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Martina Zacios und Lothar Zimmermann
Hydrologische Aspekte von Pappel-Kurzumtriebsplantagen - LWF Wissen 79

Eine Kurzumtriebsplantage entwickelt sich bedeutend schneller als ein Wald, da vorzugsweise Baumarten mit rasantem Jugendwachstum angebaut werden, entsprechend dynamisch entwickelt sich ihr Wasserhaushalt. Am Beispiel eines Trinkwasserschutzgebiets im Voralpenland werden Wasserhaushalts- und Stoffbilanzen für eine Pappel-KUP sowie für konventionelle landwirtschaftliche Nutzung über einen Zeitraum von vier Jahren vorgestellt.

Der Wasserhaushalt wurde zum einen aus Messungen, zum anderen mit dem bodenhydrologischen Modell LWF-BROOK90 hergeleitet. Die Grundwasserneubildung unter Pappel war je nach Bestandesalter und Witterung um 35 bis 60 % gegenüber einjährigen Ackerkulturen reduziert. Da die Evapotranspiration mit dem Alter der Bäume zunimmt, kann über kürzere Umtriebszeiten von maximal vier bis fünf Jahren diesem Effekt etwas entgegengewirkt werden.

Die Nitrateinträge ins Grundwasser werden gegenüber konventionell bewirtschafteten landwirtschaftlichen Flächen deutlich reduziert, da je nach Standort bei Kurzumtriebsplantagen fast ganz auf eine Düngung verzichtet werden kann. Der Eintrag an Nitrat-Stickstoff in den Trinkwasserkörper ist unter der KUP 70 bis 76 % niedriger. Abweichungen im ersten Jahr erklären sich durch Nachwirkungen eines vorausgehenden Grünlandumbruchs.

Eine teilweise Ernte der Pappeln im Januar 2013 zeigte keine nennenswerten zusätzlichen Stoffverlagerungen in die Tiefe. Die Anlage für KUP auf landwirtschaftlichen Gebieten kann nicht nur für den Grundwasserschutz, sondern auch für den Gewässerschutz allgemein sowie für Hochwasser- und Erosionsschutz nützlich sein.


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Die wertvolle Ressource Wasser, sei es Grund-, aber auch Oberflächenwasser, ist verschiedenen Gefahren der Verunreinigung ausgesetzt. Besonders hervorzuheben sind dabei Stickstoffverbindungen (im wesentlichen Nitrat) und Pflanzenschutzmittel (PSM), von denen aufgrund ihres flächenhaften Eintrags eine wesentliche Beeinträchtigung der Grundwasserqualität ausgehen kann (BayLfU 2014).

Für Nitrat wird der gemäß Grundwasserverordnung geltende Schwellenwert in Höhe von 50 mg/l in Bayern im Rohwasser von etwa 3 % der untersuchten Wassergewinnungsanlagen überschritten. Weitere 16 bis 20 % der Anlagen bzw. gleichzeitig auch der gewonnenen Wassermenge verteilen sich auf die Belastungsklassen zwischen 25 und 50 mg/l und sind somit als mäßig bis stark belastet einzustufen. Mit Blick auf die Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie sind daher laut LfU (Bayerisches Landesamt für Umwelt) weitergehende Maßnahmen erforderlich.
Bayern setzt dabei auf ergänzende Maßnahmen im Rahmen des Bayerischen Kulturlandschaftsprogramms und eine entsprechende Beratung, um die Stickstoffeinträge zu vermindern und damit für eine Verbesserung der Nitratsituation im Grundwasser zu sorgen.

Durch eine Extensivierung der Landnutzung mittels der Anlage einer Kurzumtriebsplantage (KUP) können die Nitrateinträge ins Grundwasser gegenüber gedüngten Flächen, sei es Acker aber auch intensiv bewirtschaftetes Grünland, deutlich reduziert werden, da je nach Standort während der KUP-Bewirtschaftung größtenteils oder gar ganz auf eine Düngung verzichtet werden kann.

Verglichen mit konventioneller Ackernutzung ist auf KUP-Flächen auch der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln beispielsweise zur Unkrautregulierung in der Begründungsphase deutlich geringer. KUP sind damit eine geeignete Landnutzung, um Stoffeinträge in das Grundwasser zu minimieren.

Hauptthema dieses Beitrags aus dem Projekt »Ökologische und ertragskundliche Aspekte von Kurzumtriebsplantagen bei Kaufering (KLIP11)« ist daher die Hydrologie einer Pappel-Kurzumtriebsplantage darzustellen. Zum einen quantitativ, d. h. wie ändert sich die Grundwasserspende, zum anderen qualitativ, wie ändern sich die Stoffkonzentrationen sowie die Stoffausträge, die in den Grundwasserkörper gelangen.

Die Erfahrungen haben gezeigt, dass nur aus dem Zusammenspiel von möglichst langen Messreihen und Modellierung fundierte Aussagen sowohl über den Wasser- als auch über den Stoffhaushalt der sehr wuchsdynamischen Kurzumtriebsbewirtschaftung bis über die erste Ernte hinaus abgeleitet werden können.

Untersuchungsgebiet Kaufering

Landkarte Bayerns, auf der das Untersuchungsgebiet räumlich dargestellt wird.Zoombild vorhanden

Abb.1: Zur räumlichen Einordnung des Untersuchungsgebietes (Grafik: LWF)

Das Untersuchungsgebiet liegt im Gemeindegebiet Kaufering (Landkreis Landsberg am Lech, Bezirk Oberbayern; Topografische Karte 7931 NW-Quadrant; 10,882°– 10,891° Ost, 48,079°– 48,080° Nord). Die Versuchsfläche liegt auf ca. 620 m ü. NN. Die Jahresmitteltemperatur beträgt 7,4 °C, der mittlere jährliche Niederschlag 972 mm (DWD-Station Penzing Periode 1961–1990). Als Grasreferenzverdunstung (ETpot) wird für diese Klimaperiode ein Bereich von 500 – 525 mm/a angegeben. Die klimatische Wasserbilanz liegt bei zwischen 400 – 600 mm/a (BMU 2003).

Das Untersuchungsgebiet befindet sich östlich des Lechs auf der Lechhochterrasse zwischen Kaufering und Landsberg (Abbildung 1). Landschaftsgenetisch gehört die Fläche zum Bayerischen Alpenvorland. Es finden sich quartäre Lösslehme über risszeitlichen Moränen. Die Lössauflagen erreichen mehrere Meter Mächtigkeit. An den steilen Abbrüchen zum Lech wird die Obere Süßwassermolasse angeschnitten.

Das Trinkwasserschutzgebiet der Gemeinde Kaufering und somit auch die Intensiv-Messflächen liegen auf einem sehr ertragreichen Löss-Standort. Durch die extensivierte Landnutzung in Teilen des sonst sehr intensiv landwirtschaftlich genutzten Trinkwassereinzugsgebiets erhofft sich die Gemeinde einen Rückgang der Nitratkonzentration in ihrem Trinkwasser (derzeit 30 mg/l). In der Regel werden Kurzumtriebsplantagen jedoch nicht auf solch ertragreichen Böden angelegt.
Bodenprofil eines Lössbodens, mit Maßband

Abb.2: Bodenprofil am Standort "Löss"

Bodenprofil eines Schotterbodens, mit Maßband

Abb.3: Bodenprofil am Standort "Schotter"

Flächen auf Grenzertragsstandorten bieten sich aufgrund der Genügsamkeit der Pappeln besonders an, zumal wenn wie im Raum Landsberg ausreichende Niederschläge vorhanden sind. Seit 2013 werden deshalb im Rahmen des Projekts auch Untersuchungen (Transpiration, Infiltration, Flora und Fauna) auf einem flachgründigen, mageren und trockenen Schotterstandort im Westen Kauferings, Unteriglinger Lechstufe, durchgeführt. Bei diesem Standort ist neben dem Wasserverbrauch der Bäume besonders ihre Reaktion auf etwaigen sommerlichen Wassermangel interessant.

Der Schwerpunkt der Kauferinger Erhebungen liegt in einem Trinkwasserschutzgebiet. Die Untersuchungen zum Wasser- und Stoffhaushalt werden an einer auf vormaligem Dauergrünland angelegten Kurzumtriebsplantage durchgeführt. Im April 2008 wurden auf drei Hektar, nach einem Grünlandumbruch, Stecklinge des Pappel-Hybriden Max3 (Populus maximowiczii × P. nigra) mit einem Pflanzabstand von 1 m auf 2 m Reihenabstand gesetzt.

Um Konkurrenzen zwischen den jungen Pappeln und der Begleitvegetation, vor allem während der Anwuchsphase, zu minimieren, wurde ein Totalherbizid sowie ein Vorauflaufmittel, zur Vermeidung der Keimung im Boden verbliebener Samen, auf der Fläche aufgebracht. Diese Fläche wird deshalb im Folgenden ggf. mit dem Kürzel »KUP konv.« (KUP konventionell) versehen.

Um die Unterschiede zwischen der Kurzumtriebsbewirtschaftung und konventionellem Ackerbau ermitteln zu können, werden die relevanten Parameter vergleichend auf einer angrenzenden landwirtschaftlichen Referenzfläche erfasst.
Dieser benachbarte Referenzacker war im Aufnahmezeitraum 2009 bis 2014 mit der regional üblichen Fruchtfolge Winterweizen – Sommerweizen – Mais – Winterweizen – Grünroggen – Mais bestellt.
Tabellen zu den Bodeneigenschaften der Standorte
         
         
         
         
         
         
Tabelle 1: Bodeneigenschaften am Löss-Standort im Trinkwasserschutzgebiet Kaufering
Bodentiefe [cm] Horizont [%] Sand [%] Schluff [%] Ton [%] Kies [%] Trockenraumdichte[g/cm3] Gehalt an organischem Kohlenstoff [%] Kohlenstoff/
Stickstoffverhältnis
0-25 Ap 24,7 55,7 18,3 1,3 1,34 1,41 8,5
25-40 AP-Bv 27,9 47,1 24,8 0,2 1,56 0,59 7,2
40-70 Bt-Bv 21,9 47,1 30,5 0,5 1,40 0,47 6,2
70-90 Sw-Bv1 19,2 49,9 28,7 2,2 1,56 0,42 7,1
90-110 Sw-Bv2 15,7 52,1 31,2 1,52 1,52 0,32 8,7
         
         
         
         
         
Tabelle 2: Bodeneigenschaften am Schotter-Standort westlich von Kaufering
Bodentiefe [cm] Horizont [%] Sand [%] Schluff [%] Ton [%] Kies [%] Trockenraumdichte[g/cm3] Gehalt an organischem Kohlenstoff [%] Kohlenstoff/
Stickstoffverhältnis
0-20 Ap 24,4 35,2 31,8 8,7 1,71 3,7 9,6
20-35 Bvt 25,9 21,8 25,1 27,1 1,7 8,9
34-45 BvII-Cv 38,6 12,5 18,0 30,8 1,81 0,3 6,0
>45 Cn 43,9 12,8 11,9 31,4 1,70 0,2 9,5

Messmethoden und Wasserhaushaltsmodellierung

Um Wasserflüsse in der KUP berechnen zu können, ist die Parametrisierung eines Wasserhaushaltsmodells notwendig. In der Literatur sind die zur Verfügung stehende Datengrundlagen, sowohl deutschlandweit als auch international, sehr dünn. Daher sind intensive Geländeerhebungen nötig, um zu belastbaren Modellergebnissen zu gelangen. Zu diesem Zweck wurde zwischen 2009 und 2015 ein hydrologisches Monitoring- System auf den Versuchsflächen eingerichtet.

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Wasserbilanzen KUP und Acker

Eine KUP entwickelt sich bedeutend schneller als ein Waldbestand, da vorzugsweise Baumarten mit rasantem Jugendwachstum angebaut werden. Innerhalb von sieben Jahren hat sich aus einem brache-ähnlichen Zustand mit 1–2 m hohen Trieben ein Niederwald mit beträchtlichen Baumhöhen von im Mittel 12 m nach der siebten Vegetationsperiode entwickelt. Entsprechend dynamisch verhält sich auch der Wasserhaushalt einer KUP. Dieser wird neben dem Bewirtschaftungsstadium auch von den Witterungsverhältnissen während des Jahres beeinflusst.

Zur besseren Interpretierbarkeit sollen an dieser Stelle nochmals die Witterungsverhältnisse im Modellierungszeitraum in Erinnerung gerufen werden. 2010 und 2013 waren mit 1.000 bzw. 1.007 mm relativ niederschlagsreiche Jahre wohingegen im warmen Jahr 2012 mit 884 mm sowie im Jahr 2014 mit 776 mm deutlich weniger Niederschlag als im langjährigen Mittel (970 mm) zur Verfügung standen.

Auf Basis der oben beschriebenen Informationen zu Pflanzenparametern (Durchwurzelung, Blattfläche) sowie den gemessenen hydrologischen Größen (Niederschlag, Transpiration, Bodenwassergehalt) konnten mit dem so angepassten bodenhydrologischen Model LWF-BROOK90 die Wasserbilanzen der KUP- sowie der Ackerfläche für die hydrologischen Jahre (jeweils Oktober bis November) 2010 bis 2013 (Acker) bzw. bis 2014 (KUP) berechnet werden. Für die Jahre 2013 und 2014 wurden auf der KUP-Fläche zwei Varianten berechnet, einmal mit frisch geernteten Bestand (E) und einmal mit sechs- bzw. siebenjährigem Bestand (B).

Diese Ergebnisse sowie die unterschiedlichen Einflüsse von Flächennutzung bzw. Bestandsalter sollen im Folgenden besprochen werden.

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Wasserhaushalt
Während der Kalibrierungsphase der Wasserhaushaltsmodellierung konnten die gemessenen Bodenwassergehalte in den verschiedenen Tiefenstufen der beiden Landnutzungen sehr gut bis gut nachvollzogen werden. Die Bodenwasserdynamik innerhalb des Bodenprofils wird im Modell gut abgebildet. Auch die berechnete Interzeption zeigte zufriedenstellende Übereinstimmungen mit der aus den Messungen des Bestandsniederschlags abgeleiteten Interzeption im Gelände.

Ebenso zeigen die ersten Ergebnisse der Transpirationsmessungen, dass die berechnete Transpiration im Modell LWF-BROOK90 plausibel abgebildet wird.

Im Vergleich zu anderen Studien wird die Interzeption mit im Mittel 9,5 % des Jahresniederschlags oder knapp 95 mm in Kaufering eher niedriger eingeschätzt. Petzold et al. (2010) geben durchschnittliche Interzeptionsraten von 176 mm bzw. knapp 25 % des Jahresniederschlags an, ähnliche Werte ermittelte auch Schmidt-Walter et al. (2012) mit 168 mm bzw. 25 % des Niederschlags. Murach et al. (2008) beschreiben auf den im Rahmen des DENDROM-Projekts untersuchten Pappel- Kurzumtriesplantagen höhere Interzeptionsraten mit 171 mm (27 %) im neun- bzw. 118 mm (20 %) im dreijährigen Bestand.

Da die Interzeption in Kaufering über den gemessenen Bestandsniederschlag zufriedenstellend validiert worden ist, kann diese dennoch als gegeben erachtet werden. Möglicherweise hat das Niederschlagsregime, das heißt der Unterschied zwischen der Art der Niederschläge einen Einfluss auf die Interzeption. Großtropfige Gewitterniederschläge im Alpenvorland stehen kleinertropfigen Niederschlägen im mittelsächsischen Lösshügelland gegenüber. Letztere führen zu einer erhöhten Interzeption in Sachsen. Dem gegenüber stehen die für Kaufering wiederum höher berechneten Bodenevaporationswerte von 250 mm oder 27,7 %.

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Auf den sächsischen Standorten von Petzold et al. nehmen diese im Mittel Werte von 115,5 mm an, mit 76 mm liegen Schmidt-Walter et al. (2013) sogar noch darunter. Mit knapp über 100 mm (16,5 %) bzw. 120 mm (21 %) im neun- bzw. dreijährigen Bestand weisen die KUP bei Murach et al. (2008) ähnliche Werte auf. Die Unterschiede in der Bodenevaporation lassen sich über die größere Wasserverfügbarkeit auf den Kauferinger Standorten erklären, welche die höheren Verdunstungsraten ermöglicht. In der Summe gleichen sich diese beiden Wasserhaushaltskomponenten wieder einander an.

In Kaufering ergeben sich Summen von Interzeption und Bodenevaporation von im Mittel 330 mm. Gegenüber 240 mm auf dem Weidenbestand bei Schmidt-Walter et al. (2013), 323 mm bis 254 mm auf von Petzold et al. (2010) beschriebenen sächsischen KUP-Standorten und den 270 bzw. 240 mm der Untersuchungen von Murach et al. (2008) sind die Unterschiede, besonders wenn das deutlich höhere Wasserangebot auf den Kauferinger Flächen berücksichtigt wird, als vernachlässigbar zu bezeichnen.

Die für die Kauferinger Flächen berechnete Transpiration von im Mittel 370 mm pro Jahr im fünfjährigen Umtrieb und 430 mm bis zur siebten Vegetationsperiode kann durch die Modellergebnisse für den Tharandter Standort mit einer ähnlichen Jahresniederschlagssumme von 957 mm gegenüber 932 mm in Kaufering bestätigt werden. Petzold et al. (2010) berechneten dort eine jährliche Transpiration von im Mittel 453 mm. Zum Teil deutlich niedrigere Werte weisen die Studien von Schmidt-Walter et al. (2013) und Murach et al. (2008) mit im Mittel 256 bzw. 222 mm auf.

Das Angebot an Niederschlag bestimmt also maßgeblich die Menge transpirierten Wassers. Die aus den Wasserhaushaltsberechnungen ermittelten Raten der Grundwasserneubildung können sehr gut mit jenen in Tharandt bei ähnlichen Niederschlagsverhältnissen verglichen werden. Bei Petzold et al. (2010) ergibt sich demzufolge im langjährigen Mittel eine Grundwasserneubildung von 204 mm gegenüber den in Kaufering für die Jahre 2010 bis 2014 unter beiden Bewirtschaftungsvarianten ermittelten mittleren Grundwasserneubildungsraten von 209 mm.

Zwar haben KUP erst bei größeren Flächenanteilen messbare Auswirkungen auf den Wasserhaushalt eines Gebiets, vor einem großflächigen Anbau, besonders in Bereichen mit geringer Grundwasserneubildung sollten daher wasserwirtschaftliche Aspekte berücksichtigt werden. Andersherum betrachtet kann die größere Ausschöpfung des Bodenwasserspeichers durch die KUP-Bäume auch durchaus gewünschte Effekte fördern.

Bei Hochwasser oder erosionswirksamen Starkregenereignisse in den Sommer- und Herbstmonaten kann der Boden viel Wasser aufnehmen und in der Fläche zurückhalten. Auch Flächen, die zur Vernässung neigen und dadurch oftmals schlecht zu befahren sind, bieten sich für eine KUP-Nutzung an. Pappeln als klassische Auen-Bewohner können mit einem gewissen Grad an Feuchtigkeit gut umgehen und kommen auch mit einer kurzfristigen Überschwemmung gut zurecht.

Stoffausträge
Die Unterschiede der Stoffausträge unter den Kauferinger Flächen KUP und Referenzacker sind maßgeblich gesteuert von der ausbleibenden Düngung auf der KUP. Die Unterschiede zwischen den Jahren sind auf die sehr unterschiedlichen Witterungsverhältnisse, besonders auf die unterschiedlichen Jahresniederschlagssummen, zurückzuführen.

Die aus den berechneten Sickerwasserraten sowie den gemessenen 14- tägigen Nitratkonzentrationen abgeleiteten Stoffausträge unter KUP zwischen 3,5 und 9,6 kg/ha in den Jahren 2011 bis 2014 liegen niedriger als die von Schmidt- Walter et al. (2013) berechneten Werte von im Mittel 16,5 kg/ha für das Jahr 2010, wohingegen der noch vom Grünlandumbruch im Jahr der Anlage geprägte N-Austrag im Jahr 2010 demgegenüber erhöhte Werte aufweist.

Mortensen et al. (1998) fanden lediglich einen N-Austrag 2 kg/ha auf einer gedüngten Weiden-KUP. Aronsson und Bergström (2001) berechneten dagegen 150 kg/(ha*Jahr) im ersten Jahr nach der Anlage einer Weiden-KUP. Untersuchungen von Dimitriou und Aronsson (2005) auf einer ebenfalls gedüngten Weiden-KUP ergaben einen Austrag von 90 kg/(ha*Jahr) auf sandigen Böden.

Auf eine deutliche Reduktion der Stoffausträge bei ausbleibender Düngung der KUP kann auf Grundlage der Kauferinger Erhebungen ohne Zweifel geschlossen werden.

Ackerbauliche Nutzung am Uferrand oder im Überschwemmungsbereich auch kleinerer Fließgewässer birgt besonders während Hochwasserereignissen die Gefahr von erhöhten Stoffeinträgen in den Bach- oder Flusslauf. Die oben beschriebenen positiven Effekte bezüglich der Einträge gelöster oder erodierter Stoffe in Gewässer können im Uferbereich von Oberflächengewässern genutzt werden.

Bei fehlender natürlicher Ufervegetation können Kurzumtriebsplantagen in Gewässerrandstreifen, erodiertes Bodenmaterial zurückhalten und somit den oberflächigen Eintrag von Sedimenten und daran gebundener Nährstoffe in das Fließgewässer abpuffern (Bärwolff et al. 2013; Fürstenau 2014). Wie oben beschrieben, wirkt sich das Ausbleiben der Düngung auch und insbesondere in unmittelbarer Gewässernähe positiv auf die Stoffeinträge in das Fließgewässer aus.

Darüber hinaus fördert die langjährige Bodenruhe eine gesteigerte Wasser- und Stoffhaltefähigkeit des Bodens. Angereicherte Stoffe können durch das ausgeprägte Wurzelsystem der Bäume auch aus tieferen Regionen des Bodens entzogen werden.
Diffuse Stoffeinträge durch Uferinfiltration können so ebenfalls deutlich reduziert werden.

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