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Martina Zacios und Lothar Zimmermann
Hydrologische Aspekte von Pappel-Kurzumtriebsplantagen am Beispiel Kaufering - Wasserbilanz KUP und Acker - LWF Wissen 79

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 bracheähnlichen 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.

Einfluss der Flächennutzung auf die Wasserbilanz

Bevor auf die Wasserbilanzen der beiden Landnutzungsformen eingegangen wird, werden zunächst die Evapotranspiration als Summe aus Transpiration, Interzeption sowie die Bodenevaporation und anschließend die berechnete Grundwasserneubildung von Kurzumtriebsplantagen und Acker separat besprochen.

Der größte Unterschied zwischen den beiden Landnutzungsformen liegt erwartungsgemäß im Wasserbedarf der beiden Kulturen. Neben den Jahresniederschlägen, also dem Wasserdargebot spiegeln sich auch andere klimatische Gegebenheiten besonders während der Vegetationsperiode wie Sommertemperaturen und Sättigungsdefizit der Atmosphäre im Wasserbedarf aller Kulturen wider. In Abbildung 1 sind die berechneten Summen der Evapotranspiration in Litern pro Quadratmeter für Acker (orange) sowie Kurzumtriebsplantagen (grün) aufgetragen.

Für die Ackerfläche wurden Summen der Evapotranspiration zwischen 530 mm im Jahr 2010 und 610 mm im Jahr 2011 berechnet. Sie liegen damit rund 200 mm niedriger als die für die 3. bis 5. Vegetationsperiode der Pappeln (2010 bis 2012) berechneten Summen von 720 bis 804 mm. Etwas differenzierter sind hier die unterschiedlichen Bewirtschaftungsstadien der Kurzumtriebsplantagen ab dem Jahr 2013 zu betrachten. Liegt die Gesamtverdunstung der frisch geerntete KUP (E) nur knapp 100 mm über jener des Ackers so weist der sechsjährige Bestand (B) mit 745 mm einen um rund 275 mm höheren Wasserverlust auf als die Ackerfläche mit 470 mm.
Diagramm der Evapotranspiration auf Acker und KUP

Abb.1: Evapotranspiration

Gegenüberstellung der Grundwasserneubildung

Abb.2: Grundwasserneubildung

Diagramm der Wasserbilanzen unter KUP

Abb.3: Wasserbilanz unter KUP

Diagramm der Wasserbilanz unter Acker

Abb.4: Wasserbilanz unter Acker

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Die Grundwasserneubildung wird maßgeblich durch die dargelegten Prozesse und damit einhergehend auch von den Witterungsverhältnissen bestimmt. Die berechnete Grundwasserneubildung (GWN) von Acker und Kurzumtriebsplantagen während des Untersuchungszeitraums sind in Abbildung 2 einander gegenübergestellt. Abhängig von den Witterungsbedingungen des Betrachtungszeitraums liegt die Grundwasserneubildung unter Acker zwischen 277 mm im trockenen Jahr 2012 und 571 mm im kühlen, niederschlagsreichen Jahr 2013.

Die GWN unter Kurzumtriebsplantagen schwankt im gleichen Zeitraum zwischen 113 mm (2012) und 373 bzw. 281 mm unter dem geernteten bzw. dem sechsjährigen Bestand. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich eine Reduktion der Grundwasserneubildung um 160 mm im fünfjährigen Bestand (2012) bis 290 mm im sechsjährigen Bestand 2013. Die KUP-Bewirtschaftung bewirkt je nach Bestandsalter und Witterungsverhältnissen eine Reduktion der Grundwasserneubildung von 35 bis 60 % gegenüber einjährigen Ackerkulturen.

Im Mittel liegt die Grundwasserneubildung unter dem Acker im Untersuchungszeitraum 2010 bis 2013 bei 436 mm, unter Kurzumtriebsplantagen beträgt sie 250 mm im fünfjährigen Umtrieb bzw. 216 mm unter dem 2013 sechsjährigen Bestand. Dies entspricht einer mittleren Abnahme der Grundwasserneubildung von 43 bzw. 51 % unter KUP.

Die Wasserbilanzen der Jahre 2010 bis 2013 sind für KUP in Abbildung 3, für Acker in Abbildung 4 dargestellt. Gezeigt werden jeweils Interzeption (Modellbezeichnung in LWF-BROOK90: INT), Transpiration (Modellbezeichnung TRAN), Bodenverdunstung (Modellbezeichnung SLVP), Grundwasserneubildung (GWN) sowie die Änderung im Bodenwasserspeicher (Modellbezeichnung BS) jeweils anteilig am Jahresniederschlag [%]. Mit Anteilen zwischen 23 und 50 % des Jahresniederschlags fällt die Transpiration (TRAN) als dominierende Größe des modellierten Wasserhaushalts der KUP auf (Abbildung 3).

In allen Jahren liegen die transpirierten Wassermengen deutlich über jenen der Ackerfläche mit Werten zwischen 20 % (2013) und 32 % (2012). Die Interzeption (INT), also die Verdunstung des Niederschlagswassers von der Pflanzenoberfläche, auf dem Acker unterscheidet sich nicht deutlich zwischen den Jahren (Abbildung 4). Diejenige der KUP hingegen nimmt analog zur maximalen Blattfläche der Pappeln mit zunehmendem Alter zu und liegt mit Ausnahme des frisch geernteten Bestands 2013 durchgehend über jener der Ackerfläche.

Durch die bewirtschaftungsbedingt längeren Phasen offenliegenden Bodens ist die Verdunstung von der Bodenoberfläche (Modellbezeichnung SLVP) auf Acker gegenüber der KUP durchschnittlich etwas erhöht. Vor allem die mit zunehmendem Alter und maximalem LAI der KUP steigenden Transpirationsraten gehen deutlich zu Lasten der Sickerwassermengen (GWN). Werden auf dem Acker Anteile am Jahresniederschlag von 31 % im Jahr 2012 bis 57 % im Jahr 2013 dem Grundwasser zugeführt sind es unter den Pappeln nur 13 % (2012) bis 37 % im geernteten Bestand 2013. Auf die Unterschiede zwischen den beiden Bewirtschaftungsstadien der KUP soll im Folgenden genauer eingegangen werden.

Einfluss des Bestandesalters auf die Wasserbilanzen

Für die Jahre 2013 sowie 2014 wurden die Wasserbilanzen jeweils für den frisch geernteten Bestand auf sechsjährigen Wurzelstöcken (2013) (1. VP auf 6) bzw. den zweijährigen Bestand auf siebenjährigen Wurzelstöcken (2. VP auf 7) sowie den noch nicht geernteten Bestand mit sechs- (2013) bzw. siebenjährigen Bäumen (2014) berechnet. Die Unterschiede in den Wasserbilanzen, welche auf die Bestandsentwicklung zurückzuführen sind, sind in Abbildung 5 dargestellt.

Die Interzeption (INT) des älteren Bestands liegt aufgrund der größeren Blattfläche etwas über jener des geernteten. Der höhere Beschirmungsgrad unter den älteren Pappeln spiegelt sich in einer geringeren Bodenverdunstung (SLVP) wider. Der markanteste Unterschied liegt jedoch im Wasserentzug (TRAN) der Bäume unterschiedlichen Alters. Besonders im Jahr nach der ersten Ernte, aber auch noch unter dem zweijährigen Bestand werden 19 % bzw. 11 % des Jahresniederschlags weniger transpiriert.

Wie bereits aus Abbildung 1 ersichtlich beläuft sich die gesamte Evapotranspiration unter dem älteren Bestand auf rund 750 mm und liegt somit im Jahr 2013 um rund 180 mm, im Jahr 2014 um 100 mm über jener des geernteten Bestands. Dieser Unterschied macht sich auch in der Grundwasserneubildung bemerkbar, welche abhängig von der jeweiligen Witterung 9 bis 14 % des Jahresniederschlags geringer ausfällt.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, beläuft sich die GWN unter dem sechs- bzw. siebenjährigen Bestand auf 281 mm im niederschlagsreichen Jahr 2013 bzw. auf 56 mm im relativ niederschlagsarmen Jahr 2014 und liegt somit um rund 90 mm (2013) bzw. 110 mm (2014) niedriger als jene unter dem geernteten Bestand. Ein fünfjähriger Umtrieb wirkt sich im Vergleich zu einem siebenjährigen Umtrieb somit positiv auf die Menge des dem Grundwasserkörper zugeführten Wassers aus.
Diagramm zu den Wasserbilanzen

Abb.5: Wasserbilanzen

Diagramm zu simulierten Evapotranspiration

Abb.6: Simulierte Evapotranspiration

Diagramm zur simulierten Grundwasserneubildung

Abb.7: Simulierte Grundwasserneubildung

Diagramm zur Grundwasserneubildung unter Acker und KUP

Abb.8: Grundwasserneubildung unter Acker und KUP

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Die aus der Modellparametrisierung erhaltenen Pflanzenparameter konnten verwendet werden um die Einflüsse des Bestandsalters unabhängig von der Witterung genauer zu untersuchen. Hierzu wurden Modellläufe für die Witterungsverhältnisse der Jahre 2008 bis 2014 verwendet, wobei jeweils die Pflanzenparameter, also die Informationen zur Bestandsentwicklung konstant gehalten wurden. So konnten für die Entwicklungsstadien 1. bis 7. Vegetationsperiode (VP) der KUP Evaporationsraten bzw. Grundwasserneubildungsraten für die Witterungsverhältnisse der Jahre 2008 bis 2014 berechnet werden. Die Spannweiten dieser Berechnungen sind in den Abbildungen 6 (EVAP) bzw. 30 (GWN) dargestellt.

Für jedes Entwicklungsstadium kann mit diesem Modellansatz eine Aussage zur Abhängigkeit seines Wasserverbrauchs von der Witterungsvariabilität gemacht werden. Aus beiden Abbildungen ist deutlich zu erkennen, dass sich der Wasserhaushalt der KUP unabhängig von den Witterungsverhältnissen zu Beginn der Bewirtschaftung (1. bis 3. Vegetationsperiode) von jenem der späteren Stadien unterscheidet.

Mit zunehmendem Alter nimmt die Evapotranspiration, besonders gesteuert durch die Transpiration der Bäume, von durchschnittlich etwas über 600 mm auf knapp 750 mm zu (Abbildung 6). Analog zu dieser Entwicklung nimmt die Grundwasserneubildung mit zunehmendem Bestandsalter von 250 mm im Jahr der Anlage auf etwas über 100 mm ab (Abbildung 7).

Die aus den dargestellten Berechnungen hervorgegangenen Grundwasserneubildungsraten sind in Abbildung 8 in Abhängigkeit zum jeweiligen Jahresniederschlag jenen der für die Ackerfläche berechneten gegenübergestellt. Aus dieser Abbildung lassen sich nun deutlich die drei die Grundwasserneubildung bestimmenden Faktoren ablesen. Allen Varianten gemeinsam ist die direkte Abhängigkeit vom Jahresniederschlag. Je mehr Wasser dargeboten wird, umso mehr Überschuss, also Grundwasserneubildung, kann versickern.

Der Zusammenhang zwischen GWN und dem Niederschlag nimmt mit zunehmendem Wasserbedarf der Kulturen zu. Darüber hinaus weist der Acker im Vergleich zur KUP auch in diesem Vergleich durchgehend höhere Sickerwassermengen auf. Nachdem es mit dieser Methode möglich geworden ist, bestätigt sich aus den in Abbildung 8 dargestellten Berechnungen auch allgemein die Einflüsse des Bestandsalters auf die GWN. Während die Reduktion der GWN gegenüber dem Acker für die erste Vegetationsperiode noch eher gering ausfällt, macht sich der erhöhte Wasserbedarf der Bäume spätestens ab der dritten Vegetationsperiode deutlich bemerkbar.

Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmendem Alter der Bäume noch, die Abhängigkeit vom Jahresniederschlag nimmt weiter zu.

Stoffkonzentrationen im Sickerwasser

Diagramme zu StoffkonzentrationenZoombild vorhanden

Abb.9: Nitratkonzentrationen sowie Sulfatkonzentrationen (Grafik: LWF)

Besonderes Interesse galt im Rahmen des Projekts den Stoffeinträgen und hier insbesondere des Nitrats in den Grundwasserkörper des Trinkwassereinzugsgebiets der Gemeinde Kaufering. Untersucht wurden diesbezüglich die Unterschiede zwischen der KUP und der landwirtschaftlichen Referenzfläche.

Zur Ermittlung der Stoffeinträge ins Grundwasser eines Standorts sind neben Kenntnissen über den Bodenwasserhaushalt auch umfangreiche Kenntnisse über die Mengen der im Sickerwasser transportierten Stoffe sowie die dazugehörige zeitliche Dynamik erforderlich.

Der bestimmende Unterschied im Stoffhaushalt der beiden verglichenen Landnutzungen ist das Ausbleiben der Düngung auf der Kurzumtriebsplantage. Der Effekt der Düngung spiegelt sich deutlich in den seit Mai 2011 auf der Ackerfläche gewonnenen Stoffkonzentrationen wider. Sowohl bezüglich der Nitrat- aber auch bspw. der Sulfatwerte liegen diese auf der Ackerfläche deutlich über jenen der KUP (Abbildung 9).

Die Mediane der Nitratkonzentrationen belaufen sich unter Acker auf 16,7 mg/l unter Kurzumtriebsplantagen inklusive der 2010 noch gemessenen erhöhten Konzentrationen aufgrund des Grünlandumbruchs hingegen bei 5,7 mg/l, im weiteren Verlauf reduzieren sich diese ab November 2010 auf 3,7 mg/l. Sie liegen demzufolge deutlich unter jenen des Ackers, was sich auch in den berechneten Stoffausträgen bemerkbar macht.

Stoffausträge

Diagramm zu den StoffausträgenZoombild vorhanden

Abb.10: Stofffrachten Nitrat-N [kg/ha*a] unter KUP

Für die Jahre 2010 bis 2014 (KUP) bzw. 2012 und 2013 (Acker) wurden auf Basis der dort gemessenen Stoffkonzentrationen im Bodensickerwasser sowie den aus der Wasserhaushaltsmodellierung ermittelten Raten der Grundwasserneubildung die Stoffausträge unter den beiden Flächen ermittelt. Die Stofffrachten wurden für beiden Flächen unterhalb des Wurzeleinflussbereichs berechnet.

Auf der Acker-Referenzfläche entspricht dieser der Bodentiefe von 85 cm, für KUP wurde eine Tiefe von 185 cm gewählt. Die Stoffausträge unter den beiden Flächen wurden aus den modellierten Sickerwasserraten und den in der Regel 14-tägig vorhandenen Stoffkonzentrationen berechnet. Lücken in den Stoffkonzentrationen wurden mit dem Median der gesamten gemessenen Werte gefüllt. Im Hinblick auf den Trinkwasserschutz sind die Stoffeinträge von Nitrat in den Grundwasserkörper wesentlich von Interesse.

Bedingt durch den hohen Wasserverbrauch der Pappeln wurde unter Kurzumtriebsplantagen erheblich weniger Wasser dem Grundwasserkörper zugeführt als unter Acker, was sich wiederum senkend auf die Stoffausträge (Stofffrachten) unter Kurzumtriebsplantagen auswirkte.

Der für Trinkwassereinzugsgebiete relevante Schwellenwert für die Stofffrachten, um die Qualität des Trinkwassers nicht zu gefährden, ergibt sich einzugsgebietsspezifisch über die Multiplikation der Grundwasserneubildung (in mm) mit der Nitratkonzentration von 50 mg/l, bezogen auf Nitrat-Stickstoff (vgl. Auth et al. 2005). Der für das Kauferinger Trinkwassereinzugsgebiet so ermittelte Schwellenwert der Nitrat-Stickstoff- Frachten liegt, für eine durchschnittlich angenommene Sickerwasserspende von 300 mm/Jahr, bei 33,8 kg/(ha*a).

Die erfassten Frachten auf der Acker-Fläche übersteigen im niederschlagsreichen Jahr 2013 diesen Schwellenwert, im relativ trockenen Jahr 2012 mit geringer Grundwasserneubildung auf beiden Bewirtschaftungsvarianten sowie den übrigen Jahren unter KUP liegen die Stoffausträge darunter.

Punktuell können auf Ackerflächen jedoch noch deutlich höhere Nitrat-Stickstoff-Frachten verzeichnet werden (bspw. im Vorgewende). Der Eintrag an Nitrat in den Trinkwasserkörper ist unter der KUP im Jahr 2012 knapp 70 %, im Jahr 2013 76 % geringer als unter dem konventionell bewirtschafteten Referenz-Acker. Ähnlich verhält es sich auch mit Verlusten weiterer Nährelemente wie Calcium, Magnesium und Sulfat.

Die Erntemaßnahme der KUP im Januar 2013 zeigte keine nennenswerten zusätzlichen Stoffverlagerungen in die Tiefe. Die deutlich erhöhten Austräge unter KUP im Jahr 2010 von 21 kg pro Hektar erklären sich zum einen durch die relativ hohen Sickerwasserraten bedingt durch hohe Sommerniederschläge, zum anderen jedoch auch durch die erhöhte Stoffmobilisierung nach dem im Jahr 2008 durchgeführten Grünlandumbruch. Dieser Effekt klingt aber ab dem Jahr 2011 wieder deutlich ab.

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