08
0,06
0,04
0,02
0
V
0
∗
Stammvolumen [m²]
Stammvolumen [m³]
Nach der Vegetationsperiode 2013 wurden repräsentative Einzelbäume sektionsweise kubiziert, um das Einzelbaum- Stammholzvolumen zu ermitteln. Der Flächenvorrat wird aus den
Volumenfunktionen der einzelnen Versuchsflächen berechnet. „Mit der Volumenfunktion kann
das Volumen direkt geschätzt werden“ (NAGEL 2001). Es wird ein Schaftdurchmesser in das
Verhältnis des Stammvolumens gesetzt (Abb. 5). Durch die Projektion der Volumenfunktion
auf alle gemessenen Bäume eines Bestandes ist es möglich die Bestandesvorräte zu berechnen.
,
2
4
6
8
10 12
Brusthöhendurchmesser (d1,3) [cm]
Pappel
Weide
0,012
0,009
0,006
0,003
0
V
0
∗
,
2
4
6
8
Wurzelhalsdurchmesser (d0.1) [cm]
Pappel
Weide
Abbildung 5: Volumenfunktionen von Pappeln und Weiden „BERTA I“ (links) und „BERTA II“ (rechts)
Die bewässerten Bestände auf „BERTA I“ und „BERTA II“ bildeten 2013 mehr StammholzVorrat als die unbewässerten (Abb. 6). Die Pappeln produzierten wiederum 2013 mehr
Stammholz- Vorrat als die Weiden.
In Tabelle 5 ist der Vorratsunterschied zwischen den bewässerten und unbewässerten Beständen dargestellt. Bei der Pappel ist nur ein sehr geringer Vorratsunterschied zu erkennen.
194 Vorratszuwachs [t/ha]
Durch den vorhandenen Grundwasseranschluss der Bäume ist der Bewässerungseffekt nicht
direkt nachweisbar. Bei der Weide lag der Grundwasserstand in allen Jahren unterhalb von
1,35 m unter Flur, so dass ein möglicher kapillarer Aufstieg nicht auszuschließen, ein Bewässerungseffekt aber in jedem Fall nachweisbar ist. Auf „BERTA II“ ist der Vorratsunterschied
zwischen den bewässerten und unbewässerten Baumarten sehr stark im gesamten Versuchszeitraum angestiegen (Tab. 5). Der Bewässerungseffekt ist auf „BERTA II“ deutlich zu erkennen, da auch kein Grundwasseranschluss vorlag.
80
60
40
20
Tabelle 5: Vorratsdifferenz zwischen bewässerten
und unbewässerten Versuchsflächen
69,8
49,4
23,8
16,1
0
BERTA I
30,5
6,7 5,8
Pappel
BERTA I
Weide
BERTA I
Pappel
BERTA II
Weide
BERTA II
0,3
BERTA II
Pappel bewässert
Pappel unbewässert
Weide bewässert
Weide unbewässert
2011[%]
2012[%]
2013[%]
7,0
9,2
7,7
33,5
33,7
34,2
51,2
158,3
168,4
104,1
313,8
664,1
Abbildung 6: Vorratszuwachs „BERTA“ 2013
Literatur
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(planning) perspective. LBF-vTI Agriculture and Forestry Research 59 (3) , S. 207-222.
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Fischer, M., Trnka, M., Hlavinka, P., Orsag, M., Kucera, J., & Zalud, Z. (2010). Identifying the FAO-56
Crop Coefficient for high density poplar plantation: The role of interception in estimation of evapotranspiration. Bioclimate: Source and Limit of Social Development International Scientific Conference. Topol'cianky, Slovakia.
Lamersdorf, N., & Schulter- Bisping, H. (2010). Zum Wasserhaushalt von Kurzumtriebsplantagen.
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Liebhard, P. (2007). Energieholz im Kurzumtrieb. Graz: Leopold Stocker Verlag.
Linderson, M. L., Iritz, Z., & Lindroth, A. (2007). The effect of water availability on stand-level productivity, transpiration, water use efficiency and radiation use efficiency of field- grown willow clones. Biomass & Bioenergy.
Lorenz K, Müller J (2013). Ergebnisse zur Nettoprimärproduktion von mit biologisch geklärtem
Abwasser bewässerten Pappeln und Weiden im Kurzumtrieb, Landbauforsch 63: 307- 320.
Nagel, J. (2001). Vorlesungskript: Waldmesslehre. Uni Göttingen.
Petzold, R. (2013). Standortsökologische Aspekte und Anbaupotenziale von Kurzumtriebsplantagen in
Sachsen, Dissertation. Dresden: TU- Dresden.
Steinke, C., & Landgraf, D. (2013). Derzeit nur unter optimalen Bedingungen. Energie aus Pflanzen S.
36-38.
Wendling, U., Schellin, H.-G., & Thomä, M. (1991). Bereitstellung von täglichen Informationen zum
Wasserhaushalt des Bodens für die Zwecke der agrarmeteorologischen Beratung. Z. Meteorol. 41.
195 Kooperationen
In Tabelle 6 und 7 sind die Projektkooperationen aufgeführt.
Tabelle 6: Interne Projektkooperationen
Arbeitspaket
Input
Bodenfeuchte- und meteorologische Daten
ÖL 2
Bodenphysikalische Daten, Blattmasse
IO-A1
BERTA II
Biomasseerhebung „BERTA II“
IO-A2
Phänologische, dimensionale und meteoroloUP 2
gische Messdaten
Output
LAI, Niederschlagsdaten
Nährstoffinput, Zuwachsdaten
-----
Tabelle 7: Externe Projektkooperationen
Institutionen
Ingenieurbüro Michel
Kooperationsinhalt
Bereitstellung der Bewässerungsmodells „Zephyr“
und Betreuung
Bau von Versuchsanlagen
Aufnahme von phänologischen, dimensionalen
und meteorologischen Messdaten
Bereitstellung von biologisch geklärtem Abwasser, Organisation von Bewässerungsmaßnahmen
Bereitstellung von biologisch geklärtem Abwasser
UGT Umwelt- Geräte- Technik GmbH
Energiewald Thüringen GmbH
SDI Service- und Dienstleistungen für
Immobilien Verwaltungs GmbH
Abwasserzweckverband „Mittlere Unstrut“
HNE Eberswalde, TU- Dresden
Erfahrungs- und Ergebnisaustausch
Geplante Ziele versus erreichte Ergebnisse
In Tabelle 8 sind die geplanten und erreichten Ziele gegenübergestellt.
Tabelle 8: Verwertungsplan IO-A4
Geplante Ziele
Ermittlung des Bewässerungsbedarfs von KUP auf BERTA I, II
Durchführung der Bewässerung
unter Nutzung des Modells „ZEPHYR“
Versuchsflächenarbeiten
(siehe Tabelle 3) In der Tabelle 3
sind die verwendeten Geräte zur
Erfassung ertrags- und wachstumskundlicher sowie hydrologischer
Parameter enthalten.
Erreichte Ergebnisse




Verifizierung des Bewässerungsmodells „Zephyr“
mit gemessenen Feuchte- und Tensionsdaten
Verbesserung der Bewässerungsmanagements
durch Modellansatz
Bedarfsgerechte Bewässerung in Abhängigkeit
von Pflanzenentwicklung und Witterung
Alle Versuchsflächenarbeiten erfolgten vollständig und termingerecht. Die aufgenommenen Daten waren Grundlage für die Ermittlung der Biomasseproduktion von den bewässerten und unbewässerten Flächen (BERTA I und II)
Tabelle
Ermittlung des Mehrertragspotentials von bewässerten und unbewässerten KUP


Durchführung von Dimensions- und Biomassebestimmung auf BERTA I (Dendrometer, Vollkluppung, Höhenmessung) und BERTA II (periodische Höhenmessung, Vollkluppung)
Größere Biomasseproduktion auf bewässerten
KUP in Abhängigkeit von Baumart und Alter
196 Einhaltung der Ausgaben- und Zeitplanung
Der Arbeits-, Zeit- und Finanzplan wurde eingehalten.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
In der Ortslage Gierstädt werden durch ein Unternehmen Hackschnitzel aus KUP zur Wärmegewinnung genutzt. Bei einer Flächengröße von ca. 6,5 ha (Summe aus Pappel und Weidenfläche BERTA) ist es möglich, aus der gebildeten Holzbiomasse einer Pappel- KUP, die sich
im zweiten Anlagejahr der ersten Rotation befindet, ca. 135 MWh3 (67,5 MWh/Jahr) Wärmeenergie zu produzieren. Nach Aussagen des Unternehmers C. Fleischmann (2013) wird im
Unternehmen 1200 MWh Wärmeenergie pro Jahr produziert. Das bedeutet, dass der Bedarf
des Blockheizkraftwerkes in Gierstädt an Biomasse zu 6 % durch die Pappel- KUP mit einer
zusätzlichen Abwasserbewässerung gedeckt werden kann. Gegenwärtig wird durch das Unternehmen „Fahner Frucht“ in Gierstädt der Einsatz von anfallendem Abwasser zur Energieholzerzeugung geprüft. Das Thünen-Institut ist in diese Planungen involviert.
Veröffentlichungen
Lorenz K, Müller J (2013). Ergebnisse zur Nettoprimärproduktion von mit biologisch geklärtem
Abwasser bewässerten Pappeln und Weiden im Kurzumtrieb, Landbauforsch 63: 307320.
Lorenz K, Müller J (2014). Results for net primary production from with biologically treated
wastewater irrigated poplars and willows in short rotation coppices. In: Palma J, Chalmin
A, Burgess P, Smith J, Strachan M, Mirazo J R, Rosati A (eds) 2nd European Agroforestry
Conference: Book of Abstracts, Cottbus, Germay, June 2014, pp 78- 81.
Lorenz K, Müller J (2015). The growth rates of poplars und willows watered with biologically
treated wastewater in short-rotation coppicing. In: Bemmann A (ed) Bioenergy from Dendromass for the Sustainable Development of Rural Areas. Weinheim: Wiley, im Druck.
3
Berechnung des Heizwertes von Pappelholz mit einem Wassergehalt von >50 % (1525 KWh/fm) nach Hahn et al. (2007)
197 Arbeitspaket:
IO-A 5
Thema:
Bio-Kraftstoff
Antragsteller:
Prof. Dr. U. Kües, Dr. A. Majcherczyk
Abteilung:
Abteilung Molekulare Holzbiotechnologie und technische Mykologie,
Büsgen-Institut, Georg-August-Universität Göttingen
Dauer:
01.12.2010 – 31.10.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Fabian Herz, M.Sc.
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
In diesem Arbeitspaket sollten Holzaufschlussverfahren und die Verwertbarkeit verschiedener
Baumarten zur enzymatischen Hydrolyse der Holzpolysaccharide für eine biotechnologische
Produktion von Bioethanol erprobt werden. Ein besonderer Schwerpunkt der Untersuchungen
lag dabei auf Holz von schnell wachsenden Baumarten sowie auf Rest-/Abfallholz aus der
holzverarbeitenden Industrie von regional aufkommendem Holz. Das notwendige Holzaufschlussverfahren und die folgende biotechnologische Holzhydrolyse sollte in Abhängigkeit
zum Ausgangszustand des Rohmaterials (u.a. Baumart, Rindenanteile und Vornutzung) angepasst und optimiert werden.
Die Aufschlussverfahren sollten im Labormaßstab getestet und so optimiert oder weiter entwickelt werden, dass sie eine optimale und effiziente enzymatische Hydrolyse von Cellulose zu
Glukose erlauben. Die Zersetzungsgrade von Cellulose und Hemicellulose und die entstehenden Produkte sollten mittels chemischer Methoden und GC-MS analysiert und zusammen mit
den Ligningehalten und Holzinhaltsstoffen bestimmt werden. Weiterhin sollte der Einfluss der
Holzinhaltsstoffe auf die enzymatische Hydrolyse untersucht werden. Die klassische enzymatische Hydrolyse von Lignocellulose von z.B. Stroh mittels Cellulasen sollte am Holz weiterentwickelt und unter Einsatz von neuen effektiveren Hydrolasen-Mischungen untersucht werden. Die Hydrolyse der Holzpolysaccharide sollte auch mit wenig untersuchten Enzymkombinationen unter Einbeziehung von Lignin angreifenden Enzymen (z.B. Laccasen) erforscht
werden, um eine optimale Hydrolyse zu garantieren und den Einfluss von Hydrolaseinhibitoren
zu minimieren. Zusätzlich sollten auch die Holz-Reststoffe auf ihre stoffliche und energetische
Nutzung bewertet werden.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Nr.
Arbeitsplan
1
2
3
Beschaffung von Holzmaterial (Art, Alter)
Holzaufschluss, mechanisch, chemisch
Enzymbehandlungen von Holz
Lignin-, Polysaccharid-, Extraktstoffanalyse
Hydrolyse-Polysaccharide, kommerzielle
Zellulasen
Hydrolyse-Polysaccharide neue Hydrolasen
Hydrolyse-Polysaccharide Hydrolasen/
Oxidasen
Produktanalyse
Prozessbewertung/ -optimierung
Berichte/Publikationen
4
5
6
7
8
9
10
1
2011
2 3
198 4
1
2012
2 3
4
1
2013
2 3
4
1
2014
2 3
4
Stand der Wissenschaft und Technik, auf dem aufgebaut wurde
Der weltweit stetig steigende Anteil von Ethanol als Bio-Kraftstoff kann langfristig nicht durch
Fermentation von Stärke und Saccharose aus Agrarproduktion getragen werden. Es gibt zurzeit noch keine marktfähigen Verfahren, um Lignocellulose in Bioethanol umzusetzen. Die
bisher erprobten Verfahren basieren vorrangig auf Methoden, die für Holzaufschluss in der
Papierherstellung entwickelt wurden. Grundsätzlich liegt der Ansatz darin, das Material zuerst
thermo-chemisch aufzuschließen, um Lignin zu extrahieren und um die Cellulose hydrolytischen Enzymen zugänglich zu machen, die diese dann zu Glukose hydrolysieren können.
Schnellwachsende Pappeln und Weiden aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) besitzen einen
relativ hohen Cellulosegehalt (ca. 50 %) bei sehr niedrigen Ligninanteilen (ca. 20 %). Vor diesem Projekt wurde die Nutzung dieser Holzbiomasse noch nicht untersucht und die potentiell
nutzbaren Verfahren auch nicht systematisch und auf KUP-Hölzer angewandt.
Erzielte Erweiterung des Wissenstandes
Unter den möglichen Verfahren erwies sich das Acetosolv-Verfahren als extrem gut geeignet
für Holzaufschluss und Cellulosefaserproduktion aus KUP-Laubhölzern (Pappel, Weide) und
regionalen Hölzern wie Buche. Das optimierte Verfahren erlaubte eine Freisetzung der Cellulose ohne Inhibitoren mit Wirkungen auf enzymatische Hydrolysen und auf Glukoseumsetzende Hefen in nachfolgenden Fermentationen. Die Umsetzung durch industrielle Cellulasen zu Glucose war mit Ausbeuten von über 90 % außergewöhnlich gut. Der Einsatz von
Energie, Chemikalien und Enzymen während der Holzverzuckerung wurden im Labormaßstab
durch die Entwicklung und Optimierung eines Verfahrens bei Umgebungsdruck im Vergleich
zu anderen möglichen Verfahren minimiert und im Hinblick auf die vielseitige Einsetzbarkeit
von verschiedenen Lignocellulosequellen getestet. Die einzelnen Schritte des Prozesses
konnten analytisch verfolgt werden und bieten eine gute Grundlage für ein Upscaling des Verfahrens. Der Energieeinsatz könnte dann in der Praxis in laufendem Verfahren durch Zurückgewinnung der eingesetzten Chemikalien noch weiter minimiert werden.
Arbeitsbericht
Zu Beginn des BEST-Projektes stand zunächst die Organisation zur Beschaffung von Holzmaterial aus projekteigenen KUPs, die Auswahl der Standorte und geeigneter Baumarten im Vordergrund. Die Materialbeschaffung von Pappeln und Weiden aus KUPs, sowie das Design und
die Aufarbeitung der zu untersuchenden Holzfraktionen (Stammfuß, Mittelabschnitt, Zopf, mit
und ohne Rinde, Äste) wurde vorbereitet, sodass Anfang 2011 die technischen Untersuchungen durch den Projektmitarbeiter Herrn Fabian Herz (eingestellt zum 01.12.2010) beginnen
konnten. Für die Materialbeschaffung wurde Kontakt mit Herrn Christian Fleischmann (Bioenergieregion Thüringer Ackerebene) aufgenommen und sich mit den APs IO-K1 und IO-K2
abgesprochen, um einheitliche Holzsortimente zur Vergleichbarkeit der Produkte zu gewährleisten und Ressourcennutzung im Projekt ökonomisch zu gestalten.
Nach Etablierung analytischer Methoden wurde mit den technischen Untersuchungen im Labormaßstab begonnen. Die geernteten Holzarten wurden zunächst wachstumsparametrisch
bestimmt und chemisch analysiert. Im Fokus der Arbeit stand die Entwicklung und Durchführbarkeit einer geeigneten Methode zur Holzverzuckerung. Das angewandte und in 2012 weiter
optimierte thermo-chemische Holzaufschlussverfahren bei Umgebungsdruck in siedender Essigsäure mit HCl als Katalysator und die anschließende enzymatische Holzverzuckerung wurde zunächst an KUP-Holz von Pappeln im Hinblick auf minimalem Chemikalieneinsatz und
optimaler Enzymrezeptur untersucht. Die optimalen Versuchsparameter des Gesamtverfahrens wurden anschließend an den Laubhölzern Weide und Buche, an dem Nadelholz Fichte und außerdem an dem Agrarreststoff Weizenstroh vergleichend getestet.
Vorversuche zur Vollbaumnutzung zeigten, dass höhere Rindenanteile Auswirkungen auf den
gesamten Fraktionierungsprozess haben können. Deshalb wurde 2013 der Fokus auf den
hohen Rindenanteil der KUP-Hölzer unter Beibehaltung der Versuchsparameter des Gesamtverfahrens gelegt. Verschiedene Rindenprozente der jeweiligen Laubbaumarten wurden
199 geprüft und Mischungsversuche verschiedener Hölzer und Rinden getestet. Pappel- bzw. Buchenrinde hatten keine Einflüsse auf den Gesamtprozess, jedoch verringerte die Weidenrinde
signifikant die Umsetzungsrate der Cellulose zu Glucose während der enzymatischen Hydrolyse bei einer Beimischung von ≥10 %.
Des Weiteren wurde die Kaskadennutzung von Span- bzw. Faserplatten aus der Produktion
anderer APs zusammen mit deren Ausgangsmaterialien untersucht. Dazu wurden die Holzwerkstoffe auf ihre chemische Zusammensetzung hin geprüft und im bestehenden Gesamtverfahren auf ihre Umsetzungsraten getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kaskadennutzung
von Holzwerkstoffen als Beimischung möglich ist, da keine Beeinflussung durch Leim besteht.
Zur Optimierung der enzymatischen Umsetzung der Lignocellulose in fermentierbare Glucose
wurden Pilzkulturen mit vielversprechenden Enzymaustattungen kultiviert und im speziellen
geeignete Laccasen extrahiert und aufgereinigt. Diese Enzyme wurden dem optimierten Prozess zugeführt, um die aufgetretenen negativen Rindeneffekte zu minimieren und den Chemikalieneinsatz der gesamten Prozesskette weiter zu optimieren. Erste vielversprechende Ergebnisse zur Bioethanolgewinnung aus der KUP-Vollbaumnutzung konnten durch die Zugabe
von eigens hergestellten Laccase-Mediator-Mischungen erarbeitet werden und eröffnen so ein
sehr interessantes Forschungsfeld für nachfolgende Projekte.
Ergebnisbericht
Zahlreiche Methoden zur Bestimmung von Holzbestandteilen (Glucose-, Pentosen-/Hexosenund Ligninbestimmung) und chemische Analysen der KUP-Hölzer sowie Methoden zu Analysen der hydrolytischen und oxidativen Enzyme wurden etabliert und an die entsprechenden
Versuchsbedingungen angepasst.
Wachstumsparameter und chemische Holzanalyse von Baumarten aus KUP-Anbau:
Die Baumarten Pappel und Weide (4 bzw. 6 Jahre) aus KUP-Anbauflächen wurden zunächst
wachstumsparametrisch bestimmt (Tab. 1).
Tabelle 1: Ausgewählte Wachstumsparameter der hier untersuchten Baumarten aus KUP-Anbau
Höhe
[m]
MHD
[cm]
Volumen
[m³]
Trockenmasse [kg]
H2O-Gehalt
[%]
Rinde
[%]
Pappel
5,39
(±0,90)
0,407
(±0,05)
0,070
(±0,02)
5,08
(±0,03)
38,2
(±6,32)
21,0
(±2,07)
Weide
6,77
(±0,51)
0,278
(±0,03)
0,042
(±0,01)
5,20
(±0,51)
49,6
(±2,61)
16,9
(±0,74)
Holzart
Das Verhältnis von Mittelhöhendurchmesser (MHD) zur Höhe der zwei KUP-Baumarten zeigt
deutlich, dass die Pappel kürzer, aber stärker, die Weide hingegen länger, aber dünner ist.
Durch diese zwei Wachstumsparameter ergibt sich am Ende eine nahezu identische Trockenmasse der beiden Baumarten von ca. 5 kg pro Baum.
Die chemische Zusammensetzung der untersuchten Holzarten erwies sich, bezogen auf das
entrindete Stammholz, als prozentual fast identisch (Tab. 2). Auch der Vergleich des Stammholzes mit Rinde wies keine signifikanten Unterschiede auf. Vergleicht man jedoch die einzelne Holzart mit und ohne Rinde, so ist auffällig, dass der Ligninanteil mit Rinde steigt und der
Celluloseanteil prozentual sinkt. Ein höherer Extraktstoffgehalt ist durch die Rinde ebenso gegeben. Der Anteil an Hemicellulosen bleibt hingegen unverändert.
200 Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung des Stammholzes (in Prozent der Trockenmasse) der hier
untersuchten Baumarten aus KUP-Anbau ohne und mit Rinde im Vergleich
Holzart
Pappel ohne Rinde
Pappel mit Rinde
Weide ohne Rinde
Weide mit Rinde
Lignin
Cellulose
Hemicellulose
24.0
(±0.11)
27.5
(±0,25)
21.7
(±0.15)
26.1
(±0.06)
54.1
(±3.27)
43.9
(±0,84)
55.4
(±0.64)
45.0
(±0.51)
19.1
(±0.18)
19.2
(±0,46)
19.4
(±0.42)
19.2
(±0.62)
Extraktstoffe
(Ethanol-Cyclohexan)
2.8
(±0.10)
9.4
(±0.03)
4.0
(±0.01)
9.7
(±0.05)
Optimierung des Fraktionierungsprozess Holz - Späne - Cellulosefasern - Glucose:
Ein Fraktionierungsprozess unter geringen Einsatz von Energie und Chemikalien sollte erarbeitet werden. Als erstes steht dabei die mechanische Zerkleinerung der Biomasse. Dabei
wird das geerntete Holz zunächst zu Hackschnitzel und mit Hilfe einer Schlagmühle weiter zu
Holzspänen zerkleinert. Im zweiten Schritt der thermo-chemischen Vorbehandlung (TCV)
werden die Holzspäne mittels verschiedener Chemikalien und unterschiedlicher Temperatur in
nahezu reine Cellulosefasern umgewandelt, in dem das Lignin aus den Zellwänden herausgelöst wird. Der entstehende „Faserbrei“ wird so für Enzyme zugänglich gemacht, sodass im
folgenden dritten Schritt während der enzymatischen Hydrolyse (EH), die Cellulose in Glucose gespalten wird. Diese kann als Grundsubstanz zur Bio-Ethanol Gewinnung durch biologische Fermentation dienen (nicht Bestandteil dieses Arbeitspakets). Als Nebenprodukt aus der
Ablauge der TCV durch einfaches Fällen Lignin gewonnen werden, welches als Ausgangsstoff
für eine Vielzahl an Produkten dienen kann. Als weiteres wertvolles Nebenprodukt aus Hemizellulose könnte zudem auch noch Furfural aus der Lösung gewonnen werden.
Holzaufschluss und enzymatische Hydrolyse von KUP-Holzarten:
Für einen energiearmen und zugleich effizienten thermo-chemischen Aufschluss der analysierten KUP-Holzarten wurde als Erstes eine chemische Vorbehandlung getestet. Dazu wurden
Pappelspäne der Fraktion 0,4-1 mm mit reiner Essigsäure und 0-2 % HCl als Katalysator bei
115 °C für 60 min behandelt. Ein effektiver Holzaufschluss, und eine fast vollständige Auswaschung des Lignins wurden schon durch eine Zugabe von 1 % HCl erreicht (Abb. 1).
Abb. 1: Anreicherung von Cellulose im entrindeten Pappelholz durch Delignifizierung im thermo-chemischen
Vorbehandlungsprozess (60 min, 115 °C) mit reiner Essigsäure 1:10 (w/v) und HCl als Katalysator
201 Die Cellulose in den Spänen bleibt nach der
thermo-chemischen Vorbehandlung nahezu
vollständig erhalten. Das in Essigsäure gelöste
Lignin konnte zudem fast vollständig durch
Fällung in Wasser zurückgewonnen werden.
Die an die Vorbehandlung anschließende enzymatische Hydrolyse mit kommerziellen Cellulasen (Novozymes A/S) bei 50 °C ergab bei
getrockneten Spänen aber nur eine maximale
Umwandlung der Cellulose zu Glukose von
18,5 % nach 72 h Inkubation bei 0,5 % HCl im
Vorbe-handlungsschritt. Im Gegensatz dazu
führte eine vollständige Extraktion an Lignin Abb. 2: Enzymatische Hydrolyse der Pappelspäne nach der
mit 1-2 % HCl zu einer Umwandlung von nur Essigsäure-Vorbehandlung mit HCl als Katalysator
rund 10 % Glukose nach 72 h (Abb. 2). Eine
sehr gute Ligninextraktion alleine ist somit nicht der ausschlaggebende Faktor für eine optimale enzymatische Spaltung der Cellulose. Wie bereits von Vazquez et al. (1995, Wood Sci.
Technol. 29: 267-275) berichtet, können sich kleinere Anteile des gelösten Lignins der S2Zellwände und der Mittellamelle an die freien Cellulosefasern anlagern und dadurch leider
einen effektiven hydrolytischen Abbau verhindern. Ähnliches wurde durch spätere Optimierungsexperimente des Prozesses und des Materials in diesem Projekt bestätigt (s. u.).
Weiter wurden vorbehandelte getrocknete bzw. frisch-vorbehandelte Späne in ihrem Verhalten
in der enzymatischen Hydrolyse verglichen. Getrocknete Späne ergaben nur geringe Glukoseausbeuten (18 %). Die Trocknung der Späne als Zwischenschritt zur Vorratshaltung erwies
sich damit als negativ. Ein kontinuierlicher Ablauf der Essigsäure-Vorbehandlung mit direkt
anschließender enzymatischer Hydrolyse war wesentlich vorteilhafter, da die Umwandlung von
Cellulose zu Glukose im Vergleich um ein Drittel auf 30,5 % gesteigert werden konnte (Abb.
3).
Deacetylierung von Cellulose:
Durch die Vorbehandlung mit Essigsäure und
HCl wurde die Cellulose der Holzspäne teilweise acetyliert und ein Abbau durch Cellulasen
kann so stark behindert werden (Pan et al.
2006, Holzforschung 60: 398-401). Weitere
Experimente zeigten, dass eine vollständige
Deacetylierung der Cellulose durch Behandlung der Späne mit NaOH vor der enzymatischen Hydrolyse erreicht werden kann. Die
Verfügbarkeit der Cellulose für die enzymatische Hydrolyse wurde durch Waschen der
Späne in NaOH bei 50 °C für 2 h extrem gesteigert und eine industriell rentable Umwandlung von Cellulose zu Glukose von über 90 %
erzielt (Abb. 3).
Abb. 3: Enzymatische Hydrolyse der Pappelspäne nach der
Essigsäure-Vorbehandlung mit 0,5 % HCl (50 °C; 72 h) im
Vergleich mit und ohne Trocknung und mit NaOH-Behandlung
Rückgewinnung von Säure und Lauge aus dem Aufschlussverfahrens:
Die Essigsäure kann nach Abtrennen der behandelten Späne durch einfache Destillation dem
Vorbehandlungsprozess wieder zugeführt werden. Das eingesetzte NaOH kann bei Bedarf
durch Filtration gereinigt und fortwährend wieder verwendet werden.
202 Optimierung des thermo-chemischen Voraufschlusses (TCV):
Zur Optimierung der TCV bei Umgebungsdruck in siedender Essigsäure wurde in Hinblick auf
Behandlungsdauer (0-180 min) und Katalysatorkonzentration (0,01-0,4 % HCl) eine Volldesign-Matrix mit den sich ändernden Parametern in der Vorbehandlung von KUP-Holz von
Pappeln erstellt. Alle einzeln behandelten Proben wurden anschließend einer EH mit einer
industriellen Cellulasen-Mischung zur Beurteilung der Qualität unterzogen und anhand der
Umwandlung von Cellulose zu Glukose verglichen. Alle Einzelergebnisse wurden in einer 3DOberflächenmatrix zusammengefasst (Abb. 4). Eine Behandlungsdauer von 60 min und eine
HCl-Konzentration von 0,2 % reichte aus, um anschließend eine Glucoseausbeute von >90 %
zu erreichen. Lichtmikroskopische Aufnahmen (Abb. 4 rechts) zeigten, dass die Pappelspäne
während der Vorbehandlung voll in Fasern umgewandelt werden müssen, um eine nahezu
komplette Umsetzung von Cellulose zu Glucose zu erreichen.
Abbildung 4: Voll-Design Matrix der Vorbehandlung von Pappel KUP-Holz in siedender Essigsäure bei
Umgebungsdruck mit Behandlungsdauer und HCl-Konzentrationen als Variablen. Die Umsetzung von
Cellulose zu Glukose wurde gemessen. Die lichtmikroskopischen Aufnahmen zeigen die Umwandlung
von Spänen zu Fasern. Die Rahmenfarbe entspricht den in gleicher Farbe markierten Parameterbereichen in der 3D-Matrix, die vergleichbare Aufschlussergebnisse liefern.
Chemische Lignocelluloseanalyse von Ausgangmaterialien:
Die chemische Zusammensetzung der entrindeten KUP-Hölzer Pappel und Weide, der weiteren Laubholzart Buche, der Nadelholzart Fichte und des Agrarreststoffes Weizenstroh erwies
sich als teilweise unterschiedlich (Tab. 3). Die zwei KUP-Holzarten zeigen prozentual fast
identische Werte bei den drei Hauptkomponenten Cellulose, Hemicellulose und Lignin, während Buche einen geringeren Cellulose- und dafür höheren Hemicellulosegehalt hat. Das Nadelholz Fichte unterscheidet sich von den Laubhölzern durch einen höheren Ligningehalt, wobei vergleichbar mit Buche der Cellulosegehalt geringer ausfällt. Weizenstroh ist im Ligningehalt vergleichbar mit den Laubhölzern und bei der Hemicellulose mit Buchenholz, während
der Cellulosegehalt bei einem gleichzeitig höchsten Extraktstoffgehalt relativ gering ist.
203 Tabelle 3: Chemische Zusammensetzung (% Trockenmasse) von Lignocellulosequellen ohne Rinde
Holzart
Pappel
Weide
Buche
Fichte
Weizenstroh*
Lignin
Cellulose
Hemicellulose
24,0
(±0,11)
21,7
(±0,15)
23,2
(±0,90)
29,4
(±0,64)
23,9
(±0,06)
54,1
(±3,27)
55,4
(±0,64)
44,0
(±1,19)
46,9
(±0,97)
33,3
(±1,13)
19,1
(±0,18)
19,4
(±0,42)
26,8
(±0,39)
19,8
(±0,55)
25,4
(±0,42)
Extraktstoffe
(Ethanol-Cyclohexan)
2,8
(±0,10)
4,0
(±0,01)
6,0
(±0.03)
4.0
(±0.04)
9.1
(±0.05)
* Aschegehalt Literaturwert 8.3 % (W.Wach, 2006, ZAFES, Offstein)
Vergleich der unterschiedlichen Lignocellulosequellen in TCV und HE:
Die chemische Vorbehandlung aller Materialien erfolgte mit einer Katalysatorkonzentration von
jeweils 0,2 % unter einer Zeitreihe von Behandlungsdauern zwischen 0 und 120 min. Nach
EH aller Proben zur Umsetzung von Cellulose zu Glucose fällt auf, dass sich zwischen den
Laubhölzern Pappel, Weide und Buche keine signifikanten Unterschiede in der Glucoseausbeute zeigten (Abb. 5). Die EH sollte mindestens 60 min betragen. Weizenstroh zeigte dagegen schon nach einer Vorbehandlungszeit von 30 min eine hohe Umsetzung von über 80 %
der Cellulose, im Vergleich zu ca. 40-50 % bei den Laubhölzern. Nadelholz Fichte scheint für
den in dieser Arbeit entwickelten Prozess gänzlich ungeeignet zu sein, da auch nach einer
Vorbehandlungsdauer von 120 min nur eine minimale Umsetzung von ca. 10 % Cellulose erreicht wird.
Abbildung 5: Ausbeute von Glucose und Lignin aus verschiedenen Lignocellulosequellen nach TCV
unterschiedlicher Dauer
Die Ausbeute an rückgewonnenem sauberen Lignin (durch Fällung im Wasser) als Nebenprodukt aus der Ablauge nach 60 min Behandlungsdauer betrugen bei den Laubhölzern ca. 50 %
des Gesamtlignins des Holzes. Höhere Ligninausbeuten können durch Destillation der Essigsäure bzw. Waschlösungen erreicht werden. Das Weizenstroh-Lignin kann durch einfache Fällung im Wasser sogar nahezu komplett (~98 %) zurückgewonnen werden. Die Ausbeute an
Fichtenlignin ist dagegen mit ~25 % vergleichbar gering (Abb. 5).
204 Deacetylierung der Cellulose mit Lauge:
Vorbehandlung der Späne mit EssigsäureHCl-Katalysator führte zur Acetylierung der
Cellulose von 25 bis 40 % (relativ zur maximal
möglichenen Peracetylierung) in Abhängigkeit
der Katalysatorkonzentration. Eine Behandlung der Späne mit Lauge war daher absolut
notwendig für eine effektive enzymatische
Hydrolyse. Eine vollständige Deacetylierung
konnte bereits nach 5 min Behandlungsdauer
erreicht werden, aber überraschenderweise
waren bis zu 2 h Behandlungszeit notwendig
für eine optimale Umwandlung der Cellulose
zu Glukose. Die REM-Analyse der Fasern
(Abb. 6) zeigte auch eine starke Veränderung
der Faseroberfläche während der NaOH-Behandlung, da auf Lignin zurückzuführende
Ablagerungen auf den Fasern entfernt wurden.
Abbildung 6: NaOH-Behandlung von Fasern nach
Vorbehandlung mit Essigsäure-HCl-Katalysator
KUP Ernte, Vergleich 2011 und 2013:
Die KUP-Baumarten Pappel und Weide wurden gleichzeitig im Feb. 2011 und 2013 auf gleichem Standort geerntet und im Hinblick auf Stammholz- bzw. Rindenprozente sowie auf Astigkeit, Länge und Dicke vergleichend untersucht, bevor sie dem Verzuckerungsprozess zugeführt wurden (Tab.4). Beide Baumarten wiesen ein Längenwachstum von über 1,5 m und eine
höhere Astigkeit nach zwei Wachstumsperioden auf. Das Stammholz beider Baumarten nahm
hingegen um rund 5 % an Masse im Vergleich zum Vollbaum ab. Bei einem theoretischen
Rindenanteil der Äste von rund 30 % (Schätzung) beläuft sich der Gesamtrindenanteil der
KUP-Bäume im Jahr 2013 auf maximal 20 %. Die chemische Zusammensetzung der Hauptkomponenten des KUP-Stammholzes änderte sich innerhalb der zwei Wachstumsperioden
nicht (50 % Cellulose, 22 % Lignin, 20 % Hemicellulose und 3 % Extraktive).
Tabelle 4: Dimensionen und Anteile am KUP-Vollbaum Pappel bzw. Weide in den Jahren 2011 und
2013 im Vergleich
n=5
Stammholz [%]
Rinde (Stamm) [%]
Äste [%]
Länge [m]
MHD [cm]
Pappel (3- bzw. 5-jährig)
2011
2013
77.4
63.9
13.0
13.1
9.6
23.0
6.77
8.42
2.78
6.34
Weide (4- bzw. 6-jährig)
2011
2013
70.7
65.0
12.0
15.8
17.3
19.2
5.39
7.88
4.07
5.77
KUP Vollbaumnutzung:
a. Einzelne Laubbaumarten
Zur Vollbaumnutzung wurden nur Pappel, Weide und Buche untersucht, da das Nadelholz
Fichte schon ohne den Einsatz von Rinde nicht für eine kommerzielle Nutzung in Frage
kommt. Unter den optimierten Prozessparametern wurden verschiedene Rindenprozente (030 %) der jeweiligen Laubbaumarten dem Stammholz beigemischt. Hier zeigte sich bei der
Pappel, dass bis zu einer maximalen Zugabe von 30 % keine signifikant schlechtere Glucoseausbeute nach der enzymatischen Hydrolyse zu erwarten ist (Abb. 7). Im Gegenteil dazu zeigte sich bei Weide, dass schon ein Rindenanteil von 10 % zu einer signifikanten Reduktion der
Glucoseausbeute von ca. 25 % führt. Buche wies ab einer Zugabe von 15 % Rinde leicht ne205 gative Tendenzen auf, jedoch wurde die Glukose-Ausbeute erst nach einer maximalen Zugabe von 30 % signifikant reduziert. Es ist aber nicht davon auszugehen, dass die Buchenrinde
unter realen Bedingungen Probleme bereitet, da ein normaler Rindenanteil einer 25-30 jährigen Buche kaum über 10 % betragen wird. Die KUP-Baumart Pappel und die Laubbaumart
Buche können damit ohne weiteres als Vollbaum in diesem Verzuckerungsprozess eingesetzt
werden. Die Weidenrinde sollte aufgrund ihrer negativen Eigenschaften auch in Mischungsverhältnissen mit anderen Baumarten weiter getestet werden.
b. Einfluss von Weidenrinde auf Baumartenmischung
Bei einer ersten Untersuchung von reinem Pappel- bzw. Buchenstammholz wurden jeweils 20
% Weidenrinde hinzugegeben, um den negativen Einfluss der Weidenrinde auch auf den Verzuckerungsprozess anderer Laubholzarten zu testen. Eine deutliche Reduktion der Umsetzungsrate von Cellulose zu Glucose von nahezu 50 % bei Weidenrindeneinsatz im Vergleich
zu den Referenzen mit reinem Laubholz ohne Rinde wurde festgestellt (Abb. 7a).
(b)
(a)
Abbildung 7: Umsetzungsrate von Cellulose zu Glucose nach der enzymatischen Hydrolyse der Laubbaum-arten Pappel, Weide und Buche mit und ohne 20 % Weidenrinde (a) und verschiede Mischungsanteile der KUP-Vollbäume Pappel und Weide (jeweils 20 % Rinde) (b)
Der Einsatz verschiedener Mischungsanteile der KUP-Vollbäume (jeweils 20 % Rinde) zeigte,
dass bei einem Mischungsverhältnis von 1:1, d.h. bei einem Weidenrindenanteil von 10 % ein
negativer Effekt bei der Verzuckerung auftritt (Abb. 8). Durch umfangreiche Analysen der Enzymaktivität bei allen Versuchen mit Weidenrinde war festzustellen, dass die Rindenpartikel
und nicht die Extraktstoffe aus der Rinde der Weide die hydrolytische Aktivität während der
enzymatischen Hydrolyse drastisch reduzieren. Für den praktischen Einsatz dieses Verfahrens ist daher darauf zu achten, dass der Weidenrindenanteil bezogen auf den Gesamtbiomasseeinsatz stets unter 10 % liegt.
Abbildung 8: Umsetzungrate von Cellulose zu Gluco-se nach der enzymatischen Hydrolyse der
Laubbaumarten Pappel, Weide und Buche unter Einfluss steigender Rindenanteile von 0-30 %
206 Kaskadennutzung von Holzwerkstoffen (HWS):
Für die Kaskadennutzung von HWS wurden die Span- bzw. Faserplatten der APs IO-K2 und 3
hinsichtlich ihrer Eignung für den entwickelten Verzuckerungsprozess untersucht (Tab. 5). Die
HWS wurden parallel mit reinem Holz als Referenz im Hinblick auf ihre Umsetzungsraten von
Cellulose zu Glucose und gleichzeitig der Einfluss ihrer Leime auf die enzymatische Hydrolyse
untersucht (Abb. 9). Bei einer Umsetzung von rund 60 % bzw. 65 % an Cellulose zu Glucose
und einem Cellulosegehalt von 37,6 % bzw. 39,8 % in der Span- bzw. Faserplatte wurden etwa 23 % bzw. 32 % der Holzwerkstoffe in bioethanolfähige Glucose während des Verzuckerungsprozesses umgesetzt. Generell ist es möglich, HWS mit dem hier entwickelten Verfahren
zu verzuckern, ohne das der Leim einen signifikant negativen Effekt auf die enzymatische
Hydrolyse hat.
Tabelle 5: Plattenbestandteile und chemische Zusammensetzung der Span- bzw. Faserplatten für die
Untersuchung der Kaskadennutzung
Plattenbestandteile
Chemische Hauptbestandteile
Buche
Fichte
Leim
Cellulose
Lignin
Hemicellulose
Spanplatte (IO-K2)
55%
37%
8%
37,6%
25,9%
20,9%
Faserplatte (IO-K3)
88%
0%
12%
39,8%
24,9%
26,9%
(b)
(a)
Abbildung 9: Die Umsetzungsrate von Cellulose zu Glucose von Span- (a) bzw. Faserplatten (b) und
deren jeweiligen Referenzen im zeitlichen Verlauf der enzymatischen Hydrolyse
Produktion und Einsatz von Laccasen:
Laccase aus Kulturen des holzabbauenden Pilzes Trametes versicolor und weiteren Pilzen
wurde gewonnen und chromatographisch aufgereinigt. Eine kommerzielle Laccase (Novozymes) wurde ebenfalls aufgereinigt, um Unterschiede der einzelnen Enzyme während des Celluloseaufschlusses zu untersuchen. Der Einsatz der Laccasen bei verschiedenen Schritten der
Prozessführung führte nicht zu signifikanten Steigerungen der Glukoseausbeute, die allerdings
schon durch andere Optimierungen über 90 % lag, nachdem negative Deactylierungen und
Ligninablagerungen auf den Faseroberflächen ja schon durch kostengünstige NaOH-Waschungen entfernt wurden und ein Laccaseeinsatz damit an dieser Stelle in dem hier entwickelten Verfahren überflüssig wurde. Einige erste Experimente mit rindenhaltigem Material mit
Laccasen in Anwesenheit von Mediatoren (reaktive Substanzen, die durch Laccasen aktiviert
werden) weisen aber darauf hin, dass bei negativen Effekten durch Rinde hier noch Verbesserungen erzielt werden könnten.
Effekte von Glukoselösungen auf Hefe:
Die aus Cellulosefasern erhaltenen Glukoselösungen waren in Wachstumstesten auch frei von
Inhibitoren für die anschließende Fermentation mit Saccharomyces cerevisiae.
207 Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder Forschungsvorhaben
Die Materialorganisation und -ernte 2013 fand gemeinsam mit den APs IO-K 1 und 2 statt. Zur
Zerkleinerung und Fraktionierung der Stämme kamen die Arbeitsmaschinen des AP IO-K2
zum Einsatz. Zusätzlich wurden mit den Bearbeitern des Clusters IO-K die überschneidenden
Methoden, insbesondere der Holzanalyse, hinsichtlich Materialcharakterisierung gemeinsam
ausgewertet. Das Material zur Kaskadennutzung der Holzwerkstoffe wurde von den APs IO-K
2 und 3 zur Verfügung gestellt und gemeinsam chemisch analysiert.
Durch eine internationale Kooperation (COST-Action FP1105) mit Schwerpunkt auf Holzzellwandaufbau und die Entwicklung von neuen Holzpolymerprodukten wurden auf einem Workshop in Edinburgh (UK) Ergebnisse diskutiert und für 2014 eine Short Term Scientific Mission
(STSM) in Riga (Lettland) geplant. Im Februar/März 2014 wurde im Zuge der COST-Action
FP1105 in Kooperation mit dem Latvian State Institute of Wood Chemistry eine sechswöchige
STSM durchgeführt.
Geplante Ziele
Entwicklung eines energiearmen Holzaufschlussprozesses für die Gewinnung
von Glucose, geeignet für
die Bio-Ethanol Herstellung
Optimierung des Prozesses
im Hinblick auf variable hölzerne Biomasse und hohem
Rindengehalt
Weiterentwicklung geeigneter Enzymmischungen auf
dem Gebiet der Holzverzuckerung
Erreichte Ergebnisse
Verfahren ist erfolgreich entwickelt worden:
- ~90 % der Cellulose wird zu Glucose umgewandelt
- Geringer Energieeinsatz (115 °C, Umgebungsdruck)
- Chemikalien können zurückgewonnen werden
- Effektiver Aufschluss mit Lignin und Furfural als vermarktungsfähige Co-Produkte
- Prozessvariabilität im Bereich von Laubhölzern möglich
- Nadelholz nicht geeignet für entwickelten Prozess
- Agrarreststoffe (Stroh) effektiv umsetzbar
- Weidenrinde (>10 %) reduziert die Glucoseausbeuten
signifikant
- Einige Chemikalien zeigten ein Potential für effektiveren
Einsatz von Cellulasen (auch bei Holz mit hohem Rindengehalt, z.B. Weide)
- Optimierung durch Enzymmischungsverhältnisse des
Prozesses, auch möglicher Einsatz von LaccaseMediator-Systemen
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Mit der kostenneutralen Laufzeitverlängerung des Arbeitspaketes bis zum 31.08.2014 konnte
die Arbeits-, Zeit- und Finanzplanung voll eingehalten werden.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspaketes
Herz F, Majcherczyk A, Grinfelds U, Vikele L, Treimanis A, Kües U (2015) Full glucose recovery in saccharification of cellulose highly enriched after acetosolv pretreatment of shortrotation poplar wood. Manuskript zur Publikation fertiggestellt
Herz F, Majcherczyk A, Kües U (2015). Chemical and enzymatic decomposition of wood fibers
for upgrading of lignocellulose into value-added biochemicals. BIOspektrum: Tagungsband zur VAAM-Jahrestagung 1.- 4. März 2015 in Marburg. Springer Spektrum, D13808F,
ISSN 0947-0867. Abstract: BTP45, p.:127-128 (Poster)
Kües U (2015) Fungal enzymes for environmental management. Curr. Opin. Biotchnol., http://
dx.doi.org/10.1016/j.copbio.2015.03.006
Herz F, Majcherczyk A, Kües U (2013) Upgrading of Lignocellulose into Biofuels and Value-
208 Added Biochemicals by Chemical and Enzymatic Decomposition of Wood Fibers. 5th Congress of European Microbiologists 21.-25.07.2013, Leipzig (Poster)
Hsieh M.-C., Dörnte B., Kües U (2013) Multi-Copper Oxidase Genes of Heterobasidion irregulare-Subcloning for Recombinant Expression in Coprinopsis cinerea. 5th Congress of European Microbiologists 21.-25.07.2013, Leipzig (Poster)
Herz F, Majcherczyk A, Kües U (2013) Chemical and Enzymatic Decomposition of Wood Fibers for Upgrading of Lignocellulose into Value-Added Biochemicals. COST-Action
FP1105 Workshop 13.-14.05.2013, Edinburgh, UK (Vortrag, Poster)
Hsieh M-C, Dörnte B, Kües U (2012) Multi-copper oxidase genes of Heterobasidion irregulare.
27th Fungal Genetics Conference 12.-17.03.2013, Pacific Grove, CA (Poster)
Hsieh M-C (2012) Characterization of Heterobasidion irregulare laccase genes and transformation into Coprinopsis cinerea. Masterarbeit Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie
Herz F, Majcherczyk A, Kües U (2012) Holz-Lignocellulose als Bioethanol-Quelle. Forstwissenschaftliche Tagung 19.-22.09.2012, München (Poster)
209 Arbeitspaket:
IO-K 1
Thema:
Holzverbundwerkstoffe
Antragsteller
Prof. Dr. H. Militz
Institut:
Abt. Holzbiologie und Holzprodukte, Burckhardt-Institut, Univ. Göttingen
Daür:
01.09.2010 – 31.10.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Kim Christian Krause
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Das Ziel des Arbeitspakets IO-K 1 „Holzverbundwerkstoffe“ lag auf der Entwicklung marktfähiger Produkte aus minderwertigem Buchenholzsortimenten und Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) zu Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (WPC). Im Verlauf der Untersuchungen
sollte gezeigt werden, welche Potentiale und Restriktionen hinsichtlich der Werstoffeigenschaften beim Einsatz dieser alternativen Rohstoffe bei der stofflichen Nutzung in WPC zu erwarten
sind.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Entsprechend des im Projektantrag formulierten Arbeitsplans wurden die Arbeitsschwerpunkte
wie folgt bearbeitet. Im Hinblick auf die Weiterentwicklung des Forschungsvorhabens lag der
Schwerpunkt des Arbeitspakets IO-K 1 im zunehmenden Verlauf des Projektes auf der Untersuchung der Kaskadennutzung und der Benanspruchung der WPCs in der Aussenanwendung. Zudem wurde durch die Anwendung praxisnaher Herstellungsverfahren, wie der Profilextrusion und dem Spritzgussverfahren, dem Ansatz der Entwicklung marktfähiger Produkte
Rechnung getragen.
1. Spanrohmaterial
2. Entwicklung von Rezepturen
3. Herstellung von WPC mit Standartprozessen
4. Profilextrusion und Spritzguss
5. Mechanische und physikalische Eigenschaften
6. Optimierung der Prozesskette durch Additive
7. Modifizierung von Spänen und Fasern
8. Kaskadennutzung
9. Bewitterung
10. Biologische Eigenschaften
11. Dokumentation
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe, auch bekannt als Wood-Plastic-Composites (WPC), sind
eine relative neue Gruppe hybrider Biowerkstoffe, bei der nachwachsende Rohstoffe, wie z.B.
Holzfasern und Holzpartikel, mit thermoplastischen Kunststoffen (beispielsweise Polyolefine)
kombiniert werden. Der thermoplastische Kunststoff dient dabei als Matrixmaterial und wird
durch die Zugabe von Holz entweder verstärkt oder gefüllt. Die Verarbeitung dieser HolzKunststoff-Verbundwerkstoffe findet vornehmlich auf Maschinen der Kunststoffindustrie statt,
wie beispielsweise Extrusions- oder Spritzgussanlagen. Da sich aufgrund der unterschiedlichen Polarität die Komponenten Holz und Kunststoff nur schlecht verbinden lassen, werden
Haftvermittler eingesetzt um die Interaktion der Komponenten und folglich die Verbundeigenschaften zu verbessern. Im Vergleich zu Massivholz zeigen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstof-
210 fe deutlich geringere biologische Abbauraten und Masseverluste (Klyosov, 2007; Radovanovic, 2007).
Die Gesamtproduktion an Biowerkstoffen betrug 2012 in der Europäischen Union rund
350.000 t. Die wichtigsten Anwendungssektoren sind dabei Produkte im Konstruktions-bereich
(Deckings, Fassaden und Zäune) und Automobil-Interieur. Zwischen 10 - 15 % des Gesamtabsatzmarktes an Verbundwerkstoffen wurden dabei durch WPC und Naturfaserkomposite
(NFK) abgedeckt (Carus, Baltus, et al., 2014). Der Grad der Marktdurchdringung schwankt
hingegen stark zwischen den Regionen und den spezifischen Anwendungsfeldern. Hinsichtlich
der beteiligten Firmen und der Gesamtproduktionsmenge nimmt Deutschland in Europa eine
Vorreiterrolle ein. Starkes Wachstumspotential wird insbesondere bei WPC und NFC Granulaten für Spritzgussanwendungen erwartet. Ungeachtet dessen, sind extrudierte Deckingprodukte, Geländer- und Fassadenelemente weltweit noch der größte und am schnellsten wachsende Markt für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (Carus, Eder, et al., 2014). Potentiale und
Hemmnisse zugleich ergeben sich bei WPC aus der Zusammenführung von Holz- und Kunststofftechnologie. Die Potentiale des Werkstoffes sind mannigfaltig und reichen von der Kostenersparnis beim Polymerrohstoff, über die Verwendung von erneurbaren Materialien in der
Automobilindustrie, bis hin zur freien Formgebung von WPC zu räumlich komplexen Bauteilen
und der damit verbundenen Entwicklung innovativer Produkte (Carus, Eder, et al., 2014;
Clemons, 2002; Radovanovic, 2007).
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Duch die vorliegenden Ergebnisse des Arbeitspaketes IO-K 1 konnte gezeigt werden, dass die
Nutzung von bisher wenig genutzten Rohholzsortimenten, wie Kurzumtiebsplantagenholz
(KUP) oder minderwertigen Buchensortimenten, durchaus zur Herstellung von marktfähigen
Holz-Kunststoff Verbundwerkstoffen in Erwägung gezogen werden sollte. So wurde aus den
Ergebnissen auf der einen Seite deutlich, dass die Nutzung einzelnen Sortimente, wie Buchenholz, z.B. einen positiven Einfluss auf die Wasseraufnahme der Komposite haben kann.
Auf der anderen Seite konnte in Labortests gezeigt werden, dass durch die Nutzung von KUP
oder Buchenholz eine leicht verringerte Pilzresistenz und damit erhöhte Gefahr der Kompositschädigung bestehen kann. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Kaskadennutzung von
Rohstoffen, in diesem Fall die Verwendung von Abfallsortimenten aus der Span- sowie Faserplattenproduktion, neben den ökonomischen Vorteilen einer stofflichen Mehrfachnutzung von
Rohstoffen auch einen signifikant positiven Einfluss auf die Materialeigenschaften der Werkstoffe haben kann. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Werkstoffeigenschaften
von WPC aus KUP, sowie minderwertigen Buchensortimenten, durchaus eine Alternative zu
WPC auf Basis von Fichte darstellen können. Die genauen Einflussfaktoren bedarf es in Zukunft aber weiter zu untersuchen. Der Einsatz der Rohstoffe sollte zudem den spezifischen
Anforderungen an bestimmte WPC Produkte angepasst werden.
Arbeitsbericht
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine stoffliche Verwendung der untersuchten Holzarten für WPC und eine Anwendung der Compounds im Spritzguss, der Profilextrusion, sowie
Formpressverfahren möglich ist. Die mechanischen Eigenschaften der Komposite wurden dabei maßgeblich vom verwendeten Prozess beeinflusst. Um eine weitere Adaption für industrielle Prozesse zu gewährleisten, wurden ausgewählte WPC Rezepturen mit industriellen
Farbmitteln gemischt. Verwendet wurden hierbei in der Praxis gebräuchliche rot-bräunliche
Farbpigmentmischung aus dem Deckingbereich, um bei der industriell üblichen Profilextrusion
den Einfluss der Holz- und Rindenbestandteile auf die Farbgebung der Komposite zu untersuchen. In diesem Zusammenhang sind unter anderen der Einfluss der Rinde, der darin enthaltenen Extraktstoffe, sowie der charakteristischen Zellarten zu betrachten. Die Verarbeitung der
hergestellten WPC Compoundmischungen auf einer Profil Extrusionsanlage konnte ohne
Schwierigkeiten durchgeführt werden. Die Auswertung der mechanischen Materialeigenschaften der Komposite, ergab keine signifikanten Unterschiede zu den Referenzenvarianten und
somit der Verwendung von Fichtemmaterial. Bei den hygrischen Eigenschaften (Wasseraufnahme) konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von KUP Holz oder Buchenholz durch-
211 aus vorteilhaft sein kann, da durch die Anwendung dieser Materialien die Wasseraufnahmegeschwindigkeit sowie die absolute Wasseraufnahmemenge der Komposite reduziert wurde.
Ergebnisbericht
Zur Materialbeschaffung wurden im Rahmen dieses Arbeitspakets diverse Probebäume (Populus spp.; Salix spp.) von einer Versuchsfläche in Thüringen entnommen. Ebenso wurde
Durchforstungsholz aus Buche (Bu jung) und minderwertiges Buchenholz aus Buchenaltbeständen (Bu alt) verwendet, welches durch das Arbeitspaket IO-K 2 zur Verfügung gestellt
werden konnte. Das Holzmaterial wurde in der Abteilung für Holzbiologie und Holzprodukte mit
einer Hammermühle, und einer Siebmaschenweite von 10 mm, grob vorzerkleinert und getrocknet. Anschließend erfolgte die Nachzerkleinerung in der Hammermühle mit einer Siebmaschenweite von 1 mm. Anschließend wurden die Holzpartikel mit Polypropylen (PP) zu WPCGranulat verarbeitet. Als Additiv wurde ein Haftvermittler eingesetzt bei dem es sich um ein
maleinsäureanhydrid gepropften PP (MAPP) handelt. Der Holzanteil der WPC Granulate betrug 60 Gewichtsprozent. Exemplarisch wurde eine Mischung mit 70 Gewichtsprozent hergestellt, um den Einfluss eines erhöhten Holzanteiles zu untersuchen. Die WPC Granulate wurden in einem ersten Schritt mittels Presstechnik zu Prüfkörpern konsolidiert.
Die Auswertung der physikalischen Eigenschaften der ersten Versuchsreihe haben gezeigt,
dass bei der Biegefestigkeit für Buche etwas höhere Werte im Vergleich zu Pappel und Weide
zu verzeichnen waren. Eine signifikante Steigerung der Festigkeit wurde jedoch erst durch den
Einsatz des Haftvermittlers (MAPP) erzielt (siehe Abbilung 1). Bei der Schlagzähigkeit konnten
erneut deutlich gesteigerte Werte bei den Formulierungen mit Haftvermittler (MAPP) festgestellt werden. Die Varianten mit Buchenholz und MAPP wiesen dabei die höchsten Werte auf
(siehe Abbildung 2).
Biegefestigkeit [MPa]
50
Pappel
Weide
Bu (jung)
Bu (alt)
40
30
20
10
0
Pappel
Weide
Bu (jung)
Bu (alt)
Abbildung 1: Ermittelte Biegefestigkeit der im Pressverfahren hergestellten WPC Varianten aus
KUP- sowie Buchenholz (schraffierte Säulen mit Haftvermittler).
212 Schlagzähigkeit [kJ/m2]
5
Pappel
Weide
Bu (jung)
Bu (alt)
4
3
2
1
0
Pappel
Weide
Bu (jung)
Bu (alt)
Abbildung 2: Schlagzähigkeit der im Pressverfahren hergestellten WPC Varianten aus KUP- sowie
Buchenholz (schraffierte Säulen mit Haftvermittler).
Zugfestigkeit [MPa]
Die Ergebnisse der zweiten Versuchsreihe zeigen, wie aus Abbildung 3 zu erkennen ist, deutliche Festigkeitsunterschiede zwischen den Produktionsprozessen. Die durch Profilextrusion
oder Spritzguss hergestellten Prüfkörper wiesen mit über 35 MPa deutlich höhere Zugfestigkeiten auf, als die mittels Presstechnik (Platte) hergestellten WPCs. Die hohen Zugfestigkeiten
im Spritzguss können durch die homogene Verteilung, eine Ausrichtung der Holzpartikel im
Randbereich sowie die Hochdruckprozesssierung bei um die 2500 bar erklärt werden. Innerhalb eines Herstellungsverfahrens sind interspezifische Unterschiede bei den Rezepturvarianten zu erkennen, jedoch liegen diese bei den Zugfestigkeiten auf einem vergleichbaren Niveau
und sollten durch die vorliegenden intraspezifischen Varianzen nicht überinterpretiert werden.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Platte
Junge Buche
Extrusion
Alte Buche
Spritzguss
KUP Weide
KUP Pappel
Abbildung 3: Bestimmung der Zugfestigkeit der mittels Presstechnik, Extrusion oder Spritzguss
hergestellten WPC Varianten (Junge Buche, alte Buche, KUP Weide und KUP Pappel)
213 Weiterhin wurden die WPC Rezepturen mit Farbpigmentmischungen compoundiert, um variantenspezifische Farbveränderung im industriellen Massstab zu untersuchen. Wie aus Abbildung 4 (links) zu erkennen ist, führte die Zugabe der rötlich-braunen Farbpigmente über alle
Varianten zu einer homogenen rötlich-dunklen Einfärbung der WPCs. Die Varianten mit Pappel und Weide wiesen dabei eine leicht verstärkt dunklere Einfärbung auf als der Rest der Untersuchungsvarianten. Mit Ausnahme der WPC Variante C100 waren die eingebrachten Holzpartikel optisch deutlich sichtbar zu erkennen. Die in Abbildung 4 (rechts) abgebildeten Prüfkörper zeigten, dass unter Zugabe von Titandioxid stärker interspezifische Farbunterschiede
zu sehen waren. Die Farbnuancen bewegten sich von einem dunkel-rotbraun bei Pappel und
Weide, über ein hell rötlichbraun bei alter und junger Buche und einem dunkelgrau bei der
Variante C100, zu einem cremefarbenden Weiß bei der Fichtenreferenzvariante.
Abbildung 4: Hergestellte Zugprüfkörper unter Zugabe von rot-bräunlichen Farbmittelpigmenten
(links), bzw. der Zugabe von Titandioxid (rechts)
Die Ergebnisse belegen die Abhängig von Holzart und Vorbehandlung der Holzspäne auf die
Wirkung der verschiedenen Farbmittel. Eine Anpassung der Holzartenzusammensetzung, oder der Pigmentmischung muss insbesondere bei helleren Mischungen beachtet werden.
Im Anschluss befasste sich ein weiterer Arbeitsteil des Projektes mit der Bewitterungsstabiltät der hergestellten WPC Formulierungen. Hierbei wurden die hergestellten rotbräunlichen WPC Formulierungen zu WPC
Platten spritzgegossen und im Labor künstlich bewittert (EN 927-6). Zur Beurteilung der
Bewitterungsstabilität wurden die WPC Platten wöchentlich, und über einen Zeitraum
von 12 Wochen (2016 Stunden), gewogen
und eingescannt (siehe Beispiel Abbildung
5). Zur Bemessung der Farbveränderungen
wurde der L*a*b*-Farbraum (Bell, 2013) als
Mass von Farbabständen herangezogen.
Der L*a*b*-Farbraum beruht auf einem Farbmodell, das Helligkeit (L*) und zwei Farbwerte (a* und b*) nutzt. Die Farbkoordinaten le- Abbildung 5: Farbveränderungen der Prüfkörper
gen fest, wo die Farbkoordinaten auf einem nach einer Woche (rechts), bzw. Farbton vor der
kartesischen Graphen liegen. Der a*-Wert Bewitterungsuntersuchung (links)
214 definiert die Rot-Grün-Achse, der b*-Wert die Blau-Gelb-Achse. Der L*-Wert ergänzt den Farbraum um die Dimension der Helligkeit. Es sei dabei angemerkt, dass die berechneten Farbabstände nicht für alle Farben den empfundenen Farbabständen entsprechen. Bei ungesättigten Farben nehmen wir durchaus feinere Farbunterschiede wahr als bei hochgesättigten
leuchtenden Farbtönen. Von besonderer Bedeutung für die Auswertung ist dabei Delta E (∆E),
ein Maß für den Abstand zweier Farben zueinander. Bei der Angabe von Farbdifferenzen nach
der ∆E-Formal bezeichnet der Wert 1 einen Abstand, den das menschliche Auge nicht mehr
wahrnimmt. ∆E ist somit eine gute Allround-Lösung. Farbabstände nach der CIELab-Formel
werden bei stark gesättigten Farben zu stark bewertet, während Helligkeitsunterschiede zu
gering bewertet werden. Dieser Mangel der Farbdiffernzformel Delta E rührt schon aus der
CIELab-Formel selbst, denn der Lab-Farbraum ist nicht so empfindungmäßig gleichabständig.
Farbveränderung (∆E*)
50
40
30
Junge Buche (60:40)
Alte Buche (60:40)
KUP Pappel (60:40)
KUP Weide (60:40)
Fichte (60:40)
C100 (60:40)
20
10
0
0
168
336
504
672
840
1008
1176
1344
Bewitterungszeit (h)
1512
1680
1848
2016
Abbildung 6: Einfluss der Photodegradation auf die Farbveränderung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (WPC), welche aus verschiedenen Holzressourcen hergestellt wurden.
Wie aus Abbildung 6 zu erkennen ist, zeigen sich bei der künstlichen Schnellbewitterung der
hergestellten WPC kleinere Unterschiede zwischen den Formulierungen. Interessanterweise
weisen die WPC auf Basis von Buchenholz die geringsten Farbveränderungen auf. Die WPC
Varianten auf Basis der industriellen Holzpartikel (C100) wiesen widerrum die höchsten Farbveränderungen auf. Über alle Proben sei angemerkt, dass die gemessenen Unterschiede nicht
signifikant sind. Demnach bewegen sich alle hergestellten Proben auf einem vergleichbaren
Niveau.
Um auf den möglichen Einfluss der Profilextrusion und die ggf. auftretenden materialspezifischen Einflussfaktoren einzugehen, werden im Folgenden die Details der Profilextrusion zusammengefasst. Der Herstellungsprozess der Profilstücke verlief über alle Varianten stabil und
ohne große Schwankungen. Aufgrund der geringen Schmelzfestigkeit des Materials wurde am
Werkzeugaustritt mit einem Gleiteinsatz gearbeitet, wodurch eine einheitlich geschlossene
Profiloberfläche erreicht werden konnte. Das Druckniveau lag bei den Varianten Pappel
[60:40] und Buche [70:30] mit 47 bar, bzw. ~57 bar deutlich über dem Druckniveau der restlichen Varianten, das zwischen 27 bar und 38 bar lag.
Bei der visuellen Begutachtung der hergestellten WPC Profile sind, wie in Abbildung 7 zu erkennen, keine deutlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Formulierungsvarianten zu
erkennen. Die Variante KUP Pappel wies eine leicht dunklere Färbung auf, die auf die Rindenpartikel bzw. die darin enthaltenden Extraktstoffe zurückgeführt werden kann. Die Zugabe
der rötlich-braunen Farbpigmente führte über alle Varianten zu einer homogenen rötlichdunklen Einfärbung der WPCs. Mit Ausnahme der WPC Variante C100 waren die eingebrachten Holzpartikel makroskopisch noch deutlich erkennbar.
215 Abbildung 7: Profiloberseite der hergestellten WPC Deckings. Die WPC Varianten sind wie folgt abgebildet [von Links]: Junge Buche [60:40], Alte Buche [60:40], KUP Pappel [60:40], Referenz C100 [60:40]
und Junge Buche [70:30].
Wie aus Abbildung 8 zu erkennen ist, sind hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften bei den
profilextrudierten Varainten nur leichte interspezifische Unterschiede erkennbar. Da die Zugfestigkeiten über alle Varianten auf einem vergleichbaren Niveau liegen, sollten die Unterschiede nicht überinterpretiert werden. Beim Elastizitätsmodul kam es allein bei der Buchenvariante mit erhöhtem Holzanteil [70 %] zu einem deutlichen Anstieg.
80
Buche alt [60:40]
Zugfestigkeit [MPa]
70
Buche jung [60:40]
60
NFC
50
Pappel [60:40]
C100 [60:40]
40
Buche jung [70:30]
30
WPC
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
Elastizitätsmodul [MPa]
10000
12000
Source: Sobczak 2012
Abbildung 8 Darstellung der mechanische Materialeigenschaften (Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul)
der mittels Profilextrusion hergestellten WPC Varianten (Alte Buche [60:40], junge Buche [60:40], KUP
Pappel [60:40], C100 [60:40] und junge Buche [70:30]).
Die ermittelten Zugfestigkeitswerte sowie Elastizitätsmoduln der hergestellten WPC Varianten
entsprechen den für WPC Material zu erwartenden Kennwerten (Bengtsson, et al., 2007;
Sobczak, et al., 2012). Die leicht erhöhten Zugfestigkeitswerte, bei den Varianten Pappel
[60:40] und Buche jung [70:30], können durch den leicht erhöhten Massedruck bei der Verarbeitung erklärt werden. Das Problem des stark wandhaftenden Matrixpolymers (Polypropylen)
konnte durch die Verwendung eines Gleiteinsatzes im Werkzeugaustritt gelöst werden. Anhand der mechanischen Festigkeiten zeigte sich das materialspezifische Potential der Verwendung von KUP und Buchenholz für eine stoffliche Verwertung im WPC Bereich.
Ein kritischer Faktor bei der Anwendung von WPC im Außenbereich ist die Feuchtigkeitsaufnahme und die folglich reduzierte Dimensionsstabilität des Materials. Aus einer Reihe von Untersuchungen ist bekannt, dass naturfaserverstärkte Kunststoffe durchaus größere Mengen
Feuchtigkeit aufnehmen können. Die Feuchtigkeitsaufnahme des Verbundes hängt von den
Umgebungsbedingungen, den eingesetzten Fasern, vom Matrixmaterial und der Zugänglichkeit der Fasern im Verbund ab. Die Ermittlung der Wasseraufnahme ist in diesem Zusammenhang von entscheidender Bedeutung, da die Wasseraufnahme einen maßgeblichen Einfluss
auf die Festigkeiten (Verlust an Festigkeiten), sowie die biologische Abbaubarkeit (Dauerhaftigkeit) der Komposite hat. Wie aus Abbildung 9 hervorgeht, zeigt sich ein deutlicher Unter216 Wasseraufnahme
schied sowohl bei der Wasseraufnahmegeschwindigkeit, als auch bei der absoluten Wasseraufnahmemenge der hergestellten WPC Materialien.
20%
18%
16%
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
Buche jung [60:40]
Buche alt [60:40]
Pappel [60:40]
C100 [60:40]
Buche jung [70:30]
0
7
14
21
28
35
42
49
56
63
70
77
84
91
Zeit [Tage]
Abbildung 9: Verlauf der Wasseraufnahme der WPC Varianten über einen Zeitraum von 91 Tagen.
(Junge Buche, alte Buche, KUP Pappel, C100 und junge Buche 70 %
Die Ergebnisse zeigen, dass die Wasseraufnahme der Verbunde, abhängig von Holzresource
und -konzentration reduziert oder erhöht wurde. Die Verbunde die Buche mit 60 gewichtsprozent enthalten, zeigen eine reduzierte Wasseraufnahmegeschwindigkeit im Vergleich zum
Verbund mit Pappel oder industriell hergestelltem Spanmaterial.
Verbunden mit der Feuchtigkeitsaufnahme, und der daraus resultierenden Dimensionsstabiltät, wurde die Resistenz der hergestellten WPC Proben gegenüber pilzlichem Abbau untersucht. Als Pilze kamen dabei Trametes versicolor als Weissfäulepilz und Coniophora puteana
als Braunfäulepilz zur Anwendung.
80
Masseverlust [%]
70
60
Trametes versicolor
Coniophora puteana
50
40
30
20
10
0
-10
Ref
C100
Buche
alt
Buche
jung
KUP
Pappel
Ref
Fichte
F
B
Virulenz
Abbildung 10: Darstellung der Masseverluste nach 16 Wochen Pilztest der mittel Spritzguss hergestellten WPC Prüfkörper (C100 [60:40]; alte Buche [60:40]; junge Buche [60:40]; KUP Pappel [60:40]; Ref
Fichte [60:40];Vollholzproben aus Fichte (F) und Buche (B); Virulenzen. Durchführung der Untersuchung mit Trametes versicolor (Weissfäulepilz) und Coniophora puteana (Braunfäulepilz).
Die Ergebnisse der biologischen Dauerhaftigkeitstests haben gezeigt, dass alle hergestellten
WPC Proben nach 16 Wochen geringe Masseverluste von unter 5 % aufwiesen. Im Vergleich
zu den aus Fichtenholz hergestellten Referenz WPCs, wurden bei den aus Kurzumtriebmaterial, bzw. aus Buchenholz hergestellten WPC, leicht gesteigerte Abbauraten verzeichnet. Zu-
217 dem wurde festgestellt, dass im Vergleich zum Referenz WPC aus Fichte, die aus industriellem Holzmehl hergestellten WPC leicht erhöhte Abbauraten aufwiesen, obwohl das verwendete Material nach Herstellerangaben ebenfalls aus überwiegend Fichtenholz besteht. Insbesondere der Braunfäulepilz zeigte bei allen WPC auf Laubholzbasis leicht gesteigerte Abbauraten.
Die im Pilzversuch verwendeten unbehandelten Vollholzreferenzen aus Fichten-, sowie Buchenholz zeigten die zu erwartenden deutlichen Masseverluste.
Gegenüberstellung der Ziele und Ergebnisse
Geplante Ziele
Herstellung von Spänen aus
minderwertigen Buchenholzsortimenten und Holz von
KUP
Optimierung des Herstellungsprozesses von WPC
auf Basis der eingesetzten
Rohstoffe durch Additive
Entwicklung von industrietauglichen Rezepturen auf
Basis der eingesetzten Rohstoffe
Überprüfung der stofflichen
Wiederverwertbarkeit und/
oder der energetischen Verwendbarkeit im Sinne des
anzustrebenden Kaskadenmodells
Untersuchung der Bewitterungsstabiltat der hergestellten WPC Formulierungen
Untersuchung der biologischen Eigenschaften der
hergestellten WPC Formulierungen
Erreichte Ergebnisse
 Zerspanung der minderwertigen Buchensortimente und
Rohholz aus Kurzumtriebsplantagen in einer Hammermühle.
 Entwicklung von WPC Compoundformulierungen mit
einem gesteigerten Haftvermittleranteil
 Einsatz von industriell üblichen Farbpigmentmischungen
und weiteren Additiven
 Einsatz von KUP und Buchenholz als Ressource in industrienahen WPC Decking Anwendungen
 Analyse der Herstellungsverfahren – Pressverfahren,
Spritzguss, Extrusion – Korrelation der Festigkeiten
 Verwendung von Span- und Faserplatten als Ausgangsmaterial für die WPC Herstellung
 Mechanische und physikalische Eigenschaften der hergestellten WPC
 Recycelte Holzwerkstoffe stellen eine hoch interessante
Rohstoffquelle für WPC dar (Kaskadenutzung)
 Ausarbeitung von Recyclingstrategien wie “In-house
Recycling” denkbar – Reduktion von Kosten und Abfallsortimenten
 Keine signifikanten Unterschiede bei der Bewitterungsstabilitat hinsichtlich der Verwendung von alternativen
Rohstoffen zur Herstellung von WPC, im Vergleich zu
herkömmlich hergestellten Mischungen auf Basis von
Fichtenholz
 Durchführung von Laboruntersuchungen zur Untersuchung der Resistsenz gegenüber Braun- und Weissfäulepilzen. Leicht gesteigerte Abbaubauraten bei
WPCs auf Basis alternativer Rohstoffe, wie z.B. diversen Buchenholz sowie KUP-Holzsortimenten, im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Mischungen auf
Basis von Fichtenholz.
Meilensteine
WPC Standardprozess evaluieren
Modifizierte Späne und Fasern
 Erfolgreiche Evaluierung über die im Projektantrag geplanten Herstellungsprozesse hinaus
 Analyse der Komposite aus acetyliertem Faser- und
Spanmaterial
218 Zusammenarbeit mit externen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben





Zusammenarbeit mit den Clustern IO-H, IO-A, SÖB und ÖN hinsichtlich der Materialauswahl, Materialqualitätsbestimmung und der Lebenszyklusanalyse der zu entwickelten Produkte.
Enge Kooperation mit den Arbeitspaketen IO-K 2, IO-K 3 und IO-A 5
Arbeitspaketübergreifende Versuche zur biologischen Dauerhaftigkeit
Beschaffung und Materialauswahl in Zusammenarbeit mit UP 2
Externe Kooperation mit dem WoodKplus (Linz/Österreich)
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplans
Die Laufzeit des Projektpaketes wurde kostenneutral verlängert. Die Finanzmittel konnten aus
dem Arbeitspaket zur Verfügung gestellt werden. Neben der geplanten Publikation der Projektergebnisse wurden im Jahr 2014 gezielt die Bewitterungsresistenz, sowie die Dauerhaftigkeit der hergestellten WPC Materialien gegenüber Pilzabbau untersucht. Der im Projektantrag formulierte Forschungsansatz blieb dabei unverändert.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
 Anwendungen im Spritzguss, sowie der Profilextrusion, zur Gewährleistung von industrienahen Produktionsprozessen, sowie einer homogenen und standardisierten Prüfkörperherstellung.
 Verwendung eines Computer Tomographie (CT) Systems und in der Auswertesoftware implementierter Algorithmen. Automatisierte und zerstörungsfreien Darstellung der Werkstoffstrukturen, sowie die Möglichkeit zur Interpretation der Unterschiede einzelner Materialeigenschaften.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Krause K. C., Müller, M., Militz, H., Krause A. (2013), Efficient utilization of wood sources for
Wood-Polymer Composites, First International Conference on Resource Efficiency in Interorganizational Networks, November 13th – 14th, 94-105, ISBN:978-3-86395-142-9.
Krause K. C., Müller M., Militz H., Krause A. (2014) Converting wood from short rotation coppice and low value beech wood into thermoplastic composites, Book: Bioenergy from
dendromass for the sustainable development of rural areas, Wiley Verlag
Referenzen
Bell, S. (2013). CIELAB CIE L*A*b*CIE LAB. Oxford University Press.
Bengtsson, M., Baillif, M. L., & Oksman, K. (2007). Extrusion and mechanical properties of highly filled
cellulose fibre–polypropylene composites. Composites Part A, 38, 1922-1931. doi:10.1016/ j.com
positesa.2007.03.004
Carus, M., Baltus, W., Carrez, D., Kaeb, H., Ravenstijn, J., & Zepnik, S. (2014). Market study and
Database on Bio-based Polymers in the World Capacities, Production and Applications: Status Quo
and Trends towards 2020. Market Study on Bio-based Polymers in the World. www.biobased.eu/markets: Nova Institut GmbH.
Carus, M., Eder, A., Dammer, L., Korte, H., Scholz, S., Essel, R., & Breitmayer, E. (2014). Wood-Plastic
Composites (WPC) and Natural Fibre Composites (NFC): European and Global Markets 2012 and
Future Trends. www.bio-based.eu/markets: Nova-Institut GmbH.
Clemons, C. (2002). Wood-Plastic Composites in the United States The Interfacing of Two Industries.
Forest Products Journal, 52(6), 10.
Klyosov, A. A. (2007). Foreword-Overview: Wood-Plastic Composites. Wood-Plastic Composites, 1.
Radovanovic, I. (2007). Verarbeitung und Optimierung der Rezeptur von Wood Plastic Composites
(WPC). University of Osnabrück, Osnabrück.
Sobczak, L., Lang, R. W., & Haider, A. (2012). Polypropylene composites with natural fibers and wood –
General mechanical property profiles. Composites Science and Technology, 72, 550-557.
doi:10.1016/j.compscitech.2011.12.013
219 Arbeitspaket:
IO-K 2
Thema:
Stoffliche Nutzung von geringwertigem Buchenholz und Holzsortimenten aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit dem Ziel der Entwicklung marktfähiger Produkte (Sandwich-Spanplatten)
Antragsteller:
Prof. Dr. Alireza Kharazipour
Institut:
Abt. Molekulare Holzbiotechnologie und Technische Mykologie, BüsgenInstitut, Georg-August-Universität Göttingen
Dauer:
01.01.2011 – 31.06.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. Franziska Friese
Aufgabenstellung des Arbeitspakets IO-K 2
Zusammen mit den Arbeitspaketen (AP) IO-K 1 und IO-K 3 wurden verwertungsorientierte
Untersuchungen zur stofflichen Nutzung von geringwertigem Buchenholz sowie von schwach
dimensionierten Holzsortimenten (Weide und Pappel) aus Kurzumtriebsplantagen (KUP)
durchgeführt mit dem Ziel der Entwicklung marktfähiger Produkte für die holzverarbeitende
Industrie. Die umfangreiche Entwicklungsarbeit orientierte sich dabei an der Maximierung der
Wertschöpfung und einer langfristigen CO2- Speicherung durch die mehrfache stoffliche Verwertung mit abschließender energetischer Verwendung in Form einer Kaskadennutzung. Die
Aufgabenstellung des AP IO-K 2 betrachtete hierfür insbesondere die Eignung von Spänen
der zuvor beschriebenen Holzarten für die Herstellung von sogenannten Sandwich-Spanplatten. Über ausgewählte Kombinationen der verschiedenen Holzarten (Buche, Weide, Pappel und Fichte) in der Mittelschicht (MS) der Spanplatten sollten eventuelle Synergieeffekte
ermittelt werden, welche möglicherweise Einfluss auf die Plattenqualitäten haben konnten.
Das Buchenholz wurde in diesem Projektvorhaben ausschließlich in die MS der SandwichSpanplatten eingesetzt, um die bei den holzverarbeitenden Prozessen (besonders Schleifprozesse) entstehenden Buchenstäube, welche als kanzerogen eingestuft werden, zu vermeiden.
Die Deckschichten (DS) der Sandwich-Spanplatten setzten sich im Gegensatz dazu aus reinen Fichtenspänen ohne Rinde (o. R.) zusammen und legten somit über den gesamten Versuchszeitraum eine einheitliche Plattenoberfläche fest. Basierend auf definierten Produktionsparametern, eines konventionellen Bindemittels (UF-Harz) und einer industrietypischen Rohdichte von 650 kg/m³ wurden unterschiedliche Sandwich-Spanplatten im Labormaßstab entwickelt, die auf ihre physikalisch-technologischen Eigenschaften geprüft und analysiert wurden.
Ferner wurden die entwickelten Sandwich-Spanplatten aus Buchenspänen im Zuge der Kaskadennutzung recycelt und innerhalb der Arbeitspakete des Clusters IO-K sowie IO-A 5 zu
weiteren möglichen Holzwerkstoffprodukten verarbeitet. Mit der Entwicklung und Herstellung
von Briketts aus Buchenspänen, die nicht zur Produktion geeignet waren, wurde der Kaskadenzyklus geschlossen und eine vollständige Rohstoffnutzung durchgeführt.
Planung und Ablauf des Vorhabens
In diesem Teilprojekt IO-K 2 erfolgten die Untersuchungen der Holzeigenschaften und der
Struktur von geringwertigem Buchenholz und schwach dimensioniertem Plantagengehölzen
(Pappel und Weide). Die Probenmaterialien wurden vorab eigenständig und in Zusammenarbeit mit den Partnerprojekten (IO-K 1 und IO-A 5) gewonnen und nach einer eigens entwickelten Zerkleinerungstechnik verarbeitet. Die geringwertigen Buchen- und Plantagenholzsortimente wurden ferner für die Herstellung von sogenannten Sandwich-Spanplatten (ρ= 650
kg/m³) eingesetzt, die sich aus Laubholzmittelschicht- und Nadelholz-deckschichtspänen zusammengesetzt haben. Zusätzlich zum Arbeitsplan erfolgten Qualitätsuntersuchungen bei den
220 Sandwich-Spanplatten mit einer Rohdichte von etwa 550 kg/m³, da die erhobenen Festigkeitseigenschaften der Sandwichplatten mit einer Rohdichte von 650 kg/m³ über sehr positive Resultate verfügten. Hierbei unterstrich die Rohdichtereduzierung (um ca. 100 kg/m³) eine zugleich vorteilhafte Rohholzeinsparung. Des Weiteren wurden prozentuale Mittelschichtmischungen (50:50, 70:30 und 100) der Baumarten Buche, Weide, Pappel und Fichte untereinander durchgeführt, um positive oder negative Qualitätsveränderungen der Sandwichplatten
zu ermitteln. Während des Vorhabens wurden als weitere Alternativkombinationen Spanzusammensetzung von Weiden- bzw. Pappelholzspänen in den DS und Buchenholzspänen in
der MS für die Sandwichplatten in Betracht gezogen. Die unterschiedlichen Sandwich-Spanplatten wurden im weiteren Verlauf des Projektvorhabens verfahrenstechnologischen sowie
praxisbezogenen Produktanalysen unterzogen und über festgelegte definierte Werkstoffprüfungen auf ihre mechanisch-technologischen Eigenschaften untersucht. Ferner wurden zu den
erforderlichen Plattenqualitätsprüfungen, abweichend vom Arbeitsplan, Holzabbauversuche
mit drei verschiedenen Prüfpilzen (Trametes versicolor, Coniophora puteana und Trichoderma
viride) an ausgewählten Sandwich-Spanplatten mit einer Rohdichte von 650 kg/m³ durchgeführt.
Für die genaue Betrachtung und Durchführung einer Kaskadennutzung wurden zusätzlich zu
den entwickelten verschiedenen Sandwich-Spanplatten recycelte Buchensandwichplatten (ρ=
650 kg/m³) mit 15%igem und 25%igem Anteil an bereits einmal verarbeiteten Buchensandwichspänen hergestellt. Entsprechend des Arbeitsplans erfolgte die Entwicklung und Herstellung von bindemittelfreien, marktfähigen Biobrennstoffen (Holzbriketts) auf der Basis von geringwertigen Buchenholzspänen. Diese wurden entsprechend auf ihre Brennstoffeigenschaften
überprüft. Nach Vorgabe des Arbeitsplans gaben jährliche Zwischenberichte die neuesten
Erkenntnisse und Fortschritte des Teilprojektes IO-K 2 sowie Interaktionen zwischen den Teilprojekten wieder.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Durch die primäre Nutzung von Fichten- und Kiefernholz als begehrte Rohholzquelle sowie
dem stetig ansteigenden Bedarf an Holz zeichnete sich in den letzten Jahrzehnten eine deutliche Verknappung der Nadelhölzer ab. Rohholzsortimente aus KUP´s sowie das bislang unzureichend stofflich genutzte und jährlich steigende Buchenholzaufkommen (maßgeblich Buchenschwachholz) stellen für die Holzwerkstoffindustrie mögliche Nutzungsalternativen dar,
die bislang jedoch für stoffliche Verwendungszwecke noch nicht ausreichend untersucht wurden. Die Problematik, dass bei Verarbeitungsprozessen (insbesondere Schleifvorgänge) Buchenholzstäube entstehen, welche möglicherweise kanzerogen wirken, beeinträchtigte die
stoffliche Nutzung des Buchenholzes in der Holzwerkstoffindustrie zusätzlich. In der Abteilung
Molekulare Holzbiotechnologie und Technische Mykologie des Büsgen-Institutes liegen die
Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. A. Kharazipour auf dem Themengebiet der Entwicklung, Chemie und Verfahrenstechnik von Holz- und Verbundwerkstoffen. Die Nutzbarmachung alternativer Rohstoffe zur Herstellung von Holzwerkstoffen im Laborund Pilotmaßstab steht dabei im Fokus der Forschungsgruppe. Neben den Erfahrungen verfügt das Büsgen-Institut der Georg-August-Universität Göttingen über ein Technikum mit sehr
guten Kapazitäten für die Entwicklung, Herstellung und Optimierung von Holz- und Verbundwerkstoffen. Diese werden ferner im Technikum mechanisch-technologischen Festigkeits- und
Qualitätsuntersuchungen gemäß Normvorgaben unterzogen. Eine detaillierte Auflistung der
relevanten FuE-Arbeiten findet sich auf der Institutshomepage unter http://www.uni-goettingen.
de/de/72110.html.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Aus den Untersuchungen des AP IO-K 2 ging hervor, dass eine stoffliche Nutzung von sowohl
geringwertigen Buchenhölzern als auch schwach dimensionierten Holzsortimenten aus KUP
(Weide und Pappel) durchaus denkbar ist und diese als Nutzungsalternativen für die Holzwerkstoffindustrie in Betracht gezogen werden können. Darüber hinaus zeigten die erhobenen
Resultate der unterschiedlichen Sandwich-Spanplattenvarianten die Möglichkeit einer bis zu
100%igen Einsparung von Fichtenholz in Form von reinen Laubholzspanplatten (Alternativ-
221 kombination Buchenspäne in der MS : Pappel-/Weidenspäne in der DS) auf. Die untersuchten
mechanisch-technologischen Eigenschaften der Buchensandwichplatten und Weiden-/bzw.
Pappelsandwichplatten in einer Rohdichte von 650 kg/m³ zeigten sehr gute Festigkeitseigenschaften, die die geforderten DIN-Normen erfüllten und der Referenzspanplatte aus reinem
Fichtenholz ebenbürtig bzw. überlegen waren. Dabei erlangte die Sandwich-Spanplattenvariante mit der Kombination Buchenspäne in der MS und Pappelspäne in den DS die besten Resultate. Das Mitverwenden von Rinde in den Sandwich-Spanplatten zeigte bei den Quellungseigenschaften der Pappelsandwichplatten geringfügige Nachteile. Die Pappelrinde verfügt
über bekannte quellungsfördernde Eigenschaften [ROFFAEL, 1976; ROFFAEL und DIX,
1988], welche jedoch mit entsprechend angepassten Produktionsparametern (erhöhter Hydrophobierungsmittel-einsatz) aufgehoben werden können. Im Gegenzug dazu bewirkte der Einsatz von Weiden-/ Pappelrinde in der Sandwich-Spanplatte eine leichte Emissionsreduktion
des gesundheitsgefährdenden Formaldehyds aus der Platte.
An Hand der durchgeführten Holzabbauversuche an ausgewählten Sandwich-Spanplatten
ging hervor, dass die Buchen-, Pappel- und Weidensandwichplatten bei Feuchteeinfluss über
keine Dauerhaftigkeit verfügten und von den Prüfpilzen abgebaut wurden. Ein besonders intensiver Holzabbau erfolgte durch den Weißfäulepilz Trametes versicolor sowie auch durch
den Braunfäulepilz Coniophora puteana. Hierbei wurden die KUP-Hölzer Pappel und Weide
deut intensiver zersetzt als die Buchenholzspäne. Ein positiver Effekt ergab sich aus der Kombination zweier Holzarten in der Plattenmittelschicht. So zeigten sowohl die Buchensandwichplatten mit prozentualer Mittelschichtspanmischung von 50:50 (Buche : Fichte) als auch die
Pappel- und Weidensandwichplatten mit 50 % Pappel- bzw. Weidenspäne und 50 % Buchenspäne in der MS einen geringeren Masseverlust, als die reinen Buchen-/Pappel-/Weidensandwichplatten mit 100 % Buche/Pappel/Weide in der MS.
Die für die Kaskadennutzung vorgesehenen Buchensandwich-Spanplatten verfügten auch
nach den durchgeführten Recyclingprozessen über gute Plattenqualitäten, die den DIN-Normen und der Referenzspanplatte aus Fichtenholz o. R. entsprachen. Eine effiziente stoffliche
Nutzung von Buchensandwichplatten im Sinne der Kaskadennutzung ist folglich möglich.
Hierbei sind jedoch weitere Forschungsversuche notwendig, um Aufschluss über maximal
mögliche Nutzungszyklen zu erlangen, ohne dabei Qualitätsverluste bei den Sandwichplatten
zu erhalten. Die energetische Nutzung des Buchenholzes in Form der entwickelten und untersuchten Buchenbriketts beschrieben ebenfalls positive Ergebnisse. Ohne zusätzliche Verwendung von Bindemitteln zeigten die Buchenspanbriketts gute Festigkeitseigenschaften mit hohen Heizwerten.
Arbeitsbericht 2011 - 2014
Da der Verwendungsbescheid des Teilprojektes IO-K 2 erst zum 01.10.2010 vorlag und eine
Stellenausschreibung erfolgen musste, konnte die wissenschaftlichen Mitarbeiterin, Frau Dr.
Franziska Friese, erst mit Beginn des Jahres 2011 eingestellt werden. Dadurch konnte mit der
Bearbeitung des Projektes erst ab dem 01.01.2011 begonnen werden. Somit können keine
Tätigkeiten, Durchführungen und mögliche Ergebnisse für das Jahr 2010 im Arbeitsbericht
2010 beschrieben werden.
In der Anlaufphase des BEST-Projektes beschäftigte man sich zunächst mit administrativen
Durchführungen sowie Orientierungen und Festlegungen in den Bereichen der Differenzierung
und Erstellung von Spanmaterialien. Ferner fanden zwischen den Teilprojekten IO-K 1, IO-K 3
und IO-A 5 erste Diskussionen und Einigungen statt, die die gemeinsame Nutzung von definierten Holzsortimenten bei den schnellwachsenden KUP Pappel (Pa) und Weide (Wei) formulierten. Im weiteren Verlauf des BEST-Projektes fanden kontinuierlich clusterinterne Meetings
zwischen den Teilprojekt-Bearbeitern von IO-K und IO-A 5 statt. Darüber hinaus wurden in
Zusammenarbeit mit Herrn Dr. M. Bredemeier von UP 6 arbeitspaketspezifische Nutzungspfade erstellt und bearbeitet sowie Bereitstellungen von Input- und Output-Angaben, als Informationsgrundlage für andere Teilprojekte von BEST, dargestellt.
Da zu Beginn des Jahres 2011 die Witterungsverhältnisse ein sofortiges Erschließen des Probenmaterials nicht ermöglichten, wurde die Zeit zu intensiven Literaturrecherchen und zur Einarbeitung in die Projektthematik genutzt. Anfang Februar erfolgte dann der Erwerb des geringwertigen Buchenholzes (Bu) aus dem niedersächsischen Revier Ebergötzen aus einem
222 Jungbestand (minderwertiges Durchforstungsholz) nahe Göttingen. Das Buchenmaterial wurde anschließend bearbeitet, zerspant, nach definierter Spangröße für die Verwendung in der
MS der Spanplatte fraktioniert und auf einen Feuchtegehalt von 5…7 % heruntergetrocknet.
Vorab wurden die verschiedenen Untersuchungsvarianten definiert und der variierende Rindenanteil von Ast- und Stammmaterial ermittelt. Für die Betrachtung von unterschiedlichen
Buchenvarianten wurde nach Baumabschnitten separiert: feine Äste mit Ø 2…9 cm, starke
Äste mit Ø 10…15 cm sowie Stamm Ø 16…30 cm je mit und ohne Rinde (m. und o. R.). Im
weiteren Verlauf des ersten Quartals 2011 wurde nach Absprache mit dem Flächenkoordinator
Herr Dipl.- Wirt.- Ing. G. Fleischmann von der „Bioenergie-Region Thüringer Ackerebene
(BERTA)“ die Ernte der vorab definierten Holzsortimente (Weide und Pappel) aus den KUP´s
realisiert. Wie zuvor die Buchenholzsortimente wurden auch die geernteten Holzsortimente der
Pappel und der Weide ebenfalls gehackt, zerspant, für den MS-Einsatz in der SandwichSpanplatte fraktioniert und auf einen Feuchtegehalt von 5…7 % heruntergetrocknet. Das Fichtenholz wurde aus einem Privatforstbetrieb nahe Witzenhausen (Nordhessen) bezogen, entrindet und nach gleichen Bearbeitungsschritten wie das Buchen-, Pappel- und Weidenholz in
MS-Material und zusätzlich in DS fraktioniert. Die chemischen (z. B. Holzinhaltsstoffe, pHWert, Aschegehalt) und morphologischen (wie Spananalyse, Schüttgewicht) Analysen des
Buchenmaterials und zeitversetzt des Pappel-, Weiden- und Fichtenmaterials wurden im März
bzw. April 2011 begonnen und bis Ende 2011 bzw. Mitte 2012 durchgeführt. Parallel zu den
chemischen Untersuchungen wurden die ersten dreischichtigen Sandwich-Spanplatten (ρ=
650 kg/m³) mit 100%igem Buchen-, Pappel- und Weidenholzspananteil in der MS und Fichtenspäne in der DS in den Quartalen 3 und 4 des Jahres 2011 hergestellt. Als Referenzplatten
wurden dreischichtige Spanplatten aus reinen Fichtenspänen o. R. hergestellt. Die erforderlichen Untersuchungen der mechanischen-technologischen Eigenschaften (u. a. Biegefestigkeit, Querzugfestigkeit, Dickenquellung) wurden jeweils anknüpfend an die Sandwichplattenproduktion durchgeführt. Die erhaltenen Festigkeitswerte der Sandwich-Spanplatten wurden
nach den Anforderungen für Spanplatten gemäß EN 312 [2003, 2011] im trockenen Einsatzbereich für P2 und zusätzlich dazu für P4 geprüft.
Anknüpfend an die beginnende Entwicklung der Sandwich-Spanplatten im Jahr 2011 erfolgten
im gesamten Jahr 2012 weiterführende Produktions- und Entwicklungsschritte der Sandwichplatten (ρ= 650 kg/m³) mit prozentualen Spanmischungen von 70:30 (Bu:Fi, Pa:Bu sowie
Wei:Bu) und 50:50 (Bu:Fi, Pa:Bu sowie Wei:Bu) der unterschiedlichen Holzarten in der MS.
Alle entwickelten Sandwich-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) wurden auf ihre mechanischtechnologischen und physikalischen Eigenschaften nach den EN Normen geprüft und analysiert. Des Weiteren wurden die Platten Formaldehydemissionsmessungen unterzogen.
Die im Jahr 2012 durchgeführten Untersuchungsprozesse bei den neuartigen SandwichSpanplatten mit einer Rohdichte von 650 kg/m³ verliefen erfolgreich und erzielten positive,
über den Normen liegende Ergebnisse. Diese Resultate bestärkten Zwecks effizienter Ressourceneinsparung (insbesondere von Fichtenholz, Leim und Additiven) und des bevorzugten
Einsatzes von leichteren Platten in der Holzwerkstoffindustrie weitere Analysen mit einer Reduktion der Rohdichte auf etwa 550 kg/m³. Für die Produktion der neuen rohdichtereduzierten
Platten wurde das Materialreservoir der Fichtespäne und der KUP-Hölzer Pappel und Weide
erneut aufgestockt. Hierzu erfolgte im ersten Quartal von 2013 eine weitere Ernte von Fichtensowie Pappel- und Weidenholz. Die KUP-Hölzer wurden in Zusammenarbeit mit den BESTProjektpartnern (UP 2) Herrn Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Gunther Fleischmann und Herrn Thomas
Stulier von Bioenergie-Region BERTA von der KUP Dachwich ausgewählt und gemeinsam mit
Kim Krause von dem Teilprojekt IO-K 1 und Fabian Herz von IO-A 5 Ende Januar 2013 geerntet und wie bereits im ersten Quartal 2011 verarbeitet. Zusätzlich zu der Fraktionierung in MSSpäne erfolgte bei den Pappel- und Weidenspänen eine Separierung in DS-Späne. Für die
neuen Sandwich-Spanplatten mit der Rohdichte 550 kg/m³ kamen die gleichen Variantenunterteilungen zum Tragen, wie zuvor bei den Platten mit 650 kg/m³ definiert wurde. Die Varianten der geringwertigen Buchensortimente (Ast und Stamm m. und o. R.) wurden zusammen
mit Fichtenspäne in verschiedenen prozentualen Mischungsverhältnissen von 100, 70:30 und
50:50 in den Plattenmittelschichten eingebracht. Zu gleichen prozentualen Verhältnissen erfolgte die Vermischung der Baumarten bei den Varianten mit Pappel- und Weidenholz m. R.,
jedoch in Kombination mit Spanmaterialien des Sortiments Buchenstamm 16…30 cm m. R..
223 Des Weiteren wurde auch hier die entrindete Fichte zu 100 % als DS-Material für alle entwickelten Varianten eingesetzt.
Nach Abschluss der zweiten Produktionsreihe erfolgten im dritten und vierten Quartal 2013
zusätzliche Versuche über weitere Kombinationsmöglichkeiten für die MS und DS der Sandwich-Spanplatten bei einer Standartrohdichte von 650 kg/m³. Zunächst wurden Mittelschichtvermischungen der Weiden- bzw. Pappelmaterialien mit Fichtenspänen in den prozentual variierenden Verhältnissen 70 % Weide/Pappel m. R. zu 30 % Fichte o. R. und 50 % Weide/Pappel m. R. zu 50 % Fichte o. R. durchgeführt. Die DS bestanden weiterhin aus entrindeter Fichte. Ferner wurden die KUP-Hölzer Pappel und Weide jeweils auch in die DS eingebracht, um somit eine 100%ige Substitution der Fichte zu erreichen. Hierbei wurden zum einen
Zusatzvarianten entwickelt und hergestellt, die zu 100 % aus Pappel- bzw. Weidenspäne in
die MS als auch in die DS bestanden. Zum anderen erfolgte eine beginnende Herstellung von
Sandwich-Spanplatten mit Pappel/Weide in der DS und dem geringwertigen Buchenstammsortiment 16…30 cm m. R. in der MS, welche im ersten Quartal von 2014 abgeschlossen wurde. Alle neu entwickelten Sandwich-Spanplatten wurden auf ihre mechanisch-technologischen
und physikalischen Eigenschaften nach den EN Normen geprüft und analysiert. Ferner wurden
die Sandwichplatten Formaldehydemissionsmessungen unterzogen. Im dritten Quartal 2013
wurde hierbei eine weitere Messmethode zur Formaldehydabgabeermittlung durchgeführt.
Über die 1 m³-Kammermethode sollte die Emissionsrate an Formaldehyd aus den SandwichSpanplatten der Fichtenreferenz, der Pappel- und Weidenvariante (mit 100 % Einsatz in MS)
sowie der Buchenstammvarianten 16…30 cm m./ o. R. (mit 100 % Einsatz in MS) bei einer
Rohdichte von 650 kg/m³ untersucht werden.
Im dritten Quartal 2013 wurde des Weiteren ein Holzabbauversuch bei ausgewählten Sandwich-Spanplatten der Rohdichte 650 kg/m³ durchgeführt. Dieser Begann im August und endete nach vier Monaten im ersten Quartal 2014. Hierfür wurden die Prüfpilze Trametes versicolor
und Coniophora puteana verwendet, um die Widerstandsfähigkeit der Sandwichplatten gegenüber holzabbauenden Pilzen zu untersuchen. Bei dem dritten Pilz handelte es sich um den
Schimmelpilz Trichoderma viride.
Nach der Herstellung aller geplanten Sandwich-Spanplattenvarianten wurden im ersten und
zweiten Quartal 2014 sogenannte Kaskaden-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) aus recycelten Buchen-sandwichspänen und Buchenholzbriketts aus Buchenspanresten untersucht. Für die
Kaskaden-Spanplatten wurden zwei Varianten festgelegt, welche mit 15%igem und 25%igem
Anteil an recycelten Buchensandwichspänen hergestellt wurden. Neben den mechanischtechnologischen Platteneigenschaften wurden hierbei gezielt die Formaldehyd-emissionswerte
analysiert. Die Buchenholzbriketts sowie die Referenzbriketts aus reinen Fichtenholzspänen
wurden nach definierten Parametern hergestellt und auf ihre Brennwerte analysiert. Die Briketts wurden naturbelassen und ohne Bindemittel brikettiert.
Während des Bearbeitungszeitraumes zwischen 2011 und Juni 2014 wurden die Thematiken
der Sandwich-Spanplatten mit Einsatz von 100 % reiner Buche in der MS sowie die Verwendung von KUP-Holz in der Holzwerkstoffindustrie als Projektarbeiten an vier Masterstudenten
vergeben, die von Frau Dr. Franziska Friese mitbetreut wurden.
Ergebnisbericht 2011 - 2014
Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse des AP IO-K 2 über den gesamten Bearbeitungszeitraum des Teilprojektes von 2011 bis Mitte 2014 dargestellt. Aus den morphologischen Analysen der Spanmaterialien wird zunächst deutlich, dass die Späne des geringwertigen Buchenholzes im Vergleich zu den Fichten-, Weiden- und Pappelspäne über einen höheren Anteil an Staubpartikeln verfügen. Das Spangemisch der Weichhölzer setzt sich überwiegend aus längeren und größeren Spänen zusammen, die einen höheren Schlankheitsgrad besitzen als die kubisch geformten kleineren Buchenspäne. Ferner geht aus den Untersuchungen hervor, dass die recycelten Buchensandwichspäne eine gröbere Spanzusammensetzung
aufweisen als die Fichtenmittelschicht- und Buchenmittelschicht-späne. Die recycelten Buchensandwichspäne haben zudem eine höhere Schüttdichte als die Buchenmittelschichtspäne. Innerhalb der hier untersuchten Weichhölzer besitzt die Weide die höchsten Schüttgewichte.
224 Die Analysen der chemischen Zusammensetzungen der verwendeten Holzarten lassen schließen, dass die Späne der Buchenastvariante (2…9 cm m. R.) sowie der Weiden- und Pappelhölzer (jeweils m. R.) über den höchsten Anteil an Extraktstoffen und gleichzeitig über die
niedrigsten pH-Werte (< pH 5) innerhalb der analysierten Holzarten verfügen [FRIESE, 2014].
Mit Betrachtung der ermittelten Hemicellulosen-, Lignin- und Aschegehalte zeichnen sich Unterschiede zwischen den Ast- und Stammmaterialien der Buche ab: die niedrigsten Ligninanteile sowie die höchsten Hemicellulosenwerte und Aschegehalte werden für die Buchenastvariante (2…9 cm m. R.) ermittelt. Die Buchenstammvariante (16…30 cm o. R.) verhält sich entgegengesetzt. Im Hinblick auf die KUP-Hölzer weist das Pappelholz sehr hohe Ligningehalte
auf, die annähernd den Ergebnissen der untersuchten Fichtenspäne o. R. entsprechen.
Die mechanisch-technologischen Eigenschaftsprüfungen der unterschiedlichen SandwichSpanplatten, Zusatzvarianten (reine Laubholzspanplatten aus Weide/Pappel in der DS und
Buche in der MS), Referenzspanplatten (jeweils aus 100 % reine Fichtenspäne o. R., Weidenspäne m. R., Pappelspäne m. R.) sowie Kaskaden-Spanplatten (15%iger und 25%iger Anteil
an recycelten Buchensandwichspänen) erfolgten nach den Standardprüfverfahren (u. a. EN
310, EN 311, EN 317, EN 319) für Spanplatten gemäß der DIN und der EU-Normen sowie
nach den Anforderungen der EN 312 [2011] für eine „P2“ Anwendung (Platten für Inneneinrichtung im Trockenbereich). Zusätzlich dazu wurden die Holzwerkstoffe auf ihre Rohdichteprofile sowie Formaldehydgehalte und -abgaben nach EN 120 und EN 717-3 analysiert.
Die Biegefestigkeitsprüfungen aller Sandwich-Spanplatten, Zusatzvarianten, Referenz-Spanplatten aus Weide/Pappel m. R. und Fichte o. R. sowie der Kaskaden-Spanplatten zeigen positive Untersuchungsergebnisse. Alle entwickelten und hergestellten Spanplatten mit einem
Rohdichtebereich von 650 kg/m³ erfüllen die Normanforderung gemäß EN 312 [2011]. Die
Buchensandwich-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) zeigen mit Biegefestigkeiten von 13…14 N/mm²
gute Ergebnisse (siehe Abb. 1). Ein negativer Einfluss der Buchenrinde auf die Biegefestigkeiten der Buchensandwich-Spanplatten geht aus den erhobenen Resultaten nicht hervor [FRIESE, 2014]. Ebenso positiv verhalten sich die KUP-Sandwichplatten, wobei die Weiden- bzw.
Pappelsandwichplatte mit 100%iger Verwendung von Weide bzw. Pappel (jeweils m. R.) in der
MS signifikant höhere Biegefestigkeiten von ca. 17 N/mm² aufzeigen und die Fichtenreferenzplatten übertreffen. Bei einer Rohdichtereduzierung der Platten auf etwa 550 kg/m³ erreichen
die KUP-Sandwichplatten trotz der damit einhergehenden Festigkeitsminderungen immer noch
normgerechte Biegefestigkeiten von etwa 11 N/mm². Die Sandwichplatten aus geringwertigem
Buchenholz mit einer Rohdichte von 550 kg/m³ unterschreiten hingegen geringfügig die Mindestanforderung von EN 312 [2011]. Mit Betrachtung der reinen Laubholzspanplatten verfügt
besonders die Zusatzvariante mit Pappelspänen (m. R.) in der DS und Buchenstammspänen
(m. R.) in der MS über hohe Biegefestigkeiten und stellt eine Substitutionsalternative zum Nadelholz dar (siehe Abb. 1) [FRIESE, 2014]. Dies trifft auch auf die Pappelreferenzplatten m. R.
zu. Mit Verwendung der recycelten Buchensandwichspäne bis zu 25 % in der MS der Kaskaden-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) werden Biegefestigkeiten erreicht, die über denen der Referenzspanplatten liegen.
Aus den Untersuchungen der Querzugfestigkeiten bei den unterschiedlichen Sandwich-Spanplatten, Zusatzvarianten, Referenzenplatten sowie den Kaskaden-Spanplatten mit Rohdichten
um 650 kg/m³ werden hohe Festigkeiten senkrecht zur Plattenebene von 0,49…1,16 N/mm²
ermittelt (siehe Abb. 2 und 3), die auf eine qualitativ hochwertige Verleimung und Bindefestigkeit zwischen den Spänen schließen lässt. Hervorzuheben sind hierbei die Buchensandwichplatten, insbesondere mit 100%igem Anteil an Buchenstammspänen in der MS, die sehr hohe
Querzugfestigkeiten bis hin zu hoch belastbaren Zwecken (P6) mit 0,5 N/mm² nach EN 312
[2011] erzielen (siehe Abb. 2). Daneben erreichen die Laubholzspanplatten mit Weide/Pappel
(je m. R.) in der DS und Buchenstammspänen (m. R.) in der MS ebenfalls sehr gute Festigkeitseigenschaften. Für eine mögliche Fichtenholzsubstitution stellen sie zusammen mit den
Buchensandwich-Spanplatten geeignete Varianten dar [FRIESE, 2014].
225 Biegefestigkeit [N/mm²]
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
m. R.
Buche Stamm
16...30 cm
100 %
13,39
m. R.
Pappel DSBu MS
19,50
m. R.
Weide DSBu MS
15,27
m. R.
REF
Weide
17,22
m. R.
REF
Pappel
22,26
o. R.
REF
Fichte
14,15
Variante & Mischungen
Querzugfestigkeit [N/mm²]
Abbildung 1: Biegefestigkeiten [N/mm²] der Zusatzplattenvarianten mit Pappel- bzw. Weidenspäne in
der Deckschicht (DS) (ρ= 650 kg/m³) und 100%iger Verwendung der Buchenstammvariante m. R. in der
Mittelschicht (MS) der Spanplatte. Als Referenzen (REF) stehen Weiden- und Pappelspanplatten m. R.
sowie eine Fichtenspanplatte o. R. mit Rohdichten um 650 kg/m³ zum Vergleich. Ferner ermöglicht die
Buchensandwich-Spanplatte mit 100 % Buchenstammspäne m. R. in der Mittelschicht eine Gegenüberstellung der verschiedenen Deckschichtspäne. Mindestanforderung für Spanplatten für P2 Anwendung
gemäß EN 312 [2011] beträgt 11 N/mm² (Markierung).
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
100 %
70:30 %
50:50 %
m. R.
Buche
Ast 2...9 cm
0,77
0,81
0,80
m. R.
o. R.
Buche Ast 10...15 cm
0,78
0,81
0,78
0,77
0,81
0,80
m. R.
o. R.
Buche Stamm 16...30 cm
1,03
1,02
0,92
0,96
1,07
1,03
o. R.
REF Fichte
0,80
Variante & Mischungen
Abbildung 2: Querzugfestigkeiten [N/mm²] der verschiedenen Buchensandwich-Spanplatten (ρ= 650
kg/m³) mit jeweils 100%iger Mittelschichtverwendung der Buchenspanvarianten Buche Ast 2…9 cm m.
R., Buche Ast 10…15 cm m./o. R. und Buche Stamm 16…30 cm m./o. R. sowie einer prozentualen
Mittelschichtmischung von 70:30 und 50:50 der Buchenvarianten mit Fichtenspäne o. R. Die Deckschichten der Sandwichplatten bestehen aus Fichtenspänen. Als Referenz (REF) steht eine Fichtenspanplatte o. R. (650 kg/m³) zum Vergleich. Mindestanforderung für Spanplatten für P2 Anwendung
gemäß EN 312 [2011] beträgt 0,35 N/mm² (Markierung).
Ein negativer Einfluss der Buchen- und Weidenrinde wird aus den Ergebnissen nicht ersichtlich (siehe Abb. 2 und 3). Jedoch scheint es bei der Verwendung von Pappelrinde in der MS
der Pappelsandwichplatten zu leichten Minderungen der Querzugfestigkeiten zu kommen.
LINK et al. [2012] beschreiben ähnliche geringfügige Festigkeitsabnahmen bei einem MSEinsatz von großflächigerer Kiefernrinde. Des Weiteren resultieren aus einer Spanmischung
von KUP-Hölzern und geringwertigem Buchenholz in der MS positiven Querzugfestigkeiten
(siehe Abb. 2 und 3).
226 Querzugfestigkeit [N/mm²]
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
100 %
70:30 %
50:50 %
m. R.
WeideBuche
0,66
0,69
0,71
m. R.
WeideFichte
0,66
0,63
0,66
m. R.
PappelBuche
0,49
0,57
0,82
m. R.
PappelFichte
0,49
0,79
0,76
m. R.
REF
Weide
0,62
m. R.
REF
Pappel
0,81
o. R.
REF
Fichte
0,80
Variante & Mischungen
Abbildung 3: Querzugfestigkeiten [N/mm²] der verschiedenen Weide- und Pappelsandwich-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) mit je 100%iger Verwendung von Weiden-/Pappelspänen m. R. in der Mittelschicht
sowie einer prozentualen Mittelschichtmischung von 70:30 und 50:50 der Varianten mit Buchenstammspänen m. R. bzw. Fichtenspäne o. R. Die Deckschichten der Sandwichplatten bestehen aus Fichtenspänen. Als Referenzen (REF) stehen zum einen Weiden- und Pappelspanplatten (je m. R.) sowie eine
Fichtenspanplatte o. R. mit Rohdichten um 650 kg/m³ zum Vergleich. Mindestanforderung für Spanplatten für P2 Anwendung gemäß EN 312 [2011] beträgt 0,35 N/mm² (Markierung).
Aus den Untersuchungen der 24 h Dickenquellung geht hervor, dass die Buchensandwichplatten sowie deren Mittelschichtmischungen bei einem Rohdichtebereich von 650 kg/m³ über
geringe Quellwerte (ca. 9…14 %) verfügen. Folglich wäre für diese Plattenvarianten sogar
eine „P4“ Anwendung für tragende Zwecke (max. 15 %) nach EN 312 [2003] möglich. Darüber
hinaus sind die 24 h Dickenquellungsresultate der Buchensandwich-Spanplatten vergleichbar
mit denen der Fichtenreferenz. Die Plattenvarianten mit den KUP-Hölzern Weide bzw. Pappel
neigen zu starker Quellung und überschreiten den Normwert, jedoch kann durch eine MSMischung mit Fichtenspänen in den Weiden-/Pappelsandwichplatten eine verminderte Sorptionskapazität erzielt werden. Bei einer Rohdichtereduzierung um 100 kg/m³ auf 550 kg/m³ steigen die 24 h Dickenquellungswerte aller Sandwich-Spanplatten an, insbesondere die der
KUP-Sandwichplatten. Lediglich die Buchenastvariante (2…9 cm m. R.) sowie die Buchensandwichplatten mit 100%iger Verwendung der Varianten in der MS zeigen keine Veränderung in den Quellwerten. Die Zusatzvarianten (ρ= 650 kg/m³) mit Pappel/Weide m. R. in der
DS und Buchenstammspäne m. R. in der MS sowie die Kaskaden-Spanplatten verfügen ebenfalls über positive Quellwerte nach 24 h.
Die Ergebnisse aus der Perforatormethode und der Flaschen-Methode (24 h) zeigen bei allen
untersuchten Spanplattenvarianten (650 kg/m³ und 550 kg/m³) sehr hohe Formaldehydgehalte. Die Sandwich-Spanplatten, Zusatzvarianten, Referenzplatten und Kaskaden-Spanplatten,
die ohne Formaldehydfänger behandelt wurden, entsprechen somit nicht der Richtlinie 100
des Deutschen Institutes für Bautechnik (DIBt-Richtlinie 100) von 1994 mit dem Grenzwert E1
(0,1 ppm bzw. 6,5 mg CH2O/100g atro Platte nach der Perforatormethode). Mit einer Verringerung der Rohdichte auf 550 kg/m³ verschlechtern sich zudem die Formaldehydgehalt- und
Abgabewerte der Platten. Die Buchensandwichplatten verfügen jedoch im Vergleich zur Fichtenreferenz über niedrigere Formaldehydemissionen. Ein von der Buchenrinde möglicher formaldehydreduzierender Effekt wird aus den Resultaten nicht eindeutig ersichtlich [LINK et al.,
2013; FRIESE, 2014]. Jedoch gehen mit den Rinden der KUP-Hölzer, besonders der Weidenrinde, Formaldehydreduktionen und verminderte Emissionswerte einher, die auf vorhandene
Wechselwirkungen zwischen den Polyphenolen der Weidenrinde und dem Formaldehyd
schließen lassen [ROFFAEL und DIX, 1988; LINK et al., 2013; FRIESE, 2014]. Der reduzie-
227 rende Effekt ist bei Pappelrinde hier weniger stark ausgeprägt und zeigt sich nur bei den Ergebnissen aus der Flaschen-Methode. Eine Mittelschichtspanmischung zwischen den Holzarten erweist sich bezüglich einer Formaldehydminderung als nicht vorteilhaft. Trotz der Leimmengenzunahme bei den Kaskaden-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) mit 15%igem und 25%igem
Mittelschichtanteil an recycelten Buchensandwichspänen werden keine höheren Formaldehydgehalte und Emissionswerte gegenüber der Fichtenreferenz erhoben.
Die Bewertung der natürlichen Dauerhaftigkeit gegenüber Weißfäule- und Braunfäulepilzen
sowie Schimmelpilzen erfolgte an ausgewählten Sandwich-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) mit
100%igem Einsatz von Buche bzw. Weide/Pappel in der MS sowie einer 50%igen Fichtenbzw. Buchenmittelschichtmischung und wurde in Anlehnung an EN 350-1 [1994] durchgeführt.
Nachfolgend werden die Erkenntnisse aus dem Holzwerkstoffabbau aufgezeigt: Der 16wöchige Holzwerkstoffabbauversuch zeigt keine Resistenz der unbehandelten (keine Fungizide, Holzschutzmittel) Sandwich-Spanplatten mit einer Rohdichte um 650 kg/m³ gegenüber den
drei holzabbauenden Pilzen Trametes versicolor, Coniophora puteana und Trichoderma viride.
Eine mögliche Korrelation zwischen dem visuell beurteilten Überwucherungsgrad des jeweiligen Pilzes und den Masseverlustergebnissen wird nicht erkennbar. Die Buchensandwichplatten verfügen gegenüber den KUP-Sandwichplatten mit Weide bzw. Pappelverwendung in der
Plattenmittelschicht über geringere Masseverluste. Aus den Sandwich-Spanplatten mit
50%igen Mittelschichtmischungen von Buche mit Fichte sowie Weide/Pappel mit Buche gehen
bei allen drei Testpilzen geringere Masseverlustresultate im Vergleich zur 100%igen Verwendung der Holzarten in der Plattenmittelschicht hervor. Ferner zeigen Trametes versicolor und
Coniophora puteana innerhalb der analysierten Pilze die stärksten holzabbauenden Aktivitäten.
Für die Untersuchung der hergestellten Briketts orientierte man sich an EN 15210 [2010]. Als
Spanvarianten wurden Mittelschichtspäne von entrindeter Fichte und Buchenastmaterial eingesetzt. Eine Herstellung von Briketts aus produktionsüberschüssigen MS-Spanmaterialien
der Fichte und der Buche ist nach den Festigkeitsuntersuchungen ohne zusätzlichen Einsatz
von Bindemitteln möglich. Mit einem hohen Brennwert von 19,7 MJ/kg erweist sich die Fichte
zusätzlich dazu als geeignete Variante zur Brikettherstellung. Die Festigkeit der Buchenastbriketts ist im Vergleich zu den Fichtenmittelschichtbriketts etwas geringer. Unter Einsatz von
natürlichen Bindemitteln wie z. B. Proteinen oder Stärkeleimen könnte die Qualität der Buchenbriketts verbessert werden.
Aus den erschlossenen Ergebnissen wird deutlich, dass die Anwendung der geringwertigen
Holzrohstoffe in Sandwich-Spanplatten durchaus möglich ist und marktfähige Produkte entstehen können, die der konventionell hergestellten Spanplatte ebenbürtig sind und darüber hinaus zum Teil über bessere Eigenschaften verfügen.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Die clusterinternen Zusammenarbeiten von IO-K und IO-A 5 bestanden über den gesamten
Verlauf des BEST-Projektes. Im Verlauf der Jahre, zwischen 2011 bis Mitte 2014, fanden immer wieder vereinzelte Diskussionen und Zusammenkünfte zwischen den TeilprojektBearbeitern statt, in denen neue Ergebnisse besprochen und Fragestellungen aufgegriffen
und erörtert wurden. Hierbei kristallisierte sich insbesondere die Thematik der Kaskadennutzung heraus, die für das Jahr 2013 im Fokus stand und für 2014 weiter verfolgt wurde. IO-K 2
stellte diesbezüglich das recycelte Buchenspanmaterial für die Teilprojekt-Bearbeiter von IO-K
und IO-A 5 zur Verfügung. Darüber hinaus führten die AP´s von IO-K und IO-A 5 gemeinsame
Materialbeschaffungen sowie -verarbeitungen durch.
228 Arbeitsplan 2011 - 2014
Tabelle 1: Darstellung des Arbeitsplans von 2011 bis 2014 für das Teilprojekt IO-K 2
Nr.
Arbeitsplan IO-K 2
1A
1B
2
Eigenschafts- & Strukturanalyse von Buchenrestholz
Eigenschafts- & Strukturanalyse von KUP- Holz
Materialgewinnung, Entwicklung, Zerkleinerungstechnik
Einsatz vers. Altersklassen, Dimensionen & Substitutionen
in MS für Herstellung von Sandwichplatten
Verfahrenstechnische & praxisbezogene Untersuchungen
Werkstoff- & Emissionsprüfung
Produktanalyse
Entwicklung, Herstellung & Analyse von Buchenbriketts
Brennwertanalyse der Buchenbriketts
Gemeinsame Auswertung mit weiteren BEST-TPs; Bericht
Kaskadennutzung der Sandwichplatten, Herstellung &
Analyse
3
4
5
6
7
8
9
10
Halbjahr
2011 2012
I
II
I
II
x x
x
x
x x
x
x
Halbjahr
2013 2014
I
II
I
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x
x
x
x
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x
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x
x
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x
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x
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x
x
x
x
x
x
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Arbeits- und Zeitplan: Die für den Zeitraum von 2011 bis 2014 angestrebten Arbeitsschritte
konnten fast alle gemäß dem Arbeitsplan zeitgetreu realisiert werden. Es wurden darüber hinaus zusätzliche Testversuche (wie z. B. Einsatz von bis zu 100 % Buchenspäne in der MS, die
Herstellung reiner Laubholz-Spanplatten, Sandwich-Spanplatten in der Rohdichte 550 kg/m³)
durchgeführt, die sich aufgrund des Erkenntnisgewinns sehr positiv auf die Datenerhebungen
ausgewirkt haben. Die Arbeitsschritte 7 und 8 (siehe Tabelle 1) wurden infolge dessen erst ab
dem ersten Quartal des Jahres 2014 bearbeitet. Darüber hinaus erforderten die zeitintensiven
Aufarbeitungen der Rohmaterialien und weitergehende Entwicklungsprozesse sowie Untersuchungen der Sandwich-Spanplatten diese Umstrukturierung des Arbeitsplanes hinsichtlich der
Brikettherstellung. Als zusätzliche Untersuchung kam die Kaskadennutzung der SandwichSpanplatten hinzu und wurden in den Arbeitsplan mit aufgenommen. Für das erste und zweite
Quartal im Jahr 2014 wurden hierfür Produktionen und Analysen durchgeführt.
Finanzplan: Wegen der kurzen Vorlaufzeit zwischen Genehmigung und Beginn des Forschungsvorhabens konnte in dem Arbeitspaket IO-K 2 die Arbeit erst mit erheblicher Verzögerung (ab 01.01.11) begonnen werden, da sich die Ausschreibungen und die Einstellung von
Frau Dr. Friese deutlich verzögert haben. Aus diesem Grund wurde eine Verlängerung der
Laufzeit des Arbeitspaketes IO-K 2 zunächst bis zum 31.12.2013 beantragt. Aufgrund des
kosteneffizienten Arbeitens in diesem Projekt und dem damit einhergehenden Überschuss von
Geldern konnte das Teilprojekt IO-K 2 bis 30.06.2014 weiter finanziert und verlängert werden.
Die Finanzmittel für die Verlängerung wurden dafür bei dem Koordinationsteam von UP 6 entsprechend beantragt und genehmigt.
Zusätzlich zu den aufgeführten Projektinhalten für IO-K 2 wurden im Jahr 2014 projektübergreifende Veröffentlichungen angestrebt, die als Schwerpunkt die Kaskadennutzung setzten.
229 Tabellarische Gegenüberstellung von vorgegebenen Zielen und erreichten Ergebnissen
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Eigenschafts- & Strukturanalyse
von geringwertigem Buchenholz &
KUP- Holz
Bestimmung der Holzinhaltsstoffe, Asche- & Sandgehalt, pH- Wert & Pufferkapazität sowie Siebanalyse
& Schüttdichte für Buche, Fichte, Pappel & Weide
Herstellung von SandwichSpanplatten (ρ= 650 kg/m³) mit
variierendem prozentualen Anteil
an Buche, Pappel, Weide & Fichte
in MS & Fichtenspäne ohne Rinde
in der DS
Herstellung von Sandwich-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³)
aus 100 %, 70 %: 30 % & 50 % : 50 % Spanmischung
(je 2 Holzarten in MS) zwischen Buche, Weide bzw.
Pappe & Fichte in der MS sowie Fichte ohne Rinde
als Referenz + mechanisch-technologische Untersuchung
Herstellung von SandwichSpanplatten (ρ= 550 kg/m³) mit
variierendem prozentualen Anteil
an Buche, Pappel, Weide & Fichte
in MS & Fichtenspäne ohne Rinde
in der DS
Herstellung von Sandwich-Spanplatten (ρ= 550 kg/m³)
aus 100 %, 70 %: 30 % & 50 % : 50 % Spanmischung
(je 2 Holzarten in MS) zwischen Buche, Weide/ Pappel & Fichte in der MS sowie Fichte ohne Rinde als
Referenz + mechanisch-technologische Untersuchung
Erreichen der Spanplattenanforderungen nach EN 312 [2011] für P2
hergestellte Sandwich-Spanplatten mit ρ= 650 kg/m³
erreichen alle Anforderungen nach EN 312 [2011] für
P2; Sandwichplatten mit ρ= 550 kg/m³ erreichen nach
EN 312 [2011] fast alle geforderten Werte für Biegefestigkeit P2; Querzugfestigkeit alle bis Anwendung
P6; KUP zeigen hohe Quellwerte bei ρ= 550 kg/m³
Herstellung von SandwichSpanplatten (ρ= 650 kg/m³) mit
Buchenspäne in MS & KUP Weide/Pappelspäne in DS; reine Laubholz-Spanplatten als Alternative
hergestellte Sandwich-Spanplatten (ρ= 650 kg/m³) mit
Buchenspäne in MS & KUP in DS erreichen alle Anforderungen nach EN 312 [2011] für P2; Festigkeitseigenschaften deutlich besser als Referenz sowie Buchensandwichplatten → beste Alternativvarianten
Entwicklung, Herstellung & Analysen von Buchenbriketts sowie
Brennwertanalyse
hergestellte Briketts aus Buchenspäne & Fichtenspäne weisen gute Formbeständigkeitseigenschaften &
Brennwertresultate auf; Buchenbriketts zeigen vergleichbare Qualitäten wie Referenzbriketts aus Fichte
Kaskadennutzung der Sandwichplatten, Herstellung & Analyse von
recycelten Buchensandwichplatten
bestehend aus wiederaufbereiteten
Buchensandwichspänen
entwickelte Kaskaden-Spanplatten mit 15 % & 25 %
Anteil an recycelten Buchenspäne erzielen gute Platteneigenschaften; keine Zunahme der Formaldehydemission
Holzabbauversuch an ausgewählten Sandwich-Spanplatten mit 3
Prüfpilzen (T. versicolor, C. puteana, T. viride)
ausgewählte Sandwichplatten zeigen keine Dauerhaftigkeit gegenüber Weiß- & Braunfäule sowie Schimmelpilz; KUP-Sandwichplatten werden intensiver zersetzt als Buche
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
Die während des Projektvorhabens zusätzlich durchgeführten Untersuchungen gaben weiterführende Antworten auf erste offene Forschungsfragen, die sich im Zuge der Projektbearbeitung ergaben. Dazu zählte unter anderem die Realisierung einer vollständigen Fichtenholzeinsparung, welche durch die Entwicklung von reinen Laubholz-Spanplatten umgesetzt und näher
analysiert werden konnte. Durch die Erweiterung der Untersuchungen im Projekt IO-K 2 kamen anknüpfend neue Forschungsfragen hinzu. Hier wäre der Einfluss der Rinde von Pappel
und Weide auf die Platteneigenschaften (z. B. Quellung, Formaldehydemission) zu nennen,
wenn diese nicht mit in die Sandwich-Spanplatten eingetragen würden. Ebenfalls weiter zu
230 erforschen wäre der positive Reduktionseffekt der Formaldehydemission aus den SandwichSpanplatten durch die Weiden- bzw. Pappelrinde. Ferner sind noch Fragen zur Klärung offen,
die eine effektive mehrfache Kaskadennutzung von recycelten Buchensandwichplatten umfassen. Hier wären fortführende Forschungsansätze notwendig. Bezüglich der Brikettentwicklung
sind weitere Untersuchungen mit natürlichen Bindemitteln (wie z. B. Protein) empfehlenswert,
um eine noch bessere Spanhaftung der Briketts zu analysieren.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspaketes
Friese, F. [2013]: Geringwertiges Buchenholz und Hölzer aus Kurzumtriebsplantagen in der
Mittelschicht von Spanplatten zur Entlastung des Nadelholzmarktes. Poster zur IHDFachtagung „10. Holzwerkstoffkolloquium“ in Dresden vom 12. – 13. Dezember 2013.
Friese, F., Kharazipour, A. [2013]: Geringwertiges Buchenholz und Hölzer aus Kurzumtriebsplantagen in der Mittelschicht von Spanplatten zur Entlastung des Nadelholzmarktes. Tagungsbandbeitrag zum 10. Holzwerkstoffkolloquium-Innovationen Binden, Wert statt
Wachstum, IHD Dresden, S. 201-202.
Friese, F.; Euring, M.; Kharazipour, A. [voraussichtliche Veröffentlichung April 2015]: Particleboards from newly exploited wood sources as a starting point of cascade utilization. In:
Bemmann et al. (Hrsg.): Bioenergy from Dendromass for the Sustainable Development of
Rural Areas. Beitrag wurde eingereicht.
Friese, F. [2014]: Entwicklung von Sandwich-Spanplatten aus geringwertigem Buchenholz
(Fagus sylvatica L.) und Holzsortimenten aus Kurzumtriebsplantagen zur Entlastung des
Nadelholzmarktes. Dissertation, Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen.
Literatur
DIBt 100 [1994:] Richtlinie über die Klassifizierung und Überwachung von Holzwerkstoffplatten bezüglich der Formaldehydabgabe (DIBt-Richtlinie 100). Mitteilungen des Deutschen Institutes für Bautechnik,6/1994: S. 203-207, Berlin.
EN 120 [1992]: Bestimmung des Formaldehydgehaltes; Extraktionsverfahren genannt Perforatormethode. Deutsches Institut für Normung. Beuth- Verlag GmbH. Berlin.
EN 310 [1993]: Bestimmung des Biege-Elastizitätsmoduls und der Biegefestigkeit. Deutsches Institut für
Normung. Beuth- Verlag GmbH. Berlin.
EN 312 [2011]: Spanplatten – Anforderungen. Beuth- Verlag GmbH. Berlin
EN 317 [1993]: Bestimmung der Dickenquellung nach Wasserlagerung. Deutsches Institut für Normung.
Beuth- Verlag GmbH. Berlin.
EN 319 [1993]: Bestimmung der Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene. Deutsches Institut für Normung. Beuth- Verlag GmbH. Berlin.
EN 350-1 [1994]: Dauerhaftigkeit von Holz und Holzprodukten – Natürliche Dauerhaftigkeit von Vollholz
– Teil1: Grundsätze für die Prüfung und Klassifikation der natürlichen Dauerhaftigkeit von Holz.
Deutsche Fassung EN 350-1:1994. Deutsches Institut für Normungen e. V. 1999. 6. Auflage,
Beuth-Verlag, Berlin, Wien, Zürich.
EN 15210 [2010]: Feste Biobrennstoffe - Bestimmung der mechanischen Festigkeit von Pellets und
Briketts - Teil 2: Briketts. Deutsche Fassung EN 15210-2:2010. Deutsches Institut für Normungen
e. V. Beuth-Verlag, Berlin, Wien, Zürich.
FRIESE, F. [2014]: Entwicklung von Sandwich-Spanplatten aus geringwertigem Buchenholz (Fagus
sylvatica L.) und Holzsortimenten aus Kurzumtriebsplantagen zur Entlastung des Nadelholzmarktes. Dissertation, Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen.
LINK, C.; KRAFT, R.; KHARAZIPOUR, A. [2012]: Baumrinden als Alternativrohstoff zur Spanplattenherstellung- Teil 1: Einfluss von Rinden auf die physikalisch-technologischen Eigenschaften. In: Holztechnologie 53 (5): S.17-21.
LINK, C.; KRAFT, R. & KHARAZIPOUR, A. [2013]: Baumrinden als Alternativrohstoff zur Spanplatten-
231 herstellung. Teil 2: Einfluss von Rinden auf die Formaldehydabgabe. Holztechnologie 54 (3).
ROFFAEL, E. [1976]:Die Bedeutung der Inhaltsstoffe der Rinde für ihre Verwendung in Spanplatten. 1.
Mitteilung: Einfluss der Inhaltsstoffe auf die Formaldehydabgabe von Rindenplatten. Holzforschung
30 (1): S. 9-14.
ROFFAEL, E.; DIX, B. [1988]: Zur Bedeutung von schnellwüchsigen Baumarten als Rohmaterial für die
Holzwerkstoffherstellung unter besonderer Berücksichtigung von Pappelholz für Spanplatten. In:
Holz als Roh- und Werkstoff 46: S. 245-252, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg.
232 Arbeitspaket:
IO-K3
Thema:
Extradichte Faserplatten (EDF) und Thermographie
Antragsteller
Dr. Dirk Berthold
Institut:
Fraunhofer WKI, Abt. Verfahrenstechnologie Holzwerkstoffe
Dauer:
01.09.2010 – 31.12.2013
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Phys. Peter Meinlschmidt
I.
Kurze Darstellung zu
1.
Aufgabenstellung
Im Rahmen des Teilprojekts „IO 15 - Extradichte Faserplatten und Thermographie“ galt es, folgende Aufgabenstellung im Bereich der Verfahrenstechnologie und Produktentwicklung in Zusammenarbeit mit der Holzwerkstoffindustrie zu realisieren:
1. Nutzung der minderwertigen Buchenholzsortimente für die Herstellung extradichter Faserplatten (EDF) nach dem Trockenverfahren.
2. Optimierung der Werkstoffeigenschaften durch gezielte Manipulation der Prozess (Faseraufschluss, Pressdiagramm) und Produktparameter (Klebstoffanteile und -arten,
Rohdichte, Anteile der Holzarten)
3. Veredlung und Erweiterung des Einsatzspektrums der neuen Werkstoffe durch die gezielte Modifikation der Faser- und Produkteigenschaften (Acetylierung).
4. Ausrichtung auf eine Kaskadennutzung der Rohstoffe mit dem Ziel der Vervielfachung
der Wertschöpfung und der CO2-Speicherzeit.
Weiterhin sollten durch den Einsatz neuester Messtechniken die realen Rohholzqualitäten in
den Beständen objektiv erfasst, dadurch die waldbauliche Planung optimiert, der Einschlag
sowie die Sortierung gezielt auf die jeweils benötigten Qualitäten abgestimmt und letztendlich
die Wertschöpfung maximiert werden. Hieraus ergibt sich ein weiteres Ziel des Teilprojektes:
5. Entwicklung, Anpassung und Erprobung objektiver und praxistauglicher Methoden zur
Qualitätserfassung in Buchenbeständen.
Diese F&E-Arbeiten zur Optimierung der forstlichen Inventurverfahren und der gezielten Einschlagssteuerung sollten in enger Kooperation mit den thematisch eng verknüpften Teilprojekten IO 10 und BI 5 des Gesamtvorhabens stattfinden.
2.
Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde
Die bereits realisierte und weiter fortschreitende Erhöhung des Laubwaldanteils wird das
Laubholzaufkommen im Allgemeinen und das Aufkommen an Buchenholz im Speziellen zukünftig stark erhöhen. Dagegen werden sich beim Nadelholz, der Haupt-Rohstoffquelle der
Holzwerkstoffindustrie, kurz- bis mittelfristig drastische Versorgungsengpässe einstellen. Die
bei der Buchenwirtschaft zu hohen Anteilen anfallenden minderwertigen Rohholz-Sortimente
finden derzeit kaum Eingang in die Produktionsprozesse der holzverarbeitenden Industrie,
sondern werden ohne „stoffliche Vornutzung“ direkt für energetische Zwecke verwendet. Dies
ist sowohl im Sinne einer anzustrebenden Maximierung der regionalen Wertschöpfung unwirtschaftlich als auch unter dem Aspekt einer möglichst langfristigen CO2-Speicherung in den
Holzprodukten ökologisch ineffektiv. Hingegen würde eine Kaskadennutzung, also die voran-
233 gestellte, mehrmalige stoffliche Nutzung der Rohstoffe mit zeitlich verzögerter, abschließender
energetischer Verwendung, zu einer ökonomisch wie auch ökologisch optimaler Nutzung führen. Die gleichen Argumente gelten auch für die Verwendung der aus Kurzumtriebsplantagen
stammenden Rohholzsortimente. Eine der energetischen Nutzung vorgeschaltete stoffliche
Verwendung dieser Sortimente würde, wie auch im Falle der stofflichen Verwendung geringwertiger Waldholzpotenziale, die regionale Wertschöpfung stark verbessern und das Potenzial
einer möglichst langfristigen CO2-Speicherung vollständig ausschöpfen.
Um der Forst- und Holzwirtschaft eine Perspektive für die stoffliche Verwendung von geringwertiger Buche und schwach dimensionierten Sortimenten aus Kurzumtriebsplantagen zu erschließen, ist die Entwicklung neuer Verfahren und innovativer Produkte auf Basis dieser Rohstoffe zwingend erforderlich. Diese Produkte müssen lange Lebenszyklen aufweisen, eine
mehrfache stoffliche Verwendung im Sinne der anzustrebenden Kaskadennutzung erzielen
und am Ende auf eine energetische Nutzung ausgerichtet sein. Solche Produkte müssen neu
entwickelt und bis zur Marktreife optimiert werden.
Daher umfassen die drei Teilprojekte des Moduls „Innovation und Optimierung / Stoffliche
Nutzungspfade“ folgende verwertungsorientierte Untersuchungen

Entwicklung von „Holzverbundwerkstoffen / WPC“

Entwicklung von „Sandwichplatten“

Entwicklung von „Extradichten Faserplatten“
Aufgrund bisher fehlender Methoden zur objektiven Erfassung der inneren Holzeigenschaften
am stehenden Baum aber auch am gefällten Stamm entstehen der Forstwirtschaft jährlich
hohe Wertschöpfungsverluste. Durch die Entwicklung praxistauglicher Messtechniken für die
direkte Qualitätserfassung im Rahmen der forstlichen Inventuren und der Gütesortierung des
Stammholzes am Lagerplatz könnten Erntemaßnahmen gezielt durchgeführt, die Ausbeute
des Stammholzes erheblich vergrößert und damit das wirtschaftliche Ergebnis der Betriebe
insgesamt stark verbessert werden. Daher hat sich im Rahmen der Untersuchungen des Teilmoduls „Stoffliche Nutzungspfade“ ein Arbeitspaket dem Thema

„Entwicklung, Anpassung und Erprobung objektiver und praxistauglicher Methoden zur
Qualitätserfassung in Buchenbeständen“
gewidmet.
Hauptanliegen und übergeordnetes wissenschaftliches Arbeitsziel des Teilmoduls „Stoffliche
Nutzungspfade“ ist die Durchführung verwertungsorientierter Untersuchungen zur stofflichen
Nutzung geringwertiger Buche und schwach dimensionierten Holzsortimenten aus Kurzumtriebsplantagen mit dem Ziel der Entwicklung marktfähiger Produkte für die holzverarbeitende Industrie. Die gesamte Entwicklungsarbeit orientiert sich hierbei an der Maximierung von
Wertschöpfung und langfristiger CO2-Speicherung durch die mehrfache stoffliche Nutzung mit
abschließender energetischer Nutzung.
Auch die Entwicklung neuer Methoden zur direkten und objektiven Qualitätserfassung des
Buchenstammholzes ist auf eine unmittelbare Umsetzung in die Praxis und somit auf eine Optimierung der betrieblichen Wertschöpfung ausgerichtet.
Von den Projektergebnissen werden sowohl Wissenschaft und Wirtschaft gleichermaßen sowie die ländlichen Räume als „Orte der Wertschöpfung“ im besonderen Maße profitieren.
3.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Entsprechend des im Projektantrag dargestellten Gesamtarbeitsplans (siehe Tabelle 1) wurden folgende Arbeiten im Arbeitspaket Nr. 8 (siehe roter Pfeil in Tabelle 1) durchgeführt:
1.
2.
3.
4.
5.
Zerfaserung der Rohstoffe
Herstellung von Faserplatten im halbindustriellen Maßstab
Überprüfung der mechanisch-hygrischen Platteneigenschaften
Herstellung von MDF aus acetylierten Fasern (Zusammenarbeit mit IO-K1)
Erste Thermographie-Messreihen
234 6. Verifizierung der Messungen am eingeschlagenen Holz (erste Messreihen durchgeführt; Weiterführung im Zuge der nächsten Einschlagssaison, Kooperation mit Sägewerksbetrieben)
7. Herstellung von EDF aus acetylierten Fasern
8. Herstellung von EDF mit verbesserten hygrischen Eigenschaften (Hydrophobierung)
9. Überprüfung der mechanisch-hygrischen Platteneigenschaften (für o.g. Versuchsreihen)
10. Beginn der Dauerhaftigkeitsuntersuchungen
11. Thermographie Messungen (erneute Bestandsauswahl; nächste Messung zu Beginn
der Vegetationszeit; im Laufe und am Ende der Vegetation. Weiterführung im Zuge der
nächsten Einschlagssaison)
12. Verifizierung der Messungen am eingeschlagenen Holz
13. Herstellung von EDF unter Zugabe speziell entwickelter Hydrophobierungsmittel (Zusammenarbeit mit Sasol Wax)
14. Überprüfung der mechanisch-hygrischen Platteneigenschaften (für o.g. Versuchsreihen)
15. Weiterführung und Auswertungen der Dauerhaftigkeitsuntersuchungen
16. Thermographie Messungen (Weiterführung im Zuge der nächsten Einschlagssaison)
17. Verifizierung der Thermographie-Messungen am eingeschlagenen Holz (im Polter und
beim Einschnitt / Kooperation mit dem Sägewerk Krome)
Durch veränderte Rahmenbedingungen im Laufe der Projektarbeiten (Verschärfung der Versorgungsengpässe beim Nadelholz) und durch die Resonanz auf die Präsentation der Ergebnisse (bzw. der Ergebnisse des gesamtes Clusters IO-K) hat sich gezeigt, dass der Themenbereich „Kaskadennutzung“ innerhalb des gesamten Projektverbundes noch stärker berücksichtigt werden sollte und daher der Arbeitsplan des Clusters IO-K anzupassen ist. Entsprechend der Anfang 2013 beschlossenen „Erweiterung“ wurden bis Projektende noch folgende
Arbeitspakete bearbeitet:
18. Herstellung von EDF aus Gebrauchtholz / Kaskadennutzung (siehe auch Flow-Chart in
Abbildung 2)
19. Überprüfung der mechanisch-hygrischen Platteneigenschaften (für o.g. Versuchsreihe)
20. Weiterführende thermographische Untersuchungen (Weiterführung der Messungen im
Bestand und Verifikation am eingeschlagenen Holz während des Einschnitts)
Tabelle 1: Balkenplan des gesamten BEST Verbundprojektes
235 4.
Wissenschaftlicher und technischer Stand an den angeknüpft wurde
Allgemeiner Stand
Holzwerkstoffe sind in Deutschland heute nach den Sägeholzprodukten das zweitwichtigste
Segment der Rohholznutzung (Marutzky 2004). Die Produktionsmenge von Span- und Faserplatten liegt in Deutschland bei zusammen etwa 13 Mio. Kubikmetern (VHI, 2008). Der jährliche Rohstoffbedarf der deutschen Holzwerkstoffindustrie liegt derzeit bei rd. 20,5 Mio. m3,
wovon 10,7 Mio. m3 aus Waldholz gedeckt werden (Mantau et al., 2007). Hierbei handelt es
sich primär um Nadelhölzer (v. a. Fichte und Kiefer), so dass die Branche aufgrund der sich
abzeichnenden und bereits spürbaren Verknappung und Verteuerung dieser Rohholzsortimente sowie der prognostizierten Kapazitätsausweitungen in naher Zukunft auf zusätzliche bzw.
alternative Rohstoffquellen angewiesen und in vielen Bereichen zum Umdenken gezwungen
sein wird.
Von dem potenziellen jährlichen Buchenholzaufkommen in Höhe von rund 24 Mio. m3 wurden
in den letzten Jahren nur knapp 40% (8,5 bis 10 Mio. m3) pro Jahr genutzt (BMELV, 2004).
Buchenschwachholz aus Durchforstungen (sog. Buchenindustrieholz) findet lediglich bei der
Zellstoff- und Papierproduktion (Druckpapiere) einen mengenmäßig nennenswerten Eingang.
Hochwertiges Buchenstarkholz wird zu Schnittholz und Furnieren verarbeitet. Die Kapazitäten
der Laubholzverarbeitenden Betriebe sind aber bei weitem nicht so hoch wie die der Nadelholzverarbeitenden Betriebe in Deutschland. Des Weiteren werden über diesen Wirtschaftszweig fast ausschließlich hochwertige Sortimente verarbeitet. Stoffliche Nutzungsalternativen
für die minderwertigen Sortimente sind quasi nicht vorhanden.
Rohholzsortimente aus Kurzumtriebsplantagen finden bisher keinen Eingang in die inländische
Produktion von Holzwerkstoffen und dienen bisher rein energetischen Zwecken.
Aus forstlicher Sicht bedeuten Holzzersetzungen und/oder eine verringerte Vitalität von Bäumen hohe Wertverluste. Hinweise auf das Vorliegen einer Holzfäule geben häufig erst die
Fruchtkörper der Fäulererreger, die an verschiedenen Stellen am Stamm auftreten können.
Sind keine Fruchtkörper vorhanden kann z. B. durch Bohrkernentnahme ein Anhaltspunkt für
das Vorhandensein einer Fäule gewonnen werden. Die Thermographie dagegen bietet die
Möglichkeit einer zerstörungsfreie Diagnose von Rinden- und Stammholzschäden wie die Forschergruppe um Catena et al. (1990,2002, 2003) gezeigt hat. Dabei wurde prinzipiell demonstriert, dass es möglich ist, mit Hilfe der passiven Thermographie Schäden an Baumstämmen
(Hohlräume) und am Wurzelwerk zu erkennen. Hierzu wurde eine Thermographiekamera benutzt, die im Wellenlängenbereich von 8 µm bis 14 µm arbeitet und eine Temperaturauflösung
von 0,1 °C besitzt. Mit dieser Kamera wird die Oberflächentemperatur des Baumes aufgezeichnet, ohne dass Energie in das Objekt gesondert eingebracht wird (passive Thermographie). Die Beobachtung der Temperaturverteilung dient dem Forscherteam als Anhaltspunkt,
Schäden in Bäumen zu diagnostizieren.
Die Arbeiten in den hier vorgestellten Teilprojekten fokussieren sich auf die Entwicklung sinnvoller und marktfähiger Nutzungspfade für geringwertige Buchenholzsortimente (sowohl Starkals auch Schwachholz) sowie auf die stoffliche Verwendung schwach dimensionierten Rohholzsortimente aus Kurzumtriebsplantagen. Es sollen in Zusammenarbeit mit der holzverarbeitenden Industrie neue Verfahren für Produkte aus Laubholz entwickelt werden, die den Unternehmen eine echte Alternative zum Nadelholz bieten.
Die Implementierung neuer Methoden zur direkten, objektiven Qualitätserfassung der inneren
Holzeigenschaften soll einen Beitrag zur Erhöhung der Wertschöpfung und gezielten Einschlagsplanung und verbesserten Gütesortierung für die Forstbetriebe liefern.
Wissenschaftlicher und technischer Stand im WKI [IO 15]
Neben verfahrenstechnischen Innovationen tragen vor allem neue Produkte oder Produkttypen zu einer breiteren Anwendung von Holzwerkstoffen bei. Die Entwicklung und Optimierung von Holzwerkstoffen zählt zu den klassischen Forschungsbereichen des Fachbereichs
Verfahrenstechnik und Holzwerkstoffe (jetzt Verfahrens- und Systemtechnik Holzwerkstoffe /
VST) des Fraunhofer WKI. Während vor einigen Jahren noch die Spanplatte im Mittelpunkt
zahlreicher Forschungsprojekte stand, sind es heute vor allem Faserplatten und strukturorientierte Holzwerkstoffe, die ein hohes Innovationspotenzial aufweisen. Versuche zur Eignung
236 verschiedener Klebstoffe für die unterschiedlichen Holzwerkstoffe gehören ebenso zu den
Schwerpunkten wie Untersuchungen zur effektiven Rohstoffnutzung. So werden neben Holz
auch andere nachwachsende Rohstoffe (Flachs, Hanf, Stroh, Bagasse) zu Plattenwerkstoffen
verarbeitet und geprüft.
Das Technikum des WKI ermöglicht die Herstellung aller gängigen Holzwerkstoffe sowie die
Untersuchung ihrer mechanischen und hygrischen Eigenschaften. Die Ausstattung umfasst
verschiedene Anlagen zur Vorzerkleinerung, zur Spanaufbereitung und zur Herstellung von
Holzfasern. Für die Klebstoffzugabe stehen verschiedene Mischer zur Verfügung, die eine auf
den Rohstoff angepasste Klebstoffzugabe ermöglichen. Zwei moderne SPS gesteuerte Heißpressen simulieren den kontinuierlichen industriellen Pressprozess. Bei einer Pressfläche von
1200 x 1600 mm² sind Plattenabmessungen im kleinindustriellen Maßstab herstellbar.
Den Schwerpunkt der Arbeiten im Fachbereich Prozessmesstechnik (jetzt auch VST) bilden
die Entwicklung und Realisierung von Messverfahren für die Prozess- und Qualitätskontrolle in
der holzverarbeitenden Industrie. Besondere Bedeutung haben dabei zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Infrarot-Thermographie, Bildverarbeitungsverfahren und optische sowie akustische Messtechniken. Die entwickelten Messverfahren sind nicht auf die Holzbranche beschränkt, sondern werden auch in anderen Industriezweigen eingesetzt. Ein wichtiges Beispiel
dafür ist die zerstörungsfreie Prüfung von Rotorblättern von Windenergieanlagen und anderen
Objekten aus glasfaserverstärkten Kunststoffen sowie ähnlichen Verbundwerkstoffen.
Aktuelle Veröffentlichungen zu thematisch relevanten Projekten des Fraunhofer WKI:
(a.) Faserplatten:
Dix, B.; Peters, H. (Mitarb.); Köhler, B. (Mitarb.) (2009) Internationaler Verein für Technische
Holzfragen: Papier-Nassklebestreifen-Reststoffe als Rohstoff für mitteldichte Faserplatten
Braunschweig
Roffael, E.; Dix, B.; Behn, C.; Bär, G. (2008) Benetzung von TMP und CTMP aus Holz sowie
gebrauchten mitteldichten Faserplatten (MDF). In: Holz als Roh- und Werkstoff. 66 (2008),
5, 389-390
Meinlschmidt, P. (2006) Bestimmung der lateralen Dichteverteilung in dünnen Faserplatten
(Teil 1 & 2), Kurzberichte des WKI.
Roffael, E.; Dix, B.; Schneider, T. (2006) Einfluss der Faser-zu-Faser-Bindung auf MDF: Fasereigenschaften werden insbesondere von der Holzart und den Aufschlussbedingungen
beeinflusst. In: Holz-Zentralblatt. 132, 16, S. 463 - 464.
Roffael, E.; Dix, B.; Schneider, T. (2005) Beiträge zur Entstehung der Faser-zu-Faser-Bindung
in Faserplatten. In: Institut für Holztechnologie: 6. Holzwerkstoffkolloquium: Holzwerkstoffe
leicht gemacht: 8.-9. Dezember 2005 in Dresden.
(b.) Thermographie:
Aderhold, J. (2008) Heat flow thermography for non-destructive testing of rapid components
and tools. In: Meyer, Rudolf (Ed.); Fraunhofer-Allianz Rapid Prototyping: High-Tech Solutions and Concepts - Hochtechnologielösungen und anwendbare Praxis-Konzepte: EurouRapid 2008; International User's Conference on Rapid Prototyping & Rapid Tooling &
Rapid Manufacturing; Berlin, Germany, September 23-24, 2008; Proceedings. FraunhoferAllianz Rapid Prototyping: Magdeburg, 2008, p. 267 - 277.
Lukowsky, D.; Meinlschmidt, P.; Graf Grote, W. (2008) Ultraschallangeregte Thermographie
an Holzverklebungen: Entwicklung einer Prüfmethode. In: Holztechnologie. 49 (2008), 5,
S. 42 - 47
Aderhold, J. (2007) Online-Thermographie als Werkzeug zur Qualitätskontrolle. In: Bauer,
Norbert (Hrsg.); Fraunhofer Allianz Vision: Handbuch zur industriellen Bildverarbeitung:
Qualitätssicherung in der Praxis. Stuttgart : Fraunhofer IRB-Verl., S. 364 - 368. (Vision).
237 Meinlschmidt, P.; Aderhold, J. (2005) Grundlagen der Online-Thermographie. In: Bauer,
Norbert (Red.); Fraunhofer Allianz Vision: Leitfaden zur Wärmefluss-Thermographie: zerstörungsfreie Prüfung mit Bildverarbeitung. Erlangen, S. 5 - 7. (Vision 8)
Plinke, B. (2005) Nondestructive testing of finger-jointed structural timber: overview of possible
methods, results of preliminary evaluations, and possibilities for industrial implementation.
In: Bröker, Friedrich-Wilhelm (Ed.): Proceedings of the 14th International Symposium on
Nondestructive Testing of Wood: May 2-4, 2005, University of Applied Sciences
Eberswalde, Germany. Aachen: Shaker, p. 73 - 85.
Eine detaillierte Auflistung der relevanten FuE-Arbeiten des Fraunhofer WKI findet sich auf der
Institutshomepage unter: http://www.wki.fraunhofer.de/.
5.
Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Allgemein
Ein wesentlicher Innovationsschritt dieses Forschungsvorhabens ist die grundlegende Zusammenarbeit zwischen der Agrarwirtschaft, der Forstwirtschaft, der Forschungsanstalten, der
Universitäten sowie der Holzbe- und –verarbeitenden Industrie sowie dem Energiesektor um
ein schlüssiges Konzept zur Untersuchung alternativer, lignocellulosehaltiger, nachwachsender Rohstoffe für die spätere Herstellung von Verbundwerkstoffen aus geringwertigem Buchenholz und Plantagenholz zu entwickeln. Dabei stellt die übergreifende und stimmige Zusammenarbeit die Basis zur Entwicklung innovativer Rohstoffe unter Berücksichtigung der von
der Industrie geforderten Qualitätsansprüche dar.
Koordination
E
r
g
e
b
n
i
s
s
e
Späne
Uni Göttingen, Büsgen-Institut (CVV)
 Holzaufschluss, -zerkleinern
 Sandwichplatten herstellen
 Brikettherstellung
 Produkt- und Emissionsanalyse
Uni-Göttingen, Burckhardt-Institut (AHH)
Acetylierung der Fasern, Granulatherstellung
R
o
h
s
t
o
f
f
e
Produkte aus WPC
Farbliche Gestaltung der WPC
Holzfaser
Späne
acetyliert
Faser
acetyliert
Fraunhofer, Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI)
 Faseraufschluss
 Extradichte Faserplatten herstellen
 Recycling
 Produkt- und Emissionsanalyse
Abbildung 1: Interaktion der beteiligten Projektpartner im Forschungsvorhaben
Die Struktur und die interdisziplinäre Zusammenarbeit der in diesem Forschungsvorhaben
(Teilprojekte IO 13, 14 und 15) integrierten Projektpartner sowie mit dem gesamten Forschungsverbund (über die Koordination des Verbundes als zentrales Medium) ist in Abbildung
1 schematisch dargestellt. Nur auf diese Weise ist die Entwicklung eines innovativen Materials
zur Entwicklung und Herstellung von Verbundwerkstoffen hinsichtlich der technischen und
mechanischen Anforderungen seitens der Holzbe- und -verarbeiter realisierbar. Dabei sind
238 wichtige Aspekte hinsichtlich des Holzaufschlusses sowie der Span- bzw. Fasergeometrie zu
berücksichtigen, um auch weiterhin einen äquivalenten Qualitätsstandard der hergestellten
WPC, Sandwichplatten und extradichten Faserplatten zu gewährleisten und kostenintensive
Umbauten an bestehenden Industrieanlagen durch die Verwendung eines neuen, innovativen,
nachwachsenden, lignocellulosehaltigen Rohstoffes zu vermeiden.
Die in diesem Forschungsvorhaben angeführten Forschungspartner verfügen über die wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen zur erfolgreichen Realisierung des Forschungsvorhabens. Die Bereitstellung des quantitativen Rohmaterials ist Voraussetzung für
die Reproduzierbarkeit der gewonnenen Ergebnisse. Daher sind eine besondere Sorgfalt, ein
erhöhter technischer Aufwand und wissenschaftliche Entwicklungsarbeit notwendig.
Detail
Das WKI nimmt im Cluster IO-K die Funktion des Clustersprechers und somit auch koordinierende Aufgaben war. Gemeinsame Clustertreffen wurden über die gesamte Laufzeit des Projektes entweder an der Forstlichen Fakultät Göttingen / Abteilung Holzbiologie & Holzprodukte
oder am WKI abgehalten. Hierbei wurde die Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Arbeitspaketen des Clusters im Detail besprochen und festgelegt. Konkret wurde zunächst eine
gemeinsame Rohstoffbeschaffung für die jeweiligen Entwicklungsarbeiten diskutiert und koordiniert. In diesem Rahmen erfolgte eine enge Zusammenarbeit des Clusters mit den Niedersächsischen Landesforsten (externer Partner) und dem BEST-Verbundprojektpartner „BioEnergie-Region-Thüringer-Ackerebene - BERTA“ (UP 2).
Durch den Clustersprecher (Dirk Berthold; IO-K3) und / oder dessen Vertreter (Holger Militz;
IO-K1) wurden auf internen (Statusseminar, BEST-Meetings, etc.) und externen Veranstaltungen (Regionalkonferenz, NHN-Buchentagung, 2. Brandenburger Holzkonferenz, LIGNA 2013,
etc.) die Interessen des Projektes bzw. des Clusters vertreten und präsentiert.
An externen Partnern sind beim IO-K3 zwei Industriepartner aktiv eingebunden:
Die Firma Sasol Wax (Entwicklung und Erprobung von Hydrophobierungsmitteln speziell für
Laubholz) und das Sägewerk Krome (Verifizierung der Thermographie Messungen im Bestand
durch/während des Einschnitts) wurden als Industriepartner aktiv in das Projekt eingebunden.
Aufgrund der Insolvenz und Schließung des Werks der Firma Mende in Gittelde, die ursprünglich als Kooperationspartner vorgesehen war konnte hier keine Zusammenarbeit erfolgen.
Innerhalb des Clusters erfolgt eine enge Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Arbeitspaketen. Die jeweiligen Arbeiten waren häufig eng miteinander verzahnt (Dauerhaftigkeitsuntersuchungen) oder bauen sogar aufeinander auf. Besonders im Hinblick auf die verstärkte Fokussierung der Clusterpartner auf die Themenbereiche Recycling / Kaskadennutzung wird
diese starke Interdependenz deutlich, was Abbildung 2 illustriert:
Abbildung 2: Flow-Chart „Aufbau der Arbeiten zur Kaskadennutzung im Cluster IO-K“
239 Literaturliste zum Cluster
Catena, A. (2003) Thermography reveals hidden tree decay. In: Arboricultural Journal. Jahrgang 27. S.
27-42.
Catena, A.; Catena, G.: Thermography. A truly non invasive method to detect cavities and rot in trees
(roots, trunk and branches) at a distance and from the ground. In: Sammelband zu: 2. International
Symposium on Plant Health in Urban Horticulture.
Catena, A. (2002) Thermography Shows Damaged Tissue and Cavities Present in Trees. In: Green,
Robert E. Jr.; Djordjevic, B. Boro; Hentschel, Manfred P. (Hrsg.): Sammelband zu: 11. International
Symposium on Nondestructive Characterization of Materials. Berlin. 24.-28. S. 515-522.
Catena, A.; Catena, G.; Lugaresi, D.; Gasperoni, eR (2002) La Termografia rivela la presenza di danni
anche nell`apparato radicale degli alberi. In: Agricoltura Ricerca. Nr. 189. September/Oktober 2002.
S. 81-100.
Catena, G.; Palla, L.; Catalano, M. (1990) Thermal infrared detection of cavities in trees. In: Eur. J. For.
Path. Nr. 20. S. 201-210.
BMELV - Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (2004) Die Bundeswaldinventur2 (BWI2). Online Verfügbar unter: http://www.bundeswaldinventur.de/enid/144d
254255d5eb7b4fade3a248bfcbf9,51519f6d6f6465092d09/2.html
Marutzky, R. (2004) Biomassen auf Basis von Holz als Brennstoffe in Österreich, der Schweiz und
Deutschland. Nutzungssituation – Theoretische und reale Potentiale – Qualitäten – Wettbewerbssituation – Preistendenzen. Download 2004 auf der Homepage des WKI.
Mantau, U.; Sörgel, C.; Weimar, H. (2007) Energetische und stoffliche Holzverbrauchsentwicklung in
Deutschland. Kongress „Rohholzmanagement in Deutschland“; Hannover, 22.-23. März 2007.
VHI – Verband der deutschen Holzwerkstoffindustrie (2008) HolzwerkstoffproduktionDeutschland. Online Dokument: http://www.vhi.de/VHI-Branchendaten2.cfm.
II.
Eingehende Darstellung
1.
Erzielte Ergebnisse
Mit den Arbeiten im AP IO-K3 "Extradichte Faserplatten (EDF) aus minderwertige Buche und
neue Messverfahren zur Qualitätserfassung in Buchenbeständen“ (FKZ 033L033B) wurde
zum Projektstart im September 2010 begonnen. In Anlehnung an die in unserem Arbeitspaket
angestrebte Praxisorientierung und enge Zusammenarbeit mit der Industrie, wurden zunächst
WKI-Partner aus Wirtschaft und angewandter Forschung über das Projekt und dessen Ziele
informiert.
Die praktischen Arbeiten im AP IO-K3 gliederten sich in die Entwicklung extradichter Faserplatten (Ergebnisse a) aus verschiedenen Buchenholzsortimenten sowie aus Kurzumtriebsplantagenholz und in die Qualitätserfassung in Buchenbeständen mittels innovativer Messverfahren (Ergebnisse b). Als Einstieg in die thermographischen Untersuchungen (innovative
Messverfahren) wurden in Zusammenarbeit mit den Niedersächsischen Landesforsten zur
Nutzung anstehende Buchenbestände ausgewählt, in denen Messungen zur Qualitätserfassung am stehenden Baum stattfinden werden. Die Verifizierung der Messungen erfolgte durch
Untersuchungen am frisch eingeschlagenen Stamm (Polter) sowie durch weitere Messungen
und Untersuchungen während des Einschnitts bei einem kooperierenden Sägewerksbetrieb.
Hierfür wurden zwei niedersächsische Sägewerke Kooperationsbereitschaft zugesagt (Fa.
Krome / Osterode am Harz; Fa. Fehrensen / Han. Münden), die mittels Besuchen und thematischem Austausch als Partner in das Projekt einbezogen wurden.
Für die im Projekt beabsichtigten thermographischen Untersuchungen konnte die hochempfindliche Thermographiekamera der Firma IRCAM Equus 327 k SM genutzt werden (Abbildung
3).
240 Abbildung 3: Hochempfindliche Thermographiekamera der Firma IRCAM Equus 327 k SM mit 6 Interferenzfiltern.
Für die im Projekt benötigten Untersuchungszwecke wurde diese aufwändig erweitert, so dass
nun die Möglichkeit besteht Multispektraldaten aufzunehmen. Hierfür wurde eine Filterradeinheit zur Aufnahme von 6 schmalbandigen Interferenzfiltern eingebaut.
Die Buchen- und KUP-Rohholzsortimente für die Entwicklung extradichter Faserplatten wurden über die Niedersächsischen Landesforsten bzw. über den BEST-Verbundprojektpartner
„Bio-Energie-Region-Thüringer-Ackerebene - BERTA“ (UP 2) bezogen. Die Buchenholzsortimente (Schwach- bzw. Durchforstungsholz sowie starkes bzw. überaltertes Stammholz) werden auf verschiedenen Forststandorten der Landesforsten geerntet, um dadurch die standortsbedingte natürliche Heterogenität der Ausgangsbedingungen und deren Effekte auf die
jeweiligen Holzqualitäten zu berücksichtigen. Die Weichlaub-Schwachholzsortimente (Fokus:
4jährige Pappelklone aus Plantagen) stammen aus Thüringen von den Versuchsflächen des
Projektpartners „BERTA“ und werden für die anschließenden Untersuchungen im WKI bzw.
bei den Clusterpartner für die Weiterverarbeitung vorbereitet.
Ergebnisse (a.): Entwicklung extradichter Faserplatten
Zum Projektstart wurden im Winter 2012 in Kooperation mit dem niedersächsischen Forstamt
Liebenburg in der Abteilung 55 A2 Altbuchen im Revier Liebenburg ausgewählt, thermographisch vermessen, eingeschlagen und für weiterführende Untersuchungen und Arbeiten ans
WKI verbracht (siehe Ergebnisse b:). Zur Überprüfung und/oder Ergänzung der thermografischen Messungen an stehenden Altbuchen wurden in einem zweiten Schritt die eingeschlagenen Stämme an den Stamm- und Stirnflächen vermessen.
Neben den Altbuchen aus Abteilung 55 A2 wurden auch qualitativ minderwertige Jungbuchen
in Abteilung 64 A des gleichen Reviers für die Projektarbeiten im Teilbereich „extradichte Faserplatten“ (EDF) eingeschlagen und ans WKI geliefert. Für diesen Arbeitsbereich von IO-K3
wurden darüber hinaus in Kooperation mit den anderen beiden Clusterpartnern (IO-K1 und IOK2) KUP-Rohholzsortimente über den BEST-Verbundprojektpartner „Bio-Energie-RegionThüringer-Ackerebene - BERTA“ (UP 2) bezogen. Hierbei handelte es sich um WeichlaubSchwachholzsortimente (Weiden- und Pappelklone aus Plantagen), die händisch von den Projektpartnern geerntet und nach Göttinger bzw. Braunschweig für die Verarbeitung im Technikums Maßstab gebracht wurden.
Im WKI wurden in einem ersten Versuchsdurchgang o.g. Rohstoffe unter Variation der Prozessparameter im Refiner des Instituts zerfasert und zu 42 extradichten Faserplatten verarbeitet. Die Plattenkennung sowie die variierten Prozessparameter sind Tabelle 2 zu entnehmen.
241 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
Material
Faseraufschluss
3 bar / 5 min.
Niedr. Temp.
Buche
(alt und
entrindet)
5 bar / 5 min.
Mittl. Temp.
8 bar / 5 min.
Hohe Temp.
3 bar / 5 min.
Niedr. Temp.
Buche
(jung und
entrindet)
5 bar / 5 min.
Mittl. Temp.
8 bar / 5 min.
Hohe Temp.
3 bar / 5 min.
Niedr. Temp.
Pappel
(mit Rinde)
5 bar / 5 min.
Mittl. Temp.
8 bar / 5 min.
Hohe Temp.
3 bar / 5 min.
Niedr. Temp.
Weide
(mit Rinde)
5 bar / 5 min.
Mittl. Temp.
8 bar / 5 min.
Hohe Temp.
3 bar / 5 min.
Niedr. Temp.
Weide
(ohne
Rinde)
5 bar / 5 min.
Mittl. Temp.
8 bar / 5 min.
Hohe Temp.
Klebstoff
Klebstoffkonzentration
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
UF
PF
PMDI
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
12 %
8%
4%
242 Rohdichte
Dicke
Platzer
Nr.
Anzahl
Tabelle 2: Plattenparameter erste Versuchsreihe IO-K3 (unbehandelte Fasern).
2
1000
kg/m3
2
2
12 mm
2
2
2
2
1000
kg/m3
1000
kg/m3
2
2
12 mm
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
12 mm
2
1000
kg/m3
12 mm
1
1000
kg/m3
1
12 mm
2
1
Analog zum Arbeitsplan wurden Rohholzsortimente bei 3 verschiedenen Drücken und Temperaturen zerfasert. Aufgrund der geringen Dimension des KUP-Holzes wurden die Zerfaserung und die anschließende Weiterverarbeitung zu EDF primär ohne Entrindung durchgeführt. Um den Effekt einer Nicht-Entrindung auf die Werkstoffqualitäten zu verdeutlichen wurden exemplarisch junge Weiden-KUP-Sortimente in aufwendiger Kleinarbeit entrindet sowie
ebenfalls zerfasert und zu EDF verpresst. Tabelle verdeutlicht, dass die Verarbeitung nicht
entrindeter KUP-Sortimente zu erheblichen Problemen in der Produktion führen kann, was
sich am hohen Anteil geplatzter Platten ablesen lässt. Aber auch die verhältnismäßig hohe
Ausschussquote bei der Verarbeitung entrindeter Weidensortimente (Platzer), deutet auf insgesamt größere Probleme bei der Verwendung dieser Holzsortimente für die industrielle Produktion von Faserwerkstoffen hin. Hingegen scheinen die beiden Buchenholzsortimente für
die Herstellung von EDF sehr geeignet zu sein. Diese ersten Ergebnisse wurden im Zuge der
weiteren Untersuchungen im Projekt ausgebaut und abgesichert.
Im Fortgang der Untersuchungen wurde sich verstärkt auf die Verarbeitung der Buchenholzsortimente konzentriert. Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse konzentrieren sich daher
auf die auf Basis Buchenholz entwickelten EDF.
Abbildung 4: Fasern und EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten bei variierenden Aufschlussbedingungen.
Abbildung 4 zeigt die aus verschiedenen Buchenholzsortimenten unter Variation der Aufschluss- und Verarbeitungsbedingungen hergestellten Faserstoffe und EDF. Die zu erkennenden optischen Unterschiede beruhen zum einen auf den Rohstoffeigenschaften (je älter /
verkernter das Buchenholz umso rötlicher das Produkt) und zum anderen auf den Aufschlussbedingungen im Zerfaserungsprozess (zunehmende Dunkelfärbung bei höheren
Temperaturen / Drücken).
Die auf diese Weise entwickelten Faserplatten wurden anschließend entsprechend geltenden
Normen (DIN-EN 622-2 / HB.LA) nach Standardverfahren geprüft und bewertet.
In Abbildung 5 sind die mechanischen Werkstoffeigenschaften - E-Modul, Biege- sowie Querzugsfestigkeit - in Abhängigkeit von Materialtyp (junge bzw. alte Buche) und Aufschlusspa243 rameter (Druck/Temperatur) dargestellt. Die roten Linien illustrieren die nach Norm geforderten Mindestwerte, die eine MDF-Platte erfüllen muss um für eine bestimmte Anwendung zugelassen zu werden.
Abbildung 5: Mechanische Eigenschaften der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten bei
variierenden Aufschlussbedingungen.
Alle getesteten Platten erfüllen die geforderten Werte gemäß Norm und wären damit kommerziell vermarktbar (tragende Verwendung im Trockenbereich). Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Rohstofftyp und Platteneigenschaften ist nicht erkennbar. Auch der Einfluss der Aufschlussbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften ist nicht eindeutig.
Abbildung 6: Hygrische Eigenschaften der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten bei
variierenden Aufschlussbedingungen. Die rote Linie zeigt den maximalen Wert der Dickenquellung
nach 24 h, welchen die Platten laut Norm nicht überschreiten dürfen, um für eine bestimmte Anwendung zugelassen zu werden.
244 Während E-Modul und Biegefestigkeit durch zunehmenden Druck / Temperatur bei beiden
Sortimenten tendenziell erhöht werden, nimmt in dieser Reihe die Querzugfestigkeit bei Platten aus alter Buche ab während sie bei Platten aus junger Buche zunimmt. Diese Zusammenhängende wurden im Weiteren näher untersucht werden.
Im Gegensatz zu den mechanischen Eigenschaften konnten die Platten die laut Norm geforderten Mindestanforderungen an ihre hygrischen Eigenschaften (v.a. Dickenquellung nach
24h) nicht erfüllen (siehe Abbildung 6). Höhere Drücke/Temperaturen während des Aufschlusses scheinen sich negativ auf das Quellungsverhalten auszuwirken, allerdings war
diese Aussage in weiteren Versuchsreihen ebenfalls zu verifizieren.
In Folge dieser ersten Ergebnisse konzentrierte sich ein Teil der weiteren Entwicklungsarbeit
auf die Verbesserung der hygrischen Werkstoffeigenschaften.
Analog zum ersten Versuchsdurchgang (3 verschiedene Druck- und Temperaturvarianten)
wurden in den folgenden Versuchsserien Buchenholz- und KUP-Sortimente unter Variation
der Prozessparameter im Refiner des WKI zerfasert und zu extradichten Faserplatten (EDF)
verarbeitet.
Bereits Ende 2011 / Anfang 2012 wurden in Kooperation mit IO-K1 im WKI unter Variation
der Aufschlussbedingungen hergestellte Fasern durch die Göttinger Kollegen acetyliert; diese wurden Anfang 2012 in Braunschweig zu EDF verarbeitet. Folgende Abbildungen zeigen
die hergestellten Faserstoffe sowie die Prüfergebnisse der aus verschiedenen Buchenholzsortimenten unter Variation der Aufschluss- und Verarbeitungsbedingungen (Druck, Temperatur, Acetylierungsgrad) hergestellten EDF.
Die in Abbildung 7 zu erkennenden optischen Unterschiede beruhen auf den Rohstoffeigenschaften (je älter/verkernter das Buchenholz, umso rötlicher das Produkt), den Aufschlussbedingungen im Zerfaserungsprozess (zunehmende Dunkelfärbung bei höheren Temperaturen / Drücken, etc.) und der Fasernachbehandlung („Entfärbung“ durch Acetylierung). Die auf
Basis dieser Fasern produzierten EDF wurden anschließend entsprechend geltenden Normen (DIN-EN 622-2 / HB.LA) nach Standardverfahren geprüft und bewertet.
Abbildung 7: Fasern aus verschiedenen Buchenholzsortimenten bei variierenden Aufschlussbedingungen und Nachbehandlungen:
245 a) Fasern junger Buche (Variation von Druck und Temperatur)
b) Fasern alter Buche (Variation von Druck und Temperatur)
c) Fasern junger Buche (5 bar, 5 min, 40% C4H6O3 )
d) Fasern alter Buche (5 bar, 5 min, 40% C4H6O3 )
In den Abbildungen 8 und 9 sind die mechanischen Werkstoffeigenschaften - E-Modul, Biege- sowie Querzugsfestigkeit - in Abhängigkeit von Rohstoffsortiment (junge bzw. alte Buche), Aufschlussparameter (Druck/Temperatur) sowie Acetylierungsgrad (% C4H6O3) dargestellt.
Alle getesteten Platten erfüllen die geforderten Werte gemäß Norm und wären damit kommerziell vermarktbar (tragende Verwendung im Trockenbereich). Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Rohstofftyp und Platteneigenschaften war wiederum nicht erkennbar.
Auch der Einfluss der Aufschlussbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften ist nicht
eindeutig. Während E-Modul und Biegefestigkeit durch zunehmenden Druck / Temperatur bei
beiden Sortimenten tendenziell erhöht werden, nimmt in dieser Reihe die Querzugfestigkeit
bei Platten aus alter Buche ab während sie bei Platten aus junger Buche zunimmt. Ähnliches
gilt für den Einfluss der Acetylierung auf die mechanischen Platteneigenschaften. Während
Biegefestigkeit und teilweise E-Modul durch die Acetylierung bei EDF´s sowohl aus junger
als auch alter Buche gesenkt werden, bedingt diese Fasernachbehandlung mit Hinblick auf
die Querzugfestigkeit eine Verringerung bei EDF aus alter aber eine Erhöhung bei EDF aus
junger Buche.
Eine abschließende Beurteilung der Zweckmäßigkeit und der tatsächlichen Effekte der unterschiedlichen Behandlungen konnte erst nach Abschluss der Dauerhaftigkeitsuntersuchungen
erfolgen (siehe hinten).
Abbildung 8: E-Modul und Biegefestigkeit der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten bei
variierenden Aufschlussbedingungen und Acetylierungsgraden.
Im Gegensatz zu den mechanischen Eigenschaften haben die hergestellten Buchen-EDF die
laut Norm geforderten Mindestanforderungen an ihre hygrischen Eigenschaften (Dickenquellung nach 24h) in den meisten Fällen nur knapp oder nicht ganz erfüllt (siehe Abbildung 10).
Höhere Drücke/Temperaturen während des Aufschlusses ohne anschließende Faseracetylierung wirken sich stark negativ auf das Quellungsverhalten aus, so dass ohne anschließende
Fasermodifizierung EDF aus Buche Dickenquellungen mit Werten weit jenseits der Norm
aufweisen. Durch die Acetylierung konnten die hygrischen Platteneigenschaften signifikant
verbessert werden, auch wenn in den meisten Fällen der laut Norm geforderte Wert nur sehr
knapp erreicht bzw. verfehlt wurde. Mit Hinblick auf die Wirkung der Acetylierung scheinen
246 höhere Drücke und Temperaturen während des Zerfaserungsprozesses einen positiven Effekt auf die Penetration des Fasermaterials mit C4H6O3 zu haben, da für diese Varianten
geringe Quellwerte gemessen werden konnten. Dabei scheint die Konzentration bei der Beaufschlagung der Holzfasern mit Essigsäureanhydrid (10% C4H6O3 und 40% C4H6O3) keinen Unterschied der hygrischen Eigenschaften des Werkstoffs zu bewirken.
Abbildung 9: Querzug- und Biegefestigkeit der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten bei
variierenden Aufschlussbedingungen und Acetylierungsgraden.
Abbildung 10: Dickenquellung nach 2h und 24h der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten bei variierenden Aufschlussbedingungen und Acetylierungsgraden.
247 Basierend auf den Ergebnissen der ersten Versuchsdurchgänge (Fokus: Variation der Zerfaserungsbedingungen und Fasermodifizierung) wurden in anschließenden Versuchsreihen
Buchenholzsortimente aus Alt- sowie aus Jungbeständen bei konstanten Prozessparametern
(5bar/5min/150°C) aufgeschlossen und unter Zugabe spezieller Hochleistungs-Dispersionen
(V 1500 und Pro A 17 von Sasol Wax) zu extradichten Faserplatten (EDF) verarbeitet. Wie
bereits ausführlich beschrieben, erfüllten die in den ersten Versuchsreihen unter Variation
der Prozessparameter (Temperatur, Druck, Verweilzeit) sowie nach Fasermodifikation (Acetylierung) hergestellten EDF durchweg die nach Norm (DIN-EN 622-2 / HB.LA) geforderten
mechanischen Eigenschaften. Wohingegen hinsichtlich der hygrischen Eigenschaften (Wasseraufnahme, Dickenquellung), diese aus unterschiedlichen Buchenholzsortimenten hergestellten Faserwerkstoffe die Norm in der Regel nicht oder aber nur äußerst knapp erfüllten
(siehe Abbildung 10). Höhere Drücke/Temperaturen während des Aufschlusses ohne anschließende Faseracetylierung wirkten sich stark negativ auf das Quellungsverhalten aus, so
dass ohne anschließende Fasermodifizierung EDF aus Buche Dickenquellungen mit Werten
weit jenseits der Norm aufweisen. Durch die Acetylierung konnten die hygrischen Platteneigenschaften signifikant verbessert werden, auch wenn in den meisten Fällen der laut Norm
geforderte Wert nur sehr knapp erreicht bzw. verfehlt wurde. Mit Hinblick auf die Wirkung der
Acetylierung scheinen höhere Drücke und Temperaturen während des Zerfaserungsprozesses einen positiven Effekt auf die Penetration des Fasermaterials mit C4H6O3 zu haben, da
für diese Varianten geringe Quellwerte gemessen werden konnten. Dabei scheint die Konzentration bei der Beaufschlagung der Holzfasern mit Essigsäureanhydrid (10% C4H6O3
und 40% C4H6O3) keinen Unterschied der hygrischen Eigenschaften des Werkstoffs zu bewirken.
Folglich haben sich die Arbeiten ab der zweiten Jahreshälfte 2012 mit der Optimierung der
hygrischen Eigenschaften von Buchen-EDF beschäftigt. Für erste Versuche wurden hierfür
vom Industriepartner Sasol Wax zwei Hochleistungsdispersionen (V1500 und Pro A17) zur
Verfügung gestellt, die in einer Versuchsreihe eingesetzt und getestet wurden. Für eine bessere Vergleichbarkeit wurden in dieser Versuchsreihe die Aufschlussparameter konstant gehalten (5bar/5min/150°C) und nur der Dispersionstyp sowie die Dosierrate verändert.
Abbildung 11 zeigt die Ergebnisse der Versuche mit den eingesetzten Hochleistungsdispersionen. Bereits bei einer Zugabe von 0,5% Dispersion werden die geforderten Normwerte
Abbildung 11: Dickenquellung nach 2h und 24h der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten
bei Zugabe von Hochleistungsdispersionen bei konstanten Aufschlussbedingungen
248 (HDF im Trockenbereich) deutlich unterschritten, wobei dieser positive Effekt bei der Verwendung jungen Buchenholzes (Durchforstungsholz) deutlich stärker ausfällt als bei EDF aus
altem Buchenholz (insbesondere bei der Dispersion V 1500). Bei Zugabe von jeweils 1%
Dispersion liegen die Werte für die Dickenquellung nach 24h unter 10%, d.h. hier werden
auch die nach Norm geforderten hygrischen Eigenschaften für die Verwendung der Platten
im Nassbereich erfüllt. Unterschiede hinsichtlich Wasseraufnahme (hier nicht dargestellt) und
Dickenquellung bei der Verwendung jungen und alten Buchenholzes in der Produktion werden bei diesen Konzentrationen offensichtlich nivelliert.
Basierend auf den Ergebnissen der ersten Versuchsreihen mit Hochleistungs-Hydrophobierungsmitteln des Industriepartners (V 1500 und Pro A17) wurden von Sasol Wax 5 weitere
Hydrophobierungsmittel (für die Verarbeitung von Laubholz (Fokus: Buche) labortechnisch
hergestellt und in einer zweiten Versuchsreihe getestet. Hierfür wurden erneut Buchenholzsortimente aus Alt- sowie aus Jungbeständen bei konstanten Prozessparametern (5bar/
5min/150°C) aufgeschlossen und unter Zugabe der Hochleistungs-Dispersionen (13-00124-1
bis 13-00124-5) bei Variation der Konzentration (0,5 & 1,0 %) zu extradichten Faserplatten
(EDF) verarbeitet. Die erhoffte - noch bessere Anpassung an den Ausgangsrohstoff „Buchenholz“ - wurde in einer zweiten Versuchsreihe überprüft:
Abbildung 12: Dickenquellung nach 2h und 24h der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten
unter Variation von Dispersionstyp und -Konzentrationen (0,5 %).
249 Abbildung 13: Dickenquellung nach 2h und 24h der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten
unter Variation von Dispersionstyp und -Konzentrationen (1,0 %).
Vergleicht man die Ergebnisse der 1. Versuchsreihe (Emulsionen V 1500 und Pro A17) mit
denen aus der Folgeuntersuchung (Emulsionen 13-00124-1 bis 13-00124-5) so zeigt sich,
dass die hygrischen Eigenschaften der Buchen-EDF nochmals verbessert werden konnten.
Im Hinblick auf die Dickenquellung nach 24 Stunden Wasserlagerung konnten die Ergebnisse bei Applikation von 0,5 % Emulsion im Durchschnitt nochmals um 3 % verbessert werden
(von 13,7% auf 10,7%). Bei höherer Dosierung wurde dieser positive Effekt durch die Konzentrationswirkung nivelliert und bewegte sich bei beiden Versuchsreihen um 8,0%. Die erhöhte Wirksamkeit eines Hydrophobierungsmittels zeigt sich aber primär bei niedrigen Konzentrationen, so dass die erneute Verbesserung der Quellungs-Ergebnisse bei Zugabe von
0,5% Emulsion als Entwicklungserfolg beschrieben werden darf (vgl. Abbildung 11 bis 14).
Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.
Abbildung 14: Wasseraufnahme nach 2h und 24h der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten unter Variation von Dispersionstyp und -Konzentrationen (0,5 %).
250 Abbildung 15: Wasseraufnahme nach 2h und 24h der EDF aus verschiedenen Buchenholzsortimenten unter Variation von Dispersionstyp und -Konzentrationen (1,0 %).
Gleiches gilt für die Wasseraufnahme (vgl. Abbildung 15 und 16): Bei einer Dosierung von
0,5% führte die Verwendung der neu entwickelten Emulsionen zu einer Reduktion der Wasseraufnahme nach 24 Stunden Lagerung um durchschnittlich 5,5 % (von 27,9% auf 22,3%).
Abbildung 16: Abbaurate/Massenverluste durch den Befall mit Braunfäule Pilzen (Coniophora puteana) und Holzfeuchte zu Versuchsende.
Auf die Darstellung der mechanischen Platteneigenschaften wird aus Platzgründen an dieser
Stelle verzichtet. Alle Platten haben die laut Norm geforderten Werte problemlos erreicht
bzw. vielfach übererfüllt.
Zusammenfassend konnte aus den beschriebenen Ergebnissen geschlossen werden, dass
bei Verwendung „spezieller Laubholz-Hydrophobierungsmitteln“ die bisher als Ausschlusskriterium für die Verwendung von Laubholz als Rohstoff für MDF bzw. HDF / EDF angeführten
251 schlechten hygrischen Eigenschaften so stark verbessert werden können, das einer vielseitigen Verwendung nichts im Weg steht.
Für ein noch breiteres Anwendungsspektrum der Buchen-EDF aus den verschiedenen Herstellungsvarianten musste auch noch die Dauerhaftigkeit der Werkstoffe überprüft werden.
Diese Untersuchungen erfolgten gerade in enger Kooperation mit der Abteilung für Holzbiologie und Holzprodukte der Universität Göttingen. Folgende Varianten der Buchen-EDF wurden dort auf Ihre Dauerhaftigkeit nach Standardmethoden getestet:
Tabelle 3: Buchen-EDF-Prüfkörper für Dauerhaftigkeitsuntersuchungen.
Kürzel
Material
Parameter
Abmessungen
Prüfkörper
Referenz
5bar/5Min./UF12%
MDF
MDF A10
Buche alt
10% Acetyliert
5bar/5Min./UF12%/AC10%
MDF A40
40% Acetyliert
5bar/5Min./UF12%/AC40%
MDF W1
Spezialwachs
5bar/5Min./UF12%/ProA17/1,0%
Anzahl
Prüfkörper
16
50mm x
50mm
18
18
16
In der Abbildung 16 und 17 sind die Ergebnisse der Dauerhaftigkeitsuntersuchungen in Form
des Masseverlusts durch den Befall mit Braun- und Weißfäule Pilzen dargestellt. Es zeigte
sich, dass die im Rahmen des Projekts produzierten EDF sehr stark vom Pilzb befallen waren. Grund hierfür ist sicherlich das Aufschlussverfahren bei der MDF-Herstellung, was gerade auch bei dem sehr wenig dauerhaften Buchenholz noch stärker ins Gewicht fällt als bei
abbauresistenteren Hölzern. Erstaunlich ist, dass in Bezug auf den Masseverlust weder bei
einem Acetylierungsgrad von 10% noch von 40% ein hemmender Einfluss dieser Behandlung auf den pilzbedingten Holzabbau zu beobachten war.
Abbildung 17: Abbaurate/Massenverluste durch den Befall mit Weißfäule Pilzen (Trametes versicolor) und Holzfeuchte zu Versuchsende.
252 Diese Ergebnisse stehen im Widerspruch zu den Erkenntnissen aus anderen Studien, wonach die Acetylierung einen signifikanten Einfluss auf den pilzbedingten Holzabbau ausübt,
d.h. diesen hemmt. Gründe hierfür könnten in einer fehlgeschlagenen Acetylierung der Faserstoffe oder in der Weiterverarbeitung der Fasern zu den Werkstoffen (Pressprogramm)
liegen.
Oben wurde bereits erwähnt, dass aufgrund der Resonanz auf die Präsentation der Ergebnisse in Abstimmung mit dem Projektträger, dass der Themenbereich „Kaskadennutzung“
innerhalb des gesamten Projektverbundes stärker berücksichtigt werden sollte und daher der
Arbeitsplan des Clusters entsprechend anzupassen war. Daher erfolgte eine weitere Versuchsreihe zur Herstellung von EDF aus Gebrauchtholz / Kaskadennutzung.
Tabelle 4: Prüfergebnisse der im Sinne der Kaskadennutzung aus recycelten Spanplatten (IO-K-2)
hergestellten MDF
Rohdichte
Recycling-MDF
(Basis: Spanplatte
60% Buche & 40%
Fichte)
2h
Quellung
24h
Quellung
kg/m³
24h
2h Wasser- Wasseraufnahme aufnahme
Querzugfestigkeit
%
Biegefestigkeit
E-Modul
N/mm²
Ø
882
3,1
12,6
7,0
27,9
1,1
26
4250
s
36,9
0,3
0,9
0,8
1,5
0,1
3,2
388,3
V
4,2
8,4
7,4
11,0
5,3
9,5
12,0
9,1
Die in Tabelle 4 dargestellten Prüfergebnisse der auf Basis des (Recycling-) Spanplattenmaterial aus IO-K-2 („Buchensandwichplatten“) hergestellten MDF-Platten zeigen, dass eine
mehrfache stoffliche Wiederverwendung problemlos möglich ist. Die hergestellten Platten
erfüllen die laut Norm (DIN EN 622-5) geforderten Mindestanforderungen „zur Verwendung
für tragende Zwecke im Trockenbereich“, wodurch diesen Werkstoffen ein breites Anwendungsgebiet offensteht.
Ergebnisse (b.):
Thermographie an Buchenstämmen
In Kooperation mit dem niedersächsischen Forstamt Liebenburg wurden in der Abteilung 55
A2 zunächst zwei Altbuchen im Revier Liebenburg ausgewählt, thermographisch vermessen,
eingeschlagen und für weiterführende Untersuchungen und Arbeiten ans WKI verbracht. Zur
Überprüfung und Ergänzung der thermographischen Messungen an stehenden Altbuchen
wurden in einem zweiten Schritt die eingeschlagenen Stämme an den Stamm- und Stirnflächen vermessen.
Abbildung 3 und Abbildung 18 (oben) zeigen Fotos der genutzten hochempfindlichen Infrarotkamera vom Typ IRCAM Equus, mit der die beiden ausgesuchten alten Buchen von allen
vier Seiten und mit einem „neutralen“ Langpassfilter und diversen schmalbandigen Interferenzfiltern bzw. Bandpassfiltern aufgezeichnet wurden. Die eingesetzten Filter haben die
folgenden Spezifikationen:
Tabelle 5: Übersicht über die eingesetzten Filter in der IR-Kamera
1
2
3
4
5
6
Langpassfilter LP
Bandpassfilter CWL
Bandpassfilter CWL
Bandpassfilter CWL
Bandpassfilter CWL
Bandpassfilter CWL
3000; Transmission zwischen 3000nm und 8000nm
3360; Zentrale Wellenlänge bei 3360nm; Halbwertsbreite 158nm
3577; Zentrale Wellenlänge bei 3577nm; Halbwertsbreite 171nm
4240; Zentrale Wellenlänge bei 4240nm; Halbwertsbreite 180nm
4470; Zentrale Wellenlänge bei 4470nm; Halbwertsbreite 180nm
4790; Zentrale Wellenlänge bei 4790nm; Halbwertsbreite 175nm
Wegen der Messungen außerhalb der Vegetationsperioden (März 2011) konnten vermutlich
thermographisch keine Besonderheiten an den Buchen detektiert werden (Abbildung 18, unten).
253 Abbildung 18: Foto von den thermographischen Messungen an einer der ausgewählten Buchen
(oben) im März 2011 und die thermographischen Bilder der noch stehenden Buche (unten, links) und
derselben gefällten Buche (unten, rechts).
Nach dem Fällen wurden dieselben Buchen auf dem Gelände des WKI noch einmal sowohl
an den Schnittflächen als auch ausgesuchten Stellen der Rinde passiv thermographisch
vermessen. Die einzige Auffälligkeit war der Rotkern an den Schnittflächen der Buchen, die
im Infraroten z.T. deutlich besser zu erkennen ist als im sichtbaren Spektrum (Abbildung 18).
Zusätzliche Messungen wurden an einem weiteren Baum aus dem Forst in Liebenburg mit
den in Tabelle 4 genannten Filtern durchgeführt (Abbildung 19). Die Messungen ergaben jedoch auch keine wesentlichen neuen Erkenntnisse, wie die Abbildung 20 für den Stammquerschnitt und Abbildung 21 für die Rinde zeigen.
Abbildung 19: Fotos des einen Endes (links) des zweiten Baumstammes und Details seiner Rinde
(rechts).
254 Abbildung 20: Foto des Stammendes (oben, links) und von fünf Thermogrammen, Langpassfilter und
vier Bandpassfiltern 2 – 5 der Tabelle 5 (von links nach rechts).
Abbildung 21: Foto der Rinde (oben, links) und von fünf Thermogrammen, Langpassfilter und vier
Bandpassfiltern 2 – 5 der Tabelle 5 (von links nach rechts).
Für die weiteren Messreihen wurden in der Forstgenossenschaft Scharzfeld (Süd-Harz) verschiedene Altbuchen (140 bis 160-jährig) auf einem Kalkstandort ausgewählt, die zu verschiedenen Zeiten und Vegetationsperioden thermographisch vermessen wurden. Diese
Buchen sollten in der Einschlagssaison 2012/2013 gefällt und anschließend im kooperierenden Sägewerk Fehrensen in Hannoversch-Münden eingeschnitten werden.
In Abstimmung mit dem Projektträger wurde durch eine Laufzeitverlängerung des Projekts
bis Ende 2013 die Möglichkeit geschaffen zusätzliche thermographische Messungen in weiteren Vegetationsperioden durchzuführen. Daher wurden, in Absprache mit der Forstgenossenschaft Scharzfeld, die dort im Herbst 2012 zur Ende der Saftzeit vermessenen und doch
noch nicht gefällten Buchen vor Beginn der Vegetationszeit im Frühjahr 2013 und im Januar
2014 direkt vor dem Fällen erneut thermographisch vermessen. Ergebnisse aus diesen Messungen sind in den folgenden Thermogrammen zu erkennen. Die endgültige Verifikation der
Messungen erfolgte nach dem Einschlagen und dem Aufsägen im Sägewerk der Firma Krome (siehe Abbildung 27 und folgende).
255 Abbildung 22: Foto vom prinzipiellen thermographischen Messaufbau in der Forstgenossenschaft
Scharzfeld.
Abbildung 23: Thermogramme einer Buche mit erkennbaren Rindenschäden in zwei verschiedenen
Wellenlängenbereichen (siehe Tabelle 5; links Filter 1, rechts Filter 6).
Abbildung 24: Fotos der drei Buchen, die bis zum Sägewerk in mehreren Wachstumsperioden vermessen wurden.
256 Die Buchen, die in Abbildung 24 mit den Nummern 27, 1 und 2 zu sehen sind, wurden sowohl von der Nord- als auch von der Westseite thermographisch vermessen.
Thermographisch lassen sich deutliche Unterschiede erkennen, wenn die Sonne für einen
längeren Zeitraum den Baum selbst und die Luft über den Tag erwärmt hat, wie Abbildung 25
zeigt. Insbesondere die trockenen Ränder der verletzten Rinde treten deutlich als hellere /
wärmere Stellen hervor.
Abbildung 25: Baum 27, Messungen an der Nordseite im Oktober 2012 (am Nachmittag, links und
am Vormittag, rechts).
Gravierende Unterschiede, die auf mögliche Schädigungen im Baum oder auf Krankheitserreger hindeuten könnten, wurden auf keinem der Bäume erkannt (Abbildung 26).
10/2012
4/2013
1/2014
Abbildung 26: Baum 27, Messungen an der Nordseite im Oktober 2012 (links), im April 2013 (Mitte)
und im Januar 2014 (rechts).
Beim Aufsägen wurde auch klar, dass es sich um durch und durch gesunde Bäume gehandelt hat (Abbildung 27 und folgende), bis auf die im Alter der Buchen eigentlich fast immer
auftretende Rotkernigkeit (Abbildung 36).
Abbildung 27: Fotos der drei entrindeten und für das Sägewerk abgelängten Bäume aus dem
Schartzfeld.
257 Abbildung 28: Der erste der drei Bäume vor (links) und in der Säge (rechts).
Die folgenden Strukturen konnten beim Aufsägen der drei gesunden Baumstämme (Abbildung 27 und 28) beobachtet werden:






Warme / helle Stellen, die durch die Reibung des Sägeblattes am Stamm entstehen (siehe Abbildung 29 und 30).
Jahresringe / Fladerstruktur als Dichteunterschiede treten deutlich als hell / dunkle Struktur hervor (siehe Abbildung 31 bis 34).
Das „Flattern“ des Sägeblattes hinterlässt raue Strukturen, die sich als hell / dunkle Strukturen deutlich im Thermogramm erkennen lassen (siehe z.B. Abbildung 31 und 32).
Rotkernigkeit lässt sich im Thermogramm ähnlich gut wie in Fotos erkennen (siehe Abbildung 35 und 36).
Befallene Stellen im Holz (z.B. Pilze) lassen sich thermographisch erkennen (Abbildung
30).
Wollige Strukturen im Holz lassen sich leicht thermographisch erkennen (Abbildung 39).
Abbildung 29: Foto des ersten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Abbildung 30: Foto des ersten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
258 Abbildung 31: Foto des ersten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Abbildung 32: Foto des ersten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Abbildung 33: Foto des zweiten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Abbildung 34: Foto des zweiten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
259 Abbildung 35: Foto des zweiten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Abbildung 36: Foto des zweiten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Abbildung 37: Foto des dritten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Abbildung 38: Foto des dritten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
260 Abbildung 39: Foto des dritten Baumes im Schnitt (links) und korrespondierendes Thermogramm.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass thermographisch wenig an den untersuchten
Bäumen erkennen ließ, was nicht unbedingt etwas über die Methode aussagt, da die beobachten Stämme bis auf die altersbedingte Rotkernigkeit absolut gesund waren.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben /
Partnern
Das WKI nahm im Cluster IO-K die Funktion des Clustersprechers und somit auch koordinierende Aufgaben wahr. D.h. das Cluster wurde durch den Clustersprecher (Dirk Berthold; IOK3) und / oder dessen Vertreter (Holger Militz; IO-K1) auf internen (Statusseminar, BESTMeetings, etc.) und externen Veranstaltungen (Regionalkonferenz, NHN-Buchentagung, 2.
Brandenburger Holzkonferenz, LIGNA 2013, etc.) vertreten und präsentiert.
Innerhalb des Clusters erfolgte eine enge Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Arbeitspaketen. Die jeweiligen Arbeiten waren häufig eng miteinander verzahnt (Dauerhaftigkeitsuntersuchungen) oder bauten sogar aufeinander auf. Besonders im Hinblick auf die verstärkte
Fokussierung der Clusterpartner auf die Themenbereiche Recycling / Kaskadennutzung wird
diese starke Interdependenz deutlich, was Abbildung 2 illustriert.
An externen Partnern waren im IO-K3 zwei Industriepartner aktiv eingebunden:
Die Firma Sasol Wax (Entwicklung und Erprobung von Hydrophobierungsmitteln speziell für
Laubholz) und das Sägewerk Krome (Verifizierung der Thermographiemessungen im Bestand durch/während des Einschnitts) waren und sind als Industriepartner aktiv in das Projekt
eingebunden.
2.
Die wichtigsten Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
Siehe Finanzplan bzw. administrative Projektabrechnung.
Summe Zuschläge
Investitionen
Verbrauchsmaterial (Technikum und Labor)
Reisekosten
Investitionen, Material- & Reisekosten
Euro
58574,20
16326,95
6913,00
81843,72
23754,53
37463,73
17274,25
78.492,51
957,00
5990,82
1972,89
8.920,71
Gesamtkosten
169.256,94
Wissenschaftler (EG 10 -15; 20MM)
Techniker (EG 5 – 9; 9 MM)
Studentische Hilfskräfte + Praktikant
Personalkosten
Personalgemeinkosten
Sachgemeinkosten
AfA
261 3.
Die Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Der im Projektantrag dargelegte Arbeits-, Zeit- und Finanzplan konnten vollständig eingehalten werden. Allerdings haben sich in Bezug auf die am 03.05.2010 dargestellte Zusammenarbeit mit Wirtschaftspartnern bzw. der Holzwerkstoffindustrie Veränderungen ergeben.
Durch die Insolvenz und endgültige Schließung des Werks der Firma Mende in Gittelde
konnte diese Kooperation verständlicherweise nicht erfolgen. Geplant war in dieser Kooperation mit dem Wirtschaftspartner eine Musterplatte „Tischlerplatte-Buchen-MDF“ herzustellen
und zu testen. In einem zusätzlichen Arbeitspaket sollte die Eignung der minderwertigen Buchenholzsortimente für die Herstellung von „dünnen Buchen-Grobfaserplatten“ erprobt werden (Herstellung von Musterplatten und Plattenprüfung). Erste Bemühungen um einen adäquaten Ersatzpartner (Fa. Egger), waren nach anfänglichen Zusagen leider nicht erfolgreich.
Daher wurden weitere potenzielle Industriepartner angesprochen, die in das Projekt und die
geplanten Arbeiten eingebunden werden sollten. Letztendlich erfolgreich war die Einbindung
der Firma „Sasol Wax“, die in die Versuche zur Optimierung der hygrischen Werkstoffeigenschaften (Verringerung von Dickenquellung und Wasseraufnahme) einbezogen wurde. Hierfür wurden Versuchsreihen mit eigens auf „Buche“ abgestimmtem Hydrophobierungsmittel,
die von der Fa. Sasol entwickelt und bereitgestellt wurden, durchgeführt und ausgewertet.
Direkte Änderungen des Forschungsansatzes bzw. der Arbeitshypothese waren weder nötig
noch vorgesehen. Allerdings wurden die Forschungsarbeiten im Bereich „Kaskadennutzung“
aus oben beschriebenen Motiven im Jahr 2013 stärker als ursprünglich geplant ausgedehnt.
Für die detaillierte Auswertung und die Ergebnissynthese wie auch die weitere Nutzung einer
weiteren Wachstumsperiode wurde sowohl im Cluster als auch im Gesamtverbund daher
eine Laufzeitverlängerung bis 31.08.2014 beantragt und genehmigt.
4.
Der voraussichtliche Nutzen, insb. der Verwertbarkeit der Ergebnisse
Aufgrund der oben beschriebenen Verknappung und Verteuerung der Nadelholzsortimente
wird die Holzwerkstoffbranche in naher Zukunft auf zusätzliche bzw. alternative Rohstoffquellen angewiesen sein. Eine Möglichkeit darauf zu reagieren besteht in der Integration der vorhandenen Buchenholzpotenziale und der zu erwartenden Rohstoffpotenziale aus Kurzumtriebsplantagen, die mittel- bis langfristig zu hohen Massenanteilen mobilisierbar sein werden. Die Antragsteller der Teilprojekte arbeiten anwendungsorientiert eng mit den klein- und
mittelständischen Betrieben der Holzindustrie sowie den Zulieferindustrien zusammen. Viele
Verfahren und Werkstoffe aus früheren FuE-Projekten werden mittlerweile industriell genutzt.
Auch die hier zu entwickelnden Verfahren, Technologien und Produkte sollen später durch
die Wirtschaftspartner umgesetzt und auf dem Markt etabliert werden. Hierdurch soll die
Wettbewerbssituation deutscher Unternehmen und Branchen im internationalen Kontext verbessert werden. In erster Linie zielt die im Projekt zu leistende Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf eine Stärkung der regionalen Betriebe und soll somit zur Erhöhung der Wertschöpfung in den ausgewählten Regionen führen. Hierfür sollen bevorzugt Unternehmen aus
der Region oder aber Betriebe, die ihren Wirtschafts- und Handelschwerpunkt in den Regionen haben, in das Projekt einbezogen werden.
Bisher steht kein praxistaugliches Messsystem zur Verfügung, das belastbare Daten über die
tatsächlichen inneren Baumeigenschaften und somit der Holzqualitäten und –sortimente eines Bestandes liefert. In Zusammenarbeit mit einem Unternehmen der Messtechnik-Branche
soll ein solches System entwickelt, unter Praxisbedingungen erprobt und zur Marktreife gebracht werden. Durch den zu erzielenden Technologievorsprung wird dem MesstechnikBetrieb ein Wettbewerbsvorteil verschafft und den Forstbetrieben ein Tool zur Verfügung
gestellt, durch das eine erhöhte Wertschöpfung infolge optimierter Managementstrategien
generiert werden kann.
5.
Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordene Fortschritte auf
dem Gebiet des Vorhabens
Dem Forschungsinstitut sind weder auf dem Gebiet der Entwicklung und Nutzung extradichter Faserplatten (a.) noch auf dem Gebiet der Nutzung optischer Messtechniken (b.) zur De262 tektion innerer Baumeigenschaften und somit der Holzqualitäten und –sortimente neuere
Fortschritte bekannt geworden.
6.
Erfolgte und geplante Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
WKI-Jahresbericht 2011: „Extradichte Faserplatten aus minderwertiger Buche und innovative
Qualitätserfassung in Buchen-Altbeständen“. Hierdurch erfuhr das Projekt eine große Verbreitung im Bereich der deutschsprachigen Holzwerkstoffbranche und der daran angeschlossenen Sektoren (http://www.wki.fraunhofer.de/content/dam/wki/de/documents/jahresbericht/
WKI-JB-2011.pdf).
Weiterhin wurde das Projekt auf der LIGNA, einer großen internationalen Öffentlichkeit präsentiert.
Abbildung 40: Foto vom WKI Stand auf der LIGNA 2013
Daneben wurde das Projekt auf der NHN-Buchenkonferenz, der Jahrestagung der Landesforst Mecklenburg-Vorpommern / Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz M-V vorgestellt und mit Fachpublikum diskutiert. Anwesend war dabei unter anderem
Minister Backhaus, so dass auch auf politischer „Leitungsebene“ das Thema bzw. der Projektansatz erörtert werden konnte. Außerdem wurden das Projekt und die erzielten Ergebnisse auf der „2. Brandenburg Holz-konferenz“ präsentiert und im Konferenzbuch dieser Veranstaltung publiziert.
Auch wurden auf dem Kooperationsforum "Holz als neuer Werkstoff - Innovationen mit holzbasierten Materialien", welches im Rahmen von „Bayern Innovativ“ organisiert wurde, die
Ergebnisse der BEST Forschung vorgestellt.
Abbildung 41: Foto vom Stand auf dem Konferenz "Bayern Innovativ" 6. November 2013 findet Regensburg
263 Eine gemeinsame Publikation der Arbeitsinhalte und Projektergebnisse des gesamten Clusters im Holzzentralblatt erarbeitet werden. Neben den bereits bearbeiteten Themenbereichen
soll hierbei auch das Thema „Kaskadennutzung“ stark in den Vordergrund gestellt werden.
III. Kurzgefasster Erfolgskontrollbericht
1.
Beitrag des Ergebnisses zu den förderpolitischen Zielen
Das Gesamt-Verbundprojekt war auf die förderpolitischen Ziele im Modul B der Ausschreibung, "Innovative Systemlösungen für ein nachhaltiges Landmanagement" ausgerichtet.
Dabei wurde insbesondere auf die dort genannten Ziele in vielfältiger Weise Bezug genommen:
 durch die geplante Entwicklung von Handlungsalternativen bei der Landnutzung in zwei
unterschiedlichen Bioenergieregionen wurde die Optimierung und Innovation von Systemlösungen anstrebt,
 dabei regionale Wertschöpfungsketten (in den Bioenergieregionen bereits bestehende
und neu aufzubauende) und die unterschiedliche Landnutzungen charakterisierenden
Energie- und Stoffströme betrachtet,
 natur- und gesellschaftswissenschaftliche, ökonomische und technologische Forschungsansätze im Hinblick auf ein von allen Partnern gemeinsam für die Nutzer bereitzustellendes Informationsportal verknüpft, und
 die Akteure durch die Nutzung der in den beiden Bioenergieregionen bereits bestehenden Netzwerke von Anfang an in das Projekt eingebunden.
Unter den für das Modul B gelisteten Schwerpunkten der Ausschreibung wurden insbesondere die folgenden besonders intensiv bearbeitet und im oben beschriebenen Einzelprojekt
bearbeitet:
 Innovative Wertschöpfungsnetze: IO-K (Innovation- und Optimierung – Schwerpunkt Kaskadennutzung).
 Technologien/Methoden und Prognoseinstrumente IO-K (Innovation- und Optimierung –
Schwerpunkt Technolgieentwicklung),
Im Sinne der Bekanntmachung ging es im vorgestellten Projekt also darum, durch die Zusammenführung der Ergebnisse verschiedener Teilprojekte zu nachhaltigen Systemlösungen
zu kommen. Daraus sind regional ausgerichtete Handlungsoptionen für effiziente und ressourcenschonende Wertschöpfungsketten zur Erzeugung von Energie aus nachwachsenden
Rohstoffen hervor gegangen, die durch die in das Projekt direkt eingebundenen Akteure in
Industrie, Wirtschaft und Forschung unmittelbar umsetzbar sind.
2.
Wissenschaftlich-technische Ergebnisse des Vorhabens
Die praktischen Arbeiten im Teilprojekt AP IO-K3 gliederten sich in die Entwicklung extradichter Faserplatten -EDF- (Ergebnisse a) aus verschiedenen Buchenholzsortimenten sowie aus
Kurzumtriebsplantagenholz und in die Qualitätserfassung in Buchenbeständen mittels innovativer Messverfahren (Ergebnisse b).
Ergebnisse (a.): Entwicklung extradichter Faserplatten
Im WKI wurden in einem ersten Versuchsdurchgang Buchenholz- und KUP-Sortimente unter
Variation der Prozessparameter im Refiner des Instituts zerfasert und zu 42 extradichten
Faserplatten verarbeitet. Die Plattenkennung sowie die variierten Prozessparameter sind
Tabelle 2 (siehe Schlussbericht II) zu entnehmen. Dabei stellt sich heraus, dass sowohl die
Verarbeitung nicht entrindeter KUP-Sortimente im allgemeinen aber auch entrindeter Weidensortimente im Speziellen zu erheblichen Problemen in der Produktion führen können (hoher Anteil geplatzter Platten). Hingegen schienen die Buchenholzsortimente für die Herstellung von EDF sehr geeignet zu sein und wurden deshalb im Weiteren intensiver untersucht.
264 Die aus verschiedenen Buchenholzsortimenten unter Variation der Aufschluss- und Verarbeitungsbedingungen hergestellten Faserstoffe und EDF zeigen sowohl optischen Unterschiede, die auf den Rohstoffeigenschaften (je älter / verkernter das Buchenholz umso rötlicher)
und auf den Aufschlussbedingungen im Zerfaserungsprozess (zunehmende Dunkelfärbung
mit höherer Temperatur / Druck) beruhen. Die Normprüfung (DIN-EN 622-2 / HB.LA) an den
aus diesen Sortimenten hergestellten Faserplatten ergab, dass alle getesteten Platten zwar
die geforderten mechanischen Werte jedoch nicht die notwendigen hygrischen Werte (Dickenquellung) für tragende Verwendung im Trockenbereich erfüllen. Während ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen Rohstofftyp bzw. Aufschlussbedingungen und mechanischer Platteneigenschaft nicht erkennbar war konnte jedoch ein möglicher Einfluss des Druckes / Temperaturen auf das Quellverhalten nicht ausgeschlossen werden.
In weiteren Experimenten wurde das ungenügende hygrische Verhalten u.a. durch Acetylierung in der Fasernachbehandlung verbessert. Auch die aus den aufgehellten / entfärbten
Fasern hergestellten Platten wurden erneut nach Norm geprüft und erfüllen die geforderten
mechanischen Eigenschaften. Die hygrischen Eigenschaften wurden durch die Acetylierung
signifikant verbessert konnten jedoch nur knapp oder gerade nicht die geforderten Werte
erreichen. Basierend auf den ersten Versuchen wurden bei konstanten Prozessparametern
neue Faserplatten unter Zugabe und Variation (Typ und Dosierrate) spezieller HochleistungsDispersions-Wachse hergestellt und nach Norm getestet. Bereits bei einer Zugabe von nur
0,5% Dispersion wurden die geforderten hygrischen Normwerte im Trockenbereich deutlich
unterschritten. Weitere Untersuchungen zeigten, dass bei Verwendung „spezieller LaubholzHydrophobierungsmittel“ auch die Verwendung von Laubholz als Rohstoff für MDF bzw. HDF
/ EDF möglich ist.
Weitere Prüfungen zur Dauerhaftigkeit der EDF-Werkstoffe erfolgten in enger Kooperation
mit der Abteilung für Holzbiologie und Holzprodukte der Universität Göttingen, bei denen der
Masseverlusts durch den Befall mit Braun- und Weißfäule Pilzen gemessen wurde. Der
Grund für die sogar mit hohem Acetylierungsgrad hergestellten sehr stark vom Pilz befallen
EDF konnte nicht geklärt werden.
In weiteren Versuchen wurden EDF aus Gebrauchtholz (Recycling-Spanplatten) zur Überprüfung einer möglichen Kaskadennutzung hergestellt und nach Norm (DIN EN 622-5) geprüft
und zur Verwendung für tragende Zwecke im Trockenbereich für geeignet befunden.
Alle Details, insbesondere auch die graphischen Darstellungen zu diesem Kapitel sind im
Schlussbericht II. Teil 1 (a) zusammengestellt.
b. Zu innovativen Messverfahren
Bei den thermographischen Untersuchungen im Wald, die an diversen Buchen über mehrere
Vegetationsperioden durchgeführt wurden konnten wenige Unterschiede an den beobachteten Stämmen erkannt werden. Die lässt aber keine wirklichen Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der Technik zu, da bis auf die altersbedingte Rotkernigkeit die untersuchten
Bäume absolut gesund waren.
Beim Aufsägen der zuletzt untersuchten drei gesunden Baumstämme konnten folgende Beobachtungen gemacht werden:






Warme / helle Stellen, die durch die Reibung des Sägeblattes am Stamm entstehen.
Jahresringe / Fladerstruktur als Dichteunterschiede treten deutlich als hell / dunkle Struktur hervor.
Das „Flattern“ des Sägeblattes hinterlässt raue Strukturen, die sich als hell / dunkle Strukturen deutlich im Thermogramm erkennen lassen.
Rotkernigkeit lässt sich im Thermogramm ähnlich gut wie in Fotos erkennen.
Befallene Stellen im Holz (z.B. Pilze) lassen sich thermographisch erkennen.
Wollige Strukturen im Holz lassen sich leicht thermographisch erkennen.
Alle Details, insbesondere auch die Fotos und Thermogramme zu diesem Kapitel sind im
Schlussbericht II. Teil 1 (b) zusammengestellt.
265 3.
Fortschreibung des Verwertungsplans
Aufgrund der im Antrag beschriebenen Verknappung und Verteuerung der Nadelholzsortimente wird die Holzwerkstoffbranche in naher Zukunft auf zusätzliche bzw. alternative Rohstoffquellen angewiesen sein. Die Ergebnisse dieses Projektes zeigt die Möglichkeit der Integration der vorhandenen Buchenholzpotenziale jedoch weniger die Nutzung der Holzes
aus Kurzumtriebsplantagen für die Herstellung von EDF. Das Buchenholzpotential wird damit
mittel- bis langfristig sicher zu hohen Massenanteilen für die Herstellung von Faserplatten
mobilisierbar sein. Die Antragsteller werden die hier entwickelnden Verfahren, Technologien
und Produkte mit den beteiligten Wirtschaftspartnern aber auch den nicht direkt in das Projekt einbezogenen Span- und Faserplattenindustrien umsetzten und auf dem Markt etablieren. Hierdurch wird die Wettbewerbssituation deutscher Unternehmen und Branchen im internationalen Kontext verbessert werden.
An praxistaugliches Messsystemen um belastbare Daten über die tatsächlichen inneren
Baumeigenschaften und somit der Holzqualitäten und –sortimente eines Bestandes zu bekommen muss sicher noch intensiver geforscht werden. Hier steht eine Markteinführung sicher noch in weiter Ferne.
4.
Arbeiten, die zu keiner Lösung geführt haben
Einige Fragen sind bei der Durchführung des Projektes noch offen geblieben bzw. konnten
nicht vollständig geklärt werden wie in Abschnitt 2 beschrieben wurde. Es sind jedoch keine
Arbeiten durchgeführt worden die zu überhaupt keiner Lösung geführt haben.
5.
Präsentationsmöglichkeiten für mögliche Nutzer - z.B. Anwenderkonferenzen
 LIGNA 2015
 9th European Wood-Based Panel Symposium 2014
6.
Einhaltung der Ausgaben- und Zeitplanung
Die geplanten Ausgaben und Zeiten wurden eingehalten.
266 Arbeitspaket:
FA 1
Thema:
Phytodiversität
Antragsteller:
Dr. Heike Culmsee, Prof. Dr. Christoph Leuschner
Institut:
Albrecht-von-Haller-Institut für Pflanzenwissenschaften,
Universität Göttingen
Dauer:
01.09.2010 – 01.08.2014
Wiss. Mitarbeiterin: Charlotte Seifert
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Veränderungen in der Landnutzung (von der Intensivierung bis zur Nutzungsaufgabe) haben
weltweit zu einem starken Rückgang der Biodiversität von Agrarlandschaften geführt. Der
Bioenergieanbau stellt eine neue Form der Nutzungsänderung dar und ist bereits heute großflächig von Bedeutung. Der Anbau von Bioenergiepflanzen verändert gegenwärtig die Landschaftsstruktur und es ist zu erwarten, dass er sie auch weiter verändern wird. Die Auswirkungen dieser großflächigen Landnutzungsänderung betreffen insbesondere auch die an
landwirtschaftliche Nutzflächen gebundene Flora, d.h. die autotrophe Basis des Nahrungsnetzes in Agrarlandschaften.
Die Erhaltung der Biodiversität in der modernen, multifunktionalen Agrarlandschaft ist eines
der Kernziele einer nachhaltigen Bewirtschaftungsweise. Die Untersuchung der ökologischen
Auswirkungen der Bioenergie-Erzeugung auf die Biodiversität ist Voraussetzung für die umfassende Bewertung einer nachhaltigen Nutzung.
Ziel der Forschung im Arbeitspaket FA 1 war eine integrierte Folgenabschätzung der mit Bioenergie-Anbausystemen verbundenen Auswirkungen auf die Diversität der Begleitflora. Hierzu sollten die ökologischen Rahmenbedingungen in Hinsicht auf die Rehabilitationsfähigkeit
und/oder eine langfristige nachhaltige Nutzung des Biotopverbundes zur Etablierung von
zukunftsträchtigen Landnutzungssystemen umfassend analysiert werden. Auf Basis dieser
Analysen sollten Strategien und Kriterien für eine nachhaltige Nutzung des Biotopverbundes,
in dem Bioenergieflächen eingebettet sind, entwickelt werden, um die Erhaltung der Phytodiversität zu gewährleisten und den Rückgang der Biodiversität auf landwirtschaftlichen Nutzflächen zu verringern.
Datenerfassungen auf Schlag- und Landschaftsebene (Monitoring der Begleitflora auf Bioenergieflächen und Kontrollflächen, Erfassung der ökologischen Rahmenbedingungen) sollten die Erforschung der Zusammenhänge zwischen der Verteilung der Phytodiversität in der
Landschaft, Umweltfaktoren und Bewirtschaftungsarten ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Analyse der Phytodiversität in Hinsicht auf Zielarten des Naturschutzes.
Basierend auf diesen Analysen sollten Handlungsempfehlungen zur Erhöhung der Phytodiversität auf Ackerflächen abgeleitet werden.
Planung und Ablauf des Vorhabens
In beiden BEST-Untersuchungsregionen (Landkreis Göttingen, Thüringer Ackerebene) erfolgte ein Monitoring der Begleitflora und der Habitatbedingungen (Bodenparameter, Lichtklima, Bewirtschaftungsintensität, Makroklima) von verschiedenen Bioenergie-Anbausystemen (Mais, Raps, Kurzumtriebsplantagen) vergleichend mit konventionell bewirtschafteten
267 Flächen, sowie Flächen, die im Rahmen des ökologischen Landbaus oder von Agrarumweltmaßnahmen einer extensiveren Bewirtschaftung unterlagen.
Die Daten zur Phytodiversität wurden im Hinblick auf die naturschutzfachliche Bedeutung der
erfassten Arten (Rote-Liste-Arten, Archäophyten, Neophyten) analysiert. Es wurden multivariate lineare Modelle entwickelt, um Unterschiede in der Diversität der erfassten Ackerwildkrautgesellschaften zu erklären. Hierbei wurden die Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungs- und Umweltfaktoren, sowie der räumlichen Komponente (Autokorrelation), berücksichtigt.
Des Weiteren wurden umfassende Literaturstudien zu bestimmten Themenfeldern (Nutzung
von Grünlandbiomasse zur Bioenergieerzeugung, Einfluss des Landschaftskontextes, Phytodiversität von Kurzumtriebsplantagen) durchgeführt.
Basierend auf der Datenerfassung und Modellentwicklung sowie auf den Literaturstudien
wurden Handlungsempfehlungen und Nachhaltigkeitskriterien abgeleitet, die im Rahmen von
verschiedenen Publikationen veröffentlicht wurden und zum Gesamtergebnis des BESTForschungsverbundes beigetragen haben.
Stand der Wissenschaft und Technik
Viele Pflanzenarten sind an extensiv genutzte landwirtschaftliche Flächen gebunden
(Wesche et al., 2012; Meyer et al., 2013). Es ist wissenschaftlich gut dokumentiert, dass die
Biodiversität in heterogenen Agrarlandschaften mit einem vielfältigen Lebensraummosaik
und hohen Anteilen an naturnahen Habitaten am höchsten ist (Benton et al., 2003; Tscharntke et al., 2005). Die Ausweitung der Bioenergiepflanzenproduktion führt zu großflächigen
Landnutzungsänderungen, die häufig mit einer Intensivierung und Homogenisierung der Bewirtschaftung einhergehen. Im Hinblick auf den rapiden und bisher ungebremsten Rückgang
der Biodiversität auf landwirtschaftlichen Nutzflächen, muss die Umwandlung der verbleibenden artenreichen Acker- und Grünlandhabitate als direkte oder indirekte Folge des Bioenergiepflanzenanbaus besonders kritisch betrachtet werden (Glemnitz et al., 2008).
Verschiedene Bioenergie-Anbausysteme können sich in ihren Auswirkungen auf die Biodiversität, je nach Art und Intensität der Bewirtschaftung, stark unterscheiden (Immerzeel et
al., 2014). Die Auswirkungen von einjährigen Bioenergiepflanzen, der „ersten Generation“,
auf die Biodiversität der Agrarlandschaft wurden bisher nur unzureichend wissenschaftlich
untersucht (Immerzeel et al., 2014; Meyer et al., 2014), obwohl sie nach Holz die wichtigste
Bioenergiequelle in Europa darstellen (EEA, 2013). Auch über die Auswirkungen von Kurzumtriebsplantagen auf die Phytodiversität liegen bisher nur wenige wissenschaftliche Arbeiten vor, die auf einer systematischen und ausreichend replizierten Datenerfassung basieren
(Baum et al., 2009, 2012).
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Kurzumtriebsplantagen (KUP)
Erhebung und Auswertung eines replizierten Datensatzes zur Phytodiversität von KUP in
zwei klimatisch unterschiedlichen Untersuchungsregionen. Auswertung im Hinblick auf Habitatpräferenz der Arten, chemischer Bodenparameter und Lichtklima.
Einjährige Bioenergiepflanzen
Erhebung und Auswertung eines sehr umfangreichen Datensatzes zur Phytodiversität von
(Bioenergie-)Äckern. Modellierung der Zusammenhänge zwischen der Diversität der Ackerflora, Bewirtschaftungs- und Umweltfaktoren (inkl. Lichtklima).
268 Grünland
Umfassende Literaturstudie mit qualitativer Metaanalyse zum derzeitigen Stand der Forschung zu den Chancen und Risiken der Nutzung von Grünlandbiomasse für die Pflanzenartenvielfalt in Agrarlandschaften.
Arbeitsbericht
Entsprechend des im Antrag vorgestellten Arbeits- und Zeitplans wurde im Herbst 2010 und
Frühjahr 2011 ein Konzept für die Datenerfassung auf den Bioenergieflächen entwickelt. Ab
Januar 2011 wurde zudem mit der Auswahl von Untersuchungsflächen in den beiden BESTRegionen begonnen (KUP, Mais, Kontrollflächen). Ab Ende Mai 2011 fand die Erfassung der
Phytodiversität und die Messung verschiedener ökologischer Parameter (Lichtklima, Bodenparameter) statt. Ab Oktober 2011 wurden zudem Daten über die Bewirtschaftung der beprobten Anbauflächen von den beteiligten Landwirten erhoben (Fragebögen). Die Datenerfassung im Gelände erstreckte sich wie geplant insgesamt über zwei Vegetationsperioden
(2011 und 2012) und war im September 2012 vollständig abgeschlossen. Es folgten die Erfassung weiterer Bewirtschaftungsdaten und die Laboranalysen der gesammelten Bodenproben (vollständiger Abschluss der Arbeiten im Dezember 2013).
In den Jahren 2013 und 2014 lag der Schwerpunkt der Arbeit auf der Datenanalyse und der
Erarbeitung von Publikationen. Alle während des Projektzeitraums erhobenen bzw. zusammengetragenen Daten (Vegetationsaufnahmen, Bodenanalysen, Bewirtschaftungsdaten, Klimadaten, Geodaten zu Geologie und Boden) wurden in einer Access-Datenbank zusammengeführt, um datensatzübergreifende Analysen zu vereinfachen und die Daten für weitere
Forschung in den folgenden Jahren zugänglich zu machen (Okt. – Dez. 2014).
Die Auswirkungen der Bioenergienutzung von Grünlandbiomasse auf die Phytodiversität
wurden im Rahmen einer Literaturstudie ausgewertet (Ortloff, 2012). Eine weitere Literaturstudie befasste sich mit dem Einfluss des Landschaftskontextes auf die Pflanzenartenvielfalt
der Agrarlandschaft (Sohn, 2013). Die aus den Untersuchungen der Kurzumtriebsplantagen
im Rahmen von BEST abgeleiteten Handlungsempfehlungen werden in der gemeinsamen
Abschlusspublikation von BEST und AgroForNet veröffentlicht (Seifert, Leuschner & Culmsee, im Druck). Die Ergebnisse der Untersuchungen des Lichtklimas wurden in der Zeitschrift „Agriculture, Ecosystems and Environment“ publiziert (Seifert et al., 2014). Ein weiteres Manuskript, in dem die Ergebnisse der Modellierung der pflanzlichen Diversität in Abhängigkeit verschiedener Bewirtschaftungs- und Umweltfaktoren untersucht werden, wurde 2014
fertig gestellt und befindet sich derzeit in der wissenschaftlichen Begutachtung. Die Ergebnisse wurden zudem im Rahmen eines Beitrages für die virtuelle Fachbibliothek des BESTProjektes für die weitere Öffentlichkeit aufbereitet.
Die drei genannten Publikationen (Seifert et al., 2014, im Druck, eingereicht) sind Bestandteil
der kumulativen Promotionsarbeit der Projekt-Mitarbeiterin Charlotte Seifert (Tag der mündlichen Prüfung: 03.09.2014).
Ergebnisbericht
Das Monitoring der Phytodiversität, die Entnahme und Analyse von Bodenproben sowie die
Erfassung der Bewirtschaftungsdaten erbrachte im Ergebnis vollständige Datensätze für 242
Äcker in den beiden Untersuchungsregionen (Landkreis Göttingen 119, BERTA 123; Abb. 1).
Die Hälfte der Äcker (120 Schläge) wurde hierbei im Untersuchungsjahr 2011 und die andere
Hälfte (122 Schläge) im Sommer 2012 beprobt. Je Schlag wurden zwei pflanzensoziologische Aufnahmen von jeweils 100 m², eine am Feldrand und eine im Feldinneren gemacht. Zu
jeder Vegetationsaufnahme wurde eine Bodenprobe im Labor analysiert (pH-Wert, Basensättigung, C/N-Verhältnis, Humusgehalt, pflanzenverfügbarer Phosphor). Insgesamt stand somit
ein Datensatz mit 484 Aufnahmen für die Auswertung zur Verfügung. Zusätzlich wurde auf
50 Schlägen (konventionell: Mais, Raps, Winterweizen, Wintergerste; Vertragsnaturschutz:
269 Winterweizen) die PAR-Transmissivität (PAR = photosynthetisch aktive Strahlung) des Bestandes mit mobilen Quantum-Sensoren zur Erfassung der Photonenflussdichte gemessen.
Landkreis Göttingen
BERTA
Untersuchungsflächen Auswirkungen Maisanbau Messungen Lichtklima Mais Winterweizen Wintergerste Mais
Winterweizen Wintergerste Winterraps Ackerrandstreifen Auswirkungen KUP Weiden‐KUP (Pflanzung 2011)
Pappel‐KUP (Pflzg. 2011) Weiden‐KUP (Pflzg. 2005‐2008) Pappel‐KUP (Pflzg. 2005‐2008) Abbildung 1: Darstellung der Probeflächen in den beiden Untersuchungsregionen (a) Landkreis Göttingen und (b) Bioenergie-Region Thüringer Ackerebene (BERTA).
270 Gesamtauswertung der Vegetationsdaten der untersuchten Äcker
Artenzahl (je 100 m²)
Die Gesamtauswertung der Vegetationsdaten aller im Projektzeitraum untersuchten Äcker
ergab abschließend folgendes Bild: Am Feldrand wurden in Maisfeldern signifikant weniger
Arten gefunden als in Weizenfeldern (Abb. 2). Im Feldinneren kehrt sich dieses Bild um. Hier
wurden signifikant mehr Arten je Probefläche in Maisfeldern als in Weizen- oder Gerstefeldern nachgewiesen. Die Segetalartenzahlen auf ökologisch bewirtschafteten Feldern und auf
Ackerrandstreifen (Vertragsnaturschutz) waren im Schnitt annähernd doppelt so hoch wie auf
konventionell bewirtschafteten Feldern.
Mais
(71)
Gerste
(64)
Weizen Ökoland- Ackerrand(71)
bau (21) streifen (15)
Abbildung 2: Mittlere Artenzahl je Probefläche in Mais, Wintergerste und Winterweizen (konventioneller Anbau). Als Vergleich werden zusätzlich die Ergebnisse der Erhebungen auf Wintergetreideäckern
im Ökolandbau und auf Ackerrandstreifen dargestellt. Anzahl der Probeflächen in Klammern. Graue
Balken: Feldinneres, weiße Balken: Feldrand. Verschiedene Buchstaben zeigen signifikante Unterschiede zwischen Feldfrüchten (nicht-parametrischer Behrens-Fisher-Test, p ≤ 0.05).
Die Ergebnisse der Modellierung zeigten deutlich, dass sowohl Bewirtschaftungsfaktoren
(insbesondere Düngung und Herbizideinsatz) als auch Umweltfaktoren Auswirkungen auf die
Pflanzendiversität haben (Abb. 3). Dabei ist die Bedeutung der Bewirtschaftungsfaktoren im
Feldinneren im Vergleich zum Feldrand höher. Umweltfaktoren spielen vor allem für die Artenzusammensetzung der Ackerwildkrautgesellschaften eine wichtige Rolle, weniger jedoch
für die Artenzahl oder die Abundanz der Begleitflora.
271 Anteil erklärter Varianz (%)
Nicht eindeutig zuzuordnen
Bewirtschaftungsfaktoren
Umweltfaktoren
FI
FR
Deckungsgrad
FI
FR
Artenzahl
FI
FR
Artenzusammensetzung
Abbildung 3: Anteil der durch Bewirtschaftungs- und Umweltfaktoren erklärbaren Diversitätsunterschiede zwischen den untersuchten Flächen (untersuchte Parameter: Deckungsgrad, Artenzahl und
Artenzusammensetzung) am Feldrand (FR) und im Feldinneren (FI).
Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass Maisfelder ein engeres C/N-Verhältnis aufweisen als
Weizen- oder Gerstefelder. Es wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Feldfrüchten für den pH-Wert, den Humusgehalt, den Gehalt an pflanzenverfügbarem Phosphor
oder der Basensättigung gefunden. Es wurden zudem Unterschiede in der Bewirtschaftung
zwischen den untersuchten Feldfrüchten (Mais, Winterweizen, Wintergerste) gefunden (Tab.
1).
Tabelle 1: Unterschiede zwischen den untersuchten Feldfrüchten in Bestandesstruktur, Bodenchemie
und Feldbewirtschaftung (Mittelwert ± Standardfehler). Verschiedene Buchstaben zeigen signifikante
Unterschiede zwischen Feldfrüchten (nicht-parametrischer Behrens-Fisher-Test, p ≤ 0.05).
Mais
(Sommerfrucht) 71
Anzahl untersuchter Felder Bestandesstruktur Deckungsgrad Feldfrucht (%) 66.2±2.4A
Höhe Feldfrucht (m) 2.5±0.1A
Offener Boden unterhalb der Feldfrucht (%)
91.7±0.6A
Bodenanalysen C/N‐Verhältnis 9.2±0.1A
Düngung im Untersuchungsjahr N‐Düngung (kg/ha) 183±6AB
P‐Düngung (kg/ha) 96±5A
K‐Düngung (kg/ha) 117±8A
S‐Düngung (kg/ha) 12±1A
Ca‐Düngung (kg/ha) 221±60A
Mg‐Düngung (kg/ha) 36±5A
Wirtschaftsdünger (1000 kg/ha) 23.6±1.9A
Herbizidanwendungen im Untersuchungsjahr
Behandlungsintensität (Index) 1.7±0.1A
Zahl der Wirkmechanismen der verwendeten 3.5±0.1A Herbizide Fruchtfolge (Zeitraum: letzte 5 Jahre vor der Untersuchung)
Zahl verschiedener Feldfrüchte 3.1±0.1AB
Anteil Mais an der Fruchtfolge (%) 0.43±0.02A
Anteil Winterweizen an der Fruchtfolge (%)
0.31±0.02A
Weizen
(Winterfrucht) 71
1.9±0.1A
Gerste (Winterfrucht) 64 66.0±1.7A 0.8±0.0C 52.9±1.7B 9.6±0.1B 170±5B 22±3B 26±4C 25±2B 36±13B 12±1C 4.2±0.8C 1.4±0.1B 3.0±0.1B 3.1±0.1AB 57.7±1.5B
0.7±0.0B
58.9±1.7B
9.4±0.2AB
206±5A
30±4B
57±8B
26±2B
38±14B
18±2B
10.0±1.3B
3.0±0.1A
0.14±0.02B
0.55±0.02B 3.4±0.1B 0.11±0.02B
0.35±0.01A
Es wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den untersuchten Feldfrüchten für weitere untersuchte Parame
ter (pH‐Wert, Humusgehalt, pflanzenverfügbares P, Basensättigung, Zeit seit letztem Pflugeinsatz) gefunden. 272 Maisäcker erhielten um mehr als doppelt bis vierfach höhere Wirtschaftsdüngergaben (u. a.
Gärreste) und wurden somit stärker mit Phosphor, Kalium, Calcium und Magnesium versorgt.
Die Stickstoffdüngung unterschied sich jedoch nur wenig zwischen den Feldfrüchten. Der Behandlungsindex für Herbizide (Roßberg, 2011) war in Mais und Weizen höher als bei Gerste.
Die Zahl der verwendeten Wirkmechanismen (Klassifizierung der Wirkstoffe nach HRAC) war
in Mais am höchsten, gefolgt von Gerste und Weizen.
Lichtmessungen auf Mais-, Raps und Wintergetreideäckern
Die Ergebnisse werden in Abb. 4 und Tabelle 1 dargestellt. Maisfelder waren dunkler als
Raps oder Wintergetreidefelder (sowohl am Feldrand, als auch im Feldinneren, Abb. 4).
Raps, Winterweizen und Wintergerste unterschieden sich nicht signifikant. Konventionelle
Winterweizenfelder wiesen signifikant niedrigere PAR-Transmissionswerte auf als Winterweizenfelder ohne Düngung und Herbizideinwirkung (Ackerrandstreifen). Unterschiede zwischen
den Untersuchungsregionen (Landkreis Göttingen und BERTA) wurden nur für Ackerrandstreifen gefunden.
(b)
Mais Raps Gerste Weizen
LG
TB
Konv.
LG TB
ARS
Abbildung 4: Unterschiede in der mittleren PAR-Transmission (TPAR, in %) zwischen (a) Mais, Raps,
Wintergerste und Winterweizen in konventionellem Anbau, sowie (b) zwischen konventionellem Winterweizen und Winterweizen ohne Düngung und Herbizidanwendung (Ackerrandstreifen, ARS) getrennt nach Untersuchungsregionen Landkreis Göttingen (LG) und Thüringer Becken (TB). Verschiedene Buchstaben zeigen signifikante Unterschiede zwischen Feldfrüchten (nicht-parametrischer Behrens-Fisher-Test, p ≤ 0.05).
Ein Zusammenhang zwischen der Transmissionsrate und der Artenzahl sowie dem mittleren
Lichtbedarf der gefundenen Arten wurde für die Ränder von konventionellen Feldern festgestellt (Tabelle 2). Im Feldinneren von konventionellen Feldern konnte kein Zusammenhang
zwischen der Artenzahl und der Transmissionsrate festgestellt werden. Die Artenzusammensetzung und der Gesamtdeckungsgrad der Segetalarten auf konventionellen Feldern waren
ebenfalls nicht durch Unterschiede in den Lichtverhältnissen erklärbar. Die Artenzusammensetzung im Feldinneren und am Feldrand lässt sich hingegen zum Teil durch Unterschiede in
der Bewirtschaftung und Phänologie zwischen den einzelnen Feldfrüchten erklären. Regionale Unterschiede spielten eine untergeordnete Rolle für die Artenzusammensetzung und erklärten nur 2 % der Varianz.
273 Tabelle 2: Anteil der durch unterschiedliche PAR-Transmission, Bewirtschaftung oder regionale Unterschiede erklärbaren Varianz im Deckungsgrad der Segetalarten, in der Artenzahl und in der Artenzusammensetzung. Anteile wurden durch (multiple) Regression (Deckungsgrad, Artenzahl, Lichtzeigerwert) oder Korrespondenzanalyse (CCA, Artenzusammensetzung) ermittelt. Überschneidungsbereiche („intersections“) zwischen den untersuchten Variablen wurden durch Varianzpartitionierung
errechnet. FI: Feldinneres, FR: Feldrand.
Anzahl untersuchter Felder n = TPAR + Bewirtschaftung + Region TPAR (total) Bewirtschaftung (total) Region (total) TPAR∩Bewirtscha ung TPAR∩Region Bewirtschaftung∩Region TPAR∩Bewirtscha ung∩Region Deckungsgrad Segetalarten FI
FR
40
40
ns
ns
ns
ns
ns
ns
ns
ns
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
‐
Artenzahl FI
40
ns
ns
ns
ns
‐
‐
‐
‐
FR
40
ns
7.7*
ns
ns
‐
‐
‐
‐
Artenzusam‐
mensetzung FI FR 38 40 10.4* 13.2** ns ns 9.4* 10.1** ns 2.3** ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 0.1 ‐ ‐ Kurzumtriebsplantagen
Auf den im Rahmen von BEST im Jahr 2011 neu etablierten KUP im Landkreis Göttingen
(Reiffenhausen) und in der Thüringer Ackerebene (zwei KUP bei Großfahner), sowie auf den
bereits zwischen 2005 und 2008 angelegten Vergleichsflächen bei Großfahner und Dachwig
(beide Thüringen) wurden in den Vegetationsperioden 2011 und 2012 Vegetationsaufnahmen, Bodenanalysen und Messungen der PAR-Transmissivität durchgeführt.
Abbildung 5: Zahl der Gefäßpflanzenarten je Probefläche unterschieden nach bevorzugtem Habitat
(Hauptvorkommen), Zeitpunkt der Erfassung und Alter der untersuchten KUP. B1 = KUP 1 Großfahner, B2 = KUP 2 Großfahner, R = KUP Reiffenhausen.
274 Die Analyseergebnisse zeigen, dass es notwendig ist, den gesamten Lebenszyklus einer
KUP in eine naturschutzfachliche Bewertung einfließen zu lassen, da sich die Habitatbedingungen in KUP wiederholt verändern. Die Artenzusammensetzung und -vielfalt war, bei geringem Herbizideinsatz, in den ersten zwei Jahren nach Neuanlage mit der einer Ackerbrache vergleichbar (bis zu 40 Arten je 75 m², Abb. 5). Auf den alten KUP, auf denen bereits der
Kronenschluss erreicht war, konnten jedoch nur geringe Artenzahlen nachgewiesen werden
(bis zu 19 Arten je 75 m²). Arten der Roten-Listen auf Landes- und auf Bundesebene wurden
nicht gefunden. Diese Ergebnisse und die durchgeführte Literaturrecherche ermöglichten die
Bewertung von KUP hinsichtlich ihres Wertes für die Phytodiversität der Agrarlandschaft
(Abb. 6).
Abbildung 6: Wert verschiedener Typen von Kurzumtriebsplantagen für die Phytodiversität von Agrarlandschaften im Vergleich zu anderen Landnutzungsoptionen (basierend auf Hoogeveen et al., 2005;
Gabriel et al., 2013). Eine Maximierung der Phytodiversität kann mit regionalspezifisch angepassten,
vielfältigen Landschaftsmosaiken aus Gehölzen, Grünland und Äckern erreicht werden.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Intern: Mit FA 2 wurden Daten auf 18 Ackerflächen erhoben. Des Weiteren wurde mit allen
auf den Untersuchungsflächen arbeitenden Arbeitspaketen zusammengearbeitet (IO-A 1, IOA 2, IO-A 3, IO-H-1, IO-H 2, IO-H 3, ÖL 1, ÖL 2, ÖL 3, UP 2, FA 2, FA 3). Gemeinsam wurde
das wissenschaftliche Vorgehen auf den Flächen koordiniert und die Flächen instand gehalten.
Extern: Die Zusammenarbeit mit 66 Landwirten und Biogasanlagenbetreibern aus dem
Landkreis Göttingen und der Bioenergieregion Thüringer Ackerebene war sehr erfolgreich.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Der Arbeits- und Zeitplan wurde über die gesamte Projektlaufzeit eingehalten, ebenso der
Finanzplan. Bedingt durch den verzögerten Projektbeginn 2010 verschob sich die Planung
lediglich um zwei Monate. Das Arbeitspaket wurde kostenneutral bis zum 01.08.2014 verlängert und vollständig abgeschlossen.
275 Übersicht geplante Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Auswahl von Untersuchungsflächen, Datenerhebung zu Umweltbedingungen und Begleitflora im Gelände, Laboranalysen und
Nachbestimmung von Arten
 Erfolgreich abgeschlossen (siehe Zwischenberichte)
Zusammenführung der Daten in einer Datenbank
 Erfolgreich abgeschlossen. Die Datenbank diente als Grundlage für die Datenauswertung.
Datenauswertung und Modellentwicklung
 Erfolgreich abgeschlossen. Die Ergebnisse wurden publiziert oder befinden
sich im Reviewprozess.
Publikation der Ergebnisse zur Phytodiversität von Kurzumtriebsplantagen
 Ergebnisse werden im gemeinsamen
Buch von BEST/AgroForNet veröffentlicht
(Seifert et al., im Druck)
Publikation der Ergebnisse der Lichtmessungen in Mais-, Getreide- und Rapsfeldern
 Ergebnisse publiziert in „Agriculture,
Ecosystems and Environment“ (Seifert et
al., 2014)
Publikation der Ergebnisse zum Einfluss des
Landschaftskontextes
 Erfolgreich abgeschlossene Bachelorarbeit liegt vor (Sohn, 2013)
Publikation der Ergebnisse zum Einfluss von
Grünlandbiomassenutzung zur Energieerzeugung auf die Phytodiversität
 Erfolgreich abgeschlossene Bachelorarbeit liegt vor (Ortloff, 2012)
Publikation der Ergebnisse zur Pflanzenartenvielfalt und Feldbewirtschaftung
 Manuskript befindet sich im Reviewprozess
Entwicklung von Handlungsempfehlungen/
Nachhaltigkeitskriterien
 Erfolgte im Rahmen der Veröffentlichungen
Erstellung des AP-Beitrages für die virtuelle
Fachbibliothek
 Erfolgreich abgeschlossen
Erstellung des Abschlussberichtes
 Liegt hier vor.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
Keine Neuerungen.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Ortloff M (2012). Nutzung von Grünlandbiomasse zur Bioenergieerzeugung – Chance oder
Risiko für die Biodiversität? Bachelorarbeit, Abt. Vegetationsanalyse und Phytodiversität,
Georg-August-Universität Göttingen.
Seifert C (2013). Auswirkungen des Anbaus verschiedener Bioenergiepflanzen auf die Pflanzenartenvielfalt der Agrarlandschaft in Südniedersachsen und im Thüringer Becken. In:
Feit, U. und Korn, H. (Hrsg.): Treffpunkt Biologische Vielfalt XII., BfN-Skripten 335,. Bundesamt für Naturschutz, S. 71-75.
Seifert C, Leuschner C, Culmsee H (im Druck): Short rotation coppice as habitat for vascular
plants. In: Butler-Manning, D., Bemmann, A., Bredemeier, M., Lamersdorf, N., Ammer,
C. (Hrsg.): Bioenergy from dendromass for the sustainable development of rural areas.
Wiley-Verlag, Weinheim.
276 Seifert C, Leuschner C, Meyer S, Culmsee H (2014). Inter-relationships between crop type,
management intensity and light transmissivity in annual crop systems and their effect on
farmland plant diversity. Agriculture, Ecosystems and Environment, 195, 173-182.
Sohn M (2013). Der Einfluss des Landschaftskontextes auf die Pflanzenartenvielfalt der Agrarlandschaft. Bachelorarbeit, Abt. Vegetationsanalyse und Phytodiversität, GeorgAugust-Universität Göttingen und Ernst-Moritz-Arndt Universität Greifswald.
Literatur
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Trends in Ecology and Evolution, 18, 182–188.
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energy cropping in 2020 (right) (ed European Environment Agency). http://www.eea.europa.eu/
data-and-maps/figures/mix-of-energy-crops-200620132008#tab-metadata, last accessed 13/06/
2014.
Gabriel D, Sait SM, Kunin WE, Benton TG (2013). Food production vs. biodiversity: comparing organic
and conventional agriculture. Journal of Applied Ecology, 50, 355–364.
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die Biodiversität, in Landeskultur in Europa - Lernen von den Nachbarn. Heft 5 (ed Deutsche
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production: a state-of-the-art review. Global Change Biology - Bioenergy, 6, 183–209.
Meyer S, Hoeber S, Leuschner C (2014). Auswirkungen des Energiepflanzenbaus auf die Phytodiversität von Ackerflächen: Ergebnisse einer Literaturstudie, Federal Agency for Nature Conservation,
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Meyer S, Wesche K, Krause B, Leuschner C (2013). Dramatic losses of specialist arable plants in
Central Germany since the 1950s/60s - a cross-regional analysis. Diversity and Distributions, 19,
1175–1187.
Roßberg D (2011). Erhebungen zur Anwendung von Pflanzenschutzmitteln in der Praxis im Jahr 2011.
Journal für Kulturpflanzen 65: 141-151.
Tscharntke T, Klein A-M, Kruess A, Steffan-Dewenter I, Thies C (2005) Landscape perspectives on
agricultural intensification and biodiversity - ecosystem service management. Ecology Letters, 8,
857–874.
277 Arbeitspaket:
FA 2
Thema:
Zersetzer
Antragsteller
Prof. Dr. S. Scheu
Institut:
J. F. Blumenbach-Institut für Zoologie und Anthropologie,
Georg-August-Universität Göttingen
Dauer:
06.09.2011 – 05.09.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Chen, Ting-Wen
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Our main goal in the BEST project was to investigate the responses of soil decomposer
communities to different degrees of disturbances by comparing different habitats, including
forest, grassland, arable field, and short rotation coppice systems (SRC).
The following sub-projects were conducted:
1. Responses of soil mesofauna communities to short rotation coppice (SRC) systems with
the focus on Collembola communities.
2. Effects of different grassland management in agroforestry systems on soil mesofauna
communities.
3. Population genetic structure of Lepidocyrtus lignorum (Entomobryidae, Collembola) in
different land-use systems.
4. Community assembly processes of Collembola in different types of habitats as indicated
by community phylogenetics.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Soil invertebrates in the SRC established in the BEST project have been sampled in June
and November 2012. We extended our sampling to eight paired sites composed of forest,
grassland and arable field in Göttingen County in September 2012 and March 2014 (Figure
1). Soil animals were sampled by taking soil cores (5 cm in diameter) or aspirator samples (in
2014) with the former being extracted by heat. The animals were preserved in ethanol and
determined to species if possible. We focused on Collembola (Figure 2), due to their predominance in density and species richness in the habitats studied.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Soil mesofauna (Acari and Collembola) sensitively responds to habitat disturbance. Species
richness and community composition is known to reflect different types of habitats or succession stages, and thus, soil invertebrates have been used as bioindicators for evaluating habitat quality. Population genetics allows studying the distribution and changes of allele frequency among populations. Habitat fragmentation and anthropogenic activities have been shown
to detrimentally affect species and genetic diversity, especially for the taxa with lower dispersal ability such as soil animals. Therefore, we used population genetic tools to investigate
effects of habitat types and geographic location on population genetic structures of one
abundant collembolan species, Lepidocyrtus lignorum. Novel approaches in community phylogenetics allow determining community assembly processes. Our study firstly applied community phylogenetic methods to soil communities, elucidating assembly processes of soil
microarthropods in different types of habitats.
278 Erzielte Erweiterung des Wissensstandes






Different types of habitats (managements) impacted soil mesofauna communities.
Species richness of Collembola in BERTA1 was higher in young than in old poplar plantations.
In the SRC systems in Reiffenhausen, the diversity of Collembola in poplar plantations
exceeded that in willow plantations.
Collembola community structure differed between poplar and willow plantations in Reiffenhausen and BERTA2, but not in BERTA1.
Intraspecific genetic structures of Collembola were determined by habitat type with intraspecific genetic diversity being at a maximum in grassland.
Collembolan community assembly processes differed between arable field, grassland
and forest, and also between surface living and soil dwelling species.
Arbeits- und Ergebnisbericht
1. Responses of soil mesofauna communities to short rotation coppice (SRC) systems with
the focuses on Collembola communities.
Soil invertebrates in the SRC established in the BEST project have been sampled in June
and November 2012. Soil animals were sampled by using soil cores (5 cm in diameter) and
then extracted using heat. In BERTA1 the mesofauna community was dominated by Collembola and Acari. Collembolan density was higher in young as compared to old plantations in
June 2012 (Figure 3a), but not in November 2012 (Figure 3b). There was no significant effect
of tree species on mesofauna density at both sampling dates. In Reiffenhausen, the SRC
plantations were dominated by Collembola; Acari density was higher in agroforests than willow plantations in June 2012 (Figure 3c). However, in November 2012 Collembola and Acari
were dominant in poplar plantations, while Collembola, Enchytraeidae and Acari were were
the most abundant taxa in willow plantations (Figure 3d). In total, 36 species of Collembola
were identified in the SRC sites. In young SRC plantations Collembola species richness was
higher in poplar plantations than in willow plantations, while in old SRC plantations of BERTA1 more species were found in willow than in poplar plantations (Figure 4). Collembola
community structure differed between SRC plantations with the differences being most pronounced between poplar and willow plantations (Figure 5 and 6).
279 280 2. Effects of different grassland management in agroforestry systems on soil mesofauna
communities.
The site in Reiffenhausen was planted with strips of grassland (IO-A2). Soil animal communities were compared in a 2 x 2 factorial design including two levels of plant diversity (standard,
two species or diverse, i.e. ca. 30 species in total) and two N fertilization levels (with or without). Soil samples were taken in the centre of the plot. The animals were extracted and determined as stated above. Soil invertebrates were determined to species if possible.
Mesofauna communities in grassland strips were dominated by Collembola (88 - 90% of total
individuals). Although there was no effect of the plant diversity and N fertilization on the density of Collembola or mites, there was an interaction effect of these two factors on Collembola
(p=0.043) and Acari densities (p=0.033). Density of Collembola and Acari was at a maximum
in standard plots with N fertilization, but also in diverse plots without N fertilization (Figure 7).
281 3. Population genetic structure of Lepidocyrtus lignorum (Entomobryidae, Collembola) in different land-use types.
In each of the 8 paired sites, soil cores were taken from three different habitats (i.e., forest,
grassland and arable field). In each plot, six soil cores (5 cm in diameter, 5 cm in depth) were
used for animal collection. We selected Lepidocyrtus lignorum as focal species because of its
abundance and constant presence at our sites. Population genetic structures of L. lignorum
were inferred by sequencing a 516-bp fragment of the mitochondrial cytochrome oxidase I
gene (COI) from 60 individuals and then constructing a phylogeny using maximum likelihood
algorithm with the program RAxML. Analysis of molecular variance (AMOVA) was applied to
inspect the role of habitat type and location for genetic variance. The results indicated that
Collembola communities varied between habitats, inferred by a clade of individuals restricted
to forests and a clade predominantly occurring in arable fields and grasslands (Figure 8). A
significant proportion of the genetic variance was explained by both habitat (23.5%) and location (51.0%; Table 1), suggesting that habitat type restricts gene flow between populations.
Intraspecific genetic diversity was highest in grasslands (haplotype number = 10) and lower
in forests (haplotype number = 8) and arable fields (haplotype number = 6). Three haplotypes
were shared between arable fields and grassland, while all haplotypes in forests were
unique.
Table 1: Analysis of molecular variance of partial mitochondrial cytochrome oxidase I gene of Lepidocyrtus lignorum populations in different types of habitats (arable field, grassland and forest) and different locations in Göttingen Land.
Habitat
Site
Error
Total
SS
1.08
2.32
0.81
4.21
MS
0.54
0.14
0.02
0.07
df
2
17
40
59
Var. components
0.019
0.041
0.020
282 % variance
23.5
51.0
25.5
p-value
<0.001
<0.001
4. Assembly processes in Collembola communities of different types of habitats as indicated
by community phylogenetics
We used 18S and 28S ribosomal DNA and protein coding gene Histone 3 for constructing a
Collembola phylogeny of the 31 species found in a paired site in Deppoldhausen (Site 2).
Collembola families Entomobryidae and Isotomidae were monophyletic, while Symphypleona
and Porudomorpha were sister-taxa (Figure 9), which is consistent with other studies. We
collaborated with Dr. Matty P. Berg (VU Amsterdam, The Netherlands) and compiled a trait
data set for these 31 species. Community phylogenetic analyses revealed that Collembola
communities in arable fields predominantly are determined by environmental filtering based
on phylogenetically conserved traits (e.g., body shape, hairs and scales), while in forests they
were driven by environmental selection of specific traits evolved convergently (e.g., life form,
eye numbers). We also compared assembly patterns between surface living and soil dwelling
Collembola communities and found that surface living Collembola were more phylogenetically clustered in each of the three habitats, while in forests soil dwelling species showed phylogenetic overdispersion (Figure 10).
283 284 Tabellarische Übersicht geplante Ziele versus erreichte Ergebnisse
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Monitoring von Schlüsselgruppen der
 Mesofauna communities have been investigatZersetzergemeinschaft von Bioenergieed in SRC plantations in BERTA and Reiffenflächen der Produktionslinien Mais,
hausen, with the main focus on Collembola.
Grünland und Agroforst (KUP) im Vergleich zu nicht im Bioenergie-Anbau
bewirtschafteten Flächen.
Kausalanalyse des Zusammenhangs
zwischen Produktionssystem und Zusammen-setzung der Zersetzergemeinschaft
 We found that planting poplar seems to result
in more diverse Collembola species than planting willow.
 We also found that in grassland Collembola
genetic diversity was higher than in forest and
arable field.
Methodenentwicklung
 We applied population genetic methods and
community phylogenetic approaches to soil decomposer system.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
The working schedule and the expenses followed the application. We increased efforts to
genetically characterize Collembola species and link genetic variability to habitat types and
community assembly processes.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
None
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Chen T-W, Bast J, Schaefer I, Scheu S (2014) Patterns and processes below the ground –
Landscape genomics of Collembola from arable fields, grasslands and forests. Poster in
Landscape Genetics DGS synthesis meeting. May 27 - June 1, 2014.North Idaho College (NIC), Coeur d'Alene, Idaho, USA. (Sub-project 3).
Chen T-W, Kreipe V. Schaefer I, Berg MP, Scheu S (2014) Collembolan assembly processes
in different types of habitats as indicated by community phylogenetics. Oral presentation
in 27. Treffen der AG Bodenmensofauna. October 9-10, 2014. Georg-August UniversitätGöttingen, Germany; Poster in The First Global Soil Biodiversity Conference, December 2 - 5, 2014. Dijon, France, (Sub-project 4).
285 Arbeitspaket:
FA 3
Thema:
Ökologische Folgenabschätzung - Insekten
Antragsteller
Prof. Dr. S. Schütz
Institut:
Abt. Forstzoologie und Waldschutz, Büsgen-Institut, Univ. Göttingen
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2013
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. Maximilian von Fragstein und Niemsdorff (1.10.2011-31.01.2013),
Dr. Gerrit Holighaus (1.2.2013-31.12.2013)
Aufgabenstellung
Erfassung der Anfälligkeit von Bioenergie-Pflanzungen gegen Insektenbefall, Bewertung
hinsichtlich zukünftiger Gefährdungen (Klimawandel, invasive Insekten) und Entwicklung
von Konzepten zur Minimierung von Insektenbefall.
Dies soll zu einer integrierten Bewertung der Gefährdungspotentiale durch unterschiedliche Bewirtschaftungsoptionen und zur Optimierung gängiger Bewirtschaftungspraktiken
führen.
Planung & Ablauf



Im Herbst 2010 wurden Termine und Orte der Volatilen-Probennahme sowie der Aufstellung und Beprobung der Insektenfallen in Absprache mit den Arbeitspaketen FA1
und FA2 festgelegt sowie Insektenfallen und VOC-Probennahmevorrichtungen konstruiert und erprobt.
Monitoring der Diversität volatiler organischer Substanzen (VOC) sowie der Diversität
ausgewählter herbivorer Insektengruppen Im Sommer 2011 konnte mit dem InsektenMonitoring und der Messung von VOC auf KUP-Flächen begonnen werden. Parallel
dazu wurden die VOC verschiedener Pappelarten und Hybriden im Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen gesammelt und mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) analysiert. Die Antworten von Antennen des invasiven Asiatischen Laubholzbockkäfers (ALB) auf VOC-Proben ausgewählter Pappelarten mit unterschiedlicher Wasserversorgung wurden mittels Gaschromatographie mit paralleler
massenspektrometrischer und elektroantennographischer Detektion (GC-MS/EAD) untersucht. In den Jahren 2012 und 2013 wurden die KUP Flächen in Reifenhausen und
Großfahner sowie angrenzende Referenzflächen zu den Hauptflugzeiten der herbivoren Insekten auf Duftstoffzusammensetzung und Insektendiversität beprobt. Des Weiteren wurde ein selektives Monitoring unterschiedlicher Agriotes (Elateridae - Schnellkäfer) Arten auf den Flächen in Reiffenhausen und Großfahner (BERTA II) durchgeführt. Parallel dazu wurden „Max1“ und „Tordis“ Klone sowie Raps- und Maispflanzen
in Klimakammern unter standardisierten klimatischen Bedingungen unterschiedlichen
Stressbedingungen (Trockenheit, hohe Sonneneinstrahlung, Insektenfraß) ausgesetzt
und die induzierten Volatile gemessen. Danach wurden entsprechende Versuche zu
stressinduzierten Volatilen an drei Pappelarten mit ihren Hybriden im Gewächshaus
unter standardisierten klimatischen Bedingungen durchgeführt und mit den entsprechenden Felddaten der Pappel-KUPs verglichen.
Auf der Grundlage der erhobenen Daten zur Emission volatiler Substanzen durch
Pappel-KUPs und Referenzflächen sowie elektroantennographische Experimente mit
dem invasiven Insekt Anoplophora glabripennis (Cerambycidae) konnte eine Chemo-
286 
ökologische Risikoabschätzung für die Pappel-KUP Option der Landnutzung auf Bioenergieflächen vorgenommen werden.
Auf der Grundlage weiterer Daten zur Möglichkeit der Strategie einer olfaktorischen
Störung des invasiven Insekts konnten Empfehlungen zur Erhöhung der Stabilität von
Pappel-KUP Bioenergieflächen gegen den Massenbefall durch das invasive Insekt A.
glabripennis entwickelt werden.
Stand der Technik
Die Erzeugung holziger Biomasse durch Plantagen schnell wachsender Baumarten (z.B.
Pappel) oder der landwirtschaftliche Anbau von Energiepflanzen (z.B. Mais) kann ein
wichtiger Faktor für die Wertschöpfung im ländlichen Raum werden. Neben der Erzeugung von Biomasse sollte die Anlage der Pflanzungen ein hohes Maß an Stabilität gegen
Insektenmassenvermehrungen gewährleisten, um Umwelt belastende Pflanzenschutzmaßnahmen oder eine defizitäre Energiebilanz durch hohe Ertragsausfälle zu vermeiden.
Erfahrungen aus dem Ausland mit solchen Pflanzungen zeigen, dass trockene Grenzstandorte besonders gefährdet sind (Hu et al. 2009). Da der Anbau schnell wachsender
Baumarten vorzugsweise auf Grenzstandorten stattfinden wird und die Klimaprognosen
eine Zunahme von sommerlichen Trockenperioden vorhersagen, ist eine erhöhte Gefährdung durch Insektenmassenvermehrungen gegeben. Dieses Problem wird durch invasive
Insektenarten (z.B. Asiatischer Laubholzbockkäfer), die geschwächte Pflanzen bevorzugt
befallen, noch verstärkt. So sind in China in den letzten Jahren jeweils mehrere 100.000
ha Pappelplantagen dem Asiatischen Laubholzbockkäfer (Anoplophora glabripennis, ALB)
zum Opfer gefallen (Hu et al. 2009). Dieses Insekt ist als hoch invasionsgefährlich eingestuft und in den letzten Jahren mehrmals in Deutschland entdeckt worden. Aufgrund seines breiten Wirtsspektrums kann dieses Insekt auch für eine große Zahl weiterer Laubbaumarten in Deutschland als gefährlich eingestuft werden (Hu et al. 2009).
Eine chemoökologische Risikoanalyse mittels der vom Antragsteller entwickelten gekoppelten Gaschromatographie mit elektroantennographischer Detektion und Massenspektrometrie (GC-EAD/MS) (Johne et al. 2008) kann helfen, eine erhöhte Befallsdisposition
von Pflanzen festzustellen, sowie beigemischte Pflanzenarten zu identifizieren (Heiermann & Schütz 2008), die Kommunikationsketten von Schadinsekten unterbrechen und
eine erhöhte Biodiversität natürlicher Gegenspieler fördern können (Hu et al. 2009). Eine
schnelle, praktische Einschätzung vorhandener Flächen kann nach Identifizierung relevanter VOC-Muster mittels Biosensoren oder biomimetischen Sensoren auf der Basis des
Insektengeruchssinns erfolgen (Schütz et al. 2000).
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Das Monoterpen (E)--Ocimen konnte in den Freilanduntersuchungen sowie in den Insektenfraß-Experimenten in Gewächshauskammern als mit akutem Blattfraß durch den Pappelblattkäfer Chrysomela pupuli hochkorreliere flüchtige Emission aller drei getesteten
Pappelhybriden bestätigt werden, das Monoterpen (E,E)-2,6-Dimethyl-1,3,5,7-octatetraen
weist im Freiland und Gewächshaus signifikant erhöhte Emissionen erst nach über 2 Wochen fortgesetztem Blattfraß auf. Über diese beiden Marker-Volatile lässt sich somit eine
Aussage über den kumulierten Frassschaden sowie über die aktuelle Fraßaktivität der
Insekten ableiten. Die Entwicklung eines biologischen oder biomimetischen Sensorsystems für diese beiden Volatile könnte somit eine Echtzeit-Beurteilung vor Ort bezüglich
der aktuellen Gefährdungssituation erlauben.
Die chemoökologische Risikoabschätzung hinsichtlich der Gefährdung von Pappelplantagen durch den invasiven Asiatischen Laubholzbockkäfer (ALB) wurde auf die breitere Basis von Volatilenmustern von 10 Pappelarten gestellt. Hier stellen sich unter den von diesem Insekt wahrgenommenen Volatilen deutliche Unterschiede in den Volatilenmustern
von präferierten und gemiedenen Pappelarten heraus, die Ansatzpunkte für gezielte Züchtung unattraktiver Pappelhybride geben können. Kurzfristig muss den momentan gängigen Pappelhybriden eine hohe Attraktivität für den ALB bescheinigt werden und das Ge-
287 fährdungspotential durch den invasiven ALB muss als „hoch“ eingestuft werden. Ein 0,5
bis 2 km breiter Gürtel aus Maispflanzen könnte unseren Feldmessungen zu Folge die
Orientierung des ALB nachhaltig stören, während Raps aufgrund der Ernte der Pflanzen
vor der Hauptflugzeit des ALB diesen störenden Effekt nicht aufweisen kann.
Ergebnisbericht
Um eine breite Referenz für die VOC-Messungen im Feld zu erhalten wurden die VOC 10
verschiedener Pappelarten und Hybriden im Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen gesammelt und mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) analysiert. Mittels GC-MS/EAD Technik (Gaschromatograph mit gekoppeltem Massenspektrometer / Elektroantennograph) wurden Blattvolatile ausgewählter Pappelarten unter unterschiedlicher Wasserversorgung analysiert und auf olfaktorische Wahrnehmungsfähigkeit
von Anoplophora glabripennis getestet.
Erste Ergebnisse zeigen olfaktorische Wahrnehmungsfähigkeit beider Geschlechter auf
verschiedene, von Pappeln abgegebene, Substanzen (Abb. 1).
Abbildung 1: Wahrnehmungsfähigkeit der Antennen von Anoplophora glabripennis (Weibchen und
Männchen) von Populus nigra Blattvolatilen. 1: 2-Methyl-butan-2-ol, 2: Pentan-2-ol, 3: 3-Methyl-buten2-al, 4: (Z)-3-Hexen-1-yl-acetat, 5: 3-Methyl-butan-2-ol, 6: 6-Methyl-5-hepten-2-on, 7: Hexan-1-ol, 8:
Camphor, 9: (Z)-3-Hexen-1-ol, 10: (Z)-3-Hexen-1-yl-butyrat, 11: ?, 12: 2-Ethyl-hexan-1-ol, 13: Benzaldehyd, 14: Linalool, 15: β-Caryophyllen, 16: Acetophenon, 17: α-Terpineol, 18: Methylsalicylat.
288 Dies legt eine differenzierte Wahrnehmung von Wirtspflanzen-VOC durch den invasiven
ALB nahe und erlaubte die Untersuchung der Feld-VOC-Proben auf für die Wirtsfindung
dieses Insekts bedeutsame Duftstoffe.
Um einschätzen zu können, unter welchen Bedingungen welche Duftstoffe freigesetzt
werden, wurden Blattvolatile unterschiedlicher Pappelklone in Klimakammern, im Gewächshaus und im Freiland (Reiffenhausen, Berta II) analysiert und hinsichtlich Volatilenzusammensetzung und Insektenbefall verglichen. Vergleicht man zum Beispiel Volatilenproben in der Klimakammer mit denen des Freilands (Reiffenhausen, Berta II) kann man
bei den Klimakammerdaten aufgrund der kontrollierten abiotischen und biotischen Bedingungen eine wesentlich höhere Homogenität der Daten beobachten. Die Freilanddaten
dagegen wiesen eine weitere Streuung auf, konnten jedoch trotzdem klar unterschieden
werden (Abb. 2).
Abbildung 2: Vergleich der jeweiligen Stichprobenstreuung der Blattvolatilenmuster des Pappelklons „Max1“ zwischen Klimakammer, Reiffenhausen und Berta II. Reiffenhausen und Berta II können mittels „Faktor 3“ gut unterschieden werden.
Abbildung 3: Vergleich der TIC Massenchromatogramme des Pappelklons „Max1“ von Freilandflächen und der Klimakammer.
289 Die meisten Stoffe kommen sowohl im Freiland als auch in der Klimakammer vor, jedoch
in unterschiedlichen Mengen. Beispielsweise erzeugt das Sesquiterpen Guaiol (Retentionszeit: 18,761) in der Klimakammer einen wesentlich höheren Peak als im Freiland (Abb.
3).
Anders ist dies beispielsweise bei (E,E)-2,6-Dimethyl-1,3,5,7-octatetraen. Dieses Monoterpen weist im Freiland signifikant höhere Peakflächen auf als in der Klimakammer oder
im Gewächshaus. Das Monoterpen (E)--Ocimen dagegen weist nur in Reiffenhausen
eine signifikant höhere Peakfläche auf als auf der Fläche Berta II sowie in der Klimakammer (Abb. 4).
Abbildung 4: Peakflächen von drei Terpenoiden des Pappelklons „Max1“ in der Klimakammer und
im Freiland
Tabelle 1: Vergleich der 2 Freilandstandorte Berta (BERTA II) und RH (Reiffenhausen) sowie der
Klimakammer BS1 (Baseline 1); DMOT: 2,6-Dimethyl-1,3,5,7-octatetraene, Signifikanzniveau α =
0.05
Baumart
Test
Pappel
Modell
DF
F-Wert
P
BS1-Berta-RH - (E)-β-Ocimen glm(Area~Treat)
2,24
30.047
< 0.0001
Pappel
BS1-Berta-RH - DMOT
glm(Area~Treat)
2,24
15.123
< 0.0001
Pappel
BS1-Berta-RH - Guaiol
glm(Area~Treat)
2,24
43.394
< 0.0001
Diese Befunde korrelieren gut mit dem Insektenbefall, der in den Klimakammern abwesend, auf der Fläche Berta II erheblich und auf der Fläche Reiffenhausen am intensivsten
war.
Das Monoterpen (E)--Ocimen konnte in den Freilanduntersuchungen sowie in den Insektenfraß-Experimenten in Gewächshauskammern als mit akutem Blattfraß durch den Pappelblattkäfer Chrysomela pupuli hochkorreliere flüchtige Emission aller drei getesteten
Pappelhybriden bestätigt werden, das Monoterpen (E,E)-2,6-Dimethyl-1,3,5,7-octatetraen
weist im Freiland und Gewächshaus dagegen signifikant höhere Peakflächen nach über 2
Wochen fortgesetztem Blattfraß auf (Tab. 1). Über diese beiden Marker-Volatile lässt sich
somit eine Aussage über den kumulierten Frassschaden sowie über die aktuelle Fraßaktivität der Insekten ableiten. Eine Kombination dieser Aussagen lässt die Erstellung eines
Indikatorsystems zu, das aus dem Konzentrationsverhältnis dieser beiden Marker-Volatile
mit einem dritten, konstant auftretendem Volatil, wie dem Cineol, eine vor-Ort Abschätzung des Gefährdungspotentials des Befalls durch phyllophage Insekten errechnet. Dieser Wert kann als akuter chemo-ökologischer Gefährdungsindex gebraucht und in eine
ganzheitliche ökologische Gefährdungsabschätzung integriert werden.
Die chemoökologische Risikoabschätzung hinsichtlich der Gefährdung von Pappelplantagen durch den invasiven Asiatischen Laubholzbockkäfer (ALB) wurde auf die breite Basis
von Volatilenmustern von 10 Pappelarten gestellt. Hier stellen sich deutliche Unterschiede
290 in den Volatilenmustern von präferierten und gemiedenen Pappelarten heraus, die Ansatzpunkte für gezielte Züchtung unattraktiver Pappelhybride geben können. Kurzfristig
muss den momentan gängigen Pappelhybriden eine hohe Attraktivität für den ALB bescheinigt werden und das Befallspotential durch den invasiven ALB muss als „hoch“ eingestuft werden. Ein 0,5 bis 2 km breiter Gürtel aus Maispflanzen könnte unseren Feldmessungen zu Folge die Orientierung des ALB nachhaltig stören, während Raps aufgrund
der Ernte der Pflanzen vor der Hauptflugzeit des ALB diesen störenden Effekt nicht aufweisen kann.
Abbildung 5: Totalionenchromatogramme (TIC) von P. nigra und den zwei verschiedenen Maiskultivaren („Magister“ und „Pedro“) in Kombination von den vom ALB empfindlich gerochenen Substanzen (gelb markiert)
291 Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen
Die Feldprobennahmen des Arbeitspakets FA 3 werden eng mit denen der Arbeitspakete
FA 1, FA 2 und IO-A 2 abgestimmt.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Wegen der kurzen Vorlaufzeit zwischen Genehmigung und Beginn des Forschungsvorhabens konnte in dem Arbeitspaket FA 3 die Arbeit erst mit erheblicher Verzögerung begonnen werden, da sich die Ausschreibungen und die Einstellungen von MitarbeiterInnen
erheblich verzögert haben. Aus diesem Grund wurde die Laufzeit des Arbeitspakets bis
zum 31.08.2014 verlängert. Die ursprüngliche Laufzeit des Arbeitspakets endete eigentlich zum 31.08.2013. Die Finanzmittel hierfür wurden aus dem Arbeitspaket zur Verfügung
gestellt (kostenneutrale Verlängerung). Herr Dr. von Fragstein und Niemsdorf hat das Projekt zum 01.02. 2013 in Richtung Industrie verlassen. Die Stelle konnte mit einem neuen
Bewerber (Dr. Gerrit Holighaus) besetzt werden.
Gegenüberstellung von vorgegebenen Zielen und erreichten Ergebnissen
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Monitoring der VOC-Diversität
 Monitoring von Pappel-KUPs in Reiffenhausen und BERTA II
 Referenzexperiment in Klimakammern mit Max I und TordisKlonen
 Referenzexperiment im Gewächshaus mit drei Pappelklonen
Erklärung VOC-Diversität und
Umweltfaktoren
 Aufnahme abiotischer und biotischer Umweltfaktoren auf
Pappel-KUPs in Reiffenhausen und BERTA II
 Statistische Analyse der VOC-Diversität von Pappel-KUPs in
Reiffenhausen und BERTA II sowie Klimakammer- und Gewächshaus- Referenzexperiment
Monitoring der Diversität ausgewählter herbivorer Insektengruppen
 Monitoring der Fauna herbivorer Insekten mittels unbeköderter Prallfallen auf Pappel-KUPs in Reiffenhausen und BERTA II
 Monitoring der Agriotes- Fauna mittels Pheromon-beköderter
Prallfallen auf Pappel-KUPs in Reiffenhausen und BERTA II
 Monitoring der Cerambyciden- Fauna mittels Kairomonbeköderter Prallfallen.
Erfassung der Anfälligkeit für
Insektenbefall, insbesondere
Invasive Insekten
 VOC-Muster 10 verschiedener Pappelarten und –hybride
unter kontrollierten klimatischen Bedingungen
 Elektrophysiologische Reaktionen des invasiven Asiatischen
Laubholzbockkäfers (ALB) auf die VOC ausgewählter Pappelarten und –hybride bei unterschiedlicher Wasserversorgung.
Chemo-ökologische Risikoabschätzung
 Chemo-ökologische Risikoabschätzung für die Pappel-KUP
Empfehlung zur Stabilisierung
gegen Massenbefall durch
invasive Insekten
 Kurzfristig: Strategie der olfaktorischen Störung durch Pap-
Option der Landnutzung auf Bioenergieflächen hinsichtlich
einer Gefährdung durch den invasiven ALB
pel-KUP umgebende Maisfelder
 Langfristig: Züchtung von Pappelsorten mit geringer olfaktorischer Attraktivität für den ALB
292 Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Von Fragstein M, Holighaus G, Schütz S, Tscharntke T (2013) Weak defense in a tritrophic system: olfactory response to salicylaldehyde reflects prey specialization of potter wasps. Chemecology 3: 181-190.
Holighaus G, Weißbecker B, von Fragstein M, Schütz S (2014) Ubiquitous eight-carbon
volatiles of fungi are infochemicals for a specialist fungivore. Chemoecology, DOI
10.1007/s00049-014-0151-8
293 Arbeitspaket:
SÖB 1
Thema:
Ökonomie Forst
Antragsteller
Prof. Dr. B. Möhring
Institut:
Abt. Forstökonomie u. Forsteinrichtung, Georg-August-Univ. Göttingen
Dauer:
01.01.2012 – 28.02.2014 (inkl. 2monat. kostenneutrale Verlängerung)
Wiss. Mitarbeiter:
Christian Kleinschmit
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Im Rahmen dieses Arbeitspaketes (AP) sollten relevante betriebswirtschaftliche Daten für die
regionale Energieholzproduktion und –bereitstellung aufbereitet und damit eine regionale,
betriebswirtschaftliche Bewertung der Energieholzproduktion aus Waldflächen vorgenommen
werden. Hieraus sollten forstwirtschaftliche Nutzungskonzepte zur verstärkten Energieholzproduktion entwickelt und betriebswirtschaftlich bewertet werden.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Der Ablauf des Vorhabens war über den Arbeitsplan bzw. den Meilensteinplan weitestgehend vorgegeben.
Eine Änderung ergab sich bei dem 2. Meilenstein (vgl. dritter Zwischenbericht). Der Mengenund Wertzuwachs von Nieder- und Mittelwälder ist im Vergleich zum Hochwald der Art niedrig, dass ein zu führender Vergleich keinen zusätzlichen Erkenntnisgewinn bereitstellt. Aus
diesem Grund wurde in Absprache mit dem zuständigen AP IO-A3 auf einen Vergleich alternativer waldbaulicher Verfahren verzichtet. Dies wurde auch im dritten Zwischenbericht ausführlich begründet.
Die Erarbeitung der betrieblichen Interdependenzen zwischen land- und forstlichen Betrieben
(Arbeitsplan Nr. 2) erfolgte nicht in einem eigenen Modell, sondern integriert in dem Planungstool von AP UP3 und UP4. Hierdurch konnten Kompetenzen gebündelt und insgesamt
die Außenwirkung des Arbeitsschrittes deutlich erhöht werden, da das erstellte Planungstool
online den Stakeholdern zur Verfügung gestellt wird.
Wie bereits im zweiten und dritten Zwischenbericht ausgeführt, konzentrierte sich das AP
vornehmlich auf die Baumart Buche, da von dieser Baumart der deutlich überwiegende Anteil
des Energieholzes der Regionen stammt (vgl. Ergebnisbericht). Das im Rahmen des APs
erstellte ökonomische Modell erlaubt erstmals unter Verwendung von Kosten- und Erlössätzen ökonomisch optimale Nutzungsintensitäten in Buchenkronen abzuschätzen. Bisherige
Schätzmethoden reichen dazu nicht aus. Insgesamt zeigte sich, dass die Optimierung des
Modells und Durchführung diverser Modellrechnungen sehr zeitaufwändig ist, so dass eine
Verlängerung des Projektes um einen Monat bis zum Februar 2014 notwendig wurde.
Stand der Wissenschaft und Technik/ Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Für die betriebswirtschaftliche Bewertung der Energieholzproduktion und –bereitstellung
existieren verschiedentliche Modelle. Diese haben jedoch gemeinsam, dass die Aufarbeitungsintensität nicht ökonomisch determiniert ist bzw. dass das Zusammenspiel von den
Kosten- und Erlösen der Aufarbeitung mit der Kronenverzweigung unberücksichtigt bleibt.
Diese wird i.d.R. als fix gesetzt. Insofern konnte mit den durchgeführten Arbeiten und erzielten Ergebnissen der Stand der Wissenschaft bedeutend erweitert werden.
294 Arbeitsbericht
Im Jahr 2011 und 2012 erfolgte die ökonomische Analyse der Energieholzbereitstellung und
–produktion aus Waldflächen für die beiden Projektregionen BERTA und Göttinger Land.
Neben der Auswertung und Analyse bestehender Datensätze, vorwiegend aus dem Landeswald, stand hierbei die Gewinnung neuer Daten aus Waldaußenaufnahmen und der Befragung von Waldbesitzern (vgl. zweiter Zwischenbericht) im Vordergrund. Teile des Jahres
2012 und das volle Jahr 2013 wurde neben der Analyse betrieblicher Interdependenzen (in
Zusammenarbeit mit den AP UP3 und UP4) für die Erstellung des Entscheidungsmodells zur
Bestimmung der ökonomisch optimalen Nutzungsintensität genutzt. Dieser letzte Arbeitsschritt benötigte inklusive weiterer Außenaufnahmen und diverser Modellmodifikationen rund
1,5 Jahre.
Hauptergebnisse und deren Verwertbarkeit
Regionale Energieholzproduktion und -bereitstellung
Die naturräumliche Ausstattung der beiden Bioenergieregionen „Thüringer Ackerebene
BERTA“ und „Göttinger Land“ ist sehr unterschiedlich. Während die Projektregion „Thüringer
Ackerebene BERTA“ primär landwirtschaftlich mit einem Waldanteil von nur 6,2 % (3.429,5
ha) geprägt ist, sind es in der deutlich waldreicheren Region „Göttinger Land“ 39.556 ha bzw.
35,4 % Wald. Der Wald in der Projektregion Göttinger Land gehört in erster Linie privaten
Eigentümern (54 %), gefolgt vom Land Niedersachsen (36 %) und den beiden Kommunen
Göttingen und Hann.-Münden (11 %). Für die Region „Thüringer Ackerebene BERTA“ ist der
Datensatz unvollständig; es ist aber von einer Waldbesitzverteilung von zwei Dritteln Privatwald und einem Drittel Kommunal- und Landeswald, wobei der größere Teil davon auf Kommunalwald entfällt, auszugehen (HUSMANN, 2013b).
Abb. 1 gibt die Baumartenausstattung in den Projektregionen wieder. Die Projektregion
BERTA zeigt insgesamt ein sehr heterogenes Bild mit einer hohen Flächenausstattung in
den Baumartengruppen Anderes Laubholz hoher Umtriebszeit (30 %) und Eiche (26 %).
Demgegenüber sind die Baumartengruppen Fichte (17 %) und Buche (14 %) im Vergleich
zur Projektregion Göttinger Land deutlich schwächer vertreten. Diese wird mit einem Anteil
von 59 % deutlich von der Buche dominiert, zusammen mit der Fichte (25 %) machen beide
Baumartengruppen 84 % der Flächenausstattung aus.
Abbildung 1: Baumartenverteilung in den Untersuchungsregionen BERTA und Göttinger Land (HUSMANN, 2013)
Für den Landeswald in der Projektregion „Göttinger Land“ liegen für den Zeitraum 2005 bis
2010 die Holzeinschlagsmengen vor, welche einen durchschnittlichen Hiebsanfall von 11,3
Fm/ha/a (über alle Baumarten) bei einem Gesamtholzanfall von 157.200 Fm aufweisen (Abb.
2). Dieser sehr hohe durchschnittliche Hiebsanfall ist geprägt von dem Orkan Kyrill, bei welchem bundesweit 31,3 Mio. m³ und auch in der Projektregion große Mengen an Schadholz
anfielen. Ohne das Kalamitätsjahr 2007 beläuft sich der Hiebsanfall in der Region auf im Mit-
295 tel 9,4 Fm/ha/a. Im betrachteten Zeitraum teilt sich der Massenanfall im Landeswald annähernd zu gleichen Anteilen in Laub- und Nadelholz (49 % zu 51 %) auf, welches einen durchschnittlichen Einschlag im Laubholz von 76.500 Fm bzw. im Nadelholz von 80.700 Fm bedeutet. Bedingt durch den Orkan kam es im Nadelholz im Jahr 2007 zu einer 3,7fach erhöhten Holznutzung im Vergleich zu den fünf Jahren im Vergleichszeitraum. Folglich ist in kalamitätsfreien Jahren von einem im Vergleich zum Nadelholz höheren Laubholzanfall auszugehen und insgesamt mit einem geringeren Gesamtholzanfall zu rechnen.
Abb. 2: Holzmassenanfall über alle Baumarten getrennt nach Laub- und Nadelholz im Landeswald der
Projektregion Göttinger Land von 2005 bis 2010
Ähnlich der Baumartenausstattung teilt sich der Gesamtholzanfall in die Baumartengruppen
auf, wobei sich der Beitrag zum Energieholzanfall zwischen den Baumartengruppen stark
unterscheidet (Tab. 1).
Tabelle 1: Holzmassenanfall aller Baumartengruppen absolut und mit Energieholzanteilen im Landeswald der Projektregion Göttinger Land von 2005 bis 2010
Baumartengruppe
Eiche
Buche
ALh und ALn
Fichte
Douglasie
Kiefer
Lärche
Summe
Gesamtanfall
[Fm/a]
Energieholz
[Fm/a]
[%]
7.300
65.700
6.800
70.900
830
1.700
7.300
160.530
920
19.600
2.500
830
30
20
70
23.900
12,6
29,8
36,5
1,2
3,3
<1
<1
14,9
Im Landeswald fielen in den Jahren 2005 bis 2010 jährlich rd. 23.970 Fm bzw. 1,67 Fm/ha
Energieholz an, welches wiederum zu 82 % in der Baumartengruppe Buche anfällt. Die gesamten Energieholzmassen werden zum weit überwiegenden Anteil aus dem Brennholzsortiment (93,3 %) gewonnen, wobei hier die Baumart Buche einen noch größeren Anteil einnimmt (83,5 %). Das Sortiment Waldhackschnitzel (durch Hackung von Hiebsresten und Reisig) im Landeswald war im Vergleich zum Brennholz mit einer jährlichen durchschnittlichen
Menge von 1.600 Fm gering; es fiel zum überwiegenden Teil in den Baumartengruppen Buche (59,9 %) und Fichte (36,8 %) an. Dabei resultierten allein 64 % des Gesamthackgutanfalles des Betrachtungszeitraumes aus den Windwürfen des Orkans Kyrill im Jahr 2007. In einem normalen Jahr variiert der Hackgutanfall zwischen 330 und 660 Fm. Geht man von einer
296 ähnlichen Baumartenverteilung und Nutzungsintensität im Kommunal- und Privatwald aus
und überträgt den Einschlag im Landeswald auf die Gesamtwaldfläche, so würden in der
Projektregion Göttinger Land im Vergleichszeitraum potentiell rd. 65.000 Fm/a Energieholz
anfallen. Die reellen Energieholzmengen liegen vermutlich höher, da insbesondere Brennholzmassen häufig nicht vollständig erfasst werden und der Käufer von Industrieholzsortimenten (besonders bei der Baumart Buche ist dies der Fall) diese auch der energetischen
Verwendung zuführen kann, ohne dass dies dem Verkäufer bekannt und entsprechend verbucht ist.
Entsprechende Kalkulationen sind für die Projektregion BERTA auf Grund der Datenverfügbarkeit kaum möglich. Würden auch in dieser Region 1,67 Fm/ha/a an Energieholz anfallen,
so wären dies für die BERTA-Region potentiell rd. 5.700 Fm/a bzw. für beide Projektregionen
zusammen 70.700 Fm/a in dem Vergleichszeitraum 2005 bis 2010. Die Baumartengruppe
mit dem mit Abstand höchsten Beitrag zur Energiegewinnung in den Projektregionen ist folglich die Buche. Insofern empfiehlt sich für weitere Forschungen rund um die Energieholzproduktion und –bereitstellung diese auf die Baumart Buche zu reduzieren.
Abhängigkeit der Energieholzverfügbarkeit von den ökonomischen Rahmenbedingungen
Dass die Energieholzmengen aus dem Wald durch die ökonomischen Rahmenbedingungen
(Erlöse und Kosten der Aufarbeitung) determiniert und entsprechend variabel sind, zeigen
die folgenden vorgestellten Ergebnisse. Sie basieren auf dem im Rahmen dieses Projektes
völlig neu konzipierten ökonomischen Modell (HUSMANN, 2013A; KLEINSCHMIT, 2015), welches methodisch auf dem Grenzkostenansatz fußt und mit einem RBS-Datensatz (163 Rotbuchen) hinterlegt ist. Entsprechend sind die Ergebnisse nur für die im RBS-Datensatz enthaltenen Buchen gültig. Dieses Modell erlaubt auf Grund seines Aufbaus die Auswirkungen
auf die ökonomisch optimale Aufarbeitungsintensität sowohl für unterschiedliche Verzweigungstypen der Buchenkronen (drei Kronentypen) als auch für verschiedene Kosten-ErlösVerhältnisse (Sensitivitätsanalyse) abzuschätzen. Es ist angepasst auf das Verfahren der
hochmechanisierten Holzernte, dessen Verwendung nicht nur in den Projektregionen stark
steigend ist. So stieg bspw. im niedersächsischen Landeswald der Anteil hochmechanisiert
geernteten Laubholzes vom Jahr 2001 zum Jahr 2011 um 25 % (auf insgesamt 30 %). Des
Weiteren berücksichtigt das Modell die Aufarbeitung von Energieholz-Fixlängen aus dem
Kronenbereich, welche i.d.R. gepoltert frei Waldstraße den Kunden angeboten werden. Die
Hackguternte, welche in den Projektregionen nur einen sehr begrenzten Umfang hat, ist nicht
Teil des Modells.
Bei der hochmechanisierten Kronenaufarbeitung zeigt sich kein statistischer Zusammenhang
zwischen der Aufarbeitungsintensität in der Krone (bei den drei untersuchten Kronentypen)
und dem BHD (Abb. 3). Der Kalkulation liegt ein Holzerlös von 50 EUR/Fm und Holzerntekosten von 175 EUR/MAS (entspricht der Basisvariante) zugrunde. Die Klassifikation der
Kronentypen erfolgt auf Basis der Aggregation des Kronenholzes in den jeweiligen Astdimensionen. Entsprechend weist Kronentyp 1 eine geringe Aggregation, mit der Folge eines
verhältnismäßig großen Holzvolumenanteils an gering dimensionierten Kronenästen auf.
Demgegenüber besitzt der Kronentyp 3 die höchste Aggregation und damit einen vergleichsweise hohen Holzvolumenanteil in stärkeren Astdimensionen. Bei allen Kronentypen
streut die ökonomische optimale Aufarbeitungsintensität über die gesamte BHD-Bandbreite
zwischen Null und 93 %, wobei bis auf 8 Untersuchungsobjekte die Aufarbeitungsintensität
unter 80 % liegt. Im Durchschnitt (Mean; Formel 1 bis 3) der Kronentypen weist der Kronentyp 3 mit einem Anteil von 0,56 die höchste Aufarbeitungsintensität in der Krone auf und liegt
damit rd. 50 % über dem Kronentyp 2 bzw. rd. 80 % über dem Kronentyp 1. Folglich wird hier
die höchste, ökonomisch optimal bereitgestellte Energieholzmenge erzielt.
297 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
Ökon. optim. Aufarbeitungsintensität d. Krone
0.0
Kronentyp 1
Kronentyp 2
Kronentyp 3
0
20
40
60
80
BHD [cm]
Abbildung 3: Ökonomisch optimale Aufarbeitungsintensität (AI) der Buchenkronen für die hochmechanisierte Aufarbeitung (HM) in Abhängigkeit von dem BHD und getrennt nach den Kronentypen
(KRT).
AI
,
0,32
Formel 1
AI
,
0,38
Formel 2
AI
,
0,56
Formel 3
Weiterhin wird hierbei deutlich, dass die Aufarbeitungsintensität der Kronen durch die ökonomischen Faktoren determiniert wird, sodass eine vollständige Aufarbeitung des Kronenholzes aus ökonomischer Sicht nicht vorteilhaft ist.
Der Grenzzopf (GZ) bei ökonomisch optimaler Aufarbeitungsintensität stellt für den Aufarbeitenden eine operationale Größe bei der Buchenkronenaufarbeitung dar. Dieser stellt bei den
untersuchten Buchen des RBS-Datensatzes den Durchschnitt der drei RBS-Pfadergebnisse
je Untersuchungsobjekt dar. Die Ergebnisse basieren auf dem Kosten-Erlös-Verhältnis der
Basisvariante. In Abbildung 4 sind die Aufarbeitungsgrenzen für alle Kronen der RBS-Einzelbäume über dem BHD aufgetragen. Der Grenzzopf steigt mit steigendem BHD stark linear an
(Formel 4). Die Streuung der Aufarbeitungsgrenzen beträgt dabei über allen BHDs rd.
200 mm. Insgesamt zeigt sich somit, dass der BHD für den Grenzzopf (bei ökonomisch optimaler Aufarbeitungsintensität) bei der hochmechanisierten Aufarbeitung relevant ist. Bei der
statistischen Analyse der Daten zeigte sich zudem, dass eine Trennung der Grenzzöpfe nach
Kronentypen innerhalb des Aufarbeitungsverfahrens zu keinem signifikanten Ergebnis führt.
Folglich ist von keinem signifikanten Einfluss der Kronentypen auf diese Größe auszugehen.
298 400
300
200
0
100
Grenzzopf [mm]
10
20
30
40
50
60
70
80
BHD [cm]
Abbildung 4: Grenzzopf (GZ) unter ökonomisch optimaler Aufarbeitungsintensität in Abhängigkeit
vom BHD der 163 RBS-Einzelbäume für die hochmechanisierte Kronenaufarbeitung.
GZ
1,3328
4,7395 ∗ BHD
R²=0,62
Formel 4
Die Prozentuale Änderung der ökonomisch optimalen Aufarbeitungsintensität über prozentualer Änderung der Erlöse bzw. der Kosten bei der hochmechanisierten Buchenkronenaufarbeitung zeigt die Abbildung 5. Ausgehend von der Basisvariante wird so der Einfluss von
negativen Erlös- bzw. Kostenänderungen auf die ökonomisch optimale Aufarbeitungsintensität von Buchenkronen deutlich. Dieser ist zuerst annähernd gleich, jedoch zeigt sich bei stärkeren negativen Änderungen ein erhöhter Einfluss der Aufarbeitungskosten auf die Aufarbeitungsintensität. Steigen jedoch beide ökonomischen Parameter an (=positive Änderung), so
führen die Erlöse auf Grund ihres annähernd linearen Verlaufes zu einem vergleichsweise
höheren Einfluss auf die ökonomisch optimale Aufarbeitungsintensität. Beispielsweise führt
eine Erhöhung der Erlöse um 30 % zu einer relativen Änderung der ökonomisch optimalen
Aufarbeitungsintensität um rd. +22 %, die Senkung der Kosten – deren Senkung bspw. durch
die Wahl des Maschinenaggregates durch einen Entscheider aktiv beeinflusst werden kann –
um dieselbe Größe hingegen zu einer Erhöhung um rd. 15 %.
Insgesamt kann geschlussfolgert werden, dass die Veränderung der ökonomischen Rahmenbedingungen zu erheblichen Änderungen der ökonomisch optimalen Aufarbeitungsintensität von Buchenkronen führen und insofern solche Abhängigkeiten bei weiteren Studien keineswegs zu vernachlässigen sind. Bei einer Potentialschätzung für Energieholz (entsprechendes gilt auch für andere Sortimente) müssen zwingend die ökonomischen Rahmenbedingungen Berücksichtigung finden, da es ansonsten zu erheblichen Über- bzw. Unterschätzungen kommen kann.
299 Erlösänderung
Kostenänderung
30
Änderung der ökonomisch
optimalen Aufarbeitungsintensität [%]
20
10
Erlös-/ Kostenänderung [%]
-30
-20
-10
10
20
30
-10
-20
-30
Abbildung 5: Prozentuale Änderung der ökonomisch optimalen Aufarbeitungsintensität über prozentualer Änderung der Erlöse bzw. der Kosten bei der hochmechanisierten Buchenkronenaufarbeitung.
Die Referenz stellt das Verhältnis von den beiden summierten Größen des ökonomisch optimal nutzbaren Kronenholzvolumens und des gesamten Kronenholzvolumens aller 163 RBS-Einzelbäume bei
dem Kosten-Erlös-Verhältnis der Referenzvariante (Kosten 175 EUR/MAS; Erlös 50 EUR/Fm; Kronentyp 2) dar.
Umsetzung der geplanten Ziele
Die für dieses AP gesetzten Ziele wurden bis auf wenige Abweichungen infolge von Planungsänderungen (vgl. Ablauf des Vorhabens) erfolgreich umgesetzt.
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Beschaffung und Aufarbeitung von
relevanten betriebswirtschaftlichen
Daten für die regionale Energieholzproduktion und –bereitstellung
- Abschätzung der regionalen Energieholzbereitstellung/-produktion (Expertenbefragungen, Datenauswertung)
- Interessen der Waldeigentümer bei der
Energieholzbereitstellung/-produktion (Befragung)
Betriebswirtschaftliche Bewertung
der Energieholzproduktion aus
Waldbeständen
- Prozesskostenanalysen der Energieholzbereitstellung (NEUGEBAUER, 2013; ROSE, 2013)
- Bestimmung einer ökonomisch optimalen
Aufarbeitungsintensität (HUSMANN, 2013a;
KLEINSCHMIT, 2015)
Betriebswirtschaftliche Bewertung
der zu entwickelnden forstwirtschaftlichen Nutzungskonzepte zur verstärkten Energieholzproduktion
- Reinertragskalkulation für die Forstgenossenschaft Nikolausberg
- Planungstool für Stakeholder (mit AP UP3
und UP4)
300 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Im gesamten Projektzeitraum wurde intensiv mit internen und externen Akteuren kommuniziert und diskutiert. Folgende Zusammenarbeiten wurden gepflegt:
Art
Intern
Anlass
Statusseminare
Ökon. Analyse der Energieholzbereitstellung
Planungstool von UP3/4
Bewertung alternativer
waldbaulicher Verfahren
Extern
Doktorandenseminare
Tagungen
Außenaufnahmen und
Fachgespräche
Sonstige Anlässe
Akteure
- Alle AP im Projekt BEST
- AP des Clusters SÖB (SÖB 2 – 4)
- AP Schwachholzbereitstellung (IO-H5)
- AP Schwachholzbiomasse (IO-H4)
- Energieagentur Göttingen
- AP Umstellung Einzelbetrieb (SÖB 3)
- AP Schwachholzbereitstellung (IO-H5)
- AP Schwachholzbiomasse (IO-H4)
- AP Räumliche Informationssysteme (UP3)
- AP Landschaftsökologie (UP4)
- AP Waldbausysteme (IO-A3)
- AP Schwachholzbereitstellung (IO-H5)
- AP Schwachholzbiomasse (IO-H4)
- Doktoranden anderer Lehrstühle
- Forstwissenschaftlichen Tagung in Freising
(2012)
- Forstökonomischen Kolloquiums in Sopron und
Reichenau an der Rax (2012 und 2013)
- Niedersächsisches Landesforsten
- Arbeitsgemeinschaft forstl. Lohnunternehmer
Nds. e.V.
- Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt
- Private, kommunale und staatliche Waldbesitzer
- Forstunternehmer
- Projektmitarbeiter vom „Nachhaltiges Landmanagement in Norddeutschen Tiefland“
(NaLaMa-nT)
- Projektmitarbeiter von „Climate Change – Land
Use Strategies Deutschland“ (CCLandStrat)
- Projektmitarbeiter von „Untersuchung zum forstlichen Nutzungsverhalten“
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Alle Pläne konnten eingehalten werden. Größere Änderungen ergaben sich gegenüber dem
Arbeitsplan im Antrag lediglich bei dem Vergleich unterschiedlicher Waldnutzungsformen
(vgl. Planung und Ablauf des Vorhabens).
Das AP war finanziell mit rd. 90tsd EUR ausgestattet, wovon allein 96 % für Personalausgaben (inkl. 50 % TV-L E13) verplant waren. Die geplante Laufzeit des Projektes betrug 36 Monate, welche anschließend um einen Monat verlängert wurde. Neben dem wissenschaftlichen Mitarbeiter (50 % TV-L E13) wurden in dem Projektzeitraum insgesamt sechs Hilfswissenschaftler mit unterschiedlicher Beschäftigungsdauer beschäftigt. Die bereitgestellten Finanzmittel sind voll ausgeschöpft worden.
301 Weiterentwicklung des Verwertungsplanes
Das AP hat einen Betrag zur Optimierung der forstbetrieblichen Produktion und Bereitstellung von Energieholz geleistet. Eine Weiterentwicklung des erstellten Modells in Bezug zu
weiteren Arbeitsverfahren (bspw. motormanuell Ernte, Hackguternte) bzw. Baumarten (bspw.
Eiche) ist zu empfehlen, ebenso die Integration der Modellergebnisse in größere Modelle zur
Schätzung von Energieholzpotentialen. Hierdurch können die neu gewonnenen Erkenntnisse
zu einer Verbesserung bisheriger Schätzmethoden beitragen.
Veröffentlichungen
HUSMANN, K. (2013a): Prognose ökonomisch optimaler Nutzungsintensität von Buchenkronen. Masterarbeit an der Abteilung für Forstökonomie und Forsteinrichtung, GeorgAugust-Universität Göttingen.
HUSMANN, K. (2013b): Auswertung des BEST-Teilprojektes IO-H4 Schwachholzbiomasse,
Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt, Göttingen.
KLEINSCHMIT, C., ROSE, S., MÖHRING, B. (2013): Kosten der hochmechanisierten Holzernte
von Buchenkronen. AFZ-DerWald 23/2013, 18-19.
KLEINSCHMIT, C. (2015, geplant): Die ökonomisch optimale Aufarbeitungsintensität – untersucht am Beispiel der hochmechanisierten Aufarbeitung von Buchenkronen. Dissertation
an der Abteilung für Forstökonomie und Forsteinrichtung, Georg-August-Universität Göttingen.
KLEINSCHMIT, C., MÖHRING, B., MÖLDER, I. (2013): Teilprojekt Ökonomie Forst. Zwischenbericht 1-2013. Online: http://bibliothek.best-forschung.uni-goettingen.de/handle/best/1414
<30.05.2014>.
Neugebauer, B. 2013: Analyse des Prozesses und der Genauigkeit der Harvestervermessung in der hochmechanisierten Buchenernte. Ein Fallbeispiel aus dem Niedersächsischen Forstamt Münden. Bachelorarbeit an der Abteilung für Forstökonomie und Forsteinrichtung, unveröff., Göttingen.
Rose, S. 2013: Prozessanalyse der hochmechanisierten Buchenkronenaufarbeitung. Bachelorarbeit an der Abteilung für Forstökonomie und Forsteinrichtung, unveröff., Göttingen.
302 Arbeitspaket:
SÖB 2
Thema:
Wertschöpfungsanalyse
Ausführende Stelle:
Thünen-Institut für Internationale Waldwirtschaft und Forstökonomie
Projektleitung:
Dr. Björn Seintsch
Zuwendungszeitraum:
01.09.2010 – 31.08.2014
Bearbeitungszeitraum:
18.01.2012 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Lydia Rosenkranz
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Innerhalb des Clusters SÖB wurden zwei forstökonomische Teilprojekte (SÖB 1 „Ökonomie
Forst“ und SÖB 2 „Wertschöpfungsanalyse“) und zwei agrarökonomische Teilprojekte (SÖB
3 „Umstellung Einzelbetrieb“ und SÖB 4 „Life Cycle Assessment“) zusammengefasst, welche
Fragestellungen zur sozioökonomischen Bewertung der Bioenergieerzeugung in den beiden
Modellregionen aus der mikro-, meso- und makroökonomischen Perspektive gemeinsam
bearbeiteten. Im Wesentlichen ging es hierbei um betriebliche, regionalökonomische und sozioökonomische Bewertungen alternativer Wertschöpfungsoptionen land- und forstwirtschaftlicher Flächen und deren Wechselwirkungen.
Zentrale Ziele des Teilprojekts SÖB 2 „Wertschöpfungsanalyse“ des Thünen-Instituts für Internationale Waldwirtschaft und Forstökonomie (TI-WF) waren:
 Synoptische regionalökonomische Bewertung der konkurrierenden Wertschöpfungsoptionen von Waldflächen und von Rohholz für betriebliche Entscheider, Regionalentwickler
und weitere Stakeholder sowie als Informationsbasis der regionalen Governance
 Analyse der Implementierbarkeit der übergeordneten Sektoralpolitikziele in konkreten
Fallbeispielsregionen für die Politikberatung
 Empfehlungen für eine regionalwirtschaftliche Optimierung der Ressourcenallokation von
Waldflächen und von Rohholz
Planung und Ablauf des Vorhabens
Für das Teilprojekt SÖB 2 „Wertschöpfungsanalyse“ waren die folgenden vier Arbeitsschritte
für die Durchführung der Forschungsarbeiten vorgesehen:
1. Regionalökonomische Umwelt- und Umfeldanalyse
2. Regionalwirtschaftliche Analyse
3. Analyse der waldflächen- und rohholzbasierten Wertschöpfung in den Regionen
4. Synoptische regionalökonomischen Wertschöpfungsanalyse
Abweichungen vom ursprünglichen Vorhaben
In Arbeitspaket 2 sollten Regressionsanalysen regionalwirtschaftlicher Strukturen und Verflechtungen im Kontext der Waldflächen- und Holznutzung auf Landkreisebene durchgeführt
werden. Im Arbeitsschritt 3 sollten neben Wertschöpfungskettenanalysen für die Nutzungsoptionen von Waldflächen und von Rohholz auch der Zusammenhang zwischen Waldschutzgebieten und Tourismus mittels Regressionsanalysen analysiert werden. Beide Regressionsanalysen sollten auf Basis von Umsatzsteuerstatistikdaten ausgewählter Wirtschaftszweige und weiterer georeferenzierter Daten auf Landkreisebene erfolgen.
303 Da diese statistischen Daten unter anderem aufgrund des Datenschutzes von den Statistischen Landesämtern teilweise mit Datenlücken zur Verfügung gestellt wurden, konnten die
Regressionsanalysen nicht wie geplant durchgeführt werden. Es konnte jedoch eine Datenbank für einfache, deskriptive Analysen von Zusammenhängen regionalwirtschaftlicher Strukturen und Verflechtungen aufgebaut werden.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Für die naturale (und ökonomische) Bewertung unterschiedlicher Waldbehandlungs-möglichkeiten der Forstwirtschaft wurde das Strugholtz–Modell verwendet. Dieses Simulationsmodell
wurde von STRUGHOLTZ (2010) als Grundlage für strategische Entscheidungen in Forstbetrieben entwickelt. Auf Basis betriebsindividueller Eingangsgrößen zur naturalen Ausstattung,
Waldbehandlung sowie Erlös- und Kostensätzen wird mit dem Modell ein langfristiger Vergleich unterschiedlicher waldbaulicher Behandlungskonzepte ermöglicht. Mit diesem Excelbasierten Modell ist die Entwicklung von naturalen und ökonomischen Größen von Forstbetrieben über einen Zeitraum von bis zu 200 Jahren simulierbar. Das Modell wurde vom TI-WF
bereits erfolgreich angewendet um naturale und ökonomische Veränderungen durch naturschutzfachliche Maßnahmenplanungen zu bewerten.
Zur Ausweisung der holzbasierten Vorleistungen in der Kostenstruktur einzelner Wirtschaftszweige und der holzbasierten Wertschöpfung sowie als Grundlage der Entwicklung einer
Methode zur Analyse der Einflussfaktoren für Wertschöpfungsänderungen (Dekompositionsanalyse) wurde das Verfahren von Seintsch (2011) zur Abschätzung der Holzrohstoffkosten in der Kostenstruktur der stofflichen Verwender der 1. Verarbeitungsstufe verwendet.
Hierbei wird die „Material- und Wareneingangserhebung im Verarbeitenden Gewerbe sowie
im Bergbau und in der Gewinnung von Steinen und Erden“ des Statistischen Bundesamtes
(StBA: F 4 R 4.2.4) in die „Kostenstrukturerhebung im Verarbeitenden Gewerbe, Bergbau
sowie in der Gewinnung von Steinen und Erden“ (StBA: F 4 R 4.3) integriert und mit weiteren
Datenquellen zur inländischen Rohstoffverwendung und zu den Anschaffungskosten von
Holzrohstoffen verknüpft.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Im Rahmen des Teilprojektes SÖB 2 „Wertschöpfungsanalyse“ konnten folgende neue Erkenntnisse gewonnen werden:
- Die Stellung der holzbasierten Vorleistungen in der Kostenstruktur ausgewählter Wirtschaftszweige der ersten und zweiten Verarbeitungsstufe in den Jahren 2002, 2006 und
2010.
- Die Bruttowertschöpfung und Beschäftigung für die stoffliche Holznutzung der ersten und
zweiten Verarbeitungsstufe pro Kubikmeter Rohholz/holzbasierter Vorleistungen im Bundesdurchschnitt.
- Die Bruttowertschöpfung und Beschäftigung der stofflichen Holznutzung in idealisierten
Wertschöpfungsketten im Bundesdurchschnitt sowie die Übertragung dieser Kennzahlen
auf konkrete Regionen.
- Der Zusammenhang zwischen der Verarbeitung inländischen Rohholzes sowie von Wertschöpfung und Wachstum in der holzverarbeitenden Industrie.
- Die Ursachen für Wertschöpfungsänderungen in der Säge- und Holzwerkstoffindustrie
zwischen 2002, 2006 und 2010.
Arbeitsbericht
Arbeitspaket 1: Regionalökonomische Umwelt- und Umfeldanalyse
Das Arbeitspaket 1: „Regionalökonomische Umwelt- und Umfeldanalyse“ wurde im 2. Halbjahr 2012 abgeschlossen. Ziel der Untersuchung war es, wesentliche Rahmenbedingungen
und Entwicklungen für die Nutzung von Waldflächen und Rohholz in den Regionen zu identifizieren. Weiterhin wurden im Hinblick auf die Implementierbarkeit übergeordneter Politikziele
304 in den Regionen die entsprechenden Strategiepapiere, Aktionspläne und Programme, bspw.
aus der Wirtschafts-, Umwelt- und Energiepolitik, ausgewertet. Die Ergebnisse wurden im
gemeinsamen Diskussionspapier des Clusters SÖB verwertet (siehe Haverkamp et al. 2014).
Arbeitspaket 2: Regionalwirtschaftliche Analyse
In diesem Arbeitspaket sollten zunächst deskriptive Analysen regionalwirtschaftlicher Strukturen und Verflechtungen im Kontext der Waldflächen- und Holznutzung auf Landkreisebene
durchgeführt werden.
Darauf aufbauend sollten Regressionsanalyse durchgeführt werden um regionalwirtschaftliche Wirkungszusammenhänge der Waldflächen- und Holznutzung zu identifizieren. Hierzu
sollten unter anderem die Umsatzsteuerdaten von wald- und holzbasierten Wirtschaftszweigen der Bundesländer Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen, Hessen, Thüringen und Sachsen-Anhalt mit einem Regressionsmodell vergleichend analysiert werden. Es war unter anderem geplant, die Strukturen von Regionen mit hoher Wertschöpfung in der holzverarbeitenden Industrie sowie die Auswirkungen der Ausweisung von verschiedenen Naturschutzgebietskategorien auf die Holzwirtschaft und den Tourismus zu analysieren.
Als Datengrundlage wurde eine Sonderauswertung der Umsatzsteuerstatistik auf Ebene der
Landkreise von den Statistischen Landesämter in Auftrag gegeben. Außerdem wurden georeferenzierte Daten zur Flächennutzung aus einer Thünen-internen Datenbank zusammengestellt sowie Hypothesen für die Regressionsanalyse aufgestellt.
Mit den aufgenommenen Daten konnten einfache deskriptive Analysen zu den Zusammenhängen zwischen Waldflächen- und Holznutzung sowie regionalwirtschaftlichen Strukturen
auf Landkreisebene aufgezeigt werden. Für die geplanten Regressionsanalysen erwiesen
sich die verfügbaren statistischen Daten auf Landkreisebene, aufgrund von Lücken auf der
gewünschten Aggregationsebene, als unzureichend. Dieser Arbeitsschritt konnte daher nicht
wie geplant durchgeführt werden.
Arbeitspaket 3: Analyse der waldflächen- und rohholzbasierten Wertschöpfung
Auf Basis der Forstlichen Gesamtrechnung (FGR), der Kostenstrukturstatistik (StBA: Fachserie 4, Reihe 4.3) sowie der vierjährig erscheinenden Material- und Wareneingangserhebung
(StBA: Fachserie 4, Reihe 4.2.4) wurde ein Ansatz zur Abschätzung der holzbasierten Wertschöpfung und Beschäftigung in unterschiedlichen stofflichen Wertschöpfungsketten entwickelt. Durch eine Verknüpfung der Kostenstrukturstatistik und der Material- und Wareneingangserhebung konnte zunächst die Stellung der holzbasierten Vorleistungen in der Kostenstruktur ausgewählter Wirtschaftszweige der ersten und zweiten Verarbeitungsstufe in den
Jahren 2002, 2006 und 2010 ermittelt werden. Mit dem Erscheinen der aktuellen Materialund Wareneingangsstatistik von 2010 wurden dann die bisher nur für 2006 vorhandenen
Wertschöpfungsketten für die stoffliche Holznutzung bis zur ersten Verarbeitungsstufe
(Halbwarenebene) aktualisiert. In einem weiteren Schritt wurden diese Wertschöpfungsketten
um Wirtschaftszweige der zweiten Verarbeitungsstufe erweitert. Hierfür wurden auf Basis der
Material- und Wareneingangsstatistik zunächst die Wirtschaftszweige der zweiten Verarbeitungsstufe identifiziert, die holzbasierte Rohstoffe, Halb- und Fertigwaren in der Produktion
einsetzen. Mittels der vierteljährlichen Produktionserhebung des verarbeitenden Gewerbes
(StBA) wurden die durchschnittlichen Anschaffungskosten von Rohholz sowie der holzbasierten Halb- und Fertigwaren für diese Wirtschaftszeige abgeschätzt. Zur Ermittlung der Wertschöpfung durch stoffliche Holznutzung in der zweiten Verarbeitungsstufe wurden auf Basis
dieser Abschätzungen, der Kostenstrukturstatistik sowie der Material- und Wareneingangserhebung die Bruttowertschöpfung und Beschäftigung durch Einsatz von holzbasierten Rohstoffen, Halb- und Fertigwaren ermittelt und, darauf aufbauend, idealisierte Wertschöpfungsketten gebildet. In Verbindung mit anderen Arbeiten am TI-WF (Schweinle 2012) wurde so
ein Vergleich zwischen stofflichen und energetischen Wertschöpfungsketten ermöglicht. Die
Ergebnisse bieten orientierende Größenordnungen zur Wertschöpfung unterschiedlicher
Wirtschaftszweige im Bundesdurchschnitt. Die zentralen Ergebnisse dieser Wertschöpfungsanalysen wurden von Seintsch und Rosenkranz (2015) veröffentlicht.
305 Auf diesem Ansatz aufbauend wurde in einem weiteren Arbeitsschritt der Zusammenhang
zwischen dem Einsatz holzbasierter Vorleistungen und Wertschöpfungsveränderungen in der
holzverarbeitenden Industrie untersucht. Hierzu wurde eine eigene Methode zur Zerlegung
von Wertschöpfungsänderung zwischen zwei Jahren in Preiseffekte (Input- und Outputpreise) sowie Wachstums- und Struktureffekte (Input- und Outputmengen) entwickelt, um so
Wertschöpfungseffekte isoliert analysieren zu können (Dekompositionsanalyse). Die Eingangsdaten für diese Methode wurden der Material- und Wareneingangserhebung, der Kostenstrukturstatistik sowie Preisindizes entnommen.
Für die Säge- und Holzwerkstoffindustrie (Wirtschaftszweig 1610 und 1621) wurden auf diese Weise die Ursachen für Wertschöpfungsänderungen zwischen den Jahren 2002, 2006
und 2010 untersucht. Ein besonderer Fokus lag hierbei auf der Rolle von Rohholz als Vorleistung sowie dem Zusammenhang zwischen Rohholzinput und Wachstum der Wirtschaftszweige. Auf dieser Basis können Empfehlungen für eine Optimierung der Ressourcenallokation von Rohholz abgeleitet werden.
Die Ergebnisse wurden in einem reviewten Artikel veröffentlicht (Rosenkranz et al. 2015).
Arbeitspaket 4: Synoptische regionalökonomische Wertschöpfungsanalyse
In der „Synoptischen regionalökonomischen Wertschöpfungsanalyse“ wurden die Wertschöpfungsoptionen von Waldflächen und Rohholz hinsichtlich der Nutzungskonkurrenzen, Opportunitätskosten und Substitutionseffekte für Regionen aufgezeigt. In diesem Rahmen wurden
die Ergebnisse des Arbeitspakets 3 auf die Regionen Göttinger Land und BERTA übertragen. Hierzu wurden zunächst mit Hilfe eines forstbetrieblichen Simulationsmodells (Strugholtz-Englert Modell) eine Grobabschätzung des regionalen Rohholzaufkommens und eine
Berechnung von unterschiedlichen Waldbehandlungsoptionen durchgeführt. Die Funktionen
und Wirkungsweise des Modells sind in Strugholtz (2010) und Seintsch et al. (2012) beschrieben. Mit dem Simulationsmodell wurden die Holzeinschlagmengen für die beiden Untersuchungsregionen berechnet und die bundesweiten Kennzahlen aus der Wertschöpfungskettenanalyse (Arbeitspaket 3) auf diesen regionalspezifischen Einschlag übertragen.
Es ist jedoch zu beachten, dass die tatsächliche Wertschöpfung in den Regionen, aufgrund
regionalspezifischer Baumartenanteile und Waldbesitzerstrukturen, von den bundesweiten
Durchschnittswerten abweichen können. Weiterhin wurde bei den Rechnungen unterstellt,
dass die gesamte Wertschöpfung in der Region verbleibt. Auch wurde der interregionale
Holzhandel außer Acht gelassen.
Grundlage für die Berechnungen des Holzeinschlags mit dem Strugholtz-Englert-Modell waren die Flächen der Holzartengruppe Eiche, Buche, Fichte und Kiefer sowie durchschnittliche
Umtriebszeiten. Weitere Steuerungsgrößen für die Modellierung, wie bspw. zur Altersklassenverteilung, Struktur und Bewirtschaftung der Bestände wurden pauschal unterstellt (z.B.
gleichmäßige Flächenanteile in allen Altersklasse, mäßige Durchforstung gemäß Ertragstafel, flächige Endnutzung nach Erreichen der Umtriebszeit, durchschnittliche Bestockungsgrade und Ertragsklassen).
Die Ergebnisse der synoptischen regionalökonomischen Wertschöpfungsanalyse liefern orientierende Größenordnungen zur möglichen Wertschöpfung unterschiedlicher Waldflächenund Holznutzungsalternativen in Regionen. Diese Kennzahlen können von politischen Entscheidungsträgern als Informationsgrundlage zu den möglichen wirtschaftlichen Auswirkungen der Implementierung übergeordneter Sektoralpolitikziele genutzt werden. Weiterhin können Empfehlungen für eine regionalwirtschaftliche Optimierung der Ressourcenallokation von
Waldflächen und von Rohholz abgeleitet werden. Die Ergebnisse wurden im gemeinsamen
Diskussionspapier des Clusters SÖB veröffentlicht (Haverkamp et al. 2014).
306 Ergebnisbericht
Arbeitspaket 1: Regionalökonomische Umwelt- und Umfeldanalyse
Im Rahmen der regionalökonomischen Umwelt- und Umfeldanalyse wurden zahlreiche Entwicklungen deutlich die Einfluss auf die regionale Wirtschaft haben können. Exemplarisch zu
nennen sind die Entwicklungen in der stofflichen und energetischen Holzverwendung (steigender Rohholzbedarf) oder Ansätze für Anhebung des Waldnaturschutzniveaus der steigende Bedarf an Naturschutzflächen. Im Folgenden sollen exemplarisch für diesen Arbeitsschritt ausgewählte Politikziele in ihrer möglichen Wirkung auf Regionen dargestellt werden.
Im Rahmen der Naturschutzpolitik sind z.B. die Stilllegung auf 5 % der Waldfläche und die
Förderung standortheimischer Baumarten (Biodiversitätsstrategie) sowie die Nutzungsextensivierung durch kleinflächige Stilllegungen, Umtriebszeitverlängerungen und Baumartenvorgaben (FFH-Richtlinie) zu nennen. Klimapolitische Forderungen sind unter anderem die Anpassung der Wälder an den Klimawandel („Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel“ (2008) und „Waldstrategie 2020“). In Bezug auf die Energiepolitik sieht z.B. der „Biomasseaktionsplan“ eine Steigerung der Bioenergie auf 11 % des primären Energieverbrauchs bis 2020 vor. Im „Förderprogramm für Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt“ werden unter anderem Hackschnitzel- und Pelletanlagen gefördert.
Hinsichtlich der Erholungsnutzung von Wäldern sieht die Waldstrategie 2020 die Sicherung
der naturverträglichen Erholung im Rahmen des freien Betretungsrechts sowie Umweltbildungsmaßnahmen vor. Im Rahmen der ELER-Förderung sind unter anderem Maßnahmen
zu Erhalt und Verbesserung des Freizeit- und Erholungswerts vorgesehen. Forstpolitische
Anforderungen für Regionen leiten sich bspw. aus der Charta für Holz (Steigerung des Holzverbrauchs aus nachhaltiger Erzeugung um 20% bis 2014) der Waldstrategie 2020 (z.B.
Stabile standortsgerechte Mischbestände, optimale Umtriebszeiten, Vermehrung der Waldfläche) und der forstlichen Förderung (z.B. Waldumbau) ab. Für die Wald- und Rohholznutzung leiten sich aus diesen Forderungen mögliche Extensivierungen der Rohholzerzeugung,
Änderungen der Mengen und Sortimentsstruktur von Rohholz sowie der Rohholzbeschaffungsstrukturen und -kosten und Veränderung von Tourismuszahlen und Beschäftigung ab.
Besonderen Einfluss auf die Implementierbarkeit der unterschiedlichen Nutzungspfade hat
hierbei das regionale Profil. So ist z.B. denkbar, dass in Ballungsräumen sowie in ländlichen
Räumen mit wenig Wald die Erholungs- und Naturschutznutzung im Konflikt zur stofflichen
und/oder energetischen Nutzung stehen kann. In waldreichen Gegenden mit starker Holzindustrie könnte eine verstärkte Naturschutznutzung (z.B. Stilllegung durch Nationalpark) problematisch sein.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass, gemäß dem Projektantrag, im Rahmen des
BEST-Projektes nur marktfähige Güter und keine Umweltleistungen betrachtet wurden.
Arbeitspaket 2
Im Arbeitspaket 2 wurde eine Datenbank mit Umsatzsteuerdaten und weiteren georeferenzierter Daten auf Landkreisebene zusammengestellt. Damit können einfache, deskriptive
Analysen zu den Zusammenhängen zwischen Waldflächen- und Rohholznutzung und den
regionalwirtschaftlichen Strukturen aufgezeigt werden.
Beispielsweise konnte hierbei festgestellt werden, dass
- dünn besiedelte ländliche Kreise mit im Mittel 27,7% die höchsten Anteil intensiver
Schutzgebietskategorien (z.B. Nationalpark, Naturschutzgebiet) haben,
- der Anteil extensiver Schutzgebietskategorien (Naturpark, Landschaftsschutzgebiet) mit
im Mittel 68,7 % jedoch in städtischen Kreisen am höchsten ist,
- dünn besiedelte ländliche Kreise den höchsten Waldflächenanteil (Mittelwert 31,1%) haben,
- die höchste Umsatzsteuer durch Holzwirtschaft im Jahr 2011 jedoch in städtischen Kreisen generiert wurde (80.166 Tsd. €),
307 -
die eingenommene Umsatzsteuer durch Forstwirtschaft im Jahr 2011 in Landkreisen mit
einem Waldanteil von 30 bis 60 % am höchsten war und in Kreisen mit einem Flächenanteil von > 50% intensiver Schutzgebiete am niedrigsten.
Arbeitspaket 3: Analyse der waldflächen- und rohholzbasierten Wertschöpfung
Tabelle 13 bietet einen Überblick über die in diesem Arbeitsschritt untersuchten holzbasierten Wirtschaftszweige der ersten und zweiten Verarbeitungsstufe sowie über das in diesen
Wirtschaftszweigen beschaffte Rohholz.
Tabelle 13: Warengruppe Rohholz als Vorleistung im Verarbeitenden Gewerbe (StBA F 4 R4.2.4)
WZ
Bezeichnung
Bezogenes Rohholz des Wirtschaftszweiges
[Tsd. €]
2006
Erste Verarbeitungsstufe
1610
Säge-, Hobel- und Holzimprägnierwerke
1621
Herstellung von Furnier-, Sperrholz-, Holzfaser- und Holzspanplatten
1711
Herstellung von Holz- und Zellstoff
2010
Anteil des Rohholzbezuges des
Wirtschaftszweiges am Verarbeitenden Gewerbe
[%]
2006
2010
1.731.243
1.883.046
61,8
53,8
365.392
684.152
13,0
19,6
178.568
247.044
6,4
7,1
Zweite Verarbeitungsstufe
1622
Herstellung von Parketttafeln
-9.020
-1623
Herstellung von sonstigen Konstruktionsteilen, Fertigbauteilen,
127.848
127.602
4,6
Ausbauelementen und Fertigteilbauten aus Holz
1624
Herstellung von Verpackungsmitteln, Lagerbehältern und Ladungs77.930
63.665
2,8
trägern aus Holz
1629
Herstellung von Holzwaren a. n. g.,
Kork-, Flecht- und Korbwaren
35.087
111.573
1,3
(ohne Möbel)
1712
Herstellung von Papier, Karton und
269.066
327.375
9,6
Pappe
3101
Herstellung von Büro- und Laden2.262
8.704
0,1
möbeln
3102
Herstellung von Küchenmöbeln
k. A.
2.226
k. A.
3103
Herstellung von Matratzen
k. A.
8.371
k. A.
3109
Herstellung von sonstigen Möbeln
9.169
24.195
0,3
Summe
2.796.565
3.496.973
100
(a. n. g. = anderweitig nicht genannt; k. A. = keine Angabe; WZ 1622 erst seit 2008 eigener Wirtschaftszweig)
0,3
3,6
1,8
3,2
9,4
0,2
0,1
0,2
0,7
100
Es wird deutlich, dass in allen Wirtschaftszweigen mit Ausnahme der Holzverpackungsindustrie (WZ 1624) und der Hersteller von Konstruktionsteilen etc. (WZ 1623) der Wert des
beschafften Rohholzes zwischen 2006 und 2010 gestiegen ist. Vom gesamten Rohholzbezug des Verarbeitenden Gewerbes entfällt im Jahr 2006 mit 62 % und 1,7 Mrd. € und im Jahr
2010 mit 54 % und 1,9 Mrd. € erwartungsgemäß der höchste Anteil auf die Sägeindustrie.
Im Rahmen der Analyse der waldflächen- und rohholzbasierten Wertschöpfung konnten für
die drei Wertschöpfungsketten Schnittholzerzeugung, Holzwerkstoffe und Holz- und Zellstoff
der ersten Verarbeitungsstufe (Halbwarenebene) die Bruttowertschöpfung und die Beschäftigung pro Kubikmeter eingesetztem Rohholz im Bundesdurchschnitt für das Jahr 2010 aktualisiert werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle dargestellt. Die höchste Wertschöpfung pro
Kubikmeter sowie die höchste Beschäftigung pro 1000 m³ Rohholz entfiel im Jahr 2010 auf
die Holzwerkstoffindustrie. Dies kann dadurch begründet werden, dass die Holzwerkstoffindustrie den geringsten Anteil von Rohholz als Vorleistung unter den betrachteten Wirtschaftszweigen hat, weshalb die umgerechnete Wertschöpfung und Beschäftigung pro eingesetztem Kubikmeter Rohholz hoch ist.
308 Tabelle 2: Holzbasierte Bruttowertschöpfung und Beschäftigung der ersten Verarbeitungsstufe einschließlich der vorgelagerten Forstwirtschaft (eigene Berechnungen für das Jahr 2010)
Bruttowertschöpfung je m³
produzierten Rohholzes bzw.
holzbasierter Vorleistungen
Beschäftigte je 1.000 m³ produzierten Rohholzes bzw. holzbasierter Vorleistungen
Sägeindustrie
(inkl. Forstwirtschaft)
65 €
1,2
Holzwerkstoffindustrie
(inkl. Forstwirtschaft)
91 €
1,6
Holz-und Zellstoff
(inkl. Forstwirtschaft)
88 €
1
Wertschöpfungskette
In einem weiteren Arbeitsschritt wurde die Wertschöpfung pro Einheit holzbasierter Rohstoffe, Halb- und Fertigwaren in der zweiten Holzverarbeitungsstufe abgeschätzt. Das Verfahren
ist in Seintsch und Rosenkranz (2015) beschrieben.
Anhand der ermittelten Kennzahlen zu Wertschöpfung und Beschäftigung für die erste und
zweite Verarbeitungsstufe konnten in einem nächsten Schritt einfache Wertschöpfungsketten
gebildet wurden. Exemplarische Ergebnisse für die Wertschöpfungsketten „Holzbau“ „Herstellung sonstiger Möbel“, „Verpackung“ und „Papier“ sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Differenz zwischen Tabelle und Tabelle ergibt sich hierbei wie folgt: Tabelle betrachtet ausschließlich Rohholz, während in Tabelle die Wertschöpfung und Beschäftigung zu sämtlichen holzbasierten Rohstoffen, Halb- und Fertigwaren in Bezug gesetzt ist.
Tabelle 3: Holzbasierte Bruttowertschöpfung und Beschäftigung in ausgewählten Wertschöpfungsketten (eigene Berechnungen für das Jahr 2010)
Wertschöpfungskette
Bruttowertschöpfung je
1 Einheit produzierten Rohholzes bzw. holzbasierter
Vorleistungen
"Holzbau"
Forstwirtschaft
WZ 1610 Sägeindustrie
WZ 1623 H.v. sonst. Konstr.-, Fertigbauteilen u.Ä. aus Holz
Summe für Wertschöpfungskette "Holzbau"
"Herstellung sonstiger Möbel"
Forstwirtschaft
WZ 1621 Holzwerkstoffindustrie
WZ 3109 H. v. sonstigen Möbeln
Summe für Wertschöpfungskette "Sonstige Möbel"
"Verpackung"
Forstwirtschaft
WZ 1610 Sägeindustrie
WZ 1624 H.v. Verpackungsmitteln, Lagerbehältern u.Ä. a. Holz
Summe für Wertschöpfungskette "Verpackung"
"Papier"
Forstwirtschaft
WZ 1711 Holz- und Zellstoffhersteller
WZ 1712 H. v. Papier, Karton und Pappe
Summe für Wertschöpfungskette "Papier"
Beschäftigte je 1.000 Einheiten
produzierten Rohholzes bzw.
holzbasierter Vorleistungen
29 €
35 €
208 €
273 €
0,5
0,7
4,3
5,5
29 €
61 €
598 €
688 €
0,5
1,1
12,1
13,7
29 €
35 €
82 €
146 €
0,5
0,7
1,8
3,0
29 €
59 €
2.559 €
2.647 €
0,5
0,4
33,2
34,1
Im Vergleich dazu wurde von Schweinle (2012) die Bruttowertschöpfung bei der energetischen Holzverwendung (Waldhackschnitzelverwendung sowie Scheitholzverwendung im
Hausbrand, jeweils einschließlich Holzernte) in einer Größenordnung von 70 €/m³ berechnet.
Im Kontext der Nutzungskonkurrenzen zwischen stofflichen und energetischen Verwendern
wird deutlich, dass die Bruttowertschöpfung der energetischen Holzverwendung und die der
stofflichen Holzverwendung bis zur Halbwarenebene vergleichbar sind. In den stofflichen
Wertschöpfungsketten wird jedoch die größte Wertschöpfung erst in der nachfolgenden zwei309 ten Verarbeitungsstufe (z.B. im Möbel- und Holzbau) generiert. Die zentralen Ergebnisse dieses Arbeitsschritts wurden im Holzzentralblatt veröffentlicht (Seintsch und Rosenkranz
(2015)).
Im Rahmen der Dekompositionsanalyse wurde eigens eine Methode entwickelt um Wertschöpfungseffekte sowie den Zusammenhang zwischen der Verarbeitung Rohholzes mit der
Wertschöpfung und dem Wachstum in der holzverarbeitenden Industrie zu analysieren. Die
entwickelte Methode führt Wertschöpfungsänderungen auf die vier Effekte (1) Änderung der
(nominalen) Produktpreise, (2) Änderung der (nominalen) Vorleistungspreise, (3) Änderung
der Outputmengen und (4) Änderung der Vorleistungsanteile durch Outsourcing oder Offshoring zurück.
Die Methode wurde am Beispiel der Säge- und der Holzwerkstoffindustrie erfolgreich angewendet und liefert plausible Ergebnisse. Exemplarisch sind in Tabelle die Ergebnisse der
Dekompositionsanalyse für den Wirtschaftszweig 1610 „Sägeindustrie“ dargestellt.
Tabelle 4: Wertschöpfungseffekte der Sägeindustrie (WZ 1610)
2006 zu 2002
(in T€)
2010 zu 2006
(in T€)
601,126
311,028
-351,243
-467,679
207,980
-158,909
862,534
-729,050
-654,554
570,141
-217,518
113,526
240,345
-202,034
I. Produktpreiseffekt
II. Vorleistungspreiseffekt
III. Wachstumseffekt
III.a Wachstumseffekt Output
III.b Wachstumseffekt Input
IV. Struktureffekt (-)
Summe (= Wertschöpfungsänderung)
In hier gezeigten Beispiel sind die Wertschöpfungsänderungen der Sägeindustrie zwischen
2002 und 2006 vorwiegend auf den Produktpreiseffekt und den Wachstumseffekt zurückzuführen, zwischen 2006 und 2010 auf den Vorleistungspreiseffekt und den negativen Wachstumseffekt. Die Ergebnisse für die Jahre 2002 bis 2006 spiegeln die allgemein gute Wirtschaftslage der holzverarbeitenden Industrie mit aufnahmefähigen Märkten im In- und Ausland wider. Die Ergebnisse für die Jahre 2006 bis 2010 verdeutlichen die Nachwirkungen der
Wirtschaftskrise, die steigende Konkurrenz um Rohstoffe (Energie) und die in Folge weiter
steigenden Preise.
Durch die Analyse wurde auch deutlich, dass ein höherer Input von Rohholz und holzbasierten Vorleistungen nicht zwingend zu einer höheren Wertschöpfung in den untersuchten Wirtschaftszweigen führen muss. Während der Einsatz von Rohholz und weiteren holzbasierten
Vorleistungen in den Jahren 2002, 2006 und 2010 zunahmen, nahm die Wertschöpfung zwischen 2002 und 2006 in der Holzwerkstoffindustrie und zwischen 2006 und 2010 in beiden
Wirtschaftszweigen ab. In der Sägeindustrie konnte jedoch ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem Input von holzbasierten Vorleistungen und dem Wachstumseffekt festgestellt werden. Die Ergebnisse dieses Arbeitsschritts wurden in einem referierten Fachartikel veröffentlich (Rosenkranz et al. 2015).
Arbeitspaket 4: Synoptische regionalökonomische Wertschöpfungsanalyse
Für die Übertragung der Ergebnisse des AP 3 auf die Fallbeispielsregionen Göttinger Land
und BERTA wurden mit dem Strugholtz-Englert-Simulationsmodell das regionale Rohholzaufkommen bei unterschiedlicher Waldbehandlung und Holzverwendung bestimmt. Auf Basis
der in Arbeitspaket 3 erstellten Wertschöpfungsketten bis zur ersten Verarbeitungsstufe wurden dann die Auswirkungen auf Wertschöpfung und Beschäftigung verschiedener Waldnutzungsszenarien bestimmt.
310 Exemplarisch werden in Tabelle die Ergebnisse der Wertschöpfungskettenanalyse für die
Fallbeispielsregionen Göttinger Land und BERTA aufgezeigt. Wenn nicht anders angegeben,
wurde dabei eine Nutzung von Laubholz zu 20 % als Stamm- und 80 % als Energieholz sowie Nadelholz zu 80 % als Stamm- und 20 % als Energieholz unterstellt. Folgende Szenarien
wurden berechnet:
Angenommener Status Quo
1. Bundesweiter Verwendungsdurchschnitt (Seintsch 2011)
Verwendungsszenarien
2. „Hausbrand“: Nutzung des gesamten Einschlags für den Hausbrand, (z.B. Anstieg der
Energiepreise und in der Folge verstärkter Nutzung von Brennholz)
3. „Erhöhung des Laubholzanteils der Sägeindustrie“ (z.B. Förderung der stofflichen
Verwendung z. B. neue innovative Laubholzprodukte)
 Laubholz: 50 % Stammholz, 50 % Energieholz
 Nadelholz: 80 % Stammholz, 20 % Energieholz
Waldnutzungsszenarien
4. „Stilllegung von 5 % der Waldfläche“ (z.B. Umsetzung der Biodiversitätsstrategie).
5. „Stilllegung von Laubaltholzflächen über 120 Jahre“ (z.B. Umsetzung der FFH-Richtlinie).
Es wurde unterstellt, dass die gesamte Wertschöpfung und Beschäftigung in der Region verbleibt und, dass der Holzeinschlag zu 100% in die jeweilige Wertschöpfungskette eingeht.
Tabelle 5: Holzbasierte Wertschöpfungsszenarien in den Landkreisen Göttingen und BERTA
Szenario
1. Status quo
2. Hausbrand
BWS4 bezogen
auf Gesamtwaldfläche
3. Erhöhung des
Laubholzanteils
der Sägeindustrie
4. Stilllegung
von 5% der
Waldfläche
5. Stilllegung
von Laubaltholzflächen
über 120 Jahre
Landkreis Göttingen
BWS Laubholz [€/ha]
235,03
218,55
259,75
223,28
72,60
BWS Nadelholz [€/ha]
139,44
107,13
139,44
132,47
139,44
BWS gesamt [€/ha]
374,48
325,69
399,19
355,75
212,05
Beschäftigung [Region]
211,1
131,7
251,4
200,6
131,5
Region BERTA
BWS Laubholz [€/ha]
BWS Nadelholz [€/ha]
BWS gesamt [€/ha]
227,20
118,44
345,64
211,27
90,99
302,27
251,10
118,44
369,53
215,84
112,51
328,35
74,30
118,44
192,74
Beschäftigung [Region]
17,0
10,8
20,4
16,1
10,4
Auf Basis der mit der hier vorgestellten Methode berechneten Kennzahlen lassen sich Empfehlungen für eine regionalwirtschaftliche Optimierung der Ressourcenallokation von Waldflächen und von Rohholz für politische Entscheidungsträger ableiten. Die Ergebnisse dieses
Arbeitsschrittes wurden in einem gemeinsamen SÖB-Arbeitspapier veröffentlicht (Haverkamp
et al. 2014).
4
Bruttowertschöpfung
311 Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Mit den folgenden Stellen wurde im Rahmen des Teilprojektes SÖB 2 „Wertschöpfungsanalyse“ zusammengearbeitet:
 Georg-August-Universität Göttingen, Abteilung Forstökonomie und Forsteinrichtung
 Georg-August-Universität Göttingen, Abteilung Landwirtschaftliche Betriebslehre
 Georg-August-Universität Göttingen, Abteilung Agrarökonomie
 Hessisches Statistisches Landesamt
 Landesamt für Statistik Niedersachsen
 Thüringer Landesamt für Statistik
 Landesbetrieb Information und Technik, Nordrhein-Westfalen
 Statistisches Landesamt Sachsen-Anhalt
Mit den anderen Arbeitspaketen des Clusters SÖB wurden Abstimmungstreffen durchgeführt.
Außerdem wurde ein gemeinsames Diskussionspapier mit den anderen Arbeitspaketen des
Clusters SÖB erstellt. Die Statistischen Landesämter lieferten die Daten für die geplante Regressionsanalyse.
Tabellarische Übersicht geplante Ziele versus erreichte Ergebnisse
Tabelle 6: Tabellarische Übersicht geplante Ziele versus erreichte Ergebnisse des Teilprojekts SÖB 2
„Wertschöpfungsanalyse“
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Identifizierung der relevanten
exogenen Entwicklungsfaktoren
für die Regionen
 Erfolgt für Politikziele, Holzmarktentwicklung und
Naturschutz
Regionalwirtschaftliche Kennzahlen und regionale SWOT-Analyse
 Deskriptive Beschreibung einfacher Zusammenhänge zwischen Wald- und Holznutzung erfolgt
 Datenaufnahme und Hypothesenbildung für Regressionsanalyse erfolgt
 Daten wiesen zu große Lücken für Regressionsanalyse auf: Regressionsanalyse konnte nicht
durchgeführt werden.
Ausweisung der Wertschöpfungsoptionen von Waldflächen
und von Rohholz




Empfehlungen für eine regionalwirtschaftliche Optimierung der
Ressourcenallokation von Waldflächen und von Rohholz
 Wertschöpfungsketten exemplarisch übertragen auf
Regionen Göttingen und BERTA
Erfolgt für stoffliche Holznutzung im Bundesgebiet
Erfolgt für zweite Verarbeitungsstufe
Bildung von Wertschöpfungsketten erfolgt
Analyse des Zusammenhangs zwischen Holzinput
und Wertschöpfung der holzverarbeitenden Industrie erfolgt
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Arbeits- und Zeitplan
Antragsgemäß sollte das Arbeitspaket SÖB 2 „Wertschöpfungsanalyse“ im Rahmen des
Verbundprojektes BEST zeitverzögert bearbeitet werden, damit auf Zwischenergebnisse aus
anderen Teilprojekten zurückgegriffen werden konnte. Die eigentliche Bearbeitung des Teilprojektes hat mit der Einstellung der wissenschaftlichen Mitarbeiterin (Lydia Rosenkranz)
zum 18.01.2012 begonnen.
312 Obwohl einzelne Arbeitspakete zu einem späteren Zeitpunkt als im Projektantrag vorgesehen
bearbeitet wurden, sind alle Forschungsarbeiten – mit Ausnahme der Regressionsanalysen
zur Wechselwirkung von Waldnaturschutzgebieten und Tourismus (Kapitel 4) - planmäßig
zum Ende der Projektlaufzeit abgeschlossen worden.
Finanzplan
Der Finanzplan wurde grundsätzlich eingehalten.
Die Verwendung der Zuwendung erfolgte - bis auf geringe Abweichungen – wie in den Projektanträgen vorgesehen. Abweichung lassen sich folgendermaßen darstellen:
 Für eine Sonderauswertung der Umsatzsteuerstatistik auf Ebene der Landkreise durch
fünf Statistische Landesämtern wurde eine Mittelumwidmung der Restmittel der Pos.
0843 von 2.500 € auf die Pos. 0835 beantragt.
 Insgesamt wurden 12.54,33 € nicht benötigt.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans


Im Rahmen des Teilprojekts wurde die in Arbeitspaket 3 ausführlich beschriebene Methode der Dekompositionsanalyse zur Analyse von Wertschöpfungseffekten in der holzverarbeitenden Industrie entwickelt.
Auf dem Gebiet des Vorhabens sind keine Fortschritte bei anderen Forschungseinrichtungen bekannt geworden.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Haverkamp M, Henke S, Kleinschmitt C, Möhring B, Mußhoff O, Rosenkranz L, Seintsch B,
Schlosser K, Theuvsen L (2014): „Vergleichende Bewertung der Nutzung von Biomasse:
Ergebnisse aus den Bioenergieregionen Göttingen und BERTA“. Diskussionspapiere Nr.
1405. Department für Agrarökonomie und Rurale Entwicklung, Universität Göttingen
Rosenkranz L, Seintsch B, Dieter M (2015): Decomposition analysis of changes in value added. A case study of the sawmilling and wood processing industry in Germany. Forest
Policy and Economics (im Druck)
Seintsch B, Rosenkranz L, (2015): Wertschöpfung und Beschäftigung durch Holznutzung.
Abschätzung der holzbasierten Wertschöpfung und Beschäftigung in stofflichen Wertschöpfungsketten. Holz-Zentralblatt 141. Jg., Nr. 5, S. 110-112
Verwendete Literatur
Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (BMELV) (Hrsg.) (2002):
Verstärkte Holznutzung. Zugunsten von Klima, Lebensqualität, Innovationen und Arbeitsplätzen
(Charta für Holz)
Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) & Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (Hrsg.) (2010): Nationaler Biomasseaktionsplan für Deutschland. Beitrag der Biomasse für eine nachhaltige Energieversorgung.
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (2007): Nationale Strategie
zur biologischen Vielfalt. Reihe Umweltpolitik.
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (2012): Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt vom 20. Juli 2012
Bundesregierung: Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel vom Bundeskabinett am 17.
Dezember 2008 beschlossen
Rat der Europäischen Gemeinschaft: Richtlinie 92/43/EWG des Rates vom 21. Mai 1992 zur Erhaltung
der natürlichen Lebensräume sowie der wildlebenden Tiere und Pflanzen (ABl. EG Nr. L 206/7
vom 22.7.92), geändert durch Richtlinie 97/62/EG des Rates vom 27.10.1997 (ABl. EG Nr. L
305/42)
313 Seintsch, B. (2011): Stellung der Holzrohstoffe in der Kostenstruktur des Holz- und Papier-gewerbes in
Deutschland, in: Arbeitsbericht, Nr. 2011/03, vTI - Institut für Ökonomie der Forst- und Holzwirtschaft (Hrsg.), Hamburg
Seintsch, B., Rosenkranz, L., Englert, H., Dieter, M., Wippel, B., Becker, G., Stratmann, J., Gerst, J.,
Möhring, B., 2012. FFH-Impact: Teil 2: Auswirkungen von FFHMaßnahmenplanungen auf Forstbetriebe. Arbeitsbericht des Instituts für Ökonomie der Forst- und Holzwirtschaft 05/2012, vTI,
Hamburg.
Schweinle, J. (2012): Wertschöpfungsanalyse der energetischen Nutzung von Holz, in: Arbeitsbericht,
Nr. 2012/02, vTI - Institut für Ökonomie der Forst- und Holzwirtschaft (Hrsg.), Hamburg
Statistisches Bundesamt (StBA): Material- und Wareneingangserhebung im Ver-arbeitenden Gewerbe
sowie im Bergbau und in der Gewinnung von Steinen und Er-den, in: Qualitätsbericht, Fachserie
4, Reihe 4.2.4, Wiesbaden
Statistisches Bundesamt (StBA): Kostenstrukturerhebung im Verarbeitenden Gewerbe, Bergbau sowie
in der Gewinnung von Steinen und Erden, in: Qualitätsbericht, Fachse-rie 4, Reihe 4.3, Wiesbaden
STRUGHOLTZ, A., 2010. EIN
FORSTBETRIEBLICHES SIMULATIONSMODELL ZUR ÖKONOMISCHEN BEWERTUNG
STRATEGISCHER FORSTLICHER PRODUKTIONSENTSCHEIDUNGEN. (MASTERARBEIT) FAKULTÄT FÜR
FORSTWISSENSCHAFTEN UND WALDÖKOLOGIE DER GEORG-AUGUST-UNIVERSITÄT, GÖTTINGEN
Statistisches Bundesamt (StBA): Arbeitskosten im Produzierenden Gewerbe und im Dienstleistungsbereich (F16 R 1)
Statistisches Bundesamt (StBA): Index der Erzeugerpreise der Produkte des Holzeinschlags aus den
Staatsforsten (F17 R1), Wiesbaden
Statistisches Bundesamt (StBA): Index der Erzeugerpreise gewerblicher Produkte Deutschland (F17
R2) Wiesbaden
Waldstrategie 2020. Nachhaltige Waldbewirtschaftung - eine gesellschaftliche Chance und Herausforderung
314 Arbeitspaket:
SÖB 3
Thema:
Einzelbetriebliche Umstellung
Antragsteller
Prof. Dr. O. Mußhoff
Institut:
Arbeitsbereich für Landwirtschaftliche Betriebslehre, DARE,
Universität Göttingen
Dauer:
01.02.2011 – 31.07.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Matthias Wolbert-Haverkamp
Projektziele
Im Projektantrag wurden für das Teilprojekt SÖB 3 folgende Ziele gesetzt:




Bewertung der relativen Vorzüglichkeit klassischer landwirtschaftlicher Produktionsverfahren und Kurzumtriebsplantagen (KUP) unter verschiedenen Standortbedingungen.
Rentabilitätsermittlung einer Umstellung von der klassischen Nutzung landwirtschaftlicher
Flächen auf KUP.
Ermittlung des Einflusses der unternehmerischen Flexibilität auf die betriebliche Umstellungsbereitschaft auf KUP.
Empfehlungen zur optimalen Ausgestaltung betrieblicher Anreize für eine Umstellung auf
KUP.
Arbeitsbericht 2011-2014
Zur Bewertung von Investitionsmöglichkeiten wird die traditionelle Investitionstheorie häufig
angewendet. Die traditionelle Investitionstheorie empfiehlt, dass ein Entscheider bei einem
positiven Kapitalwert (KW) unverzüglich investieren sollte. Häufig, wie im Fall von Miscanthus
(MSC) und Kurzumtriebsplantagen (KUP), ist jedoch festzustellen, dass Entscheider bzw.
Landwirte nicht oder nur zurückhaltend investieren, obwohl Investitionsoptionen einzelbetrieblich vorteilhaft sind.
Eine Ursache könnte darin bestehen, dass die Risikoaversion des Entscheiders nicht in die
Bewertung mit einbezogen wurde. Sind Entscheider risikoavers, entscheiden sie nicht lediglich nach der Höhe des zu erwartenden KW bzw. der durchschnittlichen jährlichen Annuität,
was für einen risikoneutralen Entscheider der Fall ist. Ein risikoaverser Entscheider bezieht
zudem das Risikoprofil der Handlungsalternativen mit in seine Entscheidung ein. Er ist bereit,
auf einen Teil des zu erwartenden KW bzw. der durchschnittlichen jährlichen Annuität zu
verzichten, um die Unsicherheit in Form der Standardabweichung dieser Größen zu verringern.
In dem Beitrag „Miscanthus und Pappelplantagen im Kurzumtrieb als Alternative zum klassischen Ackerbau – Eine Risikoanalyse mittels Monte-Carlo Simulation“ (siehe Veröffentlichungen) wird für drei Handlungsalternativen die Wirtschaftlichkeit berechnet und das Risikoprofil bestimmt. In dieser Studie wird der Anbau von MSC mit dem KUP-Anbau und mit
einer Fruchtfolge, bestehend aus Winterweizen, Wintergerste und Winterraps, auf einem
Standort mit einer guten Bodenqualität verglichen. Dabei wird zwischen einer Handlungsempfehlung für einen risikoneutralen und einen risikoaversen Landwirt differenziert.
Bezogen auf die Wirtschaftlichkeit und das Risikoprofil stellt sich heraus, dass die Pappelkultur gegenüber MSC und der konventionellen Ackerbestellung nachteilig ist. MSC hingegen
hat das Potential bei einer sehr guten Bestandsentwicklung sowohl gegenüber der Pappelkultur als auch gegenüber der Fruchtfolge vorzüglich zu sein. Bei einer schlechten Bestandsentwicklung hingegen, ist MSC gegenüber der Fruchtfolge nachteilig. Demnach sollte sowohl
315 ein risikoneutraler als auch ein risikoaverser Entscheider den Anbau der Fruchtfolge auf diesem Standort beibehalten.
Aus diesem Beitrag schließen wir, dass KUP unter den getroffenen Annahmen aus einzelbetrieblicher Sicht nicht und MSC nur bedingt konkurrenzfähig ist. Nichtsdestotrotz weisen Studien auf anderen Standorten auf die Vorteilhaftigkeit von MSC und KUP hin. Da im vorangegangenen Beitrag MSC und KUP nicht als Investition betrachtet wird, die irreversibel ist und
zeitlich flexibel ausgeübt werden kann sowie mit Unsicherheiten bezüglich zukünftigen Investitionsrückflüssen behaftet ist, wird nachfolgend der Gedanke der neuen Investitionstheorie
bzw. des Realoptionsansatzes (ROA) aufgegriffen. Der ROA kann Aspekte wie die Irreversibilität von Investitionen, die zeitliche Flexibilität der Investitionsdurchführung sowie die Unsicherheiten hinsichtlich der Investitionsrückflüsse simultan berücksichtigen.
In dem Beitrag „Is short rotation coppice economically interesting? An application to Germany“ erfolgt die Anwendung des ROA zunächst auf die Umstellungsmöglichkeit landwirtschaftlich genutzter Flächen auf KUP. In dieser Studie wird ein Anwendungsbeispiel mit einem Anbaustandort angenommen, auf dem KUP aus einzelbetrieblicher Sicht nach traditioneller Investitionstheorie vorteilhaft sein kann. Auf diesem Standort baut der Landwirt in der Ausgangssituation Winterroggen an. Der Landwirt hat die Möglichkeit, auf KUP umzustellen. Im
Unterschied zu der vorangegangenen Studie muss er die Umstellung von Roggen auf KUP
allerdings nicht sofort durchführen, sondern kann diese auch zeitlich verschieben. Sollte er
umstellen, sind die Umstellungskosten auf KUP irreversibel, da er die Kosten durch eine
Rückumstellung nicht wiedererlangen kann. Da KUP eine mehrjährige Anbau- bzw. Nutzungsdauer hat, wird angenommen, dass der Landwirt an diese Anbaualternative 21 Jahre
gebunden ist, da er Abnahmeverträge für die geernteten Hackschnitzel für die Nutzungsdauer abgeschlossen hat. Die Anbauverträge garantieren ihm die Abnahme der Hackschnitzel zu
aktuellen Marktpreisen. Der Landwirt kann erst nach der Nutzungsdauer und einer erforderlichen Rekultivierung wieder entscheiden, KUP erneut anzubauen oder Roggen zu kultivieren.
Zudem wird die Unsicherheit der Rückflüsse des Anbaus von Roggen und des Anbaus von
KUP betrachtet. Daher wird, basierend auf hergeleiteten DB-Zeitreihen für KUP und Roggen
von 1970 bis 2011, ein stochastischer Prozess bestimmt, mit dem die Entwicklung der Unsicherheitsvariablen (DB von KUP und Roggen) über einen approximativ unendlichen Zeitraum
am besten beschrieben werden kann. Die Umstellungstrigger, ab denen der Landwirt vom
Roggenanbau auf KUP umstellen sollte, werden sowohl nach traditioneller Investitionstheorie
als auch nach ROA bestimmt. In den Berechnungen wird zwischen einem risikoneutralen und
einem risikoaversen Entscheider unterschieden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Umstellungstrigger des ROA höher sind als die des Kapitalwertkriteriums (KWK). Folglich sollten Landwirte die Umstellung auf KUP noch nicht durchführen, auch wenn die Investitions-, Produktions- und Rekultivierungskosten sowie der DB
der verdrängten Roggenproduktion gedeckt sind. Dies ist darin begründet, dass der ROA im
Gegensatz zum KWK Opportunitätskosten über die Zeit berücksichtigen kann. Im Vergleich
zu risikoneutralen Landwirten sollten risikoaverse Landwirte sowohl nach KWK als auch nach
ROA früher umstellen, da die DB von KUP nicht so unsicher bzw. nicht so stark schwanken
wie die des Roggenanbaus. Dennoch sind die Umstellungstrigger des ROA auch im Fall von
Risikoaversion immer noch höher als die der traditionellen Investitionstheorie. Aus diesem
Grund kann geschlussfolgert werden, dass der ROA die Investitionszurückhaltung der Landwirte in Bezug auf die Umstellung landwirtschaftlich genutzter Flächen auf KUP zumindest
teilweise erklären kann.
Nichtsdestotrotz wird in diesem Beitrag eine Vereinfachung vorgenommen, die die Abbildung
der tatsächlichen Entscheidungssituation des Landwirtes einschränkt. Mit der Annahme von
Abnahmeverträgen, die für die gesamte Nutzungsdauer die Abnahme der Hackschnitzel sichern, wird begründet, dass der Landwirt innerhalb der Nutzungsdauer von KUP an den
KUP-Anbau gebunden ist. Sollte der Landwirt keine Anbauverträge abschließen und verspricht eine andere Anbaualternative gegenüber dem KUP-Anbau aus einzelbetrieblicher
Sicht vorteilhaft zu sein, wird der Landwirt in der Praxis vermutlich auf die attraktivere Anbaualternative wechseln. Aus diesem Grund wäre die Entscheidungssituation in dem Modell
im Vergleich zur tatsächlichen Entscheidungssituation nicht hinreichend flexibel abgebildet.
316 Diese Einschränkung könnte dazu führen, dass die Umstellungstrigger überhöht sind. Daher
ist die Frage zu stellen, ob die Umstellungstrigger mit Berücksichtigung der Desinvestitionsbzw. Rückumstellungsmöglichkeit innerhalb der Nutzungsdauer immer noch höher sind als
die der traditionellen Investitionstheorie.
In dem Beitrag „Are short rotation coppices an economically interesting form of land use? A
real options analysis“ wird die Entscheidungssituation des vorangegangenen Beitrags um die
Desinvestitionsmöglichkeit innerhalb der Nutzungsdauer erweitert. Der Landwirt muss also
keine Abnahmeverträge abschließen. Es werden kritische Deckungsbeitragsdifferenzen errechnet, um die der DB von KUP höher sein muss als der DB von Roggen, damit der Landwirt auf KUP umstellen sollte. Diese werden nach KWK und nach ROA berechnet und anschließend verglichen. Um den Fehler einer Nicht-Berücksichtigung der Desinvestitionsmöglichkeit zu bestimmen, werden die Umstellungstrigger des ROA einmal mit und einmal ohne
die Berücksichtigung der Desinvestitionsoption innerhalb der Nutzungsdauer bestimmt. Darüber hinaus werden die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen für die Rückumstellung nach
ROA, ab denen der Landwirt von KUP auf Roggen rückumstellen sollte, ermittelt. Es wird
zwischen verschiedenen Graden von Risikoeinstellung unterschieden und die Auswirkung
einer Investitionssubvention auf die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen berechnet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen des ROA eines risikoneutralen Landwirtes durch die Berücksichtigung der Desinvestitionsmöglichkeit deutlich
sinken. Folglich verursacht die Nicht-Berücksichtigung der Desinvestitionsmöglichkeit innerhalb der Nutzungsdauer zumindest im Fall von Risikoneutralität einen erheblichen Fehler in
der Bestimmung des Umstellungstriggers des ROA. Allerdings sind die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen auch mit Berücksichtigung der Desinvestitionsmöglichkeit immer noch
höher als die des KWK. Im Fall von Risikoaversion sinken die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen sowohl nach KWK als auch nach ROA (mit und ohne Berücksichtigung der
Rückumstellungsmöglichkeit) mit steigendem Grad an Risikoaversion. Die Begründung liegt
in der Tatsache, dass Roggen durch die höhere Standardabweichung der DB die riskantere
Anbaualternative ist. Es ist zu erkennen, dass der Fehler einer Nicht-Berücksichtigung der
Desinvestitionsmöglichkeit abnimmt, da sich die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen (mit
und ohne Berücksichtigung der Desinvestitionsmöglichkeit) annähern. Die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen der Desinvestitionstrigger steigen mit zunehmendem Grad an
Risikoaversion. Wird eine Investitionssubvention berücksichtigt, sinken die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen sowohl der Umstellung als auch der Rückumstellung beider Theorien. Da die kritische Deckungsbeitragsdifferenz des ROA (mit Berücksichtigung der Rückumstellungsmöglichkeit) immer höher als die des KWK ist, schlussfolgern wir, dass der ROA
immer noch in der Lage ist, zumindest einen Teil der Investitionszurückhaltung auf Seiten der
Landwirte in Bezug auf die Umstellungsmöglichkeit landwirtschaftlich genutzter Flächen auf
KUP zu erklären.
Das erweiterte Modell des vorangegangenen Beitrags wird in dem Beitrag „Die Bewertung
der Umstellung einer einjährigen Ackerkultur auf den Anbau von Miscanthus – Eine Anwendung des Realoptionsansatzes“ auch auf die Umstellung landwirtschaftlicher Flächen auf
MSC angewendet. Da die Standortansprüche von MSC sich von denen des KUP-Anbaus
unterscheiden, ist die verdrängte Frucht der Winterweizenanbau. In diesem Beitrag werden
Variantenrechnungen durchgeführt, die zum einen eine veränderte Nutzungsdauer beinhalten. Zum anderen werden Variantenrechnungen hinsichtlich technischer Annahmen wie des
risikolosen Zinssatzes oder der Länge der Diskontierungsperiode durchgeführt.
Wie im Fall einer Umstellung von Roggen auf KUP, sind die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen der Umstellung bei Risikoneutralität nach ROA (mit und ohne Berücksichtigung der
Rückumstellungsmöglichkeit) höher als die des KWK. Aus diesem Grund kann der ROA zumindest einen Teil der Investitionszurückhaltung der Landwirte, auf MSC umzustellen, erklären. Auch hier führt die Nicht-Berücksichtigung des Desinvestitionsmöglichkeit zu Fehlern in
der Berechnung des Umstellungstriggers bzw. der kritischen Deckungsbeitragsdifferenz. Da
auch in diesem Anwendungsbeispiel Weizen durch die höhere Standardabweichung der Deckungsbeiträge die riskantere Anbauvariante ist, sinken bei steigendem Grad an Risikoaversion die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen der Umstellung der beiden Theorien. Zudem
317 steigen die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen der Rückumstellung. Wie im Fall von
Roggen und KUP nimmt der Fehler der Nicht-Berücksichtigung der Desinvestition mit steigendem Grad an Risikoaversion ab.
In Bezug auf die Variantenrechnung führt eine Verlängerung der Nutzungsdauer zu sinkenden kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen der Umstellung nach traditioneller Investitionstheorie. Auch die kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen der Umstellung des ROA mit Berücksichtigung der Desinvestitionsmöglichkeit sinken mit einer Verlängerung der Nutzungsdauer. Darüber hinaus führt sie zu höheren Desinvestitionstriggern. Im Fall einer NichtBerücksichtigung der Rückumstellungsmöglichkeit innerhalb der Nutzungsdauer, führt eine
Verlängerung der Nutzungsdauer bei Risikoneutralität zu einer Erhöhung der kritischen Deckungsbeitragsdifferenz der Umstellung des ROA. Dies ist dadurch zu begründen, dass die
abnehmende Flexibilität zu höheren Opportunitätskosten über die Zeit und damit zu steigenden kritischen Deckungsbeitragsdifferenzen führt. Es zeigt sich, dass der Fehler einer NichtBerücksichtigung der Rückumstellungsmöglichkeit im Fall von MSC und Weizen zumindest
im Fall von Risikoneutralität zunimmt, je länger die Nutzungsdauer ist. Dies ändert sich bei
steigender Risikoaversion, da irgendwann der Effekt der zunehmenden Vorzüglichkeit von
MSC durch die geringere Standardabweichung mit steigendem Grad an Risikoaversion den
Effekt der geringeren Flexibilität durch die Verlängerung der Nutzungsdauer überwiegt.
Eine Veränderung technischer Annahmen wie des risikolosen Zinssatzes oder der Länge der
Diskontierungsperiode führt zwar zu quantitativ anderen Ergebnissen. Allerdings zeigen die
Ergebnisse qualitativ in die gleiche Richtung. Werden die Berechnungen auf der Grundlage
von amerikanischen Weizenpreisen (statt kanadischen) durchgeführt, sind die Ergebnisse
qualitativ gleich.
In den ersten vier Beiträgen dieser Arbeit wird die Umstellungsmöglichkeit auf MSC und KUP
lediglich aus Sicht des einzelnen Betriebes betrachtet. Allerdings besteht die Umstellungsmöglichkeit auf MSC und KUP für eine Vielzahl von Landwirten. Dabei haben die Investitionen in MSC und KUP der Landwirte Auswirkungen auf den Marktpreis für die geernteten
Holzhackschnitzel, den alle Landwirte bekommen. Aus diesem Grund ist es wichtig, Wettbewerb unter den Landwirten zu berücksichtigen. Des Weiteren könnte die Betrachtung eines
Elementes (der Landwirte) innerhalb einer solchen Wertschöpfungskette problematisch sein.
Es ist nämlich möglich, dass die Umstellungszurückhaltung der Landwirte eine Investitionszurückhaltung auf Seiten der Investoren bzw. Betreiber von Biomasseheizwerken bewirken
kann. Da es für Holzhackschnitzel wenig Substitute gibt, ist der Betreiber eines Biomasseheizwerkes auf die Lieferung der Hackschnitzel angewiesen. Sollten die Landwirte nur verhalten MSC und KUP anbauen, könnte das Biomasseheizwerk nicht ausgelastet und
dadurch nicht profitabel sein. Die Investitionszurückhaltung der Betreiber von Biomasseheizwerken könnte wiederum die Umstellungszurückhaltung der Landwirte verstärkten.
Deshalb wird in dem Beitrag „The value chain of heat production from woody biomass under
market competition and different intervention systems: An agent-based real options model”
die gesamte Wertschöpfungskette, beginnend mit miteinander konkurrierenden Landwirten,
die Hackschnitzel produzieren, über das Biomasseheizwerk, das daraus Wärme produziert,
bis hin zum Endverbraucher, der die Wärme abnimmt, betrachtet. Es werden Investitionstrigger auf Seiten der Landwirte, die KUP anbauen können, bestimmt und die gelieferte Menge
an Holzhackschnitzeln ermittelt. Darüber hinaus wird der Gewinn des Biomasseheizwerks
berechnet. Um die Landwirte zu motivieren, KUP anzubauen, wird der Effekt von zwei Anreizmechanismen (Investitionssubvention und Mindestpreis) auf die Investitionstrigger der
Landwirte, die gelieferte Menge an Hackschnitzeln und den Gewinn des Biomasseheizwerks
mit Hilfe des Modells bestimmt.
Die Ergebnisse dieses Beitrages bestätigen auch hier, dass die Landwirte nach ROA zurückhaltender auf KUP umstellen sollten, da die Investitionstrigger des ROA höher sind als die
der traditionellen Investitionstheorie. Bietet das Biomasseheizwerk den Landwirten keine
Anreizmechanismen, stellen diese nicht ausreichend Hackschnitzel her, um das Biomasseheizwerk auszulasten. Dies führt zu einem negativen Gewinn des Biomasseheizwerks. Wird
eine Investitionssubvention angeboten, stellt sich heraus, dass diese wesentlich höher als die
tatsächlichen Investitionskosten des Landwirtes sein muss, um Landwirte zu motivieren,
318 mehr KUP anzubauen. Bei einem Mindestpreis für Holzhackschnitzel zeigt sich, dass dieser auch bei einem sehr hohen Anteil an den Produktionskosten der Holzhackschnitzel - einen
relativ geringen Effekt in Bezug auf die zusätzlich angebaute Menge hat. Auch wenn sich die
Investitionssubvention als klarer Favorit hinsichtlich der beiden Anreizsysteme herausstellt,
bleibt die Investition in das Biomasseheizwerk bei unseren Annahmen unprofitabel.
Mit Hilfe des ROA kann das Verhalten des Landwirtes, nicht bzw. nur zurückhaltend auf MSC
und KUP umzustellen, nachvollzogen werden. Sollte die Wirtschaftlichkeit des Anbaus von
MSC und KUP nicht deutlich höher sein als die der klassischen Ackerkulturen, sollten Landwirte selbst bei einer Berücksichtigung von Desinvestitionsmöglichkeiten während der Nutzungsdauer den Anbau der klassischen Ackerfrüchte beibehalten. Im Fall von Risikoaversion
sollten MSC und KUP allerdings früher mit ins Anbauprogramm aufgenommen werden als im
Fall von Risikoneutralität.
Aus agrar- und forstpolitischer Sicht sind die Ergebnisse der Veröffentlichungen bedeutsam,
da festzustellen ist, dass MSC und KUP auf besseren Ertragsstandorten nach traditioneller
Investitionstheorie nicht bzw. nur schwer konkurrenzfähig sind. Auf den für MSC- und KUPAnbau aus einzelbetrieblicher Sicht vorteilhaften Standorten ist zudem zu beachten, dass
Entscheider häufig nicht der traditionellen Investitionstheorie folgen. Sollten Entscheider die
Irreversibilität, die zeitliche Flexibilität von Investitionen und die Unsicherheit hinsichtlich der
Investitionsrückflüsse mit einbeziehen, verhalten sie sich „träger“ als nach der traditionellen
Investitionstheorie. Sollte der politische Wille bestehen, den MSC- und KUP-Anbau auszuweiten, könnten Investitionssubventionen die Umstellungsbereitschaft fördern.
In Bezug auf Stakeholder wie z. B. die Betreiber von Biomasseheizwerken muss genau abgewägt werden, wie viele Landwirte bereit sind, Hackschnitzel unter welchen Bedingungen
zu liefern. Wenn die Menge der Hackschnitzel nicht ausreichen sollte, ist es möglich, Anbausubventionen und Mindestpreise anzubieten. Im Gegensatz zu Anbausubventionen, haben
Mindestpreise (unter den getroffenen Annahmen) nur einen geringen Effekt auf die Bereitschaft der Landwirte, MSC und KUP anzubauen und Hackschnitzel zu liefern.
Gegenüberstellung von vorgegebenen Zielen und erreichten Ergebnissen
Ziele bei Antragstellung
Erreichte Ziele
•
Bewertung der relativen Vorzüglichkeit klassischer landwirtschaftlicher Produktionsverfahren und
von Kurzumtriebsplantagen
(KUP) unter verschiedenen
Standortbedingungen
Relative Vorzüglichkeit von KUP gegenüber klassischer
agrarischer Produktion erfolgte in einem Beitrag:
Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2011): Lohnen Pappeln und
Miscanthus? In: DLG-Mitteilungen 10/2011: 62-64.
•
Rentabilitätsermittlung einer Umstellung von der klassischen Nutzung landwirtschaftlicher Flächen
auf KUP
Rentabilitätsermittlung erfolgte u. A. in einem Beitrag:
Wolbert-Haverkamp, M. (2012): Miscanthus und Pappelplantagen im Kurzumtrieb als Alternative zum klassischen
Ackerbau – Eine Analyse mittels Monte-Carlo Simulation,
In: Berichte über Landwirtschaft 90 (2): 302-316.
•
Ermittlung des Einflusses der
unternehmerischen Flexibilität auf
die betriebliche Umstellungsbereitschaft auf KUP
Wolbert-Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2014): Is short rotation coppice economically interesting? An application to
Germany, In: Agroforestry Systems (im Druck).
•
Empfehlungen zur optimalen
Ausgestaltung betrieblicher Anreize für eine Umstellung auf
KUP
Wolbert-Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2014): Are short
rotation coppices an economically interesting form of land
use? A real options analysis. In: Land Use Policy 38: 163174
Wolbert-Haverkamp, M; Feil, J.-H.; Mußhoff, O. (2014):
The value chain of heat production from wood chips under
market competition and different intervention systems: An
agent-based real options model. DARE-Diskussionspapier
1407.
319 Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Wegen der kurzen Vorlaufzeit zwischen Genehmigung und Beginn des Forschungsvorhabens konnte in dem Arbeitspaket SÖB 3 die Arbeit erst mit erheblicher Verzögerung begonnen werden. Letztlich wurde Herrn Wolbert-Haverkamp erst mit erheblicher Verzögert eingestellt.
Aus diesem Grund wurde die Laufzeit des Arbeitspaketes bis zum 31.07.2014 verlängert. Die
ursprüngliche Laufzeit des AP endet eigentlich zum 31.01.2014. Die Finanzmittel hierfür werden aus dem AP zur Verfügung gestellt (kostenneutrale Verlängerung).
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben






Enge Zusammenarbeit besteht mit Herrn Henke (SÖB 4)
Beurteilung des 1. Doktorandenseminars von Herrn Wolbert-Haverkamp durch Herrn
Prof. Dr. Bernhard Möhring (SÖB 1)
Beurteilung des 2. Doktorandenseminars von Herrn Wolbert-Haverkamp durch Herrn
Prof. Dr. Ludwig Theuvsen (SÖB 4)
Herrn Prof. Dr. Ludwig Theuvsen (SÖB 4) und Herrn Prof. Dr. Bernhard Möhring (SÖB 1)
sind neben Herrn Prof. Dr. Oliver Mußhoff Mitglieder des Prüfungskomittees der Promotion von Herrn Wolbert-Haverkamp
Diskussion mit Herrn Busch über die Bestimmung von ackerbaulichen Deckungsbeiträgen (UP 4)
Externe Modellabstimmung mit Prof. Dr. Alfons Balmann, IAMO, Halle
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Wolbert-Haverkamp, M; Feil, J.-H.; Mußhoff, O. (2014): The value chain of heat production
from wood chips under market competition and different intervention systems: An agentbased real options model. DARE-Diskussionspapier 1407.
Diekmann, A.; Wolbert-Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2014): Die Bewertung der Umstellung
einer einjährigen Ackerkultur auf den Anbau von Miscanthus – Eine Anwendung des Realoptionsansatzes. DARE-Diskussionspapier 1406 (eingereicht im German Journal of
Agricultural Economics, zweite Runde).
Wolbert-Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2014): Are short rotation coppices an economically
interesting form of land use? A real options analysis. In: Land Use Policy 38: 163-174
Wolbert-Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2014): Is short rotation coppice economically interesting? An application to Germany, In: Agroforestry Systems 88 (3): 413-426.
Wolbert-Haverkamp, M. (2013): Are short rotation coppices an alternative for traditional agricultural land use in Germany? A real options approach. AARES 57th Annual Conference, 5. – 8. Februar 2013, Sydney, Australien.
Wolbert-Haverkamp, M. (2013): Are short rotation coppices an alternative for traditional agricultural land use in Germany? A real options approach. 2. Internationaler Kongress – Agrarholz 2013, 19. – 20. Februar 2013, Berlin, Deutschland.
Wolbert-Haverkamp, M. (2012): Miscanthus und Pappelplantagen im Kurzumtrieb als Alternative zum klassischen Ackerbau – Eine Analyse mittels Monte-Carlo Simulation, In: Berichte über Landwirtschaft 90 (2): 302-316.
Haverkamp, M.; Mußhoff, O. (2011): Lohnen Pappeln und Miscanthus? In: DLG-Mitteilungen
10/2011: 62-64.
320 Arbeitspaket:
SÖB 4
Thema:
Social Life Cycle Assessment
Antragsteller
Prof. Dr. L. Theuvsen
Institut:
Betriebswirtschaftslehre des Agribusiness, Department für Agrarökonomie und Rurale Entwicklung, Univ. Göttingen
Dauer:
01.09.2010 – 30.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Henke, Stephan Sören
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Die Aufgabenstellung des Arbeitspakets SÖB 4 beinhaltete die „Bereitstellung eins integrativen sozioökonomischen Bewertungsinstrumentariums zur energetischen und stofflichen Nutzung von Biomasse“, „Die Ermittlung des Informationsbedarfs von Stakeholdern entlang der
Wertschöpfungskette als Grundlage einer umfassenden sozioökonomischen Bewertung“,
„die räumlich differenzierte Anwendung auf ausgewählte Formen der Biomasseproduktion
zur energetischen und stofflichen Verwertung“ sowie die „Aufbereitung der Ergebnisse der
Bewertung von Biomassewertschöpfungsketten als Grundlage betrieblicher Entscheidungen,
des Informationsbedarfs weiterer Stakeholder sowie als Basis der regionalen Governance“
(BEST- Antrag, S.198).
Planung und Ablauf des Vorhabens
Der erste Arbeitsschritt diente der Zusammenführung des theoretischen, methodischen und
empirischen Wissenstandes zur sozioökonomischen Bewertung der Biomasseproduktion
sowie ihrer energetischen und stofflichen Verwertung. Im zweiten Schritt „Informationsbedarf
der Stakeholder“ wurde der Informationsbedarf verschiedener Stakeholder entlang der Wertschöpfungskette mittels qualitativer und quantitativer Untersuchungen erfasst. Zeitgleich
wurde unter Berücksichtigung der gegebenen Informationsgrundlagen ein geeignetes sozioökonomisches Bewertungsinstrumentariums, welches auf den Grundlagen des Life Cycle
Assessments (in Anlehnung an ISO 14040 und 14044) basiert entwickelt. Dieses unter dem
Begriff Social Life Cycle Assessment entwickelte Bewertungsinstrumentarium dient im vierten
Arbeitsschritt zur bundesweiten und in den BEST-Regionen räumlich differenziert durchgeführten sozioökonomischen Bewertung von ausgewählten Formen der Biomasseerzeugung
und –verwertung. Weiterhin nahm das Teilprojekt Koordinations- und Zusammenführungsfunktionen innerhalb des Clusters SÖB sowie mit anderen Clustern des BEST-Verbundes
wahr.
Der vorgesehene Arbeits-, Ressourcen- und Zeitplan konnte grundsätzlich eingehalten werden. Kleinere Änderungen ergaben sich bei der Ressourcenplanung, sodass zur Präsentation der Forschungsergebnisse und der Durchführung von Onlinebefragungen genehmigte
Umwidmungen erforderlich wurden.
Der Bericht zum Meilenstein „Bericht zum wissenschaftlichen Erkenntnisstand aus theoretischer, methodischer und empirischer Sicht erfolgte in Form eines internen Arbeitsberichtes
und einer Veröffentlichung (siehe hierzu Henke und Theuvsen 2012b) Zusätzlich wurde der
vorgesehene Meilenstein „Erstellung eines Berichtes zur räumlich differenzierten Bewertung…“ in Form von drei Artikeln realisiert, welche auf dem 3rd International Exergy, Life
Cycle Assessment and Sustainability Workshop & Symposium in Nisyros, der Jahrestagung
der Gesellschaft für Wirtschafts- und Sozialwissenschaften des Landbaues e.V. sowie der
Jahrestagung der Österreichischen Gesellschaft für Agrarökonomie präsentiert und in den
321 entsprechenden Tagungsbänden veröffentlicht wurden. Zudem wurden die Ergebnisse im
Rahmen eines gemeinsamen Papers des Clusters SÖB 4 sowie in allgemeinverständlicher
Form im Rahmen der BEST-Bibliothek veröffentlicht.
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Ermittlung des theoretischen,
empirischen und methodischen
Wissensstandes
 Durchführung einer Literaturanalyse (vgl. Henke und
Ermittlung des Informationsbedarfs der Stakeholder
 Identifizierung der relevanten Stakeholder unter Heranzie-
Theuvsen 2012b)
hung bestehender Ansätze (Gesellschaft, Arbeitnehmer, regionale Bevölkerung und Konsumenten).
 Abschluss der empirischen Untersuchung zur Ermittlung des
Informationsbedarfs der Stakeholder mit 528 Teilnehmern
 Ableitung von 19 relevanten Bewertungskriterien mittels
konfirmatorischer Faktoranalyse zur Abbildung des Informationsbedarfs der relevanten Stakeholder einer ausgewählten
Biomassewertschöpfungskette.
Entwicklung des Bewertungsinstrumentariums
 Entwicklung eines einsatzfähigen Bewertungsinstrumentariums
 Evaluation des Bewertungsinstrumentariums durch Vorstellung und Diskussion auf wissenschaftlichen Fachtagungen
 Erstellung eines Online-Fragebogens zur Durchführung einer IT-gestützten Expertenbefragung.
Durchführung der räumlich
differenzierten Bewertung
 Durchführung einer bundesweiten Bewertung der Wertschöpfungsketten Biogasproduktion, Wind-, Solar- und
Wasserenergie
 Durchführung einer regional differenzierten Bewertung der
Wertschöpfungsketten Biogas, Weizen und Kurzumtriebsplantagen in den BEST-Untersuchungsregionen
 Durchführung einer Bevölkerungsbefragung in drei Untersuchungsregionen (BEST-Untersuchungsregionen plus
Vechta) zur Validierung der zuvor ermittelten Bewertungskriterien
Koordinations- und Zusammenführungsaufgaben
 Übernahme von Koordinationsaufgaben und Ausrichtung der
jährlichen SÖB-Clustertreffen
 Koordination eines gemeinsamen SÖB-Cluster-Papers (in
diesem Rahmen wurde auch eine Beschreibung der Agrarstruktur in den BEST-Regionen angefertigt)
 Teilnahme an Koordinationstreffen des BEST-Vorhabens in
Göttingen und Berlin
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Biomassewertschöpfungsketten sind in der Vergangenheit unter verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet wurden, so u.a. hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Agrarpreise, die
Ernährungssicherheit, die Umwelt, die Gestaltung von Fruchtfolgen sowie die Tierproduktion.
Darüber hinaus wurden Analysen der gesamtwirtschaftlichen, regionalen und ökologischen
Effekte der Bioenergieproduktion durchgeführt. Schließlich sind die Kosten der Bioenergieproduktion sowie ihr Beitrag zur Versorgungssicherheit im Energiebereich Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen gewesen.
Ungeachtet der Fülle der Einzeluntersuchungen gab es nur wenige Untersuchungen, die die
Gesamtheit der ökologischen, ökonomischen und sozialen Wirkungen der Biomasseproduktion und -verwendung im Sinne einer umfassenden sozioökonomischen Bewertung bzw. eines Social Life Cycle Assessment betrachtet haben. Zudem war die Methode des Social Life
322 Cycle Assessment methodisch deutlich weniger ausgereift als die bereits länger bekannten
Methoden des Life Cycle Assessment und des Life Cycle Costing, die für ökologische und
ökonomische Analysen eingesetzt werden. Insbesondere hinsichtlich der Auswahl der relevanten sozioökonomischen Bewertungskriterien sowie deren Messung bestand ein erheblicher methodischer Weiterentwicklungsbedarf. Auch die Einbeziehung der Perspektiven verschiedener Stakeholder bereitete häufig Schwierigkeiten.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Im Rahmen des Forschungsvorhabens gelang eine Lösung der methodischen Probleme des
Life Cycle Assessment. Zur Lösung der zentralen Probleme Indikatorauswahl und –messung
wurde ein dreistufiges Verfahren entwickelt, das (a) eine qualitative Voruntersuchung zwecks
Ermittlung potenziell relevanter Bewertungskriterien, (b) eine Befragung von Stakeholdern in
den Untersuchungsregionen zur Ermittlung der Relevanz der identifizierten Indikatoren sowie
(c) eine großzahlige Expertenbefragung zur Ermittlung der Ausprägungen der relevanten
Indikatoren umfasst (vgl. Tabelle 1). Durch diese methodische Innovation ist die Anwendbarkeit des SLCA wesentlich verbessert werden.
Tabelle 1: Dreistufige Untersuchungsmethodik zur Durchführung eines SLCA
Durch Anwendung der Methodik wurde zudem der Wissensstand in Bezug auf die Wahrnehmung von Bioenergiewertschöpfungsketten durch verschiedene Experten und Experten erheblich erweitert.
Ergebnisbericht
Die zu Beginn durchgeführte Literarturanalyse fasst den Wissenstand zu den lebenszyklusbasierten Bewertungsmethoden Life Cycle Assessment (ökologische Bewertung), Life Cycle
Costing (ökonomische Bewertung) sowie Social Life Cycle Assessment (sozioökonomische
Bewertung) zusammen. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die bisherigen Ansätze zum
Social Life Cycle Assessment bzw. der lebenszyklusbasierten sozioökonomischen Bewertung noch eine Reihe von Unzulänglichkeiten aufweisen: Erhebliche Lücken bestehen in methodischer Hinsicht im Hinblick auf die Zurverfügungstellung empirisch validierter Indikatorsätze, die Verfügbarkeit einer standardisierten Messmethode für qualitative sozioökonomische
Indikatoren sowie die Bewertung von Auswirkungen. Auch die teilweise vorgeschlagene Prozessorientierung zur Identifizierung der sozioökonomischen Auswirkungen von Einzelprozessen innerhalb eines Produktlebenszyklus stellt ein noch nicht abschließend gelöstes Problem
323 dar (vgl. hierzu Henke und Theuvsen 2012b).
Als erster Schritt zur Methodenentwicklung wurde auf Basis der Literaturanalyse ein an das
Life Cycle Assessment (ISO 14040 und 14044) angelehntes vierphasiges Grundmodell als
Ansatz zur sozioökonomischen Bewertung entwickelt (siehe Abbildung 1). Die Untersuchung
zum Informationsbedarf der Stakeholder im Rahmen eines Social Life Cycle Assessment
kann bereits in die zweite Phase des Grundmodells eingeordnet werden, da sie auch der
Ermittlung der relevanten Indikatoren für die sozioökonomische Bewertung von Biomassewertschöpfungsketten dient (vgl. hierzu Henke und Theuvsen 2012b).
Abbildung 1: Vierstufiger Ansatz zur Durchführung einer sozioökonomischen Bewertung im Rahmen
eines Social Life Cycle Assessment (Henke und Theuvsen 2012b)
Der Informationsbedarf der relevanten Stakeholder wurde im Rahmen einer qualitativen Voruntersuchung (Desktop-Research, Literaturanalyse und Experteninterviews) sowie einer Stakeholder Befragung mit 529 Teilnehmern ermittelt. Der verwandte Fragebogen basiert auf
den im Rahmen der qualitativen Voruntersuchung ermittelten potentiellen Indikatoren für die
sozioökonomische Bewertung von Biomassewertschöpfungsketten und hat die Aufgabe, deren Relevanz für die verschiedenen Stakeholder-Gruppen zu überprüfen. In der empirischen
Untersuchung selbst wurden 73 Indikatoren auf ihre Wichtigkeit für verschiedene Stakeholder-Gruppen empirisch überprüft. Hieraus wurden 19 Bewertungskriterien für das eigentliche
SLCA abgeleitet. Die 19 sozioökonomischen Bewertungskriterien gliedern sich in die Themenbereiche Arbeitnehmer, regionale Bevölkerung und Gesellschaft. Hierbei wurde jedes
Bewertungskriterium aus mehreren Indikatoren, welche mittels einer konfirmatorischen Faktoranalyse zusammengefasst wurden, gebildet:

Im Themenbereich Arbeitnehmer werden sechs verschiedene Aspekte bewertet. Ein Bewertungskriterium ist die Vereinbarkeit von Arbeit und Freizeit, welches Indikatoren wie
Arbeitszeit, Arbeitszeitgestaltung und Erholungsurlaub umfasst. Als weitere relevante
Kriterien konnten die Entgeltsituation, die Situation behinderter Arbeitnehmer, die Arbeitnehmerposition, Zusatzleistungen für die Arbeitnehmer sowie die Arbeitssicherheit identifiziert werden.

Im zweiten Themenbereich regionale Bevölkerung kommen die Kriterien Umwelt, Kommunikation und Bürgerbeteiligung, Landschaftsbild, Lebensbereiche der Anwohner, regionalwirtschaftliche Effekte und Einfluss auf den regionalen Tourismus zur Anwendung.
324 
Im dritten Themenbereich Gesellschaft werden die Einflüsse auf das Nahrungsmittelangebot, auf Konsumenten und auf ärmere Weltregionen, Aspekte der Unternehmensethik,
gesellschaftliche Anliegen sowie die Wirkungen auf den Staatshaushalt betrachtet (siehe
Tabelle 2).
Tabelle 2: Relevante Bewertungskriterien (Henke und Theuvsen 2014a)
Bewertungskriterium
Zugeordnete Indikatoren
Gesellschaft/
Konsumenten
Arbeitnehmer
Regionale
Bevölkerung
Umweltauswirkungen
Umweltbeeinträchtigung (z.B. Gewässerbelastung), örtliche Artenvielfalt, örtliche Fauna
Umgang der Akteure mit der Adäquate Reaktion auf Beschwerden aus der Bevölkerung, Einhaltung
regionalen Bevölkerung
gesellschaftlicher Versprechen, Konfliktpotential mit Bevölkerung
Einfluss auf das LandVeränderung des Landschaftsbildes, Schutz einmaliger Landschaften
schaftsbild
(z.B. Bergwiesen), Eingriffe ins Landschaftsbild
Eingriffe in Lebensbereiche Gesundheitliche Risiken für regionale Bevölkerung, Emissionsbelasder Anwohner
tung, Verkehrsaufkommen, Einschränkung von Freizeitaktivitäten
Regionalwirtschaftlicher
Einfluss auf regionale Wirtschaft, wirtschaftlicher Einfluss auf die
Effekt
örtliche Bevölkerung, Verdrängung von bestehenden Unternehmen
Konfliktpotential innerhalb der Dorfgemeinschaft
Konfliktpotential in Dorfgemeinschaft
Regionaler Tourismus
Auswirkungen auf regionalen Tourismus
Vereinbarkeit von Arbeit
Einhaltung branchenüblicher Arbeitszeiten, ausreichender ErholungsundFreizeit
urlaub, Möglichkeit zur individuellen Arbeitszeitgestaltung
Entgeltsituation
Entgeltzahlung, Zahlung gesetzlicher Sozialabgaben, Entgelthöhe
Behindertengerechte Arbeitsplätze, Vorzug bei gleicher Eignung
Situation behinderter Arbeitnehmer
Arbeitnehmerposition
Einhaltung arbeitsrechtlicher Regelungen, langfristige Personaleinstellung, gewerkschaftlicher Organisation, Leiharbeiteranteil, Kündigungsfristen
Zusatzleistungen für Arbeit- Betriebliche Altersvorsorge, Durchführung von Maßnahmen zur Mitnehmer
arbeitermotivation, Angebot von Weiterbildungsmöglichkeiten
Arbeitssicherheit
Gesundheitsrisiken, Unfallgefahr
Nahrungsmittelangebot
Konkurrenz für Nahrungsmittel, Nahrungsmitteln zur Energieerzeugung, Primäre Nutzung von Abfallprodukten zur Energieerzeugung
Konsumenten der EndproKonsumentenvorteile, Gesundheitsrisiken, Preisentwicklung für indukte
dustrielle sowie Endverbraucher
Einfluss auf ärmere Weltre- Effekte auf Menschen in ärmeren Weltregionen, sekundäre Landnutgionen
zungseffekte
Unternehmensethik
Beeinflussung politischer Entscheidungsträger, Korruption, Einsatz für
hohe Sozialstandards bei Geschäftspartnern, fairer Wettbewerb
Nationale gesellschaftliche
Nachhaltige Energieversorgung, Ausbildungsplatzangebot, Beitrag zur
Anliegen
Erhöhung der Krisenfestigkeit der Branche und Wettbewerbsfähigkeit
Beitrag zum Staatshaushalt Höhe erhaltener Subventionen, Nutzung von Steuerschlupflöchern,
Beitrag zum Staatshaushalt
Weiterhin wurde im Jahr 2012 das vierphasige Grundgerüst methodisch gefüllt und basierend auf den 19 Bewertungskriterien ein Online-Fragebogen für eine großzahlige Expertenbefragung entwickelt. Methodisch bedingt wird im Rahmen der Befragung eine Wertschöpfungskette, in diesem Fall die Biogasproduktion, mit Referenzwertschöpfungsketten vergleichend betrachtet. Der Fragebogen besteht aus qualitativen und quantitativen Befragungselementen. Zum Jahresende 2012 lag damit ein einsatzfähiges Instrumentarium vor. Nach
Rücksprache mit der BEST-Koordination konnten die Wertschöpfungsketten Biogas, Kurzumtriebsplantage (KUP), Weizenanbau, Solar-, Wind und Wasserenergie als vergleichend zu
325 betrachtende Wertschöpfungsketten festgelegt werden. Zusätzlich erfolgte in Zusammenarbeit mit UP1 und UP2 sowie mit Fachverbänden, Branchenkennern und Unternehmen sowie
Verwaltung und Wissenschaft eine Identifizierung geeigneter Experten.
Aus forschungsökonomischen Gründen wurden 2013 zwei Expertenbefragungen zur sozioökonomischen Bewertung durchgeführt. In einer ersten bundesweiten Bewertung der Wertschöpfungsketten Biogas, Wind-, Wasser- und Solarenergie unter Einbeziehung von 86 Experten konnte die Praktikabilität des entwickelten Ansatzes nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser ersten Untersuchung zeigen eine im Vergleich mit anderen erneuerbaren
Energien deutlich negativere Bewertung der Biogasproduktion auf. Die bundesweite Expertenauswahl ermöglichte in dieser Untersuchung jedoch noch keine regional differenzierte
Bewertung (siehe hierzu Henke und Theuvsen 2014a).
Die zweite durchgeführte sozioökonomische Bewertung hatte die Wertschöpfungsketten Biogas, Weizenproduktion und Kurzumtriebsplantagen zum Gegenstand. Zudem standen hier
die beiden BEST-Untersuchungsregionen im Fokus der Untersuchung. Die Bewertungsergebnisse der zweiten sozioökonomischen Bewertung ergaben ebenfalls eine deutlich positivere Bewertung der Wertschöpfungsketten Kurzumtriebsplantage und Weizenproduktion im
Vergleich zur Biogaserzeugung auf (siehe Tabelle 3; vgl. zudem Henke und Theuvsen
2014b).
Tabelle 3: Mittelwertvergleich relevanter Bewertungskriterien (Henke und Theuvsen 2014b)
Bewertungskriterium: regional Bevölkerung (n=75-88)1
Umweltauswirkungen ***a c
Umgang mit regionaler Bevölkerung ***a **b
Auswirkungen auf das Landschaftsbild ***a b
Lebensbereiche der Anwohner ***a b **c
Regionalwirtschaftlicher Effekt
Konfliktpotential i.d. regionalen Bevölkerung ***a b
Auswirkungen auf den Tourismus ***a ** c
Bewertungskriterium: Gesellschaft/Konsumenten (n=75-76)1
Auswirkungen auf Nahrungsmittelangebot ***a b
Auswirkungen auf Konsumenten
Einfluss auf ärmere Weltregionen ***a
Ethische Verhaltensweise **c
Nationale Anliegen ***b c
Beitrag zum Staatshaushalt
Bewertungskriterium: Arbeitnehmer (n=75-80)1
Vereinbarkeit Freizeit/Arbeit ***a c
Entgeltsituation ***a
Behinderte Arbeitnehmer
Arbeitnehmerposition
Zusatzleistungen **a
Arbeitssicherheit
Biogas
-0,34
-0,13
-0,79
-0,88
0,55
-1,00
-0,48
KUP
1,05
0,43
0,49
0,51
0,51
0,14
0,39
Weizen
-0,10
0,35
0,21
0,09
0,39
0,38
-0,05
-0,55
0,09
-0,37
-0,01
1,57
0,07
0,22
0,37
0,22
0,34
1,39
0,28
0,23
0,35
-0,04
-0,03
0,80
0,17
-0,22
0,73
-0,68
0,18
0,35
-0,09
0,86
0,22
-0,78
0,06
0,00
0,16
0,09
0,46
-0,74
0,24
0,12
0,09
Signifikanzprüfung zwischen Gruppen: a= Biogas – KUP, b= Biogas – Weizen, c= Weizen KUP, *p ≤ 0,1; **
p ≤ 0,05; *** p ≤ 0,01. -3= negativer Einfluss bis +3= positiver Einfluss.
1
=Schwankung aufgrund fehlender Werte
Im Rahmen der regional differenzierten Bewertung der betrachteten Wertschöpfungsketten in
den beiden BEST-Untersuchungsregionen konnten für die Wertschöpfungsketten Weizen
und Kurzumtriebsplantage keine signifikanten Bewertungsunterschiede zwischen den betrachteten Beispielregionen festgestellt werden (vgl. Tabelle 4). Lediglich bei der Biogasproduktion konnten im Mittelwertvergleich der verschiedenen Bewertungskriterien marginale
regionale Bewertungsunterschiede festgestellt werden, die auf den etwas höheren Stellenwert des Tourismus in der Region um Göttingen zurückgeführt werden konnten (vgl. Henke
und Theuvsen 2014b).
326 Tabelle 4: Regional differenzierte Bewertung der Biogasproduktion (Henke und Theuvsen 2014b)
Bewertungskriterium
Auswirkungen auf den Tourismus
Umweltauswirkungen
Auswirkungen auf das Landschaftsbild
Lebensbereiche der Anwohner
Göttingen
-1,30
-0,81
-1,06
-1,11
BERTA
-0,17
0,21
-0,56
-0,67
0,010
0,040
0,192
0,204
Weiterhin konnte im Rahmen einer Bevölkerungsbefragung in den beiden BEST-Untersuchungsregionen (n=307) festgestellt werden, dass bei der Bewertung der Wichtigkeit der verschiedenen Bewertungskriterien kein signifikanter Unterschied festzustellen ist (vgl. Henke
und Theuvsen 2014b).
Zusammenfassend lässt kann damit festgestellt werden, dass durch die vorgenommene methodische Weiterentwicklung des Social Life Cycle Assessment und die durchgeführten empirischen Untersuchungen die Aufgabenstellung des Arbeitspaketes SÖB 4 ohne Einschränkungen erfüllt und wesentliche neue Erkenntnisse generiert werden konnten.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Wie vorgesehen wurde im Rahmen der SÖB-Koordination eng mit den beteiligten Arbeitspaketen zusammengearbeitet und ein gemeinsamer Bericht mit Handlungsempfehlungen und
Schlussfolgerungen für die BEST-Untersuchungsregionen erstellt. Im Rahmen eines ClusterTreffens wurden die organisatorischen Rahmenbedingungen der weiteren Zusammenarbeit
besprochen. Zusätzlich erfolgte eine enge Zusammenarbeit mit UP1 und UP2 zur Identifizierung geeigneter Experten für die durchgeführten Befragungen in den Untersuchungsregionen. Die Expertenauswahl erfolgt zudem in der Zusammenarbeit mit Fachverbänden, Branchenkennern und Unternehmen sowie Verwaltung und Wissenschaft.
Auch erfolgte eine Kooperation mit der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft zur Durchführung einer Befragungsaktion auf der Landtechnikmesse Agritechnica 2011. Ebenfalls
wurde parteiübergreifend mit zahlreichen Fraktionen auf kommunaler Ebene in beiden Untersuchungsregionen zur Ermöglichung der Durchführung einer Politikerbefragung zusammengearbeitet. Eine Zusammenarbeit mit externen Forschungsvorhaben fand nicht statt, jedoch
erfolgte eine Kooperation mit der Respondi GmbH sowie der Toluna GmbH zur Durchführung
von Onlinebefragungen.
Weiterhin erfolgte auch 2013 eine Abstimmung der konzeptionellen Rahmenbedingungen
des geplanten Social Life Cycle Assessments mit der BEST-Koordination, um eine möglichst
gute Anbindung an das Gesamtvorhaben zu gewährleisten.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Während der Projektlaufzeit wurde keine Änderung des Forschungsansatzes oder der Arbeitshypothesen durchgeführt.
Der Arbeits-, Zeit- und Ressourcenplan des Arbeitspakets wurde grundsätzlich eingehalten.
Lediglich kleinere Änderungen ergaben sich bei der Ressourcenplanung, sodass zur Präsentation der Forschungsergebnisse und der Durchführung von Onlinebefragungen Umwidmungen von Mitteln erforderlich wurden, die durch den Mittelgeber genehmigt wurden.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
Eine Weiterentwicklung des Verwertungsplans wurde nicht vorgenommen.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Guenther-Lübbers, W, Henke, S, Schaper C, Theuvsen, L (2014). Der Markt für Bioenergie.
In: German Journal of Agricultural Economics 63 (Supplement): 94-111.
Haverkamp, S, Henke, S, Kleinschmit, C, Möhring, B, Müller, H, Mußhoff, O, Rosenkranz, L,
327 Seintsch, B, Schlosser, K, Theuvsen, L (2014). Vergleichende Bewertung der Nutzung
von Biomasse: Ergebnisse aus den Bioenergieregionen Göttingen und BERTA. Diskussionspapier Nr. 1405 des Departments für Agrarökonomie und Rurale Entwicklung der
Georg-August-Universität Göttingen.
Henke, S (2014). Social Life Cycle Assessment. Multikriterielle Bewertung erneuerbarer
Energien. Göttingen: Cuvillier Verlag.
Henke, S, Guenther-Lübbers, W, Schaper, C, Anschütz, T, Theuvsen, L (2013). Der Markt für
Bioenergie. In: German Journal of Agricultural Economics, 62 (Suppelment): 107-126.
Henke, S, Guenther-Lübbers, W, Theuvsen, L (2014). IT-gestützte Ermittlung von Akzeptanzfaktoren für Biogasanlagen. In: Clasen, M, Hamer, M, Lehnert, S., Petersen, B, Theuvsen, B (hrsg.): IT-Standards in der Agrar- und Ernährungswirtschaft. Fokus: Risiko- und
Krisenmanagement, Bonn: Köllen Verlag: 77-80.
Henke, S, Paustian, M, Theuvsen, L (2014). Development of an Advanced Method for Conducting a Social Life Cycle Assessment. In: Proceedings of the AdaptToClimateConference vom 27. Bis 28. März 2014 in Nikosia (Zypern).
Henke, S, Theuvsen, L (2014c). Social Life Cycle Assessment: Socioeconomic Evaluation of
Biogas Plants and Short Rotation Coppices. In: Rickert, U, Schiefer, G (Hrsg.): Proceedings in Food Systems Dynamics and Innovation in Food Networks 2014, Innsbruck-Igls,
Februar 2014: 373-383.
Henke, S, Theuvsen, L (2014b). SLCA: Regional differenzierte Bewertung von Biogasanlagen und Kurzumtriebsplantagen. In: Jahrbuch der Österreichischen Gesellschaft für Agrarökonomie 23: 81-90.
Henke, S, Theuvsen, L (2014a). Social Life Cycle Assessment: Eine sozioökonomische Analyse der Biogasproduktion. In: Kirschke, D, Bokelmann, W, Hagedorn, K, Hüttel, S
(Hrsg.): Wie viel Markt und wie viel Regulierung braucht eine nachhaltige Agrarentwicklung? Münster-Hiltrup: Landwirtschaftsverlag: 109-120.
Henke, S, Theuvsen, L (2013c). IT-gestützte Durchführung eines Social Life Cycle Assessments am Beispiel der Wertschöpfungskette Biogas. In: Clasen, M, Kersebaum, K, Meyer-Aurich, A, Theuvsen, B (Hrsg.): Massendatenmanagement in der Agrar- und Ernährungswirtschaft, Bonn: Köllen Verlag: 131-134.
Henke, S, Theuvsen, L (2013b). Social Life Cycle Assessment: Socioeconomic evaluation of
renewable energy In: Proceedings of the 3rd International Exergy, Life Cycle Assessment and Sustainability Workshop & Symposium, Nisyros.
Henke, S, Theuvsen, L (2013a). Sozioökonomische Bewertung der Wertschöpfungskette
Biogas. In: Jahrbuch der Österreichischen Gesellschaft für Agrarökonomie 22 (2): 45-54.
Henke, S, Theuvsen, L (2012b). Social Life Cycle Assessment: Erweiterter Qualitätsbegriff
und sozioökonomische Analysemethode. In: Woll, R, Uhlemann, M (Hrsg.): Berichte zum
Qualitätsmanagement – Vielfalt Qualität – Tendenzen im Qualitätsmanagement, Aachen:
Shaker Verlag: 271-292.
Henke, S, Theuvsen, L (2012a). Entwicklung eines IT-gestützten Instruments zur sozioökonomischen Bewertung von forstlicher Biomasse. In: Clasen, M, Fröhlich, G, Bernhardt,
H, Hildebrand, B, Theuvsen, B (hrsg.): Informationstechnologie für eine nachhaltige
Landbewirtschaftung, Bonn: Köllen Verlag: 123-126.
Müller, H, Henke, S, Theuvsen, L (2014). IT-gestützte Nachhaltigkeitskommunikation. In:
Clasen, M, Hamer, M, Lehnert, S., Petersen, B, Theuvsen, B (hrsg.): IT-Standards in der
Agrar- und Ernährungswirtschaft. Fokus: Risiko- und Krisenmanagement, Bonn; Köllen
Verlag: 101-104.
328 Arbeitspaket:
UP 1
Thema:
Bioenergieregion Göttinger Land
Antragsteller
Christel Wemheuer
Institut:
Energieagentur Region Göttingen e.V.
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Dr. Inga Mölder
Kilian Rüfer (Elternzeitvertretung Mai 2011 – Dezember 2011)
Linda Hartmann (Elternzeitvertretung April 2014 – August 2014)
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Aufgabe des Arbeitspaketes UP 1 war der Aufbau einer Informations- und Kommunikationsplattform für Wissenschaft und Praxis. Die durch das Netzwerk Regenerative Energien vorhandenen Kontakte sollten das Projekt bei der Durchführung und Organisation von Regionalkonferenzen unterstützen. Die Zielgrößen waren: 1. die praktische Anwendbarkeit der erwarteten Forschungsergebnisse und 2. die frühestmögliche Umsetzung gesicherter neuer Erkenntnisse in wirtschaftliches Handeln und regionale Planung im Landkreis Göttingen.
Planung und Ablauf des Vorhabens
Die Integration praktischer Anforderungen in den Forschungsprozess sollte durch gezielte
Einbeziehung von Praktikern an in dieser Hinsicht empfindlichen Punkten der Untersuchungen erreicht werden, die durch begleitende Analyse der Forschungsprojekte, Workshops und
Umfrageerhebungen unter den Akteuren im Netzwerk und darüber hinaus identifiziert wurden. Die Vermittlung von Forschungsergebnissen in frühen Stadien der Untersuchungen erforderte einen verantwortlichen und sachkundigen Umgang mit Information. Daher erfolgte
die Informationsvermittlung auf Basis regelmäßiger wissenschaftlicher Kolloquien zur Erhebung des jeweiligen Forschungsstandes. Durch selektive Weitergabe und textliche Aufbereitung der Information in auf die Bedürfnisse der Rezipienten abgestimmten Medien sollte der
Kontakt zu den Akteuren in der Region aufgebaut und parallel dazu ein Bewusstsein für die
Bedeutung der Regionalentwicklung geschaffen werden. Dies erfolgte unter anderem in
Form von Beiträgen innerhalb der EDV-gestützten virtuellen Fachbibliothek, die über die
notwendigen Selektions- und Aufbereitungstools verfügt, um den spezifischen Anforderungen
aller Anwender gerecht zu werden. Gegen Ende der Projektlaufzeit fand zudem in der Regionalkonferenz in Form eines Workshops eine Diskussion mit relevanten Planungsbehörden
und Interessenverbänden zu neuen Planungsanforderungen durch Bioenergienutzung statt.
Eine ausführliche Beschreibung findet sich im Arbeitsbericht.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Das Netzwerk Regenerative Energien war zur Zeit des Projektbeginns im Aufbau und hatte
bereits eine Kommunikationsplattform geschaffen, die einen schnellen Informationsfluss zwischen den einzelnen beteiligten Fachgebieten und Stakeholdern sowie zwischen Wissenschaft und Praxis gewährleistete und damit den besonderen wissenschaftlichen Anforderungen des interdisziplinären Verbundprojekts BEST Rechnung trug. Die Region verfügt über
eine leistungsfähige Hochschullandschaft, viele weitere wissenschaftliche Institute und eine
hohe Dichte verschiedenster Bildungsträger aus dem schulischen, außerschulischen und
berufsbildenden Bereich. Wegweisende Projekte wie das Bioenergiedorf Jühnde sind in Zu-
329 sammenarbeit mit der Georg-August-Universität Göttingen und lokalen Akteuren umgesetzt
worden.
Die Region verfügt mit den Projekten zur Unterstützung weiterer Bioenergiedörfer über weit
reichende Erfahrungen mit partizipativen Prozessen, die jeweils in gemeinschaftlichen, genossenschaftlich organisierten Bioenergieprojekten umgesetzt wurden. Der Partizipationsprozess wurde vom Interdisziplinären Zentrum für Nachhaltige Entwicklung
(IZNE) der Universität Göttingen wissenschaftlich begleitet (Eigner-Thiel 2005), umfassend
dokumentiert und in einem Leitfaden veröffentlicht (Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe, 2008).
Das Projekt in Jühnde und der Entwicklungsprozess der Bioenergiedörfer im Landkreis Göttingen wurden darüber hinaus im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes im Hinblick auf die gesellschaftliche Anbindung und Relevanz in Zusammenarbeit mit dem Ökoinstitut Darmstadt analysiert (Raven et al., 2008).
Die Dynamik bei der Entwicklung und praktischen Umsetzung neuer Verfahren für die Nutzung von Bioenergie stellt hohe Anforderungen an den Informationsaustausch
zwischen regionalen Akteuren und der Wissenschaft, denen in diesem Teilprojekt
Rechnung getragen wurde.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
Alle Erkenntnisse aus den BEST-Arbeitspaketen sind auch als Erweiterung des Wissensstandes von UP 1 zu betrachten. Die in den Kurzzusammenfassungen der BEST-Arbeitsprojekte für die virtuelle Fachbibliothek dargestellten Ergebnisse wurden für die jeweiligen Nutzergruppen aufbereitet. Zudem konnte durch die Teilprojektbearbeiter der erweiterte Wissensstand in den diversen Fachveranstaltungen den unterschiedlichen Stakeholdern vermittelt werden.
Arbeitsbericht
Ein zentraler Punkt von UP 1 war die Erstellung einer virtuellen Fachbibliothek (VF). In
Absprache mit der Gruppe „Elektronisches Publizieren“ der Niedersächsischen Staats- und
Universitätsbibliothek Göttingen und der Abteilung Wissenschaftsrecht und Trägerstiftung der
Georg-August-Universität Göttingen war beschlossen worden, dass die VF hauptsächlich als
Literaturdatenbank aufgebaut wird. Nur Dokumente, für die die Erlaubnis zur Veröffentlichung
vom Urheber vorliegen, sowie von UP 1 erstellte Dokumente, die über die wichtigsten Ergebnisse der Teilprojekte Auskunft geben und für die breite Öffentlichkeit bestimmt sind, stehen
auch zum Download zur Verfügung. Um jedoch die Erreichbarkeit der Literaturquellen zu
gewährleisten, ist in der Energieagentur Region Göttingen eine Präsenzbibliothek aufgebaut
worden, in der u.a. die in der VF gesammelten Literatureinträge einsehbar sind. In Zusammenarbeit mit UP 3 wurde die Oberfläche für die VF erstellt (http://bibliothek.best-forschung.
uni-goettingen.de). Seit Mitte 2011 werden Quellen in die VF eingepflegt. Ab 2012 sind zudem allgemeinverständliche Berichte für verschiedene Arbeitspakete erstellt worden. Hierfür
wurden aus wissenschaftlichen Präsentationen der Arbeitspakete ein- bis zweiseitige Texte
vorformuliert und in Zusammenarbeit mit den jeweiligen Projektbearbeitern und Projektleitern
fertiggestellt.
Im Jahr 2011 wurden insgesamt 2 Fachveranstaltungen zu BEST-Themen angeboten. Am
05.04.2011 fand dann die erste Regionalkonferenz zusammen mit den Teilprojekten UP 6,
UP 5 und UP 4 statt. Angesprochen wurden lokale Akteure aus dem Göttinger Land, die im
Netzwerk Regenerative Energien der Energieagentur bereits vernetzt waren. Ferner wurde
am 28.11.2011 eine Veranstaltung mit dem Titel „Schnell wachsende Gehölze auf unserem
Land?“ speziell für Landwirte initiiert, um BEST mit seinem Forschungsprogramm sowie seinen Angeboten an lokale Akteure vorzustellen.
Im Jahr 2012 wurden insgesamt 3 Fachveranstaltungen zu BEST-Themen angeboten. Am
28.2.2012 luden wir Landwirte zu einer weiteren Veranstaltung unter dem Titel „Schnell
330 wachsende Gehölze auf unserem Land?“ ein. Mit dieser Veranstaltung wurden Informationen
geliefert, um die auf der Vorgängerveranstaltung geäußerten Fragen und Bedarfe zu bedienen und damit die Umsetzung von Kurzumtriebsplantagen voranzubringen. In Göttingen diskutierten Landwirte, Forscher, Fachunternehmen und ein Vertreter des Landkreises Göttingen über rechtliche Rahmenbedingungen und Eignungsflächen für KUP. In Kooperation mit
dem Landvolk Göttingen, dem 3N-Kompetenzzentrum (UP 5) und dem BEST-Teilprojekt UP
4, konnten Referenten gewonnen werden, die Informationen zu Rechtslage, Fördermöglichkeiten und Abnehmerstrukturen für Landwirte gaben.
In einer Veranstaltung für Waldbesitzer mit dem Titel „Energie aus unserem Wald?“, die explizit auf Waldbesitzer und Förster zugeschnitten war, wurden Ergebnisse der BESTTeilprojekte zur Diskussion gestellt, die sich mit Biomasse aus dem Wald beschäftigen.
Schließlich konnten in einer öffentlichen Exkursion auf die Untersuchungsflächen im Landkreis Göttingen auch Einblicke in die Messtechnik einzelner Teilprojekte gegeben werden.
Im Jahr 2013 wurden insgesamt 3 Fachveranstaltungen zu BEST-Themen angeboten. Am
19.3.2013 wurden Landwirte, Naturschutz- und Landschaftspflegevertreter zu einer weiteren
Veranstaltung unter dem Titel „Produktion holziger Biomasse – Vereinbarkeit von Ökonomie
und Ökologie?“ eingeladen. Mit dieser Veranstaltung wurden Informationen aus BEST mit
anderen Projekten verbunden.
Im April 2013 wurde eine öffentliche Exkursion zu den Untersuchungsflächen angeboten, die
als Fahrradexkursion (in Verbindung mit dem öffentlichen Nahverkehr) von Göttingen aus auf
die Verbindung von erneuerbaren Energien und der Notwendigkeit zur Energieeinsparung
aufmerksam machen sollte.
Ferner wurde die Auftaktveranstaltung „Unternehmen Holzheizung“ mit UP 5 und dem Treffpunkt Energie im Holzhof Göttingen am 1.10.2013 unterstützt.
Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit von UP 1 im Jahr 2013 stellte die Einbeziehung von
BEST-Daten in die lokalen und regionalen Klimaschutzleitbilder dar. So wurde durch UP 1
die Bereitstellung von Daten für das aktuell erstellte Integrierte Klimaschutzkonzept des
Landkreises Göttingen mit Hilfe der Teilprojekte IO-H1, IO-H2, IO-H3, IO-H4, UP4, und UP5
initiiert, geplant, koordiniert und realisiert. Dank der engen Zusammenarbeit mit dem Landkreis, konnten frühzeitig Schnittstellen zwischen BEST und dem Klimaschutzkonzept identifiziert werden. Für den durch die Stadt Göttingen erstellten Masterplan 100% Klimaschutz
konnten auf ähnlichem Wege frühzeitig Unterstützungsmöglichkeiten seitens BEST angeboten werden, die auch in Zusammenarbeit mit dem zuständigen Planungsbüro in Form von
Daten Eingang in den Masterplan fanden.
Im Jahr 2014 wurden 4 Fachveranstaltungen angeboten, so lud am 24.04.2014 die Energieagentur zum regionalen Workshop „Holz für das Göttinger Land“ ein. Dabei wurde ein
interaktives Beratungswerkzeug des Teilprojektes UP 3 und UP 4 vorgestellt. Mit diesem
Werkzeug können eigenständig Szenarien entworfen und geprüft werden, indem eine Gegenüberstellung des regionalen Energiebedarfs und der Potenziale an holziger Biomasse
aus Wald, Feldgehölzen und Kurzumtrieb im Göttinger Land erfolgt.
In Zusammenarbeit mit der Bioenergie-Region Wendland-Elbetal wurde am 30.04.2014 die
Auftaktveranstaltung für das Projekt Wildpflanzen pressewirksam durchgeführt. Ziel war auf
den Einsatz von Wildpflanzen als geeignetes Biogasanlagen-Substrat aufmerksam zu machen. Ferner wurde die Abschlussveranstaltung von BEST in Zusammenarbeit mit UP 6
vorbereitet, die vom 29.09.2014-01.10.2014 stattfinden wird. Für den fachlichen Erfahrungsaustausch zwischen den Bioenergie-Regionen Göttinger Land und Wendland-Elbetal
zum Projekt Wildpflanzen fand eine weitere Exkursion am 12.09.2014, auf dem Klostergut
Reinshof der Georg-August-Universität Göttingen, statt.
Die Öffentlichkeit wurde mit Hilfe des Newsletters der Energieagentur über Ergebnisse und
Fortschritte des Projektes BEST informiert. Veranstaltungen, die im Rahmen von BEST von
der Energieagentur durchgeführt wurden, sind auf der Homepage der Energieagentur dokumentiert und als Pressemitteilung der Presse bekannt gegeben worden.
331 Ferner wurde 2014 die Broschüre „Bioenergie in der Region Göttingen“ erstellt, in der
wesentliche Forschungsergebnisse von BEST aufgearbeitet, mit anderen Forschungsprojekten verwoben und auf der Abschlussveranstaltung von BEST der Öffentlichkeit zugänglich
gemacht wurden.
Über Vorträge und Veranstaltungsteilnahmen bei BEST-externen Veranstaltern wurde das
Projekt BEST bekannt gemacht und Verknüpfungen mit anderen Projekten in und um Göttingen hergestellt. Folgende Tagungsteilnahmen dienten der Weiterbildung, dem Ausbau des
Netzwerks und der Repräsentation von BEST:











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

„Energetische Nutzung von Landschaftspflegematerial“ am 01-02.03.2011 (Berlin)
„Dezentrale Energieversorgung – Bioenergie in Kommunen, Partnerschaften zwischen
Land und Forstwirtschaft und Kommunen am 29.03.2011 (Fulda)
„Planungskonferenz“ der Stadt Göttingen am 13.04.2011
Tagung „Bioenergie im Spannungsfeld – Chancen und Risiken der Bioenergie im Kontext
einer nachhaltigen Entwicklung“ am 24-25.01.2012 (Göttingen)
Ergebnisdarstellung und Erfahrungsaustausch zum Thema „Governance im Nachhaltigen
Landmanagement" am 24.5.2012 (Berlin)
Teilnahme am Auftakttreffen des KUPAD-Projektes, welches von der HAWK zu Kurzumtriebsplantagen auf Altdeponien durchgeführt wurde (31.5.2012, Göttingen)
Teilnahme am „Kongress Agrarholz 2013“ am 19.-20.2.2013 (Berlin)
Vortrag „Redet miteinander! Herausforderungen und Strategien in der Akteursbeteiligung“
bei der Statuskonferenz des Förderschwerpunkts Nachhaltiges Landmanagement am
18.4.2013 (Berlin)
Teilnahme an der Exkursion „Wildpflanzenanbau zur Bioenergiegewinnung“ am 9.8.2013
Teilnahme an der Fachtagung „Energie, Ernährung und Gesellschaft – Die Rolle der Biomasse im Kontext einer nachhaltigen Entwicklung“ am 16.10.2013 (Göttingen)
Teilnahme an der zentralen Abschlussveranstaltung des „Klimaschutzkonzeptes des
Landkreises Göttingen“ am 30.10.2013 (Göttingen)
Teilnahme am Treffen zum „naturverträglichen Biomasseanbau für die Bioenergiegewinnung“ am 19.4.2013
Vorstellung der Energieagentur und von BEST im Rahmen der Veranstaltung „Erneuerbare Energiesysteme des Studiengangs Ökosystemmanagement“ an der Georg-AugustUniversität Göttingen am 20.1.2014
Exkursion in die Zwillingsregion Wendland-Elbetal am 14/15.08.2014 zur Besichtigung
der Wildpflanzenflächen und zur Sicherung des fachlichen Austausches zwischen den
beiden Bioenergie-Regionen
Ergebnisbericht
Im Rahmen der 1. Regionalkonferenz (05.04.2011) wurden unterschiedliche Aspekte der
Biomassegewinnung aus Wald und Kurzumtriebsplantagen von und mit den unterschiedlichen Stakeholdern zur Sprache gebracht und diskutiert. Auf der am 28.11.2011 veranstalteten Informationsveranstaltung für Landwirte wurden Chancen und Anbauhemmnisse abgefragt, die im Zusammenhang mit KUP gesehen werden.
Im Jahr 2012 lag der Schwerpunkt von UP 1 auf der Information unterschiedlicher Akteursgruppen, um eine praktische Anwendbarkeit der erwarteten Forschungsergebnisse zu diskutieren und aktuelle Forschungsergebnisse frühestmöglich umzusetzen. Die mit Hilfe von Informationsveranstaltungen geschaffene Kommunikationsplattform ermöglichte einerseits direkte Stellungnahmen der Praktiker zur laufenden Forschung. Andererseits konnten durch
die Unterstützung der Verteilung von Fragebögen auf der Veranstaltung für Landwirte
(28.2.2012 durch UP 4) und für Waldbesitzer (15.10.2012 durch SÖB 1) Daten für einzelne
332 Teilprojekte generiert werden. Doch die Veranstaltungen fungierten nicht nur als Austauschplattform zwischen den wissenschaftlichen Teilprojekten und der Praxis. Auch die Kommunikation innerhalb von BEST wurde so gestärkt, da Vorträge aufeinander abgestimmt und der
Datenbedarf, und damit die Fragebögen, harmonisiert werden mussten. Mit Hilfe der Veranstaltungen konnte zudem das Netzwerk von BEST vergrößert werden. Gerade über das wiederholte Einladen von Akteuren zu unterschiedlichen Veranstaltungen wird die Wahrnehmung des Forschungsprojektes verbessert.
Im Jahr 2013 lag der Schwerpunkt von UP 1 neben der Information unterschiedlicher Akteursgruppen auf der Integration von Forschungsergebnissen des BEST-Projektes in lokale/regionale Leitbilder: den Masterplan 100% Klimaschutz der Stadt Göttingen und das Integrierte Klimaschutzkonzept des Landkreises Göttingen. Über zahlreiche Gespräche mit den
betreffenden Klimaschutzbeauftragten/Klimaschutzmanagern und den beteiligten Büros wurden durch UP 1 Möglichkeiten zur Unterstützung aufgezeigt, die dann von den Teilprojekten
von BEST mit Daten und Textbeiträgen inhaltlich gefüllt wurden. Durch die enge Kooperation
mit Stadt und Landkreis konnte die Umsetzung in den Konzepten auch korrigierend begleitet
werden.
Im Jahr 2014 lag der Schwerpunkt von UP 1 auf der Integration von Forschungsergebnissen
des BEST-Projektes in einer Broschüre „Bioenergie in der Region Göttingen“. Somit können einer breiten Öffentlichkeit in allgemeinverständlicher Weise die Ergebnisse von BEST
zugänglich gemacht und gleichzeitig das Wissen BEST-externer Experten in der Region (z.B.
Forschungsprojekte, Stadt Göttingen und Landkreis Göttingen) genutzt werden. Insbesondere die Integration der Ergebnisse der Forschungsprojekte KUPAD, BiS, ELKE, AgroForNet
und des Masterplanes bzw. des Klimaschutzkonzeptes der Stadt Göttingen bzw. des Landkreises Göttingen führten hierbei zu einer gegenseitigen Bereicherung.
Zudem wurde ein Buchbeitrag für das Kooperationsprojekt AgroForNet – BEST mit dem Titel
„Advisory services and public awareness of woody biomass production: a regional example
of how to provide information and guide implementation“ erarbeitet. Ziel des Beitrags ist es
die Erfahrungen von UP 1 und UP 5 bei der Öffentlichkeitsarbeit im Themenbereich „Holzige
Biomasse“ einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.
In einem regionalen Workshop mit dem Titel „Holz für das Göttinger Land“ wurde das interaktive Beratungswerkzeug des Teilprojektes UP 3 vorgestellt. Ziel der Veranstaltung war
durch die Integration verschiedener regionaler Akteure (z.B. Landwirte, Fachbehörden, Umweltverbände) Raum für einen regionalen Dialog zu schaffen, in welchen Fragen zur nachhaltigen Landnutzung und des Klimaschutzes diskutiert wurden. Gemeinsam mit den anwesenden Akteuren (u.a. Landwirte, Regionalplaner, Förster Vertreter der Fachbehörden von
Landkreis und Stadt), wurde ein regionales Szenario für den Landkreis Göttingen simuliert.
Die Anwendungsmöglichkeiten und die Ergebnisse stießen dabei auf großes Interesse und
die Bereitschaft dieses Instrument künftig in raumplanerische Entscheidungsprozesse einzubeziehen.
Synergien zwischen BEST und anderen Initiativen zur Bioenergie konnten durch die Integrattion von BEST-Belangen in die Zusammenarbeit mit der Bioenergie-Region Wendland-Elbetal genutzt werden. Seit 2012 sind die Bioenergie-Region Wendland-Elbetal und die Bioenergie-Region Göttinger Land Partner.
333 Gegenüberstellung von vorgegebenen Zielen und erreichten Ergebnissen
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Praktische Anwendbarkeit
der erwarteten Forschungsergebnisse
 Angebot von Fachveranstaltungen mit Diskussion der
Projektteilergebnisse durch Praxis
Frühestmögliche Umsetzung
gesicherter neuer Erkenntnisse in wirtschaftliches
Handeln und regionale Planung im Landkreis Göttingen
 Kontaktaufnahme, Kommunikation von BEST-Inhalten
mit Vertretern der regionalen Planung in Stadt und
Landkreis, Bereitstellung der Forschungsergebnisse von
BEST in einer Broschüre „Bioenergie in der Region Göttingen“, Integration von BEST-Ergebnissen in Klimaschutzkonzept (Landkreis) und Masterplan 100% Klimaschutz (Stadt Göttingen)
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
-
-
alle APs: Ausfüllen des Fragebogens als Grundlage für die virtuelle Fachbibliothek
UP 3: Erstellung virtuelle Fachbibliothek
UP 2, UP 3, UP 4, UP 5, UP 6, IO-H 1 bis 6, SÖB 1, IO-A 3: Planung von Veranstaltungen
FA 3, IO-K 1, IO-K 2, IO-K 3: Bereitstellung von Anschauungsmaterial
ÖL 2, ÖL 3, IO-A 1, IO-A 2, UP 6: Durchführung Exkursion
KLIFF: Absprache/Beratung bei der Akteursansprache
KUPAD: Informationsaustausch mit dem Forschungsprojekt der HAWK zu Kurzumtriebsplantagen auf Altdeponien
RÜWOLA: Informationsaustausch mit dem Forschungsprojekt der HAWK zur Bewirtschaftung von Rückegassen
Broschüre Bioenergie in der Region Göttingen:
BEST-Intern: ÖL 3, IO-H3, IO-H4, IO-A1, IO-A2, IO-A3, IO-K2, FA 1, SÖB 3, UP 3, UP 4,
UP 5, UP 6
Extern:
- Dedo von Krosigk, e4 Consult, Hannover
- Ulrike Kubersky, GEO-NET Umweltconsulting GmbH, Hannover
- Thiemen Boll, Projekt AgroForNet, Institut für Umweltplanung, Leibniz Universität
Hannover (im Vorfeld der Broschüre war die von AgroForNet durchgeführte Landschaftsbildbewertung in der Region weiter verbreitet worden u.a. um ein Meinungsbild
für das Göttinger Land zu bekommen)
- Günther Helberg, Umweltamt, Landkreis Göttingen
- Dorothea Angel, Bioenergie-Region Wendland-Elbetal, Regionalmanagement, Wirtschaftsförderung Lüchow-Dannenberg
- Achim Hübner, Landvolk Göttingen Kreisbauernverband e.V.
- Jan Hampe, Maschinenring Göttingen e.V.
- Patrick Nestler, Amt für Kreisentwicklung und Bauen/ Klimaschutzbeauftragter, Landkreis Göttingen - Der Landrat
- Hanna Naoumis, Fachdienst Hochbau, Klimaschutz und Energie/ Klimaschutzmanagerin, Stadt Göttingen
- Wolfgang Schmidt, Biologische Schutzgemeinschaft Göttingen e.V.
- Benedikt Sauer, IZNE - Interdisziplinäres Zentrum für Nachhaltige Entwicklung,
Georg-August-Universität Göttingen
- Iris Schmiedel, Projekt KUPAD, Fakultät Ressourcenmanagement, HAWK Hochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen
- Finn Ahrends, Projekt ELKE, 3N e.V. - Büro Göttingen
334 Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Vom 1.5.2011 bis 19.12.2011 befand sich die Projektbearbeiterin Dr. Inga Mölder in Mutterschutz bzw. Elternzeit. Um eine reibungslose Weiterbearbeitung des Arbeitspaketes UP1 zu
garantieren, wurde eine Einarbeitungszeit für Kilian Rüfer (Elternzeit-/Mutterschutzvertretung)
ab April eingeplant. Vom 1.5.2011 bis 19.12.2011 übernahm Herr Rüfer und z.T. auch die
Geschäftsführerin der Energieagentur Doreen Fragel die Aufgaben von Frau Mölder.
Vom 01.04.2014 bis 31.08.2014 befand sich die Projektbearbeiterin Dr. Inga Mölder in Mutterschutz bzw. Elternzeit. In dieser Zeit übernahm Frau Linda Hartmann die Bearbeitung
von UP 1. Als ehemalige Bearbeiterin des BEST-Teilprojektes IO-A1 hatte sie bereits im
Rahmen unterschiedlicher UP1-Öffentlichkeitsarbeitsmaßnahmen (Exkursionen, Beitrag virtuelle Fachbibliothek) aktiv mitgewirkt. Damit war eine längere Einarbeitungszeit nicht nötig
und eine kontinuierliche Bearbeitung von UP1 wurde möglich.
Wegen der kurzen Vorlaufzeit zwischen Genehmigung und Beginn des Forschungsvorhabens konnte in dem Arbeitspaket UP1 die Arbeit erst mit erheblicher Verzögerung begonnen
werden, da sich die Ausschreibung und die Einstellung der Mitarbeiterin verzögert haben. Aus diesem Grund wurde die Laufzeit des Arbeitspaketes bis zum 31.08.2014 verlängert unter Sicherstellung der Kofinanzierung. Die Finanzmittel hierfür wurden aus dem AP zur
Verfügung gestellt (kostenneutrale Verlängerung). Die aus dem Jahr 2013 übertragenen Mittel sind bereits in konkreten Projekten und Ausgabepositionen im Jahr 2014 gebunden. Ein
Übertrag ergab sich u.a. aufgrund des verspäteten Projektstarts.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
Aufgrund urheberrechtlicher Hintergründe muss vom ursprünglichen Konzept der virtuellen
Fachbibliothek (VF) abgewichen werden wie bereits im Zwischenbericht für 2011 berichtet:
die virtuelle VF wird überwiegend als Literaturdatenbank dienen mit einer deutschsprachigen
Aufbereitung wichtiger wissenschaftlicher Quellen. Zudem werden über die VF Zwischenergebnisse aus dem BEST-Projekt bekannt gemacht. In der Energieagentur Region Göttingen
wurde außerdem eine Präsenzbibliothek aufgebaut, um lokalen Akteuren den Zugang zu den
erfassten wissenschaftlichen Publikationen zu ermöglichen.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Energieagentur Region Göttingen e.V. (2010) UP 1: Wissenstransfer in die Bioenergieregion
„Göttinger Land“. Kickoff-Meeting am 03.12.2010 Verbundprojekt BEST, Göttingen, Poster.
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2011) Schnellwachsende Gehölze auf unserem
Land? Diskussion über neue Anbauform zur Energiegewinnung im Landvolkhaus Rosdorf. Pressemitteilung
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2011) Forschungsprojekt BEST - BioenergieRegionen stärken. Newsletter Neues von der Energieagentur März 2011
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2011) Schnellwachsende Gehölze: Eine Option für
Göttingens Landwirte. Newsletter Neues von der Energieagentur November 2011
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Schnell wachsende Gehölze auf unserem
Land? Zweite Veranstaltung zur Energiegewinnung aus Biomasse bringt Landwirte und
Planungsinstanzen an einen Tisch. Pressemitteilung
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Schnell wachsende Gehölze auf unserem
Land? Zweite Veranstaltung zu neuem Biomasse-Anbausystem bringt Landwirte und
Planungsinstanzen an einen Tisch. Newsletter Neues von der Energieagentur Frühjahr
2012
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Energie aus unserem Wald? Wissenschaft
und Praxis diskutieren das Für und Wider der Energieholzgewinnung. Pressemitteilung
335 EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Energie aus Waldrestholz: Forscher, Waldbesitzer und Förster diskutieren. Newsletter Neues von der Energieagentur Herbst 2012
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Forschung zum Anfassen – BEST geht
auf´s Land. Newsletter Neues von der Energieagentur Herbst 2012
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Aktuelles aus unserer Zwillingsregion: Forschungsprojekt BEST – Bioenergie-Regionen stärken. Bioenergie-Report 2, Sonderveröffentlichung in der Elbe-Jeetzel-Zeitung vom 18.12.2012
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Energieholz vom Acker sehen und verstehen. Bioenergie-Report 2, Sonderveröffentlichung in der Elbe-Jeetzel-Zeitung vom
18.12.2012
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2012) Energieholz von Feld und Flur: Gewinnung
von Hackschnitzeln kann Naturschutz helfen. Pressemitteilung
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2013) Tour de Bioénergie – Ausflug in die Biomasseforschung. Pressemitteilung
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2013) Hecken nutzen. Infos von der Energieagentur Göttingen. Göttinger Tageblatt 26.03.2013
EARG und HNA, Energieagentur Region Göttingen und Hessische/Niedersächsische Allgemeine (2013) Hecken sollen zu Holzschnitzeln warden – Pflege der Pflanzen könnte
auch in Südniedersachsen zum Klimaschutz beitragen. online 26.03.2013
EARG und HNA, Energieagentur Region Göttingen und Hessische/Niedersächsische Allgemeine (2013) Exkursion zum Thema Energieholz am 28.4. online 19.04.2013
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2013) Forschung zum Anfassen: Energieholz vom
Acker sehen und verstehen. Newsletter Neues von der Energieagentur Frühjahr 2013
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2013) Tour de Bioénergie – Ausflug in die Biomasseforschung. Newsletter Neues von der Energieagentur Sommer 2013
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2013) Masterplan 100% Klimaschutz der Stadt
Göttingen. Newsletter Neues von der Energieagentur Winter 2013
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2014) Bioenergie in der Region Göttingen. Wissenschaftliche Informationen für die regionale Praxis. Broschüre.
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2014) Energie aus Wildpflanzen. Mario Sommer
sät heimische Wildpflanzen für die Biogasanlage. Pressemitteilung
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2014) Energie aus Wildpflanzen. Besichtigung von
Praxisflächen mit Wildpflanzenkulturen – Projektleiterin eines bundesweiten Forschungsprojekts besucht Wendland-Elbetal. Pressemitteilung
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2014) Energie aus Wildpflanzen. Göttinger Tageblatt 29.04.2014
EARG und HNA, Energieagentur Region Göttingen und Hessische/Niedersächsische Allgemeine (2014) Eibisch und Fenchel statt Mais für Biogasanlagen. online 29.04.2014
EARG, Energieagentur Region Göttingen (2014) Energie aus Wildpflanzen. Mario Sommer
sät heimische Wildpflanzen für die Biogasanlage. Bovenden aktuell 05.2014
Mölder I, Kralemann M, Fragel D (im Druck) Advisory services and public awareness of
woody biomass production: a regional example of how to provide information and guide
implementation. In: Butler-Manning D, Bemmann A, Bredemeier M, Lamersdorf N, Ammer C (Hrsg.) Bioenergy from dendromass for the sustainable development of rural areas. Wiley[Imprint], Inc.
336 Arbeitspaket:
UP 2
Thema:
BERTA, Bioenergieregion Thüringer Ackerebene
Antragsteller:
Dipl.-Wi.-Ing. (FH) Gunther Fleischmann
Institution:
proBERTA e.V.
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Stulier, Thomas Dipl.-Wi.-Ing. (FH),
Fleischmann, Sandra Dipl.-Ing. (FH)
Der Bericht des Arbeitspakets UP 2 lag bei Redaktionsschluss nicht vor.
337 Arbeitspaket:
UP 3
Thema:
Räumliches Informationssystem
Antragsteller
Prof. Dr. W. Kurth und Prof. Dr. J. Saborowski
Institut:
Abt. Ökoinformatik, Biometrie und Waldwachstum, Büsgen-Institut,
Universität Göttingen
Dauer:
01.12.2010 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Jan C. Thiele
Aufgabenstellung
Aufgabe des Teilprojekts UP3 war einerseits die technische Unterstützung für den clusterübergreifenden Austausch von Informationen und Daten und andererseits die Implementierung eines „Beratungswerkzeugs“ für den Wissenstransfer in die Praxis.
Arbeitsbericht 2010 – 2014
Serverinfrastruktur
Von UP3 wurden für die Entwicklung der Web-Systeme Server angeschafft und administriert
(SUSE Linux Enterprise Server). Zur Trennung der Produktiv- und Entwicklungssysteme
wurden auf den Hardware-Servern virtuelle Maschinen eingerichtet. Dies gestaltete sich wegen Inkompatibilitäten zwischen SLES 11 und dem bewährten VMWare-Server aufwändiger
als geplant. Nach einer Evaluation von Alternativen wurden die virtuellen Server schließlich
mit XEN erzeugt und mit openSUSE Betriebssystemen betrieben.
Codeverwaltung
Für die Verwaltung der in UP3 durchgeführten Softwareentwicklungen wurde eine webbasierte Codeverwaltung (Trac gekoppelt mit Subversion) eingerichtet und administriert.
Kollaborationsplattform, Web-Konferenzräume, Mailing-Liste
Auf Wunsch der Projektmitglieder wurde eine Mailing-Liste (GNU Mailman) für das Projekt
eingerichtet und administriert. Darüber hinaus wurden eine Kollaborationsplattform (MS
Sharepoint) zum Informationsaustausch und zur Zusammenarbeit sowie Web-Konferenzräume (Adobe Connect Pro) für Videokonferenzen eingerichtet und gepflegt.
Messdatenvalidierung und -visualisierung
Zur automatisierten Validierung, Speicherung, Verfügbarmachung und Visualisierung der
Messdaten auf den Versuchsflächen der Teilprojekte ÖL1 und ÖL2 wurde ein web-basiertes
Datenvalidierungs- und Visualisierungssystem auf Basis von Django/Python mit PostGre
SQL/PostGIS-Datenbank programmiert und gepflegt. Zur Datenaufbereitung wurden für ÖL2
Skript-Templates in pgScript/SQL erstellt.
(Meta-) Datenverwaltung
Für die (Meta-) Datenverwaltung für im Projekt erzeugte Daten wurde eine GeoNetworkInstanz aufgesetzt und an die Projektbedürfnisse angepasst. In Verbindung damit wurde der
Einsatz von GeoNode zum webbasierten, interaktiven Arbeiten mit Geodaten in einer Testinstanz evaluiert. Jedoch stellt sich GeoNode als zu instabil für den produktiven Betrieb heraus. Für die Bereitstellung von Hintergrundkarten und Basiskarten der Untersuchungsregion
als OGC-konforme Web-Services wurde eine GeoServer-Instanz eingerichtet und administriert.
338 Single-Sign-On
Zur Koppelung der Nutzerregistrierung und -anmeldung für die Systeme der Messdatenvisualisierung und der (Meta-) Datenverwaltung wurden verschiedene Single-Sign-OnLösungen evaluiert und in Testapplikationen implementiert. Nach Abwägung der verschiedenen Vor- und Nachteile fiel die Wahl auf eine Implementierung des Central Authentication
Service (CAS) Standards. Dazu wurde ein Provider in einer Django-Applikation mit einer
Nutzerregistrierungsanwendung gekoppelt, so dass ein vollumfängliches Nutzerregistrierungs-, -verwaltungs- und Login-System auf Basis von Django mit einer SQLite-Datenbank
erstellt wurde. Das Messdatenvisualisierungssystem konnte anschließend um einen CASConsumer für die Koppelung mit dem CAS-Provider erweitert werden. GeoNetwork wurde
hingegen über XML-Services indirekt mit dem Provider gekoppelt. Zur verschlüsselten Datenübertragung wurden beim DFN signierte SSL-Zertifikate beantragt und die Webserver
entsprechend auf https-Verbindungen umgestellt.
Virtuelle Fachbibliothek
Die in UP1 entwickelte virtuelle Fachbibliothek auf Basis der in Java geschriebenen DSpaceInstanz wurde in die Serverumgebung von UP3 eingebettet und in einem eigenen XENvirtualisierten Server betrieben. Zudem wurden von UP3 einige Anpassungs- und Fehlerbehebungsarbeiten an der DSpace-Instanz durchgeführt.
Jumping-Moving-Window
Für Klimasimulationen in ÖL1 wurde in Zusammenarbeit mit UP4 ein Jumping-MovingWindow-Algorithmus mit Majority-Filter in Python unter Verwendung der NumPy und GDAL
Bibliotheken programmiert. Der Algorithmus wurde mit verschiedenen Parameterwerten angewendet und die resultierenden Rasterkarten sowie die Algorithmusimplementierung selbst
wurden UP4 zur Verfügung gestellt.
Ertragsmodellierung
Zur Unterstützung von UP4 bei der Modellierung von Feldfruchterträgen für das Beratungswerkzeug wurden von UP3 u.a. ein Optimierungsprozess unter Anwendung des Simulated
Annealing Verfahrens sowie verschiedene multiple lineare, gemischt lineare, gewichtete Mittelwerts- und Quantilsregressionsmodelle in R programmiert.
Heizwertrechner
Ursprünglich als Vorarbeit für die Implementierung des Beratungswerkzeugs gedacht, wurde
ein Heizwertrechner auf Vorschlag von UP1 konzipiert und implementiert. Für dieses Werkzeug wurden verschiedene Web-Service-Techniken getestet. Für die finale Implementierung
wurde eine SOAP-unterstützende Implementierung von pyWPS für die Bereitstellung als
Web-Processing-Service programmiert. Zudem wurde eine Webapplikation mit Django und
der SUDS-Bibliothek als Client-Zugriff auf die SOAP-Schnittstelle programmiert.
Beratungswerkzeug
Die Arbeiten zur Entwicklung des Beratungswerkzeugs teilen sich auf in den konzeptionellen
und den technischen Teil.
Im konzeptionellen Teil wurde, nachdem deutlich wurde, dass die ursprüngliche Planung
nicht realisiert werden konnte (siehe Ausführungen in Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes), zusammen mit UP4 und der Synthesegruppe ein neues Simulationsmodell
entwickelt. Dieses Konzept wurde mehrfach grundlegend verändert und in mehreren Arbeitsgruppentreffen und Workshops zur Diskussion gestellt.
Parallel dazu liefen die Arbeiten zum technischen Teil. Aufgrund sich wandelnder Vorstellungen über das Konzept des Beratungswerkzeugs im Laufe der Entwicklung wurden infolgedessen auch unterschiedliche Techniken zur Implementierung evaluiert und getestet. Die
Konzeptänderung schlug auch auf die Prototypenentwicklung durch. Der erste Prototyp war
noch als web-basiertes System auf Basis von Python mit dem objektrelationalen Mapper
GeoAlchemy und einer SpatialLite-Datenbank geplant und realisiert. Die Weiterentwicklung
des inhaltlichen Konzepts brachte aber Veränderungen mit sich, für die eine Web-ServiceLösung unvorteilhaft ist, nämlich der Austausch größerer Datenmengen zwischen den Teilmodellen. Daher sollte das Beratungswerkzeug in Folge als Desktop-Anwendung implementiert werden. Da aber die Konfiguration von GeoAlchemy mit SpatialLite-Datenbank derart
339 aufwendig und instabil war, dass sie der Zielgruppe nicht zugemutet werden konnte, wurde
ein Prototyp in Java mit Hibernate Spatial als objektrelationaler Mapper und einer
H2/GeoDB-Datenbank implementiert. Allerdings stellte sich im Laufe der Arbeiten und nochmaliger Veränderung des inhaltlichen Konzepts (verfeinerte räumliche Auflösung) heraus,
dass die GeoDB für diese Veränderung nicht ausreichend performant war. Daher wurde für
den finalen Prototyp bzw. die Endversion schließlich eine datenbankfreie Lösung in Java mit
GeoTools und GeoJSON, CSV und XML-Dateien eingesetzt. Die graphischen Oberflächen
über der Modelllogik wurden mit Swing und JGoodies realisiert.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Die Finanzmittelverteilung in UP3 wurde von ursprünglich 3 Jahren kostenneutral auf 4 Jahre
gestreckt, da UP3 als Serviceprojekt über die gesamte Projektlaufzeit verfügbar sein musste.
Infolgedessen musste der Zeitplan an die veränderte Mittelverteilung angepasst werden. Daher wurde bereits im Zwischenbericht für das Jahr 2010 ein angepasster Arbeits- und Meilensteinplan vorgelegt.
Dieser Arbeits- und Meilensteinplan musste im Jahr 2013 nochmals angepasst werden, als
feststand, dass die im Projektantrag dargestellte Konzeption des Beratungswerkzeugs nicht
zu realisieren war. Entgegen den dortigen Annahmen konnten die beteiligten Teilprojekte
keine etablierten Modelle für die Landnutzungssimulation zuliefern. Im Gegenteil, teilweise
gingen die Arbeiten über die Datenaufnahme und Auswertung nicht hinaus, sodass keinerlei
Modelle zum Einsatz kamen bzw. die Datenlage nicht zur Modellparametrisierung ausreichte.
Um dennoch ein Beratungswerkzeug für die Praxis zu realisieren, hat UP3 in Zusammenarbeit mit UP4 und in enger Abstimmung mit der Synthesegruppe ein komplett neues Simulationsmodell mit gekoppelten Teilmodellen entworfen. Diese Modellentwicklung ging jedoch
inhaltlich weit über die ursprünglichen Aufgaben von UP3 hinaus und brachte bei der technischen Implementierung anders gelagerte Anforderungen mit sich. Daher kam es hier zu einer
Veränderung des Arbeitsplans und einer teilweisen Verschiebung im Zeitplan, vor allem bzgl.
der Regionalkonferenz, die statt im Jahr 2013 im Jahr 2014 durchgeführt wurde. Die Zeitplanung für die Fertigstellung des Prototyps sowie der Endversion konnte aber eingehalten werden. Lediglich die Zwischenschritte im Arbeitsplan mussten aufgrund der Konzeptänderung
angepasst werden.
Der ursprünglich veranschlagte Finanzplan konnte eingehalten werden.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Projektintern wurden folgende Kooperationen realisiert:






Zusammenarbeit mit allen Teilprojekten für die Entwicklung und den Betrieb der MailingListe und der Kollaborationsplattform.
Zusammenarbeit mit ÖL1 & ÖL2 bei der Entwicklung des Messdatenvalidierungs- und visualisierungssystems.
Zusammenarbeit mit UP1 bei der Integration und Weiterentwicklung der virtuellen Fachbibliothek.
Zusammenarbeit mit ÖL1 & UP4 bei der Implementierung des Moving-WindowAlgorithmus und Publikation der Ergebnisse.
Zusammenarbeit mit IO-H2, IO-H3, IO-H4, IO-H5, SÖB1, SÖB3, UP1, UP6 und vor allem
UP4 bei der Konzeptionierung des Beratungswerkzeugs.
Zusammenarbeit mit dem Partnerprojekt NaLaMa-nt an der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt im Rahmen der Entwicklungen zur (Meta-) Datenverwaltungsinfrastruktur.
340 Ergebnisbericht 2010 – 2014
Die Ergebnisse im Teilprojekt UP3 ergeben sich größtenteils unmittelbar aus dem Arbeitsbericht und werden im Folgenden getrennt nach den zwei Aufgabenblöcken zusammenfassend
dargestellt.
A. Interne Serviceleistungen
Im Rahmen der projektinternen Serviceleistungen von UP3 wurde eine Serverinfrastruktur
mit virtuellen Sub-Servern erfolgreich eingerichtet und administriert. Auf einem der Server
wurde eine web-basierte Codeverwaltung für die Softwareentwicklungsprojekte aufgesetzt
und betrieben.
Zum Informationsaustausch zwischen den Teilprojekten wurden eine Microsoft SharepointInstanz (Abbildung 1), mehrere Web-Konferenzräume sowie eine Mailing-Liste konfiguriert
und betreut.
Abbildung 1: Bildschirmfoto des MS Sharepoint-Bereichs des Gesamtprojekts.
Für die automatisch im Feld gemessenen meteorologischen und pedologischen Daten
(ÖL1 & ÖL2) wurde ein web-basiertes System zur automatischen Validierung, zum Datenbankimport und zur Visualisierung programmiert. Dieses System dient der Überwachung der Messstationen und ermöglicht den Zugang zu den Messdaten für alle Projektmitglieder. Die Daten werden dabei in zweifacher Ausführung (Rohdaten sowie korrigierte
und geprüfte Daten) in einer PostgreSQL-Datenbank mit räumlicher PostGIS-Erweiterung
gespeichert. Das System wurde mit Hilfe des Web-Frameworks Django und der JavaScript-Bibliothek Flot für die Plots geschrieben und läuft in einem Apache2 Webserver
über WSGI. Die Weboberfläche ist in Abbildung 2 zu sehen.
341 Abbildung 2: Weboberfläche des Messdatenvisualisierungssystems. Rechts: Formular zur Auswahl
der Messstation, Tabelle und Messvariable sowie Zeitraum und Buttons zur Anforderung einer Visualisierung der Messdaten sowie zum Datendownload im csv-Format. Links: Interaktive Messdatenvisualisierung in einem PopUp-Fenster mit Zoomfunktion, Datenreihenselektion und dynamischer y-AchsenSkalierung.
Eine vereinfachte Darstellung des Ablaufs der Validierungskomponente ist in Abbildung 3
zu finden. Dabei senden die Logger von ÖL1/ÖL2 die Messdaten über GSM-Modems an
den Server von ÖL2. Von dort werden sie von ÖL2 via SCP auf den Server von UP3
übermittelt. Ein cronjob startet die Importroutine jeden Tag und liest sowie konvertiert die
Messdatendateien Spalte für Spalte und Zeile für Zeile. Jeder Wert wird gegen spezifische
Validierungsregeln geprüft. Dies kann Überprüfungen auf max. und min. Werte sowie min.
und max. Abweichungen gegenüber dem Vorgängerwert (relativ oder absolut) umfassen.
Cron
Cronjob
jobstarts
startsimporter
importer
Logger
Loggerwrites
writesdata
data
atatmeasurement
measurementstations
stations
Runs
Runsvalidation
validation
Data
Datarequest
requestby
by
Dep.
of
Ecopedology
Dep. of Ecopedology
Writes
Writesdata
data
and
quality
and qualityinformation
information
totodatabase
database
Data
Datafile
filedeposition
deposition
on
onBEST
BESTserver
server
Sends
Sendsreport
reportofof
validation
and
validation andimport
import
process
processby
byemail
email
Abbildung 3: Schema des Datenflusses im Messdatenvalidierungssystem. Im linken Strang: Der Weg
von der Messstation zum Server von UP3. Im rechten Strang: Der Weg auf dem UP3-Server von der
Logger-Datei über die Validierung bis zur Datenbank und zum Email-Bericht.
342 Da für jede Datentabelle ein festes Zeitintervall für die Messwerte definiert ist, werden die
importierten Loggerdateien auf Abweichungen von diesem Zeitintervall hin überprüft. Bei
Fehlern werden, wie auch bei den anderen Validierungen, numerische Quality-Flags, die
über die Art des Fehlers Auskunft geben, in der Datenbank gespeichert. Fehlen in der Loggerdatei Zeitschritte, werden diese durch das Importskript automatisch mit Leerzeilen in der
Datenbank gefüllt, was das spätere Auffüllen mit interpolierten Werten durch ÖL1/ÖL2 erleichtert. Der gesamte Import- und Validierungsprozess wird geloggt und ein Bericht per
Email an die zuständigen Personen versendet.
Für das Management sonstiger (Meta-) Daten wurde eine GeoNetwork-opensource-Instanz
auf einer weiteren virtuellen Maschine eingerichtet (Abbildung 4). Diese basiert ebenfalls auf
einer PostgreSQL-Datenbank mit räumlicher PostGIS-Erweiterung für die Speicherung der
Metadaten mit räumlichen Indizes. GeoNetwork wird als Java-Applikation über einen TomcatServlet-Container betrieben, auf den über einen Apache2-Webserver mit Hilfe des JKTomcat-Connector-Moduls zugegriffen wird.
Zur Auslieferung der Basiskarten als OGC-konformer Web-Service wurde auf einer weiteren
virtuellen Maschine ein GeoServer eingerichtet und administriert.
Abbildung 4: Webbasiertes (Meta-) Datenverwaltungssystem auf Basis von GeoNetwork-opensource.
Links: Metadatenansicht. Rechts: geöffneter Kartenbetrachter (WebMapper) mit einer Beispielkarte der
Wuchsbezirke und der Gemeindeflächen des Landkreises Göttingen, ausgeliefert über einen OGCkonformen Web-Sercice des GeoServers.
Die Anmeldung an dem Datenvisualisierungs- sowie dem (Meta-) Datenverwaltungssystem erfolgt über ein gemeinsam genutztes Single-Sign-On-System. Dieses beinhaltet
gleichzeitig ein Nutzerregistrierungs- und –verwaltungssystem (Abbildung 5).
343 Abbildung 5: Bildschirmfotos des CAS-basierten Single-Sign-On-Systems mit angeschlossener Nutzerregistrierung (mitte) und -verwaltung (rechts).
B. Beratungswerkzeug
Die Arbeiten an der Entwicklung eines inhaltlichen Konzepts in Zusammenarbeit mit UP4 und
der Synthesegruppe mündeten in der Erstellung mehrerer Konzeptentwürfe und letztlich dem
finalen, implementierbaren Konzept des Beratungswerkzeugs.
Als Vorarbeit für die technische Umsetzung des Beratungswerkzeugs wurde ein Heizwertrechner als Web-Service implementiert und neben seinen SOAP- und WPS-Schnittstellen
mit einer Web-Applikation versehen (Abbildung 6).
Hauptergebnis ist das Beratungswerkzeug als Desktop-Anwendung zur regionalen Szenariopotentialanalyse für holzige Biomasse. Über mehrere Prototypen (siehe Arbeitsbericht) wurde die Endversion dieser Software datenbankfrei in Java implementiert und steht über das
Web-Portal der Öffentlichkeit zum Download zur Verfügung.
Mit Hilfe des Beratungswerkzeugs lassen sich über den „Szenariogenerator“ Szenarien zum
zukünftigen Energiebedarf sowie zu den ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen für die Produktion von holziger Biomasse aus Waldholz, Landschaftspflegeholz und
Kurzumtriebsplantagen definieren (Abbildung 7). Diese Szenarien werden anschließend in
der Simulation genutzt, um daraus Biomassen- oder Energiepotentiale zu berechnen. Darüber hinaus werden diese Potentiale ökonomisch bewertet, und es werden ökologische
Kennzahlen ausgegeben. Potentialanalysen für die Bereiche Wald- und Landschaftspflegeholz finden nicht räumlich differenziert statt. Für den Bereich der Kurzumtriebsplantagen erfolgt hingegen eine räumliche Allokation. Hier werden vom Nutzer Flächenrestriktionen angegeben sowie Kriterien skaliert und gegeneinander gewichtet, die für die Auswahl und Priorisierung von potentiellen Anbauflächen für Kurzumtriebsplantagen verwendet werden. Der
Ablauf der Szenariosimulation ist im Flussdiagramm in Abbildung 8 dargestellt.
344 Abbildung 6: Zugriffe auf den Heizwertrechner. Links: Über Web-Applikation im Web-Portal. Oben
rechts: Über SOAP-Client mit SUDS. Unten rechts: Über WPS-Client in QGIS.
Abbildung 7: Bildschirmfoto des Szenariogenerators – Abschnitt Kriteriengewichtung mit graphischer
Darstellung der gewählten Gewichtung in einem Radargraphen (rechts).
345 Abbildung 8: Flussdiagramm der Implementierung des Beratungswerkzeugs.
Die Ergebnisse der Simulation können im „ErgebnisExplorer“ zahlenmäßig und graphisch betrachtet sowie exportiert werden (Abbildung 9). Für die Schlagflächen beinhaltet der „ErgebnisExplorer“ eine GIS-Komponente zur räumlichen Darstellung der Simulationsergebnisse.
Das Beratungswerkzeug wurde erfolgreich auf der Regionalkonferenz am 24. April 2014 in
Göttingen vorgestellt. Anregungen der regionalen Akteure konnten bis zum Projektabschluss
noch aufgegriffen und eingearbeitet werden. So wurde z.B. noch eine Funktion ergänzt, die
es ermöglicht, Mindestabstände zwischen zwei potentiellen KUP-Flächen in der Szenariosimulation zu berücksichtigen, indem ein Geoprozess mit „Buffer area calculation“ und „Intersection check“ implementiert wurde.
346 Abbildung 9: Bildschirmfoto des ErgebnisExplorers (links) mit einem Boxplot der potentiellen Erosion (Mitte) und geöffnetem MapViewer (rechts).
347 Gegenüberstellung von vorgegebenen Zielen und erreichten Ergebnissen
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Aufbau und Administration
der zentralen GeoDatenbank
Zwei zentrale Geodatenbanken wurden aufgebaut.
Eine für die Messdaten aus ÖL1 und ÖL2, die automatisch
in die Datenbank geschrieben werden und anschließend
über eine Webanwendung zur Visualisierung und zum
Download zur Verfügung stehen.
Eine zweite für die restliche (Meta-) Datenverwaltung über
GeoNetwork opensource.
Technische Unterstützung
und (mit UP6) Koordination
der teilprojektübergreifenden
Synthesegruppe
UP3 initiierte mit UP6 und UP4 die Bildung der Synthesegruppe. UP3 erstellte schriftliche Konzepte für die inhaltliche Ausgestaltung des Beratungswerkzeugs auf Basis der
Beratungsergebnisse. Mit Hilfe der in UP3 entwickelten
Prototypen konnten Schwachstellen und Inkonsistenzen in
den Konzepten frühzeitig aufgedeckt werden.
Zudem unterstützte UP3 technisch die Arbeiten von UP4
bei der Entwicklung eines Ertragsmodells.
Aufbau eines Webportals für
interaktives Arbeiten mit den
Geodaten und für den Wissenstransfer in die Praxis
(„Beratungswerkzeug“)
Mit der Webmapping-Komponente in GeoNetwork opensource und den Basiskarten-Diensten über einen
GeoServer ermöglichte UP3 das interaktive Arbeiten mit
Geodaten.
Für den Wissenstransfer integrierte UP3 die virtuelle Fachbibliothek von UP1 in die bestehende Architektur. Darüber
hinaus stellte UP3 den Heizwertrechner als Webanwendung sowie das Beratungswerkzeug zum Download über
ein Web-Portal der Öffentlichkeit zur Verfügung.
Implementierung von Webservices, die es erlauben,
ausgewählte (bereits etablierte) Modelle auf Teilregionen-Daten anzuwenden und
Szenarien durchzurechnen
sowie die Ergebnisse zu
visualisieren.
Web-Services wurden für den Heizwertrechner sowie für
die Geobasisdaten erstellt.
Für die Szenariosimulationen wurde, wie oben ausgeführt,
mangels geeigneter (etablierter) Modelle ein komplett neues Simulationsmodell in Zusammenarbeit mit UP4 und der
Synthesegruppe entworfen und aus technischen Gründen
als Desktop-Anwendung implementiert. Diese Software
ermöglicht die Anwendung von Szenarien auf Daten der
Untersuchungsregion sowie die Visualisierung der Ergebnisse. Das Beratungswerkzeug steht zum Download für
die Öffentlichkeit über das Web-Portal zur Verfügung.
Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordene Fortschritte auf dem
Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen
Keine.
Veröffentlichungen im Rahmen des Teilvorhabens
Thiele JC, Busch G (submitted) A Decision Support System to Link Stakeholder Perception
with Regional Renewable Energy Goals for Woody Biomass. In: Bemmann et al. (Hrsg.):
Bioenergy from Dendromass for the Sustainable Development of Rural Areas. Wiley.
Busch G, Thiele JC (submitted) The Bio-Energy Allocation and Scenario Tool (BEAST) as a
Means to Assess Options of Short Rotation Coppice (SRC) Allocation in Agricultural
Landscapes – Methodological Overview and Case Study Results from the Göttingen Dis-
348 trict. In: Bemmann et al. (Hrsg.): Bioenergy from Dendromass for the Sustainable Development of Rural Areas. Wiley.
Tölle M, Gutjahr O, Busch G, Thiele JC (2014) Increasing Bioenergy Production on Arable
Land – Does the Regional and Local Climate Respond? Germany as a Case Study.
Journal of Geophysical Research: Atmospheres (119): 2711-2724.
Tölle M, Thiele JC, Busch G (2013) Quantifying the Impact of Bioenergy Plantations on the
Future Regional Climate in Germany. EGU2013, Geophysical Research Abstracts Vol.
15
Nuske RS, Thiele JC (2012) (Geo-) Datenmanagement für nachhaltiges Landmanagement.
In: Clasen M, Fröhlich G, Bernhardt H, Hildebrand K, Theuvsen B (Eds.): Informationstechnologie für eine nachhaltige Landbewirtschaftung, Gesellschaft für Informatik, Lecture Notes in Informatics 194, S. 211-214
Nuske RS, Thiele JC (2012) GeoNetwork OpenSource: From Index Cards to Spatial Data
Infrastructures. EarthZine IEEE, http://earthzine.org
349 Arbeitspaket:
UP 4
Thema:
Landschaftsökologische Bewertung
Antragsteller
Gerald Busch/Balsa
Organisation:
Balsa – Büro für angewandte Landschaftsökologie und Szenarienanalyse
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2014
Bearbeitung:
Gerald Busch
Aufgabenstellung des Arbeitspaketes
Zentrale Aufgabenstellung war die Erstellung eines landschaftsökologischen Bewertungsrahmens für holzige Biomasse auf Agrarstandorten
Planung und Ablauf des Vorhabens
Geplante Ziele
Umsetzung
Organisation, Durchführung und
Auswertung von Regionalkonferenzen
Es wurden 3 Regionalkonferenzen und 4 Regionalworkshops
konzipiert, organisiert und durchgeführt (in wechselnden Kooperationen mit den Arbeitspakten UP5, 6, 1, 3). Die Ergebnisse waren Grundlage für die Erstellung des Beratungswerkzeugs.
Analyse des Landschaftsmosaiks
Als Basisraumeinheit stehen Ackerschläge (~20.000) für die
Analyse zur Verfügung. Für diese Schläge kann die Flächengeometrie als Indikator spezifiziert werden. Außerdem kann
das umgebende Landschaftsmosaik (500m Entfernung) unter
Verwendung des Ökotondichteindikators analysiert werden (s.
Ableitung von Indikatoren).
Die Ergebnisse können unter Bezug auf administrative (Gemeinden, Landkreis) und ökologische Raumeinheiten (Wasser(teil)einzugsgebiete) aggregiert werden.
Ableitung von Kenngrößen und
Indikatoren
Es wurden insgesamt 14 Indikatoren im Beratungswerkzeug
BEAST implementiert (s. Abschnitt „erzielte Erweiterung des
Wissensstandes“):
 Ökotondichte
 Bodenerosion (Wasser)
 Nitratauswaschungsgefährdung
 Flächenkomplexität
 Wasserretention
 Sickerwasserraten
 Ertrag (Pappel-KUP, Weizen, Raps, Gerste)
 Ertragssteigerung
 Preise
 Kosten
 Annuitäten
 Annuitätendifferenzen von KUP und Referenzfruchtfolgen
 Bodenqualität (Reichsbodenschätzung)
 Bodenfeuchte
 Hangneigung
350 Planung und Ablauf des Vorhabens (Fortsetzung)
Geplante Ziele
Umsetzung
Ableitung von Allokationsalgorithmen
Durch die Berücksichtigung von Zielvorstellungen und Restriktionen ist eine sehr differenzierte Allokation von KUP auf
Ackerstandorten möglich. Da die Optionen innerhalb des Werkzeugs frei wählbar und kombinierbar sind, kann die Allokationsprozedur nutzerbezogen und szenario-spezifisch erfolgen.
Das Werkzeug erlaubt, 9 Zielvorstellungen und 14 Restriktionen auszugestalten.
Ausarbeitung des landschaftsökologischen Bewertungsrahmens
Der landschaftsökologische Bewertungsrahmen wurde in Form
eines digitalen, interaktiven GIS-Werkzeugs („BEAST – BioEnergy Allocation and Scenario Tool“) bereitgestellt (in enger
Kooperation mit UP3). Das Werkzeug ermöglicht eine geographisch explizite Analyse von ökologischen und ökonomischen
Effekten des KUP-Anbaus auf Ackerflächen sowie eine Berücksichtigung der energetischen Potenziale des Waldrestholzes und des Landschaftspflegeholzes.
Ergebnissynthese
Im Rahmen des finalen Anwenderworkshops in BEST wurden
Szenarien in Anlehnung an existierende Zielvorstellungen aus
dem regionalen Klimaschutzkonzept vorgestellt. Arbeitsergebnisse aus BEAST wurden zudem in einer Broschüre der Energieagentur der allgemeinen Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Ergebnisse aus BEAST Analysen wurden und werden in
nationalen und internationalen Publikationen veröffentlicht.
Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
Wie im Antrag skizziert, wurde der Ansatz der ökologischen Risikoanalyse als konzeptionelle
Basis genutzt, um einfache multikriterielle Bewertungsverfahren für die regionale Anwendung
bereitzustellen. In diesem Projekt wurde besonderer Wert auf die Bewertungsmöglichkeiten
durch den Werkzeugnutzer gelegt. Die nachfolgend dargestellten Arbeitsschritte erlauben
eine flexible Mehrzielbewertung (s. Abb. 1).
Abbildung1: Arbeitsschritte in der Visualisierung von multikriteriellen Zielvorstellungen zur Energieerzeugung aus holziger Biomasse
351 Abbildung1 (Forts.): Arbeitsschritte in der Visualisierung von multikriteriellen Zielvorstellungen zur
Energieerzeugung aus holziger Biomasse
Erzielte Erweiterung des Wissenstandes
Mit dem vorliegenden Werkzeug existiert eine Kombination aus ökologischer Analyse, Ertragsmodellierung und ökonomischer Bewertung in anwendungsrelevanter Komplexität, die
es erlaubt, das Werkzeug in regionalen Planungs- und Diskussionsworkshops zum Themenbereich holzige Biomasse, Klimaschutz und nachhaltige Landnutzung einzusetzen.
Abbildung 2: Übersichtsgrafik zur Struktur von BEAST
352 Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten
Im Verlauf des Vorhabens wurde mit 12 Teilprojekten intensiv zusammengearbeitet. Diese
Zusammenarbeit mündete in die Erstellung des Beratungswerkzeugs (UP1, UP3, UP5,
IOH1-IOH4, SÖB3, UP5), in die Veröffentlichung von gemeinsamen Fachartikeln (IOH1IOH3, ÖL1, Öl2, IOA1, UP3) und die Projektkoordination (UP6).
Einhaltung des Arbeits- und Finanzplans
Der Finanzplan wurde eingehalten. Der Arbeitsplan wurde gegenüber dem Antrag deutlich
ausgeweitet, indem eine Ertragsmodellierung durchgeführt wurde, eine ökonomische Bewertung in den landschaftsökologischen Bewertungsrahmen integriert wurde und der bewertungsrahmen in Form eines GIS-gestützten interaktiven Werkzeugs bereitgestellt wurde. Die
Anwendung des Werkzeugs auf die Partnerregion BERTA konnte wegen Datenmangel und
administrativer Beschränkungen nicht durchgeführt werden.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
Das Beratungswerkzeug hat auf Seiten der Politik (vorgestellt in Fachausschüssen des
Kreistags) großes Interesse hervorgerufen. Das Landvolk – als regionale Interessensvertretung der Landwirte ist an einer Fortsetzung der Auswertungen interessiert. BEAST wird als
Bestandteil des neuen LEADER-Programms Werkzeug für regionale Auswertungen sein.
Das Grundkonzept von BEAST wird auch in Brandenburg im Projekt – „AUFWERTEN“ Anwendung finden und weiter ausgebaut werden. Die Energieagentur Region Göttingen wird
das Werkzeug in Kombination mit dem neu erstellten Solarkataster für Potentialabschätzungen einsetzen. BEAST ist außerdem zentraler Bestandteil eines gemeinsamen Projektantrags von Kommunen, Universität, Energieagentur und Balsa für die „Kommunen Innovativ“Ausschreibung.
Veröffentlichungen:
Es wurden 11 peer-review Veröffentlichungen im Verlauf von BEST erstellt. Zwei davon werden bis April 2015 eingereicht, 2 sind in Begutachtung, 4 werden in Kürze erscheinen und 3
sind bereits erschienen.
Busch, G., und Thiele, J. C. (2015): The Bio-Energy Allocation and Scenario Tool (BEAST)
to assess options for the siting of short rotation coppice (SRC) in agricultural landscapes
– Tool development and case study results from the Göttingen district. In: Bioenergy
from dendromass for the sustainable development of rural areas. Akzeptiert. (Wiley [Imprint], Inc.).
Busch, G., und Meixner, C. (2015): A spatially explicit approach to the identification of sites
suitable for woody biomass systems based on site factors and field geometry – a case
study for the Göttingen district. In: Bioenergy from dendromass for the sustainable development of rural areas. akzeptiert. (Wiley [Imprint], Inc.).
Thiele, J. C. und Busch, G., (2015): A Decision Support System to Link Stakeholder Perception with Regional Renewable Energy Goals for Woody Biomass. In: Bioenergy from
dendromass for the sustainable development of rural areas. akzeptiert. (Wiley [Imprint],
Inc.).
Seidel, D., Busch, G., Krause, B., Bade, C., Fessel, C. and Kleinn, C. (2015): Quantification
of production potentials from woody biomass outside forests- a case study from Central
Germany. Bioenergy Research xx, akzeptiert.
Tölle, M. H., Gutjahr, O., Busch, G., Thiele, J.C (2014): Increasing bioenergy production on
arable land - does the regional and local climate respond? Germany as a case study.
Journal of Geophysical Research, Geophysical Research: Atmospheres, 119(6), 27112724.
353 Hartmann, L., Richter, F., Busch, G., Ehret, M., Jansen, M., Lamersdorf, N. (2014): Etablierung von Kurzumtriebsplantagen im Rahmen des Verbundprojektes BEST in SüdNiedersachsen und Mittel-Thüringen – Standorteigenschaften und anfängliche Erträge.
Forstarchiv 85; 4, 134-150 (2014).
Tölle, M. H., Moseley, C., Panferov, O., Busch, G., & Knohl, A. (2013): Water supply patterns over Germany under climate change conditions. Biogeosciences, 10(5), 29592972.
Eingereicht:
Bredemeier, M., Busch, G., Richter, F., Hartmann, L., Jansen, M., Lamersdorf, N. (2015):
Fast growing plantations for wood production – integration of ecological effects and economic perspectives. Frontiers in Plant Science, submitted
Richter, F., Döring, C., Jansen, M., Busch, G. (2015): The water budget of poplar short rotation coppices –from plot to landscape level Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., submitted
In Kürze eingereicht:
Busch, G. (2015): Linking regional climate protection goals with ecosystem services assessment for woody bioenergy on agricultural land. Results from the Göttingen district.
Busch, G. (2015): How could SRC provide beneficial effects for water-related ecosystem services in the agricultural landscape? – A case study analysis of the Göttingen district with
the Bio-Energy Allocation and Scenario Tool (BEAST)
Arbeits- und Ergebnisbericht 2010-2014
Die naturräumliche Ausstattung erlaubt den Anbau von KUP. Sowohl der Landkreis Göttingen, als auch die Samtgemeinde Friedland weisen ausgedehnte Ackerflächen auf, die vor
allem in den Beckenlagen ein hohes ackerbauliches Ertragspotenzial beitzen. Die klimatischen Bedingungen sind mit Jahrestemperaturen zwischen 7.0 und 9.4°C vor allem in den
Becken- und unteren Hanglagen günstig (s. Abb. 3a). Dort wo ein tiefgründiges Solum vorhanden ist, die Bodentexturen nicht zu tonig sind und keine ausgeprägte Staunässe anzutreffen ist, kann von sehr produktiven KUP-Standorten ausgegangen werden.
Sämtliche Berechnungen und Auswertungen mit dem Beratungswerkzeug finden auf Schlagebene statt. Dazu wurden auf Grundlage der Feldblockgrenzen und einer Orthophotoauswertung knapp 20.000 Ackerschläge kartiert (s. Abb. 3b).
a)
b)
Abbildung 3: (a) Größe, Landbedeckung, Höhenlage und klimatische Bedingungen im Landkreis
Göttingen , (b) Gemeindegrenzen und beispielhafte Schlagstruktur im Landkreis Göttingen
Für das Fallstudienbeispiel der Multikriterienauswertung wurde das Holzhackschnitzel-Heizkraftwerk in Reiffenhausen herangezogen, das in der Gemeinde Friedland liegt (4a) und mit
einem Hackschnitzelbedarf von rund 300t pro Jahr ein kleines Nahwärmenetz versorgt. Die
Gemeinde Friedland wiederum ist von der naturräumlichen Ausstattung und dem Landschaftsmosaik her betrachtet, repräsentativ für den Landkreis Göttingen (s. Abb. 4b).
354 b)
a)
Abbildung 4: (a) Lage und Rohstoffbedarf des Hackschnitzel-Heizkraftwerks Reiffenhausen, (b)
Landbedeckung und klimatische Bedingungen in der Gemeinde Friedland
Ertragsmodellierung
Für die Früchte Wintergerste, Winterweizen und Winterraps wurde ein statistisches Ertragsmodell entwickelt, das es erlaubt, dekadische Ertragsmittelwerte räumlich explizit zu modellieren. Die Ertragsdaten wurden niedersachsenweit aus Landessortenversuchen zusammengestellt, um eine breite Basis an edaphischen und klimatischen Rahmenbedingungen zu erfassen. Als Regressoren dienten in fruchtspezifischer Kombination das Transpirationswasserangebot – (hier die Summe aus Niederschlag für die Monate April-Juli, bzw. April-August
und der nutzbaren Feldkapazität im effektiven Wurzelraum), die Temperatursumme der Monate April-Juli, April-August, die Summe der potentiellen kulturspezifischen Evapotranspiration nach Haude für die Monate April-Juli und die Ackerzahl.
Für die klimatischen Regressoren wurden Daten des DWD herangezogen, die als Monatswerte und in 1km-Gitterweite zur Verfügung standen. Die bodenkundlichen Standortparameter wurden aus den Profilangaben der Reichsbodenschätzung abgeleitet. Die Ertragsdaten
der Landessortenversuche wurden trendbereinigt indem die Ertragstrends der niedersächsischen Ertragsstatistik für die letzten 40 Jahre berechnet wurden. Die mit einem gewichteten
(Anzahl der Ertragsdaten pro Standort) multiplen linearen Regressionsmodell berechneten
Erträge, weisen ein r² zwischen 0,8 und 0,83 auf. Das Modell wurde für den Landkreis Göttingen kalibriert (statistische Ertragsdaten) und mit Daten von universitären Versuchsgütern
validiert. Das Modell unterschätzte die Erträge von Winterweizen mit 2,2%, die Erträge von
Wintergerste mit 1,8% und überschätzte die Rapserträge mit 1,4%. Damit ist eine robuste
Grundlage für die ökonomische Bewertung von annuellen Kulturen im Rahmen eines landschaftsökologischen Beratungswerkzeuges gegeben.
KULTUR r² (ADJ.) RMSE FUNKTION
Winterraps 0.80 2.09 0.2321 * SQI + 0.0327 * ETP47 ‐ 0.0583 * TSUM47 + 109.8631
Winterweizen 0.80 4.11 0.6423 * SQI ‐ 0.0357 * TSUM48 ‐ 0.0298 * ATW47 + 150.6714
Wintergerste 0.81 4.45 0.4528 * SQI + 0.0575 * ETP47 + 0.0238 * ATW56 + 4.9826 ATW47: Verfügbares Transpirationswasser:‐ Niederschlagssumme + Pflanzenverfügbares Bodenwasser (ASWC) für die Mo‐
nate April‐Juli ATW56: Verfügbares Transpirationswasser:‐ Niederschlagssumme + Pflanzenverfügbares Bodenwasser (ASWC) für die Mo‐
nate Mai+Juni ETP47: Potentielle Evapotranspiration (FAO) für die Monate April‐Juli SQI: Bodenwertzahl aus der Reichsbodenschätzung TSUM47: Temperatursumme für die Monate April‐Juli TSUM48: Temperatursumme für die Monate April‐August Die auf Schlagebene gemittelten mittleren dekadischen Erträge sind für Winterweizen in der
nachfolgenden Abbildung 5 wiedergegeben.
355 Abbildung 5: Mittlere dekadische Erträge (2002-2011) für Winterweizen in Dezitonnen per Hektar und
Jahr
Für KUP-Ertragsmodellierungen ist die Datenbasis äußerst dünn. Neben der Menge an Daten, mangelt es an längeren Zeitreihen und vergleichbaren Anbau- und Managementregimes.
Als Grundlage für das BEST-Projekt wurden Ertragsdaten aus Thüringen herangezogen. Für
drei Standorte (Dorn-burg, Bad
Salzungen und Langwetzendorf) in
Thüringen existieren 15-bzw. 20jährige Zeitreihen von KUP in 3und 5-Jahresrotation. Auf diese
Daten wurde ein multipler Regressionsansatz angewendet, der es
erlaubt, die Erträge in Abhängigkeit von Transpirationswasserangebot,
Durchschnittstemperatur
und Anbaualter zu modellieren.
Die Modellanpassung ist mit einem
r² von 0,95 sehr hoch. Allerdings
fehlt es an Validierungsdaten. Daher wurde in einem 2. Arbeitsschritt der Regres-sionsansatz mit
Abbildung 6: Vergleich modellierter Pappel-KUP-Erträge in Abeinem von Petzold (2014) bereitgehängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität im Wurzelraum
stellten Ansatz der Ertrags-berechnung von KUP verglichen, indem
der Ansatz auf die Thüringer
Standorte angewendet wurde und
durch eine Altersfunktion an verschiedene Rotationsperioden angepasst wurde (Busch & Thiele,
2015). Die Ergebnisse (s. Abb. 6)
bestätigten die Modellierungsresultate der multiplen linearen Regression. Bei einem jährlichen Durchschnittsertrag von 12,5 Tonnen
(atro) innerhalb eines Zeitraums
von 20 Jahren, reichen die ErtragsAbbildung 7: Annuelle Durchschnitterträge (über 20 Jahre) einer
Pappel-KUP (Max-1 Klon) in 5 jähriger Rotation
356 niveaus von 5t bis 20,5t im Untersuchungsgebiet (s. Abb. 7).
Annuitätenberechnung
Da im Beratungswerkzeug ein Zeitraum von insgesamt 40 Jahren betrachtet werden kann
(Zwei 20-Jahreszeiträume von 2011-2050) und potentielle ökologische Leistungen der Agrarholzproduktion mit ihrer ökonomischen Konkurrenzfähigkeit zu annuellen Kulturen in Beziehung gesetzt werden sollen, bedarf es der dynamischen Kostenrechnung. Nur so können
jährliche Gelderträge (Annuitäten) korrekt berechnet und verglichen werden. Die Kosten und
Erlöse der annuellen Kulturen Winterweizen, Winterraps und Wintergerste wurden aus den
Richtwertdeckungsbeiträgen von Niedersachsen entnommen. Entsprechend der Ertragsmodellierung wurde ein 10jähriger Zeitraum (2002-2011) herangezogen. Für diesen Zeitraum
wurden die annuellen Kosten und Erlöse aufbereitet. Um Preis- und Kostensteigerungen auf
das Startjahr 2011 des Beratungswerkzeugs beziehen zu können, wurden die Werte auf das
Jahr 2011 „aufinflationiert“. Die ertragsabhängige Kosten- und Erlösregressionen wurden für
das Jahr 2011 (Startjahr der Simulation) Der Kostenkalkulationsansatz wurde getrennt für die
Posten (a) Arbeitskosten, (b) variable Kosten und (c) Maschinenfixkosten erstellt und ermöglicht eine flexible Betrachtung der annuellen Kulturen und den Vergleich zu KUP unter verschiedenen Annahmen.
KUP sind keine etablierte Landnutzung und damit existieren keine langjährig abgesicherten
Sätze für die anfallenden Kostenarten. Aufgrund dieser Situation wird in den vorliegenden
Kalkulationen (z.B. DLG-Standard, Erntekostenberechnung der Forstlichen Versuchsanstalt
Baden-Württemberg, KUP-Rechner der Landesanstalt für Entwicklung der Landwirtschaft
und der ländlichen Räume) von Lohnarbeit ausgegangen. Die Datenaufbereitung für KUP
umfasst (a) Flächenvorbereitung und –anlage, (b) Arbeitskosten, (c) variable Kosten + Maschinenfixkosten, (d) Rückwandlung. Die Kostensteigerungsraten werden von den annuellen
Kulturen übernommen.
Somit ist es möglich, die Produktionskosten ohne Transport, Lagerung und Trocknung von
KUP mit annuellen Kulturen zu vergleichen, aber auch Kostenszenarien zu entwickeln, die
verschiedene Transportentfernungen erfassen und Trocknungs- sowie Lagerungskosten berücksichtigen.
Ökonomische Parametrisierung
KENNGRÖßE Variable Kosten 2011(€) Maschinenfixkosten 2011(€) Arbeitskosten 2011(€) Produktionskosten (€) Durschnittliche jährliche Steigerung der Produktionskosten 2002‐11 (%) Begründungskosten (€) Flächenrückführungskosten (€) KENNGRÖßE Produktpreise Durchschnittliche jährliche Preisstei‐
gerung in % (2002‐11) (€) KUP WINTERRAPS WINTERWEIZEN WINTERGERSTE 2,49 X + 803
2,53 X + 594
0,7578 X + 211
0,61 X + 74
3,5015 X + 775
X + 50
12 X + 600
1,24 X + 81
5,1133 X + 753
2,5
3,9
4,18 X + 566 0,661 X + 186 0,53 X + 85 3,2467 X + 1014 4,2
2 650
1 950
KUP
‐
‐
‐
‐
WINTERRAPS
WINTERWEIZEN ‐ ‐ WINTERGERSTE
(t atro‐1)
91,00
6,40
(dt‐1)
44,20
6,80
(dt‐1)
20,50
5,20
(dt‐1) 18,80 1,10 11 X + 550 3,3 Die Flächenform der Schläge als auch die Hangneigung wirken gleichartig kostenmodifizierend für KUP und annuelle Kulturen. Der zeitliche Mehraufwand aufgrund der Hangneigung
wurde aus dem ProLand Modell übernommen. Für den Einfluss von Flächengröße und -form
wurde aus KTBL-Angaben eine Funktion abgeleitet, die den erhöhten Bearbeitungsaufwand
von „ungünstigen Flächenformen“ widerspiegelt und als Referenzsystem einen rechteckigen
5ha Schlag unterstellt (diese Schlaggröße wird auch bei der Kalkulation der Richtwertdeckungsbeiträge in Niedersachsen verwendet).
357 1
ä
öß
0.0288 ∗ /5
.
∗
.
Bereitstellen von landschaftsökologischen Kenngrößen für das Beratungswerkzeug
Auf der geometrischen Basis der Schlagkartierung (30.000 Geometrien) wurden fünf landschaftsökologische Bewertungskriterien berechnet (s. Abb. 2) und als Flächeninformation für
Auswertungen im Beratungswerkzeug zu Verfügung gestellt. Hierbei handelt es sich um die
Kriterien Erosionsgefährdung (Wasser), Nitratauswaschungsgefährdung, Ökotondichte
(Landschaftsdiversität), Flächenkomplexität und Sickerwasserraten (Annuelle Kulturen,
KUP).
Um Informationen in einem beratungsrelevanten Maßstab von 1:5000-1:25.000 zu generieren, wurde die aus Bodenübersichtskarte 1:50.000 vorliegende Dateninformation unter Verwendung der der Reichsbodenschätzung (Klassenkennzeichen und Ackerzahlen) disaggregiert.
So konnte die Berechnung der bodenbezogen Informationen auf der
Basis von 80.000 Flächengeometrien durchgeführt werden und damit
deutlich differenziert werden. Nachfolgend werden die Kenngrößen
Bodenerosion und Ökotondichte
kurz dargestellt.
Die potentielle Erosionsgefährdung
durch Wasser wurde auf der Basis
der Flächengeometrien und des
DGM5 neu berechnet. Dabei wurden die Vorgaben des Landesamtes für Bergbau, Energie und Geologie benutzt, um die Erosionseinstufungen bzgl. der DirektzahlunAbbildung 8: Potentieller Bodenabtrag durch Wasserosion
genVerpflichtungenverordnung
(Cross Compliance) wiedergeben
zu können. Allerdings wurde die
Einstufung nicht auf Feldblockebene sondern auf Schlagebene aggregiert (s. Abb. 8).
Die Kenngröße Ökotondichte bezeichnet (s. Abb. 9) für jeden Akkerschlag des Untersuchungs-gebiets innerhalb einer 1km² großen
Umgebung die Kantenlänge aller
Ackerschläge zu benachbarten
Landbedeckungen (z.B. Wald,
Grünland, Offenlandgehölze,
-Siedlung ist ausgeschlossen).
Abbildung 9: Ökotondichte in der Umgebung (1km²) von AckerDamit drückt sich in der Kantenlänschlägen
gendichte der Ökotoneffekt im Umfeld jeder Ackerfläche aus. Ein potentieller KUP-Anbau kann so gezielt in Bereichen etabliert
werden, in denen Defizite an Strukturübergängen auftreten. In Kombination mit dem Kennwert „Flächenkomplexität“, der im Beratungswerkzeug auch als ökonomische Kenngröße
fungiert und die Kombination aus Flächengröße und Flächenzuschnitt repräsentiert, kann die
Flächenauswahl unter landschaftsstrukturellen Gesichtspunkten noch ausdifferenziert werden.
358 Anwendungsszenario
Es werden einige Ergebnisse präsentiert, die aus der Anwendung von BEAST u.a. im Rahmen der 3. Regionalkonferenz von BEST resultieren. Das Anwendungsszenario wurde bewusst sehr einfach gehalten, um den Akteuren einen ersten Zugang zu multikriteriellen Bewertungsoptionen zu ermöglichen. Ziel war es, KUP-Flächen zu identifizieren, die gegenüber
einer Referenzfruchtfolge (Winterraps-Winterweizen-Wintergerste) ökonomisch konkurrenzfähig sind. Vorzugsflächen für den Zuckerrübenanbau wurden von der Analyse ausgeschlossen (s. untenstehende Grafik im Kasten). In einem zweiten Auswertungsschritt wurde eruiert,
ob sich auf ökonomisch konkurrenzfähigen Flächen auch Erosionsschutz durch KUP praktizieren lässt. In der nebenstehenden Tabelle sind sowohl die Kriterien als auch die Parametersetzung für das AnwendungsKennwert
Beschreibung/Regel
Werteniveau/Funktion
Zielvorstellungen
szenario aufgeführt. Zur VereinfaÖkonomie
Annuitätendifferenz für KUP > 0 € im Vgl. zur Referenzfruchtfolge
Ökologische
chung und zum besseren Vergleich
Erosionsschutz durch KUP auf hoch disponierten Ackerflächen (CC-2 – dh. >25t/ha/a
Synergie
KUP Restriktionen
mit aktuellen Zahlen wurden im
Restriktionen
FFH-Gebiete, NSG, keine zuckerrübenfähigen Standorte (>75BP, <3%Hangneigung)
ökonomischen Vergleich (AnnuitäPufferzonen
Distanz zu sensitiven Feuchtbiotopen > 200m
Flächenanteil
Maximal 10% der Ackerfläche auf Gemeindeebene
tenberechnung) keine Preis- und
Flächengröße
Einzelschlag < 10ha
Produktionskriterien
Kostensteigerungen angenommen!
84 dt/ha/a (Weizen)
Mittleres Ertragsniveau (2002-11) als Ausgangspunkt
Vor dem Hintergrund des für den
Ertragsniveau
80 dt/ha/a (Gerste)
der Berechnung
41 dt/ha/a (Raps)
Landkreis Göttingen vorliegenden
Mittlerer jährlicher Ertragszuwachs (abgeleitet aus einer 0.7% (Weizen)
Ertragszuwachs
Trendanalyse (1981-2011) der Referenzfrüchte für
0.5% (Gerste)
regionalen
integrierten
KlimaNiedersachsen
0.5% (Raps)
Mittlerer jährlicher Zuwachs (MAI) über 20 Jahre für
schutzkonzepts wurden die ErgebErtragsnivau KUP
Pappel-KUP (MAX-1, 7500 Stecklinge) in 5jähriger
12.5 t /ha/a
Rotation
nisse auch im Hinblick auf ihr enerÖkonomische Kriterien
20,5 €/dt (Weizen)
getisches Potential betrachtet.
18,8 €/dt (Gerste)
atro
Preise
Anfangspreisniveau 2011 (netto)
44,2 €/dt (Raps)
91 € tatro (Hackschnitzel)
5,1133x + 752,72 € (Weizen)
3,5015x + 774,93 € (Gerste)
3,2467x + 1014,4 € (Raps)
(x = jährlicher Ertrag in dt)
2650 €
12x+600 €
(x = Ertrag pro
Rotationsperiode)
1950 €
3,5%
Neben der Überblicksdarstellung
für den Landkreis wurde auch ein
Flächenvorbereitung und Pflanzung
Anwendungsbeispiel für das HackProduktionskosten
Ernte, Lagerung, Transport, Management
schnitzelheizkraftwerk ReiffenhauKUP
Rückumwandlung
sen durchgeführt. Unter VerwenVerzinsung
Verzinzung/Diskontierung des Kapitalwerts
Preisdung derselben Parametrisierung
Anpassung der Preise und Kosten
0%
/Kostensteigerung
wurden 2 Optimierungsvarianten
Ökologisches Kriterium
Disposition
Auswahl von ökon. Konkurrenzfähigen Flächen mit Erosionsdisposition > 25t ha a
gegeneinandergestellt (s. nebenWassererosion
entsprechend der EU Cross Compliance Regularien
stehenden Kasten). Da mit dem
Reiffenhausen
HS- Heizkraftwerk eine fixe BeVariante 1:
zugsquelle gegeben war, konnten
Optimierung im Hinblick auf:
Entfernungen zu den Schlägen als
 Annuität
 Entfernung
Auswahlkriterium
berücksichtigt
werden. Direkte Nachbarschaft von
Variante 2:
Optimierung im Hinblick auf:
KUP auf Ackerschlägen wurde
 Erosionsschutz
vermieden. Kleine und komplexe
 Verbesserung der Landschaftsstruktur
Flächen-geometrien erhielten den
Vorrang. Die Kriterien für die Optimierung wurden in beiden Varianten gleichgewichtet. In der Ergebnisdarstellung wurde außerdem die Schnittmenge der beiden Varianten berücksichtigt.
Produktionskosten
Annuelle Kulturen
Ertragsabhängige Funktionen für Produktionskosten
(Arbeitskosten, Variable Kosten, Maschinenfixkosten)
2011
-1
-1
Ergebnisse
Die Randbedingung von max. 10% KUP-Flächenanteil konnte mit einer Flächensumme von
rund 4230ha vollständig ausgeschöpft werden, d.h. das Flächenpotential für ökonomisch
konkurrenzfähige Ackerstandorte im Landkreis beträgt mindestens 10% (s. Abb. 10a und b).
Der Schwerpunkt der potentiellen Anbauflächen liegt im östlichen Landkreis – die Gemeinden 9 (Gleichen), 11(Gieboldehausen) und 12 (Duderstadt) umfassen mehr als 40% des Flächenpotentials.
Aus ökonomischer Sicht sind die Flächen der Gemeinden 9 und 12 etwas attraktiver, da hier
die Medianwerte der Annuitätendifferenz (i.e. die Differenz von KUP-Annuität und Annuität
359 der Referenzfruchtfolge über einen Zeitraum von 20 Jahren) etwas höher liegen und die
Streuung geringer ausfällt. Den höchsten Medianwert und die geringste Streuung des 75%Quartils weist allerdings die Gemeinde 3 (Duderstadt) auf. Mit 429ha ist in dieser Gemeinde
auch ein beachtliches Flächenpotential vorhanden (s. Abbildung 10c).
Die Gesamtfläche von 4263ha KUP erbringt einen jährlichen Primärenergiebeitrag von
336GWh, das entspricht 17% des nachgefragten erneuerbaren Energieanteils in dem „Moderat“-Szenario des integrierten Klimaschutzkonzepts des Landkreises Göttingen. Damit stellt
KUP eine interessante Erweiterung des Energiemixes an regional verfügbaren erneuerbaren
Energieträgern dar.
a)
b)
∑ = 4263ha
c)
Abbildung 10: (a) Verteilung der ökonomisch konkurrenzfähigen KUP-Flächen unter den gegebenen
Szenarienbedingungen, (b) Flächengröße an konkurrenzfähigen KUPs pro Gemeinde, (c) Annuitätendifferenz und Primärenergiebereitstellung der KUP-Flächen pro Gemeinde
b)
a)
∑ = 1857ha
c)
Abbildung 11: (a) Verteilung der ökonomisch konkurrenzfähigen KUP-Flächen mit Erosionsschutzpotential (CC-2) unter den gegebenen Szenarienbedingungen, (b) Flächengröße an konkurrenzfähigen
KUPs pro Gemeinde, (c) Annuitätendifferenz und Primärenergiebereitstellung der KUP-Flächen pro
Gemeinde
Ökologische Synergien (hier Erosionsschutz) können auf 1857ha der potentiellen KUPFlächen bereitgestellt werden (s. Abb. 11a und b). Damit reduziert sich die potentielle KUPFläche um knapp 57%. Die Verteilung der Flächenanteile auf die Gemeinden ändert sich
ebenfalls. Die Verteilung ist ausgeglichener und das Maximum findet sich nun in der Gemeinde 12 (Duderstadt). Die ökonomische Konkurrenzfähigkeit der Flächen wird durch Berücksichtigung des Erosionsschutzes nicht beeinträchtigt. Im Gegenteil, in einigen Gemeinden (z.B. Gemeinde 1-Staufenberg und 2-Hann-Münden steigen die Medianwerte deutlich
360 an, und die Streuung innerhalb des 75%-Perzentils nimmt ab. Allerdings gibt es in Gemeinde
8 (Friedland) auch rückläufige Medianwerte in der Annuitätendifferenz (s. Abb. 11b). Die Abnahme der Flächen bei der Berücksichtigung des Erosionsschutzes führt auch zu einer Reduzierung der potentiell bereitgestellten Primärenergie auf 145GWh pro Jahr (s. Abb. 11c).
Die Kombination aus Erosionsschutz und regenerativer Energieproduktion könnte genutzt
werden um zusätzliche Anreize für Landwirte zu schaffen, Teile ihrer Flächen auf mehrjährige Kulturen umzustellen. Eine Zahlung für Erosionsschutzleistungen würde die Vorzüglichkeit des KUP-Anbaus auf den identifizierten Schlägen erhöhen und das Risiko der Entscheidung für Landwirte mindern. Gleichzeitig würde man auf diese Weise eine Brücke zwischen
regionalen Klimaschutzzielen und Aspekten des nachhaltigen Landmanagements bauen sowie die Grundlage für die Etablierung von regionalen Wertschöpfungsketten der Energieversorgung etablieren.
In der konkreten Analyse – hier am Beispiel des HS-Heizkraftwerks Reiffenhausen dargestellt, kann sich dann sogar zeigen (s. Abb. 12), dass die ökonomisch vorzüglichste Variante
auch die größten ökologischen Synergieeffekte (Erosionsschutz, Anreicherung mit Strukturelementen) generieren kann. Dies ist den örtlichen Gegebenheiten geschuldet und kann
sich in anderen Teilräumen auch entgegengesetzt darstellen. Es ist entsprechend unverzichtbar, neben einer großräumigen Bestandsaufnahme objekt- bzw. kleinräumliche Auswertungen aufzusetzen, um angepasste multikriterielle Auswertungen vorzunehmen.
Abbildung 12: Ergebnisse der beiden Optimierungsvarianten in räumlicher (links) und tabellarischer
(rechts) Darstellung.
361 Arbeitspaket:
UP 5
Thema:
Wissenstransfer
Antragsteller:
Dr. M. Hudy
Institution:
HAWK / 3N-Kompetenzzentrum
Dauer:
01.10.2010 - 31.10.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Ahrens, Finn; Ihl, Christian; Kralemann, Michael
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Das Niedersachsen Netzwerk Nachwachsende Rohstoffe (3N) übernimmt mit seinem bei der
HAWK angesiedelten Büro Göttingen innerhalb des Teilprojekts UP 5 die folgenden Aufgaben:

Mitarbeit bei der Auswahl von neu anzulegenden Flächen für schnellwachsende Hölzer
für die Teilprojekte IO-A1 und IO-A2

Unterstützung von kommunalen Körperschaften und Gewerbebetrieben im Landkreis
Göttingen beim Einsatz der Holzenergie zur Wärmeversorgung ihrer Liegenschaften

Unterstützung der beiden Bioenergieregionen und der Koordinierungsstelle bei der Planung und Durchführung der Regionalkonferenzen und von Veranstaltungen zum Praxistransfer der Zwischen- und Endergebnisse aus den Teilprojekten IO-H, IO-A und IO-K
Planung und Ablauf des Vorhabens
Die Bearbeitung der o.g. Aufgaben gliedert sich in die folgenden Schritte:
Auswahl von Flächen für schnellwachsende Hölzer:


Kontaktaufnahme mit Landwirten in Kooperation mit landwirtschaftsnahen Institutionen
(Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Landvolk Göttingen, Maschinenring Leinetal)
Bewertung von vier Flächen hinsichtlich der Eignung zum Anbau schnellwachsender Hölzer
Beratung von Kommunen:



Kontaktaufnahme mit dem Landkreis Göttingen und den kreisangehörigen Kommunen
Kurzbewertung von Liegenschaften interessierter Kommunen hinsichtlich des Einsatzes
von Holzheizanlagen
Erarbeitung von Machbarkeitsstudien für besonders geeignete Liegenschaften
Beratung von Gewerbebetrieben
(dieser Baustein wurde zusätzlich in den Bearbeitungsumfang aufgenommen):


Mitwirken bei der Vorbereitung und Durchführung der Informationsveranstaltung für Gewerbetreibende am 01.10.13
Erarbeitung von Machbarkeitsstudien für interessierte Betriebe
362 Know-how-Transfer bei Regionalkonferenzen und Informationsveranstaltungen:



Mitwirken bei der Vorbereitung und Durchführung der Regionalkonferenz in Göttingen am
05.04.11
Mitwirken bei der Vorbereitung und Durchführung der Informationsveranstaltungen für
Landwirte am 28.11.11 und 28.03.12
Mitwirken bei der Vorbereitung und Durchführung der Informationsveranstaltung für
Waldbesitzer am 15.10.12
Stand der Wissenschaft und Technik, auf dem aufgebaut wurde
Das 3N-Kompetenzzentrum hat als zentrale Stelle für Wissenstransfer und Beratung in Niedersachsen die Aufgabe, durch aktive Kooperation von Einrichtungen und Unternehmen die
Entwicklung und Anwendung marktfähiger Produkte, Produktionsverfahren und Dienstleistungen im Bereich "Nachwachsende Rohstoffe" in Niedersachsen zu unterstützen und zu fördern. Seit 2006 stärkt das 3N-Netzwerk als Kompetenzverbund die niedersächsischen Interessen im Bereich der nachwachsenden Rohstoffe auf nationaler und internationaler Ebene.
Leitthemen, Aktivitäten und Projekte werden innerhalb des Netzwerkes abgestimmt, die Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen und Wirtschaft wird gefördert.
Bei der Bearbeitung des Arbeitspaktes baut 3N auf Beratungserfahrungen aus den folgenden
Projekten auf:

Das Klimacenter Werlte ist ein Demonstrationsobjekt für die bauliche und energetische
Nutzung nachwachsender Rohstoffe, wurde im Zuge eines Beschäftigungsprojektes modellhaft saniert und steht nun für die interessierte Öffentlichkeit zur Verfügung.

Im EU-Projekt "Agri for Energy" war 3N einer von zwölf Partnern aus dem gesamten EUGebiet. In diesem Projekt ging es um die Optimierung der Bioenergieproduktion und vermarktung durch Workshops, Study-Tours und Vor-Ort-Beratungen.

Im Rahmen des BMELV-Aktionsprogramms "Energie für morgen – Chancen für ländliche
Räume", gefördert über den Projektträger FNR, übernahm 3N als regionaler Partner der
Landwirtschaftskammer Niedersachsen die Bioenergieberatung für die Land- und Forstwirtschaft.

In den EU-Projekten REGBIE und REGBIE+ war 3N an der Unterstützung regionaler Bioenergie-Initiativen und der konkreten Beratung von Bioenergie-Anwendern beteiligt.
Erzielte Erweiterung des Wissensstands
Das Arbeitspaket konzentriert sich auf die Beratung potentieller Anwender von Holzbrennstoffen und die Wissensvermittlung an die Fachöffentlichkeit. Hinzu kommt die Auswahl von
Flächen für den Anbau schnellwachsender Hölzer, die sowohl anderen Arbeitspaketen als
Basis für ihre Tätigkeit als auch der Präsentation der angebauten Pflanzen bei Fachbesuchern und der interessierten Öffentlichkeit dient.
In der Beratung von Kommunen und Gewerbebetrieben sind fünf konkrete Machbarkeitsstudien als Entscheidungsgrundlagen für Holzheizanlagen erarbeitet. Drei von ihnen bilden die
Basis für die vertiefte Planung oder die Anlagenrealisierung.
An den vier Veranstaltungen haben zwischen 29 und 56 Personen teilgenommen. Dabei
konnte auch die Kooperation zwischen dem Pelletwerk Hardegsen und dem Versuchsgut der
Universität Göttingen vermittelt werden; in Deppoldshausen werden seit April 2012 auf vier
ha Pappeln angebaut.
363 Arbeits- und Ergebnisbericht
Auswahl von Flächen für schnellwachsende Hölzer:
In Kooperation mit den Arbeitspaketen ÖL 1,2; IO-A 1,2; FA 1 und UP 1,2, und 4 wurden in
einem Termin am 11.10.2010 die Anforderungen an mögliche landwirtschaftliche Versuchsflächen herausgearbeitet. Den zweiten Schritt stellte die Kontaktaufnahme zur Landwirtschaftskammer Niedersachsen, dem Landvolk Göttingen und dem Maschinenring Göttingen
dar. Hieraus ergaben sich Kontakte zu fünf interessierten Landwirten im Landkreis Göttingen,
die sich die Anlage einer Kurzumtriebsplantage vorstellen können und die in Einzelgesprächen informiert und beraten wurden. Dies bildete die Basis für die Bewertung von vier Flächen.
Beratung von Kommunen:
Nach dem Versand eines Fragebogens für die Erfassung der bisherigen Wärmeversorgung
hatten 2011 fünf Gemeinden und der Landkreis Göttingen Daten von eigenen Liegenschaften
zur Verfügung gestellt. Damit lagen Daten für öffentliche Gebäude in acht Kommunen vor,
bei denen es sich sowohl um Einzelgebäude als auch um Verbunde einzelner Liegenschaften handelt. Sie wurden in einer Kurzbewertung beurteilt und bildeten die Basis für Ortstermine in den Gebäuden, die die größten Chancen für die erfolgreiche Installation von Holzheizanlagen bieten. Für drei Liegenschaften schloss sich eine Detailbewertung an, die eine
Investitionsschätzung und eine Ermittlung der Brennstoff- und Betriebskosten beinhaltet und
so eine Entscheidungsgrundlage für die Gebäudeeigentümer liefert. Mit den Holzheizanlagen
können die jährlichen Wärmebereitstellungskosten um 10 - 20 % gesenkt werden.
Die folgende Tabelle zeigt die Eckdaten der Detailuntersuchungen.
Einheit
Grundschule
Lenglern
Oberschule
Groß Schneen
Grundschule
Landwehrhagen
Kommune
---
Samtgemeinde
Bovenden
Landkreis
Göttingen
Gemeinde
Staufenberg
max. Wärmebedarf
kW
340
600
530
kWh/a
515.000
900.000
510.000
Leistung Holzkessel Grundlast
kW
100
180
120
Holzenergieträger
---
Pellets
Pellets oder
Hackschnitzel
Pellets oder
Hackschnitzel
Holzverbrauch: Pellets
t/a
85
150
80
Sm³/a
---
930
510
Wärmeverbrauch
alternativ Hackschnitzel
Die Untersuchungen bildeten in allen Fällen die Basis für das weitere Vorgehen. Die Samtgemeinde Bovenden will das Thema aufgreifen, wenn Handlungsbedarf bei der Erneuerung
der Heizungsanlage in der Grundschule Lenglern entsteht. Der Landkreis Göttingen lässt
einen größeren Wärmeverbund rund um die Oberschule Groß Scheen untersuchen, bei dem
auch Holzhackschnitzel betrachtet werden. Die Gemeinde Staufenberg interessiert sich ergänzend zum Einsatz von Pellets oder Hackschnitzeln für die Aufbereitung von Laub zu Briketts.
Beratung von Gewerbebetrieben:
Da die Beratung von potentiellen Betreibern von Holzheizanlagen einen wesentlichen Schritt
bei der Vertiefung der Holzenergienutzung darstellt, sollen und können weitere Interessenten
unterstützt werden. Um auch das Potential innerhalb des Sektors Industrie & Gewerbe zu
mobilisieren, startete eine Kooperation mit der Energieagentur Region Göttingen e.V. und
dem Treffpunkt Energie e.V. im Holzhof Göttingen. Darin sollten Gewerbebetriebe über die
364 Möglichkeiten der Umstellung ihrer Heizungsanlagen auf Pellets oder Hackschnitzel informiert und bei der Realisierung unterstützt werden.
Bei einer Auftaktveranstaltung am 01.10.13 wurden Interessierte über die Wärmeversorgung
aus Holzheizanlagen informiert und zur Teilnahme am Projekt BEST aufgefordert. Der Betreiber einer Holzpellet- und einer Hackschnitzelanlage im Wohnungsbau ergänzte die Veranstaltung mit einem Erfahrungsbericht.
Das Interesse der Gewerbebetriebe war leider begrenzt, was ein sektorspezifisches Problem
des gesamten Themenfelds „Energieeffizienz und Erneuerbare Energien“ darstellt. In zwei
Betrieben wurden Detailuntersuchungen durchgeführt: im Holzhof Göttingen und im Sägewerk Kurth, Seeburg. Die folgende Tabelle zeigt die Eckdaten der Berechnungen.
Einheit
Holzhof
Göttingen
Sägewerk Kurth
kW
70
400
kWh/a
141.000
430.000
Leistung Holzkessel
kW
70
100
Holzenergieträger
---
Pellets oder
Hackschnitzel
Hackschnitzel
Holzverbrauch: Pellets
t/a
38
---
Sm³/a
230
600
max. Wärmebedarf
Wärmeverbrauch
alternativ Hackschnitzel
Die Untersuchung bildet für den Holzhof die Basis für die Erneuerung der bestehenden
Hackschnitzelheizanlage. Im Sägewerk hat die Berechnung kein ausreichendes wirtschaftliches Potenzial ergeben, so dass das Thema nicht weiterverfolgt wird.
Know-how-Transfer bei Regionalkonferenzen und Informationsveranstaltungen:
Die Vorbereitung und Durchführung der Regionalkonferenz im Landkreis Göttingen am
05.04.11 bildete den Schwerpunkt der Arbeit in der ersten Jahreshälfte 2011 in diesem Aufgabenbereich. Dies geschah in enger Abstimmung und Kooperation mit den Partnern des
Clusters UP und den anderen Arbeitspaketen. Zur Basisinformation der Teilnehmer erstellte
3N ein Faktenblatt zum heutigen Stand der Bioenergienutzung im Landkreis Göttingen.
Neben den beiden Testflächen mit schnellwachsenden Hölzern weitere Landwirte für die
Anlage von Flächen zu gewinnen, war das Ziel einer Kooperationsveranstaltung am
28.11.11, die von 3N, der Energieagentur Region Göttingen und dem Landvolk Kreisverband
Göttingen durchgeführt wurde. Nach einer Einführung in die Thematik und einem Überblick
des Projekts BEST stellten zwei externe Referenten Verwertungsmöglichkeiten für Holz aus
Kurzumtriebsplantagen vor. Die Moderation der Veranstaltung lag bei Michael Kralemann,
3N. Die dabei durchgeführte Befragung zu Chancen und Risiken schnellwachsender Hölzer
bietet die Basis für die weitere Unterstützung der Landwirte.
Bei der Informationsveranstaltung am 28.03.12 stand der Dialog zwischen Planungsinstanzen und Eigentümern landwirtschaftlicher Flächen im Mittelpunkt. 3N stellte in seinem Beitrag
„Wie konkurrenzfähig sind schnellwachsende Hölzer gegenüber Heizöl und Erdgas?“ die
wirtschaftliche Messlatte der Feldholzproduktion vor.
Am 15.10.12 wurden Waldbesitzer aus der Region Göttingen über die Möglichkeiten der
Energieholzproduktion informiert. 3N beleuchtete in seinem Beitrag „Welche Anforderungen
stellt der Energiemarkt an Holzbrennstoffe?“ das Ende der Bereitstellungskette von Holzbrennstoffen.
365 Bei der Informationsveranstaltung am 19.03.13, die von der Energieagentur Göttingen organisiert wurde, stand die Nutzung von Hecken in der Landschaft im Mittelpunkt. 3N stellte in
seinem Beitrag das Bundesverbundprojekt ELKE (Etablierung extensiver Landnutzungskonzepte zur Erzeugung nachwachsender Rohstoffe als mögliche Ausgleichs- oder Ersatzmaßnahme (ELKE) – Phase III) vor. 3N ist als regionaler Koordinator für den Modellstandort Spelle im südlichen Emsland tätig und betreibt einen regen Erfahrungsaustausch mit den beteiligten Projektpartnern.
Die folgende Tabelle fasst die Erreichung der Ziele zusammen:
Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Regionalkonferenz im Landkreis
Göttingen am 05.04.11
 Mitwirkung bei der Vorbereitung und Durchführung
Einsatz von Holzheizanlagen in
öffentlichen Liegenschaften




Einsatz von Holzheizanlagen in
Gewerbebetrieben
 Konzeption des Teilprojekts
 Mitwirkung bei der Vorbereitung und Durchführung
der Auftaktveranstaltung am 01.10.13
Informationsveranstaltung für
Landwirte am 28.11.11
 Mitwirkung bei der Vorbereitung und Durchführung
 Moderation der Veranstaltung
Informationsveranstaltung für
Landwirte am 28.02.12
 Mitwirkung bei der Vorbereitung und Durchführung
 Vortrag „Wärmeerzeugung aus Holzhackschnitzeln
– Wie konkurrenzfähig sind schnellwachsende Gehölze gegenüber Heizöl und Erdgas?“
Informationsveranstaltung für
Waldbesitzer am 15.10.12
 Mitwirkung bei der Vorbereitung und Durchführung
 Vortrag „Welche Anforderungen stellt der Energiemarkt an Holzbrennstoffe?“
Informationsveranstaltung für
Landwirte am 19.03.13
 Mitwirkung bei der Vorbereitung und Durchführung
 Vortrag „Biomasseanbau und Kompensationsmaßnahmen – das Projekt ELKE“
Landwirtschaftliche Beratung
 Beratung zur Anlage einer Kurzumtriebsplantage
(2,5 ha) im Landkreis Göttingen
Versand von Fragebogen
Auswertung der eingegangenen Daten
Kurzwertung der Liegenschaften
Detailberatung ausgewählter Liegenschaften
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
Im Bundesverbundprojekt ELKE (Etablierung extensiver Landnutzungskonzepte zur Erzeugung nachwachsender Rohstoffe als mögliche Ausgleichs- oder Ersatzmaßnahme (ELKE) –
Phase III) war 3N als regionaler Koordinator für den Modellstandort Spelle im südlichen Emsland tätig und betreibt einen regen Erfahrungsaustausch mit den beteiligten Projektpartnern.
Im Rahmen des Projekts „Regionale Bioenergieberatung“ wurde der Kontakt zur landwirtschaftlichen Praxis geschaffen und durch die in diesem Projekt beteiligten Kollegen des 3NKompetenzzentrums in der Geschäftsstelle Werlte und der Landwirtschaftskammer Niedersachsen ein dauerhafter Erfahrungsaustausch gewährleistet.
3N bearbeitete im Zeitraum November 2013 - September 2014 das Projekt „Energie aus der
Landschaft“ im deutsch-niederländischen Grenzgebiet. Ziel ist die Entwicklung eines Modells
für die kommerzielle und nachhaltige Nutzung der Bioenergie in lokalen, kulturhistorischen
366 Landschaftselementen und Wallhecken in Nordwestdeutschland und Noord-Nederland für
den öffentlichen und privaten Bereich. Dies beinhaltet die Ermittlung des BiomassePotenzials (Fläche der Landschaftselemente, Anteil der verfügbaren Biomasse, Wuchsleistung, Abschätzung der Erntemasse und des Energiepotenzials), der Kosten einer Biomasse
Nutzung, des Bedarfs und der potentiellen Nutzer der Biomasse in der Region Westerwolde
(NL) und im Landkreis Leer.
Im Rahmen der Vorbereitung der Informationsveranstaltungen und bei der Unterstützung des
Beratungswerkzeugs fand ein reger Austausch mit Vertretern der anderen beteiligten AP
(insbesondere mit IO-A 1, UP 1, UP 3, UP 4) statt. Gleichzeitig wurden die Clustertreffen mit
den Arbeitspaketen UP 1 - 6 wahrgenommen. Ein zentrales Ergebnis des Clusters UP stellt
das Beratungsinstrument dar, das von den Arbeitspaketen UP 3 und UP 4 erarbeitet wird.
Bei einem Workshop am 30.09.14 diskutierte 3N gemeinsam mit den anderen Beteiligten die
Methodik und die Ansätze für die wichtigsten Eingangsgrößen. Sie wurden durch die Bereitstellung von Erfahrungswerten für den Energiehackschnitzelmarkt vertieft.
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplans
Arbeits- und Zeitplan: Es gibt keine bedeutenden Abweichungen von dem im ursprünglichen
Antrag vorgeschlagenen Arbeits- und Zeitplan. Die Bearbeitung wurde sowohl inhaltlich als
auch zeitlich den internen Gegebenheiten des Projekts und den externen Rahmenbedingungen angepasst.
Die folgende Tabelle zeigt den Arbeitsplan in zeitlicher Abfolge
Arbeitsplan
Flächenauswahl für Demonstrationsprojekte
Q.
2010
4
Quartal
2011
1 2 3
x
x
Regionalkonferenz im
Landkreis Göttingen
Informationsveranstaltungen für Landwirte u. Waldbesitzer
Information und Beratung
von Kommunen
x
4
Quartal
2012
1 2 3
4
Quartal
2013
1 2 3
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
4
Quartal
2014
1 2 3
x
x
Information und Beratung
von Gewerbebetrieben
x
x
x
x
x
x
x
Unterstützung der BESTArbeitspakete
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Unterstützung der Projektregionen
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Durch das Ausscheiden von Christian Ihl zum 30.06.11 war die Neubesetzung einer Bearbeiterstelle erforderlich. Dies geschah zum 01.09.11 durch Finn Ahrens.
Finanzplan: Es gibt keine bedeutenden Abweichungen von dem im ursprünglichen Antrag
vorgeschlagenen Finanzplan.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
----
367 Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Die Beratungsergebnisse wurden in den folgenden projektinternen Berichten veröffentlicht:

Kurzbewertung der Wärmeversorgung von öffentlichen Liegenschaften im Landkreis Göttingen mit Holzenergie

Wärmeversorgung der Grundschule Bovenden-Lenglern mit Holzenergie

Wärmeversorgung der Carl-Friedrich-Gauß-Schule in Groß Schneen mit Holzenergie

Wärmeversorgung des Schulzentrums Staufenberg-Landwehrhagen mit Holzenergie

Wärmeversorgung des Holzhofs Göttingen

Wärmeversorgung des Sägewerks Kurth in Seeburg
Mölder, I.; Kralemann, M.; Fragel, D. (2015). Advisory services and public awareness of
woody biomass production: a regional example of how to provide information and guide
implementation. Manning, D.; Bemmann, A.; Bredemeier, M.; Lamersdorf, N.; Ammer,
C.: Bioenergy from dendromass for the sustainable development of rural areas.
368 Arbeitspaket:
UP 6
Thema:
Koordination und Öffentlichkeitsarbeit
Antragsteller
Prof. Dr. M. Bredemeier
Institut:
Sektion Waldökosystemforschung im Zentrum für Biodiversität und
nachhaltige Landnutzung, Universität Göttingen
Dauer:
01.09.2010 – 31.08.2014
Wiss. Mitarbeiter:
Prof. Dr. N. Lamersdorf (1/2 Stelle)
Aufgabenstellung des Arbeitspakets
Aufgabe des Arbeitspaketes UP 6 in BEST, das unter dem Titel "Koordination und Öffentlichkeitsarbeit" stand, war die gesamte Koordination des Verbundes. Diese Aufgabe umfasst insbesondere:

umfangreiche Koordinations- und Kommunikationssaufgaben für das gesamte Verbundprojekt
o Anberaumung, Planung und Leitung von projektinternen Besprechungen und fachlichen Kolloquien
o Kommunikation mit den Sprechern der sieben fachlichen Cluster im BEST-Verbundprojekt
o Kommunikation mit den VertreterInnen der beiden angeschlossenen Bioenergie-Regionen Göttinger Land und Thüringer Ackerebene
o Kommunikation mit den ProjektbetreuerInnen des BEST-Verbundes auf Seiten der
Förderinstitution BMBF und des Projektträgers PtJ
o Kommunikation mit den VertreterInnen und BearbeiterInnen des Wissenschaftlichen
Begleitvorhabens des Moduls B der Fördermaßnahme "Nachhaltiges Landmanagement"
o Koordination der "BEST-Synthesegruppe" und Strukturierung von deren Kommunikation und Ergebnisdokumentation
o Unterstützung von Koordination und Kommunikation der fachlichen Arbeitsgruppen
bzw. der APs, die zum BEST-Beratungstool "BEAST" beitrugen
o Kommunikation mit Sprechern bzw. Koordinatoren inhaltlich verwandter Verbundprojekte in der Fördermaßnahme zur Vorbereitung und Durchführung gemeinsamer
Aktivitäten, insbesondere der gemeinsamen Buchveröffentlichung mit AgroForNet
(siehe unten)
o Koordination der Betreuung von Versuchsflächen in BEST (Prof. Lamersdorf)

Berichtswesen im Verbundprojekt
o Vorbereitung und Organisation der jährlichen Berichtspflicht in Form von Zwischenberichten
o Organisation und Ausrichtung der Auftaktveranstaltung 2010 sowie der jährlichen
Statusseminare 2011 – 2013
o Organisation und Durchführung der BEST Abschlusskonferenz 2014 als offene und
internationale wissenschaftliche Tagung
o Erstellung des hier vorliegenden Abschlussberichts
o Gesonderte periodische Kurzberichte an das Wissenschaftliche Begleitvorhaben in
Form von Beiträgen zu dessen Newsletter
369 
Koordination von interdisziplinären Veröffentlichungen auf Ebene des Verbundprojektes
und zusammen mit verwandten Verbünden
o
o
o

Beteiligung an der Auswahl von Inhalten und deren Strukturierung für die "Virtuelle
Bibliothek" von BEST (mit Arbeitspaket UP 1)
Beteiligung an der Konzipierung und Erstellung einer Informationsbroschüre aus
BEST mit dem Titel "Bioenergie in der Region Göttingen – Wissenschaftliche Informationen für die regionale Praxis". Vorstellung der Broschüre als praxisorientiertes
Produkt auf der BEST-Abschlusskonferenz
Koordination des Göttinger Teils des gemeinsamen Buchprojekts als Abschlussveröffentlichung und bleibendes Produkt, gemeinsam mit dem verwandten Verbundprojekt AgroForNet
Öffentlichkeitsarbeit und Kommunikation von Projektergebnissen nach außen
o
o
o
o
o
Veranstaltung einer Reihe von Regionalkonferenzen in und mit den angeschlossenen Bioenergie-Regionen.
Gestaltung von Ständen für den "Markt der Ideen" auf den Statuskonferenzen der
Fördermaßnahme
Zuarbeit für die Broschüren der Reihe "Landsichten", die übergreifend für die Fördermaßnahme "Nachhaltiges Landmanagement" vom Wissenschaftlichen Begleitvorhaben erstellt wurden.
Gestaltung und Pflege der BEST Website www.BEST-Forschung.de
Entwicklung eines "BEST-Trailers" als Info-Video zum Verbundprojekt (abrufbar auf
der Homepage von BEST)
Planung und Ablauf des Vorhabens
Die Planung des Vorhabens wurde im BEST-Antrag dokumentiert. Sie konnte ohne größere
Abweichungen auch so durchgeführt werden, so dass der Ablauf weitestgehend der Planung
entspricht.
Das Teilprojekt UP 6 ist so strukturiert, als dass es die Koordination des gesamten Verbundprojekts BEST mit seinen insgesamt 31 fachlichen Arbeitspaketen sowie die gesamte Öffentlichkeitsarbeit umfasst. Es ist damit sowohl nach innen als auch nach außen ausgerichtet
und sichtbar.
Das Gesamtprojekt mit seiner großen Zahl von 31 Teilprojekten, die in sieben Clustern koordiniert zusammenwirken, das darüber hinaus die zusätzlichen transdisziplinären Kommunikationsstrukturen in die Bioenergie-Regionen hinein vorhalten muss, hat einen Umfang und
eine Komplexität, die eine besonders leistungsfähige Koordinationsstruktur erfordern. Weiterhin wird von einem Projekt dieser Größenordung erwartet, dass es seine Sichtbarkeit
durch wirksame Öffentlichkeitsarbeit sicherstellt. Die beiden Aufgaben Koordination und Öffentlichkeitsarbeit wurden durch das Teilprojekt UP 6 geleistet.
Die Ressourcenausstattung musste aufgrund des außergewöhnlichen und zweigleisigen Arbeitsumfangs in diesem Teilprojekt (Koordination plus Öffentlichkeitsarbeit) vergleichsweise
hoch ausfallen. Sie umfasste beim Personal eine halbe Stelle der Arbeitsleistung von Herrn
Prof. Bredemeier (Dauerstelle), die von Seiten des Forschungszentrums Waldökosysteme
eingebracht als Eigenleistung der Universität Göttingen eingbraucht wurde. Im Rahmen des
Antrags wurde zusätzlich eine halbe Stelle aus Drittmitteln vorgesehen, jeweils über die gesamte beantragte Projektlaufzeit von vier Jahren.
Die zusätzlichen Koordinationsarbeiten, insbesondere die Abstimmung zwischen den sieben
Clustern mit ihren 31 Teilprojekten übernahm Herr Prof. Lamersdorf im Rahmen einer weiteren halben Stelle aus Drittmitteln.
370 Stand der Wissenschaft und Technik auf dem aufgebaut wurde
N.a. – UP 6 ist für BEST ein reines Koordinations- und Serviceprojekt, das nicht auf dem
Stand der Wissenschaft und Technik aufbaut und ihn auch nicht selber weiter entwickelt.
Siehe dazu die Angaben in den Abschlussberichten der übrigen AP in BEST.
Erzielte Erweiterung des Wissensstandes
N.a. – siehe dazu letzten Abschnitt oben.
Arbeitsbericht (gesamte Laufzeit 2010-2014)
2010
Kurz nach der Bewilligung und dem Beginn der Projektaktivitäten fand am 12.11.2010 das
Auftakttreffen des BMBF Förderschwerpunktes "Nachhaltige Landnutzung" in Bonn statt. Für
die Koordination und UP 6 nahmen C. Ammer, M. Bredemeier und N. Lamersdorf an der
Veranstaltung teil. Die inhaltlichen Bezüge zu und der Abstimmungsbedarf mit den thematisch besonders nah an BEST operierenden Verbundprojekten NaLaMa-nT (koordiniert von
der NW-FVA Göttingen) und AgroForNet (koordiniert von der TU Dresden) wurden bei diesem Treffen bereits thematisiert und wurden über die Projektlaufzeit weiter verfolgt.
UP 6 oblag auch die Vorbereitung des Auftakttreffens von BEST am 03.12.2010 in Göttingen
und die Koordination der dort dargebotenen Inhalte in Form von Vorträgen zu den sieben
Clustern und Postern zu jedem der 31 Arbeitspakete. Das Auftakttreffen wurde allgemein als
produktiv und erfolgreich empfunden.
Auch wesentliche Teile der Konzeption und Vorbereitung der ersten Regionalkonferenz (RK)
oblagen UP 6, in Zusammenarbeit mit den APs UP 4, UP 5 und IO-A1. Die erste RK fand
dann am 5. April 2011 für die Bioenergieregion Göttinger Land statt. Mit einer arbeitsgruppentauglichen Teilnehmerzahl von 35 Akteuren der Region wurden wichtige Aspekte zur
Nutzung und dem Bedarf an holziger Biomasse diskutiert.
In UP 6 wurde weiterhin im ersten Halbjahr der Projektlaufzeit die Website für das Verbundprojekt erstellt, die unter dem ULR www.BEST-Forschung.de zu finden ist.
Schließlich war die Koordination der Flächenauswahl für BEST und der darauf basierenden
Anbaupläne eine Aufgabe, an der auch UP 6 wesentlich beteiligt war. Die Auswahl wurde im
Laufe des Herbstes 2010 erfolgreich abgeschlossen.
2011
Auch das Berichtswesen im Verbundprojekt BEST ist UP 6 zugeordnet, entsprechend war
die Erstellung des ersten Zwischenberichts eine Aktivität, die den Jahresbeginn 2011 prägte.
Für die Berichte der Arbeitspakete wurde eine Struktur vorgegeben und sie wurden zum Ende März 2011 angefordert. Im April erfolgte die Auswertung und Integration, die in die Erstellung des Gesamtberichts mündete. Dieser wurde im Jahreszwischenbericht den 31 Teilberichten zu den Arbeitspaketen vorangestellt. Der gesamte Bericht wurde fristgerecht zum
30.04.2011 beim Projektträger abgegeben.
Parallel zur Berichtserstellung Anfang des Jahres 2011 liefen die Vorbereitungen für die erste
BEST Regionalkonferenz, die am 05.04.2011 beim Projektpartner Energieagentur Göttingen
veranstaltet wurde. Neben UP 6 trugen hierzu in enger Zusammenarbeit besonders die Arbeitspakete UP 1, UP 4 und UP 5 bei. Die Regionalkonferenz wurde von den Teilnehmern
als sehr lohnend und erfolgreich eingeschätzt, ein kurzer Bericht zu Inhalten findet sich hier
weiter unten im Ergebnisbericht.
Zur Nachbereitung der Regionalkonferenz und insbesondere zur Verankerung von deren
Ergebnissen in den weiteren Arbeiten von BEST wurde am 07.07.2011 ein projektinternes
Seminar veranstaltet.
Am 08.12.2011 wurde durch UP 6 das jährliche BEST-Statusseminar ausgerichtet.
Am 29. September 2011 war BEST Gastgeber des Workshops "Regionale Energie‐ und
Stoffströme nachhaltig gestalten" für das Modul B der Fördermaßnahme, der vom Wissenschaftlichen Begleitprojekt in Göttingen veranstaltet wurde.
Das Arbeitspaket organisierte ferner die Teilnahme der BEST-Koordination und der Projekt371 leiter und –bearbeiter, die es fachlich betrifft, an den zahlreichen Querschnittsseminaren und
Workshops des Wissenschaftlichen Begleitprojekts in 2011.
Aktivitäten in der Öffentlichkeitsarbeit umfassten Beiträge für Presse und Rundfunk und die
Erstellung einer Broschüre zu BEST in deutscher und englischer Sprache für das Wissenschaftliche Begleitprojekt zum Modul B.
In UP 6 wurde weiterhin die Website für das Verbundprojekt in 2011 endgültig fertiggestellt,
zu finden unter www.BEST-Forschung.de .
2012
Die Erstellung des zweiten Zwischenberichts prägte den Jahresbeginn 2012. AP-Berichte
wurden zum Ende März 2012 angefordert. Im April erfolgte die Auswertung und Integration,
die in die Erstellung des übergeordneten Gesamtberichts mündete (allgemeiner Teil des Jahreszwischenberichts). Dieser wurde im Jahreszwischenbericht den 31 Teilberichten zu den
Arbeitspaketen vorangestellt. Der gesamte Bericht wurde fristgerecht zum 30.04.2012 beim
Projektträger eingereicht.
Am 03.02.2012 wurde von UP 6 ein interner Workshop für alle AP zur Nachbereitung des
Statusseminars 2011 und Vorbereitung des Jahresberichts 2011 abgehalten. Hierbei wurden
die Ansätze und Aktivitäten zur Zusammenarbeit und Integration im Verbundprojekt gestärkt
und vertieft sowie neue gemeinsame Aktivitäten der AP geplant.
UP 6 organisierte weiterhin mehrere Treffen im Frühjahr 2012 zur Definition von "Nutzungspfaden" als gliedernde und integrierende Elemente in BEST und die Bildung einer "Synthesegruppe". Über diese gemeinsamen Elemente, in denen jeweils Beiträge aus mehreren APs
zusammenfließen, wird eine vertiefte Systematisierung und Integration von Ergebnissen in
unserem Verbundprojekt erreicht.
Von UP 6 wurden in 2012 weiterhin in Zusammenarbeit mit UP 1 BEST-Kolloquien mit verwandten Verbundprojekten (KUPAD, Rüwola) veranstaltet, in denen ein intensiver Gedanken- und Ergebnisaustausch zur Forschung zwischen diesen großen Projekten stattfand.
Am 15. und 16.11.2012 organisierte UP 6 interne Vorbereitungstermine für das Statusseminar am 10. und 11.12.2012. Neben der gegenseitigen Begutachtung der Vorträge unter allen
Kolleg(inn)en vor ihrer Darbietung beim Statusseminar sollte auch dieser Termin der weiteren Kommunikation sowie dem Austausch und der Integration von Ergebnissen dienen.
Obwohl BEST als Teil des Moduls B der Fördermaßnahme einen eher nationalen und regionalen Fokus hat, wurde durch die Aktivität von UP 6 auch eine Darstellung der Ergebnisse im
internationalen Rahmen geleistet.
Der Antragsteller (Bredemeier) reiste auf Einladung zur ESES-Jahrestagung vom 9.-12. Juli
2012 in Ismailia, Ägypten und hielt dort einen Vortrag zu "forest-water trade-offs in dryland
forestry and high-yield wood plantations" (ESES Egyptian Society for Ecological Studies).
Ergebnisse aus dem BEST-Projekt zum Wasserbedarf schnellwachsender KUP wurden dort
mit großem Interesse aufgenommen.
Der wissenschaftliche Projektbearbeiter in UP 6 (Lamersdorf) hielt einen Vortrag zu KUPSRC basierend auf Ergebnissen aus BEST auf der "1st European Agroforestry Conference",
die am 9-10 Oktober 2012 in Brüssel stattfand. Bei dieser Gelegenheit wurde die Europäische Gesellschaft für agroforstliche Forschung begründet (EURAF; http://www.agroforestry.
eu/), unter wesentlicher Beteiligung des Wissenschaftlers aus BEST UP 6.
Weiterhin reiste der Antragsteller (Bredemeier) zu einem Vortrag nach Zvolen (SK) am
23.10.2012, zur Information über erste BEST-Ergebnisse für die KUP-Forschungsinitiative
der dortigen Forstfakultät.
Über das Jahr 2012 hinweg bis zum Herbst liefen in UP 6 die Vorbereitungen für die zweite
BEST Regionalkonferenz, die am 07.11.2012 beim Projektpartner Bioenergie-Region Thüringer Ackerebene (BERTA) veranstaltet wurde. Neben UP 6 trugen hierzu in enger Zusammenarbeit besonders die Arbeitspakete UP 2 und UP 4 bei. Die Regionalkonferenz wurde
von den Teilnehmern sehr positiv beurteilt und als erfolgreich eingeschätzt. Ein kurzer Bericht zu Inhalten folgt unten unter dem Ergebnisbericht.
372 Am 10. Und 11. Dezember 2012 wurde durch UP 6 das jährliche BEST-Statusseminar in
Göttingen ausgerichtet.
Regelmäßig wurde der Newsletter der Fördermaßnahme (über das Wissenschaftliche Begleitvorhaben zum Modul B) bedient.
In UP 6 wurde weiterhin die Website für das Verbundprojekt gepflegt. Sie wurde regelmäßig
aktualisiert und mit den Funktionalitäten für Datenbank und virtuelle Fachbibliothek ergänzt
(siehe dazu auch parallele Jahreszwischenberichte der APs ÖL 2, UP 3 und UP 1).
Als weitere Aktivität in der Öffentlichkeitsarbeit ist in UP 6 im Jahr 2012 die Konzeptionierung
und Herstellung eines BEST-Videotrailers zu nennen. Der Trailer kann zur Hintergrundinformation über BEST an Ständen bei Veranstaltungen, Ausstellungen, Tagungen etc. von allen
Beteiligten im Verbundprojekt eingesetzt werden und ist auf der Projekthomepage (Link s.o.)
abrufbar.
2013
Wie in den Vorjahren prägte die Erstellung des dritten Zwischenberichts auch den Jahresbeginn 2013. Für die Berichte der Arbeitspakete (AP) wurde wieder eine Struktur vorgegeben,
die den Vorgaben des BMBF folgt und die darüber hinaus mit dem Projektträger hinsichtlich
zusätzlicher gewünschter Gliederungspunkte abgestimmt wurde. Die AP-Berichte wurden zu
Mitte April 2013 angefordert. In der zweiten Hälfte des April erfolgte die Auswertung und Integration, die in die Erstellung des übergeordneten Gesamtberichts mündete (allgemeiner
Teil des Jahreszwischenberichts). Dieser wurde im Jahreszwischenbericht den 31 Teilberichten zu den Arbeitspaketen vorangestellt. Der gesamte Bericht wurde fristgerecht beim Projektträger eingereicht.
Im Jahr 2013 nahm sich UP 6 als Koordinationsteilprojekt besonders der Organisation der
"Synthesegruppe" in BEST und der Gruppe zur Ausgestaltung des BEST-Beratungstools an,
weil das letztere ein wichtiges und bleibendes Produkt des Verbundprojekts für einen großen
Bereich von Anwendern in der Praxis sein soll (siehe hierzu auch die AP-Berichte dieses
Jahres von UP 3 und UP 4). Die beiden genannten Arbeitsgruppen im Verbundprojekt überschnitten sich teilweise in ihrer Zusammensetzung und in ihren Aufgabenstellungen, und
schließlich wurden die Ergebnisse der Arbeit beider Gruppen in der inhaltlichen und formalen
Vorbereitung des Beratungstools zusammengeführt.
Das Beratungstool sollte Gegenstand der dritten und abschließenden Regionalkonferenz von
BEST sein und bei dieser Gelegenheit der Fachöffentlichkeit und den Anwendern vorgestellt
werden. Die Vorbereitung dieser dritten Regionalkonferenz gehörte wesentlich zu den Arbeiten von UP 6 in 2013. Die Konferenz selbst fand planmäßig im Frühjahr 2014 am 24. April in
Göttingen statt, in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Energieagentur Göttingen.
Ein interner Workshop für alle AP zur Nachbereitung des Statusseminars 2012 und Vorbereitung des Zwischenberichts für das Jahr 2012 wurde im Januar 2013 abgehalten. Hierbei
wurden wie in den Vorjahren die Aktivitäten zur Zusammenarbeit und Integration im Verbundprojekt gestärkt und vertieft sowie neue gemeinsame Aktivitäten der AP geplant.
Bereits im Berichtsjahr 2013 begann auch schon die thematische, inhaltliche und organisatorische Vorbereitung der Abschlusskonferenz von BEST, die als offene wissenschaftliche Tagung vom 29.09. bis 01.10.2014 in Göttingen geplant wurde.
BEST ist Teil des Moduls B der Fördermaßnahme hat daher einen eher nationalen und regionalen Fokus. Dennoch wurden auch in 2013 die Aktivitäten von UP 6 wieder durch eine
Darstellung der Ergebnisse im internationalen Rahmen angereichert.
Herr Lamersdorf hielt als Projektbearbeiter von UP 6 einen Vortrag zu Agroforestry & BEST
auf der 13th North American Agroforestry Conference in Charlottetown, Prince Edward Island, Kanada im Juni 2013.
Weiterhin hielt er einen eingeladenen Vortrag zu Agroforst in Deutschland und BEST an der
Georgia Southern University, USA im August 2013.
373 Am 04. Und 05. Dezember 2013 wurde durch UP 6 das jährliche BEST-Statusseminar in
Göttingen ausgerichtet.
Das Arbeitspaket organisierte ferner auch in 2013 die Teilnahme der BEST-Koordination und
der Projektleiter und –bearbeiter, die es fachlich betrifft, an verschiedenen Querschnittseminaren und Workshops des Wissenschaftlichen Begleitprojekts.
Hierzu zählte zum Beispiel die Präsentation von BEST auf der Statuskonferenz der Fördermaßnahme "Nachhaltiges Landmanagement" in vom 17.-19. April 2013 in Berlin, mit mehreren Vortragsbeiträgen, Session Chairs und einem Demonstrationsstand auf dem "Markt der
Möglichkeiten".
Am Rande der Statuskonferenz wurde mit Kollegen des BEST inhaltlich nahestehenden Verbundprojekts AgroForNet besprochen und beschlossen, zentrale Ergebnisse beider Verbünde in einer abschließenden Buchveröffentlichung niederzulegen und so als bleibendes Produkt weit über die Projektlaufzeiten hinaus zu erhalten. Die Konzipierung und Koordinierung
der Buchbeiträge seitens BEST war danach für UP 6 ein wichtiger Arbeitsschwerpunkt in den
beiden letzten Jahren der Projektlaufzeit, 2013 und 2014.
Im Rahmen von UP 6 wurde von Herrn Lamersdorf und anderen ein Workshop zu Agroforst
in Deutschland auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften e.V.
(GPW) in Freising im September 2013 organisiert, bei dem es zur offiziellen Gründung der
AG Agroforst in der GPW kam.
2014
Auch im letzten Jahr der Projektlaufzeit oblag UP 6 die Organisation und Begleitung interner
Koordinierungstreffen der Cluster und der besonderen thematischen Arbeitsgruppen in
BEST, wobei die Arbeitsgruppe zur Entwicklung und Fertigstellung des Beratungstools
"BEAST" inhaltlich und zeitlich immer aufwändiger wurde. Dieser Aufwand wurde und wird
aber als sehr berechtigt und zielführend angesehen, denn neben dem Buch ist das BEAST
ein weiteres bleibendes Produkt aus unserem Verbundprojekt. Das Beratungstool wurde (unter Federführung von APs UP 3 und UP 4) erfolgreich fertig gestellt und auf der dritten und
letzten BEST-Regionalkonferenz der Öffentlichkeit präsentiert.
Die Organisation dieser dritten Regionalkonferenz oblag ebenfalls UP 6, in enger Zusammenarbeit mit UP 1. Die Konferenz war auf Planer und Entscheidungsträger in der Bioenergieregion Göttingen abgestellt und wurde am 24. April 2014 beim Projektpartner Energieagentur Region Göttingen durchgeführt.
Beim gemeinsamen Buchprojekt mit AgroForNet fungierte dessen Koordinator, Dr. David
Butler-Manning, nach Ende der Laufzeit von AFN als hauptamtlicher Editor. Auf Seiten von
BEST besorgte UP 6 die Strukturierung und Abstimmung der Beiträge, und später die erste
Durchsicht und Weitergabe, ggf. nach Rücksprachen mit den Autoren, an den Chefeditor.
Das gesamte Buch wurde einem peer-review-Prozess nach wissenschaftlichem Standard
unterzogen. Gegen Ende des Jahres 2014 konnte das fertig gestellte Buchmanuskript dem
renommierten Wiley-Verlag zum abschließenden Editierungsprozess und späteren Druck
übergeben werden. Mit dem Erscheinen wird im Frühjahr bis Sommer 2015 gerechnet.
Aufgaben von UP 6 in 2014 waren weiterhin die Erstellung des vierten Zwischenberichtes
zum Ende April 2014 und die strukturierende Vorbereitung des Abschlussberichtes nach dem
Ende der Projektlaufzeit und über das Jahresende 2014 hinaus.
Weiterhin sorgte UP 6 auch in 2014 für die Organisation der Reihe "Kolloquium der Sektion
Waldökosystemforschung" (als wöchentliche Veranstaltung im Semester) zur gegenseitigen
Information und Abstimmung der Beteiligten AP-Leiter und –Bearbeiter. Im Rahmen der Vorträge und weiterer Meetings im Projektverbund fand auch eine Aufbereitung von Ergebnissen
der Regionalkonferenz und eine Vermittlung wichtiger Feedbacks zurück in den Projektverbund statt.
BEST hat als Teil des Moduls B der Fördermaßnahme einen eher nationalen bzw. regionalen
Fokus. Es wurden jedoch auch in 2014, wie in vielen der Vorjahre, internationale Beiträge
374 geleistet. Ein Wissenschaftler aus BEST, die Leiterin des BEST Projektpartners Energieagentur Region Göttingen und ein Ingenieur des Göttinger Ingenieurbüros Krieg&Fischer
wurden Ende Oktober 2014 nach Thailand eingeladen, um im Rahmen eines internationalen
wissenschaftlichen Kongresses in Bangkok und bei Bereisungen vor Ort in mehreren Landesteilen gemeinsam ihre Erfahrungen beim Ausbau der Bioenergie zu kommunizieren.
Wie in den anderen Jahren der Projektlaufzeit sorgte UP 6 für die Zuarbeit in das Wissenschaftliche Begleitvorhaben des Moduls B im Förderprogramm "Nachhaltiges Landmanagement".
Schließlich widmete sich UP 6 auch im letzten Jahr der Projektlaufzeit der Aufarbeitung von
wissenschaftlichen Ergebnissen aus BEST für die Öffentlichkeitsarbeit in verschiedenen
Formen einschließlich Pflege der Verbundprojekt-Website.
Ergebnisbericht (gesamte Laufzeit 2010-2014)
Erste BEST Regionalkonferenz am 05.04.2011
Regionalkonferenzen mit den Akteuren und Interessenten im Bereich Bioenergie sind ein
wichtiges und zentrales Instrument der Kommunikation und Partizipation in BEST. Von Projektbeginn an sollten die Erfahrungen, Erwartungen und Belange der Anwender in die Gestaltung der wissenschaftlichen Arbeiten einfließen. Die Regionalkonferenzen sollen die gewünschte Partizipation sicherstellen und maßgebliche Akteure im Bereich Bioenergie, stoffliche Biomassenutzung und Landbewirtschaftung in den Ablauf des Verbundprojekts integrieren.
Die erste Regionalkonferenz stand unter dem Titel "Holzige Biomasse im Spannungsfeld
nachwachsender Rohstoffe – Gestaltungsmöglichkeiten in der Bioenergieregion Göttinger
Land" und wurde ganztägig am 5. April 2011 in den Räumen der Energieagentur Göttingen
(Projektpartner in UP 1) durchgeführt. Ziel der Veranstaltung war es, einen intensiven und
konzentrierten Austausch zum Thema in einem relativ kleinen Kreis von etwa 35 eingeladenen Teilnehmern zu ermöglichen.
Der Tag brachte eine sehr intensive Kommunikation und Information in beide Richtungen –
wissenschaftliche Ansätze und erste Ergebnisse aus BEST wurden an die Teilnehmer(innen)
kommuniziert, und aus dem Teilnehmerkreis gab es wichtige und konstruktive Hinweise an
das Projekt zur Ausrichtung seiner weiteren Arbeit. Eine äußerst verdichtete Liste von Anregungen und Anforderungen umfasst:
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Das Projekt soll kleine aber funktionierende Demonstrationsfälle schaffen, die eine echte
Entscheidungsunterstützung für die Praxis bieten können.
Es sollte ein breiteres Optionenspektrum untersucht werden, nicht ausschließlich KUP
sondern zum Beispiel auch die Optionen Energieholznutzung aus Waldrändern und
"Restflächen".
Abnahmewege und Wirkungsgrade sollten konsequent auf ihre Sinnhaftigkeit und ökologische Verträglichkeit hinterfragt werden.
Kritische Flächengrößen für KUP aus naturschutzfachlicher Sicht sind abzuklären.
Untersuchen inwieweit KUP ohne Grünlandumbruch/-verlust realisierbar ist
Insbesondere die Optionen Nutzung von Straßenbegleitgrün (oder Saumstrukturen generell, Potential von > 1000 ha in der Bioenergieregion wird vermutet), Landschaftspflegeholz und Reaktivierung traditioneller Waldbauformen (Nieder- und Mittelwald) wurden
herausgearbeitet.
Für das Potential von Straßenbegleitgrün und Stadt- und Siedlungsgrün (Parks, Gärten)
sollten durch BEST fundierte Analysen für den LK Göttingen durchgeführt werden.
Diese und weitere Anregungen und Aufforderungen aus dem Kreis der Akteure wurden vom
Projekt aufgenommen und intern weiter verarbeitet und diskutiert, insbesondere auf einem
internen Projektseminar das am 07.07.2011 in Göttingen stattfand. Hierbei wurde das Konzept der "Nutzungspfade" für BEST gemeinsam entworfen und definiert, das bei den weite-
375 ren Arbeiten im Verbundprojekt als strukturierendes Prinzip verfolgt und ausgebaut werden
soll.
Zweite BEST Regionalkonferenz am 07.11.2012
Die zweite Regionalkonferenz stand unter dem Titel "Holzige Biomasse als erneuerbarer
Energieträger in Thüringen - Perspektiven und regionale Umsetzung" und wurde ganztägig
am 7. November 2012 in der Bioenergieregion Thüringer Ackerebene (BERTA; Projektpartner in UP 2) durchgeführt. Diese zweite Regionalkonferenz in BEST sollte speziell zur
Analyse konkreter (gerechneter) Szenarien einer 100%-Versorgung mit erneuerbaren Energien in der Partnerregion dienen. Die Datengrundlage für die Szenarienanalyse wurde aus
den drei Landkreisen die zu BERTA gehören im Vorfeld gesammelt. Als Referent konnte der
renommierte Energieexperte Hans-Heinrich Schmidt-Kanefendt von der Ostfalia-Universität
Salzgitter gewonnen werden. Er erarbeitete mit den Bioenergie-Akteuren der Region eine
gemeinsame Definition von gewünschten Szenarien und führte dann entsprechende ad-hoc
Berechnungen mit seinem Modellierungstool „100prosim“ durch. Ziel war die Auslotung der
Möglichkeiten und Grenzen einer 100% erneuerbaren Energieversorgung für BERTA unter
Zusammenführung der Beteiligten vor Ort.
Die Abbildung zeigt eines der Simulationsergebnisse, in diesem Fall die maximal darstellbare
Erzeugung erneuerbarer Energien in der Region (äußerer Ring) in Relation zum gesamten
Energiebedarf (innerer Ring). Die Abdeckung etwa eines Halbkreises durch den äußeren
Ring zeigt, dass bei maximalem und effizientestem Einsatz erneuerbarer Energien etwa 50%
des heutigen Energiebedarfs so substituierbar wären. Über Erhöhung der Energieeffizienz
bzw. über Energieeinsparung wären im besten Fall die übrigen 50% darstellbar (graue Segmente des Innenkreises).
Insgesamt zeigt das Ergebnis, dass die autarke Versorgung einer ländlichen Region wie
BERTA mit 100% erneuerbaren Energien ein sehr ehrgeiziges und anspruchsvolles Vorhaben ist, das nur bei Mobilisierung und erfolgreichem Einsatz aller Optionen annähernd möglich ist. Dabei sind die Voraussetzungen dort noch günstig, weil viel Fläche für die Gewinnung erneuerbarer Energien zur Verfügung steht. In urbaner geprägten Räumen wäre das
schwieriger und die Herausforderung noch wesentlich größer.
Die dritte BEST Regionalkonferenz am 24.04.2014 fand wiederum in der Region Göttingen
statt und war inhaltlich auf diese abgestellt. Kernpunkt war das BEST Beratungstool "BEAST"
für die Szenarienanalyse und –bewertung in Bioenergie-Regionen. BEAST ist ein bleibendes,
376 praxisorientiertes und praxistaugliches Produkt aus BEST. Es wird in diesem Gesamtbericht
ausführlich in den AP-Berichten zu IO-A 3 und IO-A 4 dargestellt.
Für UP 6 als übergeordnetes Koordinationsprojekt sind die Ergebnisse bereits ganz wesentlich im oben stehenden Arbeitsbericht enthalten. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist die Konzeption eines Buches, das als gemeinsame Abschlussveröffentlichung mit dem inhaltlich
verwandten Verbundprojekt AgroForNet (Sprecher Prof. Bemmann, TU Dresden) geplant
wurde. Dieses Buch soll als bleibendes Produkt der Verbundprojekte nach deren Ablauf erhalten bleiben und hat damit einen ähnlich wichtigen Rang wie das bereits geschilderte
BEST-Beratungstool.
Das Buch wird in englischer Sprache erscheinen um auch einem internationalen Fachpublikum zugänglich zu sein. Als Titel wurde "Bioenergy from dendromass for the sustainable
development of rural areas" gewählt. Ein anspruchsvoller wissenschaftlicher Verlag (mit
Peer-Review Prozess) wurde gesucht und mit Wiley VCH gefunden. Der Verlag hat die Veröffentlichung unverzüglich zugesagt. Die Manuskripte der einzelnen Kapitel sind bis Mitte Mai
2014 angefordert worden, und im Oktober dieses Jahres wurde der gesamte peer-review
Prozess erfolgreich abgeschlossen. Das Buch ist bei Erstellung dieses Berichtes im Druck
und wird im Frühjahr oder Sommer 2015 erscheinen.
Die letzten wesentlichen Ergebnisse von UP 6 waren die Organisation und Ausrichtung der
BEST-Abschlusskonferenz vom 30.09. bis 01.10.2014 und die Erstellung des hier vorliegenden Abschlussberichts.
Die Abschlusskonferenz verlief sehr erfolgreich und beinhaltete ein weiteres Produkt unseres
Verbundprojektes, die Informationsbroschüre "Bioenergie in der Region Göttingen". Diese
Broschüre bringt die wissenschaftlichen Ergebnisse aus BEST genau zugeschnitten auf die
Zielgruppe der Anwender an die Fachöffentlichkeit.
Der Abschlussbericht wird Grundlage einer weiteren Fachveröffentlichung sein, die die wichtigsten Ergebnisse aus BEST in einem Artikel der Zeitschrift "Ökologisches Wirtschaften"
synoptisch und integriert darstellt. Autoren werden gemeinsam die Koordinatoren aus UP 6
(Bredemeier und Lamersdorf) und der Sprecher des BEST-Verbundes, Prof. Christian Ammer sein. Der Zeitschriftenbeitrag ist für Juli/August 2015 terminiert.
Zusammenarbeit mit anderen Arbeitspaketen oder externen Forschungsvorhaben
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Eine enge Zusammenarbeit bestand mit den Arbeitspaketen UP1, UP 2, UP 3 und UP 4
bei der Planung, Organisation und Auswertung der drei Regionalkonferenzen.
Mit Arbeitspaket UP 3 wurde laufend an der Weiterentwicklung und Anpassung des
Sharepoints für die projektinterne Kommunikation gearbeitet.
Mit den Arbeitspaketen UP 1 und UP 2 bestand eine intensive Zusammenarbeit zur ständigen Einbindung der Bioenergie-Regionen und ihrer Akteure in das Verbundprojekt und
Sicherstellung der Kommunikation in beide Richtungen.
Das thematisch verwandte, externe Verbundprojekt AgroForNet im Modul B (koordiniert
von der TU Dresden) steht über UP 6 in enger Verbindung zu BEST, um Synergien zu
finden und zu fördern.
o Auf dem AgroForNet Statusseminar an der TU Dresden in Tharandt im Februar 2013
hielt der Antragsteller (Bredemeier) einen Übersichtsvortrag zum Ergebnisstand in
BEST.
o Aufbauend auf diesem Kontakt wurde eine intensive Zusammenarbeit beider Verbundprojekte in der Auswertungsphase vereinbart, die in einer gemeinsamen, begutachteten Buchveröffentlichung zu den Produktionsmöglichkeiten holziger Energiebiomasse zum Ende der Projektlaufzeit mündete.
377 Geplante Ziele
Erreichte Ergebnisse
Fortlaufende Koordination
des BEST-Verbundprojektes
mit 7 thematischen Clustern
und 31 Arbeitspaketen
Koordination wurde wie geplant durchgeführt, zahlreiche
entsprechende Meetings und Kolloquiumsbeiträge organisiert.
Berichtswesen für das Verbundprojekt
Erfolgreich abgeschlossen
- vier Jahreszwischenberichte für 2010-2013 erstellt und
beim Projektträger eingereicht
- hier vorliegenden Abschlussbericht erstellt und eingereicht
Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis und
zu den Anwenderzielgruppen
Drei Regionalkonferenzen mit den Anwendern und Stakeholdern durchgeführt in der Bioenergieregion Göttinger
Land (zweimal, 2011 und 2014) und Thüringer Ackerebene
(einmal, 2012)
Öffentlichkeitsarbeit, Kommunikation und integrierende Publikationen für BEST
- wissenschaftliches Begleitvorhaben fortlaufend mit angeforderten Informationen beliefert
- Website des Verbundprojekts angelegt und gepflegt
- Integrierende abschließende Buchveröffentlichung (gemeinsam mit AgroForNet) organisiert
- Informationsbroschüre zur regionalen Bioenergienutzung
zur BEST-Abschlusskonferenz herausgebracht
Einhaltung des Arbeits-, Zeit- und Finanzplanes
Keine größeren Abweichungen vom Arbeits-, Zeit- oder Finanzplan.
Weiterentwicklung des Verwertungsplans
N.a.
Veröffentlichungen im Rahmen des Arbeitspakets
Michael Bredemeier, Gerald Busch, Linda Hartmann, Martin Jansen, Falk Richter und
Norbert Lamersdorf (2015) Fast growing plantations for wood production – integration of
ecological effects and economic perspectives. Frontiers in Bioscience, in press
C. Ammer, A. Bemmann, M. Bredemeier, D. Butler Manning & N. Lamersdorf (2015) Introduction (to the book). In: Bioenergy from dendromass for the sustainable development of
rural areas. Wiley Verlag, in press
C. Ammer, M. Bredemeier & N. Lamersdorf (2015) Introduction to BEST. In: Bioenergy from
dendromass for the sustainable development of rural areas. Wiley Verlag, in press
378