Assessment of the regional suitability of short rotation coppice in Germany

Abstract

According to the 2015 climate negotiations in Paris, it is evident that climate change can only be reduced by international efforts to decrease greenhouse gas emissions. To achieve the “2°C-target”, or rather the optional “1.5°C-target”, international agreements have to be implemented into national strategies. In previous years, similar efforts have brought about an increase in the development of renewable energies. This advance was guided by the intention to minimize CO2-emissions. The future intended objectives, such as the decarbonization of the world economy by 2100, will promote the development of renewable energies. At the present time, biomass as a renewable energy carrier covers the lion’s share of Germany’s sustainable energy production. This infers that the biomass share will increase due to the increased focus on climate objectives. In this context, woody biomass has a key role, since 87% of renewable heat production in 2014 is related to this energy carrier. To ensure and enhance the supply with this resource, for some time past, short rotation coppices were applied to field sites in Germany. In this practice, fast-growing tree species such as willow or poplar are cultivated in a harvesting cycle of three to five years. After the indicated growing period, the harvest occurs in winter, to allow for tree regrowth to begin in the following spring. However, the use of short rotation coppices is controversial as it’s debatable if this cultivation practice meets sustainability criteria. This discussion mainly focuses on the possible negative impacts to the water balance. But, concrete numbers regarding the regional or supra-regional influences are missing as well as universal results on a local level. This dissertation investigates partial aspects regarding sustainability and influences on the water cycle with this type of cultivation, in order to generate representative statements. These statements are directly related to the following issues: sustainable treatment of land and water resources, identification of suitable und unsuitable regions for cultivation, as well as the analysis and quantification of influences, particularly the sensitive components of the water balance. Literature survey research shows that the establishment of short rotation coppices could derive positive effects. Such effects could be an enhancement of habitat variety in agricultural marked regions, an increase of the nutrient retention potential, as well as optimized management operation on drained field sites. This behavior implies that multiple win-win situations could arise through sustainable use. However, not every region in Germany is equally suitable for this cultivation. Based on the plant available water, a Germany-wide suitability assessment was established on a regional scale. In the process it was shown that the approaches of Murach et al. (2009) and Aust (2012) could be significantly enhanced by their combination and an adjustment of the evapotranspiration calculation. With this enhancement, it could be proven that the Northern German Plain provides a particularly high suitability for woody biomass production in short rotation coppice. This is especially true in areas of high groundwater levels, which enhance the plant available water. Further, this marks the area as a priority to future intensified cultivation, which implies an increased influence on the water balance in this region. To quantify the effects, four focus areas were defined as hydrological basins, which characterizing the Northern German Plain. Such focus areas are the basins of Ems, Treene, Aland as well as the river system of Uecker, Randow and Welse. After a successful calibration and by using plant parameters, estimated by the Eberswalde University for Sustainable Development in the research project AGENT, different scenarios of willow and poplar cultivation in short rotation coppices (SRC) were applied and calculated in the hydrological model SWAT. The results show that the influence on the regional water cycle is insignificant if up to 10% of the suitable agricultural area is converted. If applied in the specified scale, the establishment of SRC is irrelevant regarding the influences on regional scale. However, influences on the local level due to cultivation are much more considerable. If willow or poplar SRCs are cultivated, the results confirm, that the actual evapotranspiration is exceeding compared to conventional crops. Further, the results for this scale also show a decrees of groundwater recharge, surface runoff and base flow. These are consequences out of the behavior of water consumption and other framework conditions. The change of these conditions due to climate change, should be focused in further research to determine the future effects of this cultivation.

Auch nach den jüngsten „Klimaverhandlungen“ in Paris 2015 zeigt sich, dass der Klimawandel nur mit einer einzelnen internationalen Strategie zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen gebremst werden kann. Um das avisierte „2°C-Ziel“ oder gar das optionale „1,5°C-Ziel“ zu erreichen, müssen die internationalen Übereinkünfte in nationale Strategien umgesetzt werden. Schon in den vergangenen Jahren und Jahrzenten haben ähnliche Bemühungen zu einem verstärken Ausbau der erneuerbaren Energien beigetragen, mit der Absicht den CO2-Ausstoß zu vermindern. Die zukünftig angestrebten Ziele, wie das der „Dekarbonisierung“ der Weltwirtschaft bis 2100, werden den Ausbau regenerativer Energien weiter vorantreiben. Schon heute stellt Biomasse als regenerativer Energieträger den größten Beitrag für die nachhaltige Energiegewinnung in Deutschland und so ist anzunehmen, dass dieser Anteil, bei Verfolgung der „Klimaziele“, in den kommenden Jahren weiter ausgebaut wird. Gerade holzartige Biomasse spielt in diesem Kontext eine entscheidende Rolle, da durch sie schon im Jahr 2014 87% der gewonnen regenerativen Wärmeenergie bereitgestellt wurde. Um die Versorgung mit diesem Rohstoff zu sichern und weiter auszubauen, werden seit einiger Zeit in Deutschland sogenannte Kurzumtriebsplantagen auf Ackerstandorten realisiert. In dieser Anbauform werden schnell wachsende Gehölze wie Weiden oder Pappeln in einem drei- bis fünfjährigen Erntezyklus angebaut. D.h. nach einer Aufwuchsphase in der angegebenen Größenordnung werden die Bäume meist im Winter geerntet und treiben im kommenden Frühjahr wieder aus. Inwiefern diese Anbauweise jedoch verschiedenen Nachhaltigkeitskriterien entspricht, wird in der Fachwelt sehr kontrovers diskutiert. Diese Diskussion wird vor allem durch mögliche negative Auswirkungen auf den Wasserhaushalt angefacht. Jedoch fehlen bislang konkrete Zahlen zur regionalen bzw. überregionalen Einflussnahme sowie allgemeingültige Ergebnisse für die lokale Ebene. Um im Kontext dieses Themengebietes weiterführende Aussagen zur Nachhaltigkeit und zur Beeinflussung von Wasserhaushaltskomponenten durch diese Kulturen zu generieren, werden im Rahmen dieser Dissertation verschiedene Teilaspekte untersucht. Diese beziehen sich auf die Einflussnahme dieser Kulturen auf den nachhaltigen Umgang mit den Ressourcen Anbaufläche und Wasser, die Identifizierung von Gunst- und Ungunst- Regionen für die Etablierung dieses Anbaus, sowie die Analyse und Quantifizierung des Einflusses auf verschiedene besonders sensitive Wasserhaushaltskomponenten. Die durch eine Literaturstudie gewonnenen Informationen zeigen, dass sich aus der Etablierung von Kurzumtriebsplantagen unterschiedliche positive Effekte auf den Naturraum ableiten lassen. So zeigen sich u.a. Verbesserungen der Habitatvielfalt in durch Landwirtschaft geprägten Regionen, positive Effekte auf die Retention von Nährstoffen sowie große Chancen in der Managementoptimierung von stark gedränten Ackerstandorten. Dies impliziert, dass aus einer nachhaltigen Nutzung eine Vielzahl von win-win- Situationen erwachsen kann. Jedoch ist nicht jede Region in Deutschland gleichermaßen für den Anbau geeignet. Basierend auf dem Transpirationswasserdargebot wurde die Anbaueignung deutschlandweit im regionalen Maßstab ausgewiesen. Hierbei zeigte sich, dass die Ansätze von Murach et al. (2009) und Aust (2012) durch Kombination und Anpassung der Evapotranspirationsberechnung deutlich verbessert werden konnten. Mit Hilfe dieser verbesserten Methodik konnte nachgewiesen werden, dass das Norddeutsche Tiefland eine besonders hohe Eignung für den Anbau holzartiger Biomasse im Kurzumtrieb bietet. Dies hängt insbesondere mit den hier häufig hohen Grundwasserständen zusammen, welche das Transpirationswasserdargebot für die Pflanzen deutlich erhöhen. Somit ist das Norddeutsche Tiefland als Schwerpunkt für einen zukünftig intensivierten Anbau auszumachen, welches auch einen steigenden Einfluss auf den Wasserhaushalt dieser Region mit sich bringt. Um diese Auswirkungen zu quantifizieren wurden vier Schwerpunktregionen anhand von hydrologischen Einzugsgebieten ausgewiesen, welche das Norddeutsche Tiefland charakterisieren. Bei diesen Regionen handelt es sich um die Einzugsgebiete von Ems, Treene, Aland sowie des Flusssystems von Uecker, Randow und Welse. Nach erfolgreicher Kalibrierung und mit Hilfe von Pflanzenparametern, welche im Rahmen des Forschungsprojektes AGENT durch die Hochschule für Nachhaltige Entwicklung Eberswalde bestimmt wurden, konnten verschieden Szenarien für einen Anbau von Weiden und Pappeln mit dem hydrologischen Modell SWAT gerechnet werden. Es zeigte sich, dass der Einfluss auf den regionalen Wasserhaushalt bei einer Nutzung von bis zu 10% der geeigneten Anbaufläche keine signifikanten Veränderungen aufweist. Was den Anbau der genannten Kulturen im Kurzumtrieb und für die angegebenen Größenordnungen im regionalen Kontext des Wasserhaushaltes als unerheblich beschreibt. Jedoch ist die Einflussnahme auf den lokalen Wasserhaushalt weitaus deutlicher. Werden Weiden- oder Pappel-Kurzumtriebsplantagen etabliert, so bestätigen die Ergebnisse eine Zunahme der aktuellen Evapotranspiration im Vergleich zu konventionellen Anbaukulturen. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse auch eine Abnahme der Grundwasserneubildung, des Oberflächenabflusses sowie des Basisabflusses. Dies sind Auswirkungen, die auf den Wasserverbrauch und andere Rahmenbedingungen zurückzuführen sind. Bedingt durch den Klimawandel werden sich diese Rahmenbedingung ändern, was zum Gegenstand zukünftiger Forschung werden sollte, um die zukünftigen Auswirkungen des Anbaus besser abschätzen zu können.