Elke Dietz, Ute Bachmann-Gigl, Nele Sutterer, Jutta Gerlach, Frank Burger und Stephan Millitzer
KUP-Scout jetzt online - LWF-aktuell 110

Bayernweite Flächeninformation zu Ertragspotenzialen für Pappeln im Kurzumtrieb

»KUP-Scout« heißt die bayernweite digitale Ertragspotenzialkarte für Pappeln im Kurzumtrieb. Kurzumtriebsplantagen sind ein wertvoller Beitrag zu einer nachhaltigen Energiegewinnung. Mit KUP-Scout ist nun eine bayernweite flurstückscharfe Ertragsschätzung für Pappeln im Kurzumtrieb möglich. Die Daten und Informationen wurden in das Bayerische Waldinformationssystem (BayWIS) integriert und sind nun für die forstlichen Berater an den Ämtern für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten abrufbar.
Die Bereitstellung im Informationssystem der Landwirtschaftsverwaltung (iBalis) für die landwirtschaftlichen Berater folgt in Kürze. Die Informationen kann man auch zusammengefasst auf Gemeindeebene über das Internet abrufen.

Das Projekt KUP-Scout zielte darauf ab, Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) in lokale und (über-)regionale Energieversorgungskonzepte Bayerns einfacher einzubinden. Im Teilprojekt KUP-Scout I (Burger et al. 2012) hat man an drei Landkreisen in Bayern eine standortbasierte Ertragsschätzung nach dem Modell von Murach et al. (2008), das ursprünglich für Brandenburg entwickelt wurde, getestet. Dieser Modellansatz lieferte in Bayern auf Böden mit sehr guter Wasserversorgung zum Teil extrem hohe Erträge, die selbst für leistungsstarke Standorte zu hoch erschienen. Im Teilprojekt KUPScout II wurden daher die Ergebnisse dieses und weiterer Ertragsmodelle mit der Zuwachsleistung auf bayerischen Praxisflächen für Pappeln im Kurzumtrieb verglichen.

Aufbauend auf diesen Resultaten wurde ein auf bayerische Standortsverhältnisse angepasstes Ertragsmodell entwickelt. Mit Hilfe eines GIS konnten potenzielle Pappel-Erträge auf Landwirtschaftsflächen berechnet und in Kartenform dargestellt werden. Die Herausforderung hierbei war, die regional unterschiedlichen standörtlichen Verhältnisse (Boden und Klima) in Bayern möglichst zutreffend abzubilden, um daraus realistische Ertragsschätzungen zu erhalten.

Verschiedene Wege zum Ziel

Geerntetes Energieholz am Wegrand.Zoombild vorhanden

Abbildung 1: Kurzumtriebsplantage (Foto: F. Burger)
Für die bayernweite Abschätzung von Ertragspotenzialen müssen flächig Standortsdaten zum Beispiel zu Temperatur, Niederschlag und Bodeneigenschaften vorliegen. Um bayerische landwirtschaftliche Flächen mit Bodeninformationen zu belegen, wurden zunächst etwa 60.000 Einzeldaten von 3.000 Bodengruben (Bodeninformationssystem LFU) fachlich geprüft, vervollständigt und weiterverarbeitet (s. Infokasten).

Zur Modellerstellung schlug man im Projekt KUP-Scout II zwei unterschiedliche Wege ein: Zum einen griff man auf bereits vorhandene Modelle zurück und testete diese an Praxisflächen. Die berechneten Erträge wurden mit den tatsächlichen Erträgen der Praxisflächen verglichen und geprüft, ob die Modelle, beispielsweise durch schrittweise Anpassungen bzw. Änderungen, verbessert werden können.

Zum anderen entwickelte man auf der Grundlage der Daten aus bayerischen Praxisflächen zwei eigene Ertragsmodelle. Die verwendeten Praxisflächen setzten sich aus den Versuchsflächen der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF), des Bayerischen Amts für forstliche Saat- und Pflanzenzucht (ASP) und den Untersuchungsflächen der Hochschule Weihenstephan- Triesdorf (HSWT) zusammen.

weiterlesen

Die Ergebnisse beider Vorgehensweisen wurden anhand statistischer Größen, unter anderem Verzerrung (Bias), Präzision, Treffergenauigkeit (Pretsch und Dursky 2001), Root Mean Square Error (RMSE), verglichen und beurteilt, wie gut die Modelle für die Praxisflächen zutreffen (Modellgüte). In welchem Umfang die Ergebnisse der Modelle auf die Fläche Bayerns übertragbar sind (Gültigkeitsbereiche), wurde an Hand der sogenannten »Flächenabdeckung der Eingangsdaten« überprüft.
Das heißt: Wo in Bayern kommen die Standortsbedingungen vor, die für die Erstellung der Modelle verwendet wurden? Und welchen Flächenanteil machen diese in Bayern aus? Für die über Bayern verteilten Praxisflächen erfolgte dieselbe Auswertung. Sie sollte zeigen, ob die Ergebnisse aus den Tests an den Praxisfläche repräsentativ für Bayern sind.

Sechs Ertragsmodelle auf dem Prüfstand

Die Ertragspotenziale sollten für die gesamte landwirtschaftliche Fläche Bayerns berechnet werden. Daher wurde zunächst für alle Modelle geprüft, ob die benötigten Eingangsparameter flächendeckend vorhanden sind oder aus anderen, verfügbaren Datengrundlagen berechnet werden können und ob in jedem Modell die Verknüpfung der Parameter für das Pappel- wachstum plausibel ist.

Vier der gesichteten Modelle erfüllten alle Anforderungen: Murach et al. (2008), Ali (2009), Aust (2012) und Amthauer Gallardo (2014) (Abbildung 2). Das Modell von Murach et al. (2008) stammt aus dem DENDROM Projekt und wurde für das Land Brandenburg entwickelt. Die anderen drei Ertragsmodelle entstanden im Rahmen von Dissertationen. Bei allen Modellen ist die Wasserverfügbarkeit der entscheidende Faktor für das Wachstum der Pappel, die Herleitung erfolgt jedoch über unterschiedliche Eingangsgrößen und Berechnungsverfahren.

Tabelle mit sieben Spalten und zwölf Zeilen, in welcher sechs Ertragsmodelle nach Parametern von Standort und Bestand verglichen werden.

Vier »externe« Modelle

Das Modell von Murach et al. (2008) basiert auf 18 Flächen in Sachsen, Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern, Bayern, Hessen und Niedersachsen. Der für den Ertrag relevante Parameter ist hier das sogenannte »Transpirationswasserangebot«, das Wasser, welches den Pappeln für die Transpiration in der Vegetationsperiode zur Verfügung steht.

In die Funktion von Ali (2009) zur Schätzung des Ertrags über die Bestandsoberhöhe flossen Daten aus sechs in Sachsen gelegenen Versuchsarealen ein. Die Modellparameter sind Sprossalter, Niederschlagssumme, Ackerzahl sowie die nutzbare Feldkapazität. Diese gibt die Wassermenge an, die sich im Wurzelraum der Pappel befindet, gegen die Schwerkraft im Boden gehalten wird und von der Pappel genutzt werden kann.

Das Modell von Aust (2012) nutzt Daten von 47 Flächen aus Baden-Württemberg, Rheinland-Pfalz und Frankreich und verwendet als Eingangsgröße die Wasserverfügbarkeit in der Vegetationszeit, in die mittels Reliefkorrektur auch der Wasserzu- und -abfluss mit eingehen.

Amthauer Gallardo (2014) entwickelte unter anderem klonspezifische Ertragsfunktionen aus einem Datenpool von 33 deutschlandweiten Versuchsflächen (PROLOC Projekt) mit ähnlichen Bestandsdaten. Als Modellvariablen verwendete er die nutzbare Feldkapazität und den Trockenheitsindex nach De Martonne (1926), der sich aus Niederschlagssumme und Temperaturmittel zusammensetzt.

Zwei bayerische Modelle

Die zwei eigenen bayerischen Modelle wurden auf Grundlage der 44 bayerischen Praxisflächen erstellt. Zur Anwendung kamen multiple lineare sowie schrittweise lineare (»stepwise forward«) Regressionsverfahren. Der eine Modellansatz (multiple lineare Regression) umfasst eine einfache Wasserbilanz aus Niederschlagssumme und nutzbarer Feldkapazität, das Bestandsalter, die Pflanzdichte sowie den Umtrieb als Faktor. Der Nachteil dieses Modells war, dass 68 % der Zuwachs-Varianz durch die Umtriebszeit erklärt werden.

Das zweite bayerische Modell greift einen von Amthauer Gallardo (2014) entwickelten Ansatz auf, der die Körnung des Bodens (Hauptbodenart) als signifikanten Einflussfaktor auf den Zuwachs berücksichtigt. Für das Modell wurden Ertragsdaten der Praxisflächen von Max- Klonen (Alter 5 und 6 Jahre) verwendet. Der schrittweise Ansatz bezieht zunächst die einfache Wasserbilanz und in einem zweiten Schritt (Residuen) den Schluffgehalt mit ein. So konnte die Erklärungsgüte des Modells von 49 % auf 64 % erhöht werden. Neben dieser Modellgüte waren für die Auswahl des Modells auch Kriterien wie unter anderem die Flächenabdeckung der Eingangsparameter (Gültigkeitsbereiche) relevant.

Vom Basismodell zur bayerischen Ertragspotenzialkarte

Zwei übereinander liegende Kreise und daneben mehrere verschieden farbige Spielfiguren. Diese stehen mit Pfeilen mit den Kreisen in Verbindung.Zoombild vorhanden

Abbildung 3: Schematische Darstellung der anwenderspezifischen Bereitstellung der Ergebnisse von KUP-Scout für Nutzer auf verschiedenen Ebenen.
(Foto Spielfiguren: T. Reckmann, pixelio.de)
Nach umfangreichen statistischen Tests zur Modellgüte, Sensitivitätsanalysen, dem Prüfen der Gültigkeitsbereiche sowie der Experteneinschätzung und Validierung der Modellergebnisse an weiteren Praxisflächen wurde das Modell nach Ali (2009) in seiner ursprünglichen Variante als sogenanntes »Basismodell« für Bayern ausgewählt. Darauf aufbauend nahm man eine standörtlich-klimatische und regionale Anpassung an bayerische Verhältnisse über Korrekturfaktoren nach Petzold (2013) sowie aus Erfahrungswerten von Experten (u.a. Workshop) vor.

Ziel war es, auf diese Weise wachstumshemmende bzw. unterstützende Einflussfaktoren, zum Beispiel niedrige Temperaturen, Trockenstress und Grundwasser, auf die tatsächlichen Erträge besser abzubilden und so ein für bayerische Verhältnisse bestmöglich zutreffendes Ertragsmodell, die bayerische Ertragspotenzialkarte für KUP, zu schaffen. Das Ergebnis von KUP-Scout, die bayerische Ertragspotenzialkarte für KUP, liegt im Maßstab 1 : 10.000 vor und gibt das langfristige Ertragspotenzial für Pappel im Kurzumtrieb an.

Um der in Bayern derzeit gängigen Anbaupraxis Rechnung zu tragen, beziehen sich die Berechnungen auf die weitverbreiteten Max-Klone bei einer mittleren Bestandsdichte von 7.400 (5.100–9.500) im zweiten Umtrieb mit einer Umtriebszeit von sechs Jahren.

Bereitstellung der Daten

Das Ergebnis von KUP-Scout wird auf zwei Informationsebenen anwenderspezifisch (Abbildung 3) bereitgestellt:

  • über behördeninterne Informationssysteme flurstückscharfe, detaillierte Informationen zu Beratungszwecken;
  • im Internet in aggregierter Form für interessierte Bürger, Kommunen, Planer (z. B. im Rahmen der regionalen Energieversorgung).
Verschiedenfarbiger Kartenausschnitt.Zoombild vorhanden

Abbildung 4: Flurstückscharfe
Kartendarstellung
des Ertragspotenzials
»KUP-Basis« im BayWIS
(behördenintern)
Die behördeninterne Version, beispielsweise im BayWIS, bietet zwei Betrachtungseinstellungen an: KUP Ertrag »Basis « kombiniert digitale Luftbilder (Orthofotos), Ertragspotenzialkarte, digitale Flurkarte und Grundstückseigentümerinformation (Abbildung 4). KUP Ertrag »Kulisse« kombiniert das Ertragspotenzial mit digitaler Flurkarte und verschieren denen thematischen Ebenen wie zum Beispiel Naturdenkmäler, geschützte Landschaftsbestandteile, Naturschutzgebiete, Vorranggebiete, Hochwasserschutz, Informationen zur tatsächlichen Nutzung, Exposition und Hangneigung.

Die Berater können somit schnell Informationen zu Lage und Größe der Fläche, dem zu erwartenden Ertrag, der Entfernung vom Hof und rechtlichen Einschränkungen wie zum Beispiel durch Schutzgebiete abrufen. Alle Flächen sind zudem mit ihren Ackerzahlen hinterlegt, sodass gezielt solche Flächen für Kurzumtriebsplantagen ausgewählt werden können, die eine geringe Ackerzahl aufweisen und somit weniger für die Nahrungsmittelproduktion geeignet sind. Ebenfalls hinterlegt sind Luftbilder und Wege, daher können vom Hof schlecht zu erreichende oder vom Zuschnitt her ungünstige Flächen gezielt für KUP ausgewählt werden.

In den BayWISMetadaten sind unter anderem Information zur Berechnung des Energiegehaltes angegeben, sodass über Flächengröße und Ertrag schnell die potenzielle Energieausbeute abzuschätzen ist. Informationen zu Schutzgebieten und Flächen, bei denen möglicherweise ein Vorbehalt gegenüber der Nutzung als KUP bestehen könnte, werden auf der Karte dargestellt und durch Informationen in den Metadaten ergänzt. Hinzu kommen Informationen zur Einstufung der Wasserverfügbarkeit (nutzbare Feldkapazität), Datenqualität sowie die Nutzungsbedingungen und der Verwendungszweck der Daten.

KUP-Scout im Internet

Bildschirmausschnitt, auf dem oben eine Tabelle und unten eine grün und blau eingefärbte Karte dargestellt ist.Zoombild vorhanden

Abbildung 5: Aggregierte Darstellung der Ertragspotenziale
(Karte und zugehörige
Daten-Tabelle) im Internet am
Beispiel des Landkreises Landshut;
Die Internetversion kann aus datenschutzrechtlichen Gründen nur in aggregierter Form bereitgestellt werden, d.h. die Informationen zu den Ertragspotenzialen sind auf Gemeindeebene zusammengefasst. Auf www.kupscout-bayern.de mit dem Titel »KUP-Scout: Ein Pappel- Ertragsmodell für Bayern« wird neben allgemeinen Informationen zu Kurzumtriebsplantagen auch beschrieben, wie KUP-Flächen mithilfe des KUP-Scouts geplant werden können und was hierbei zu beachten ist.

Gleich zu Seitenbeginn findet der eilige Nutzer Verlinkungen zu den kommunalen Auswertungen mit Ertragspotenzialen in Karten- und Tabellenform (Abbildung 5) für die sieben bayerischen Regierungsbezirke. Die Erläuterungen zu den Tabellen sind zunächst verborgen und können per Mausklick auf das vorangestellte Plus-Zeichen ausgeklappt werden. Der mittlere Bereich der Einstiegsseite beschreibt den fachlichen Hintergrund des KUP-Scouts und gibt einen Überblick über die einzelnen Projektphasen und die Modellierung der Erträge. Hier erhalten auch Nutzer mit wissenschaftlichem Interesse vertiefte Informationen zu den verwendeten Daten und den Ergebnissen des KUP-Scouts.

Zusammenfassung

KUP-Scout ist online. Mit KUP-Scout steht nun erstmals ein bayernweites digitales Informationsund Beratungswerkzeug zu Ertragspotenzialen von Kurzumtriebsplantagen zur Verfügung. Die Datenbereitstellung erfolgte auf die jeweiligen Zielgruppen zugeschnitten: Über behördeninterne Informationssysteme für den forst- bzw. landwirtschaftlichen Berater/in an den Ämtern für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten oder per Internet für den interessierten Bürger.

Bodeninformation für landwirtschaftliche Fläche

Übersichtsbodenkarten des Landesamtes für Umwelt (LfU)

Für Bayern liegt eine bodenkundliche Kartierung im Maßstab 1:25.000, die Übersichtsbodenkarte des LFU, vor. Diese wurde von der LWF über entscheidungsbaumbasierte Modelle entsprechend den Reliefgegebenheiten verfeinert und in etwa 5.000 Bodeneinheiten aufgeteilt. Jede dieser Bodeneinheiten wird in einer Legendeneinheit beschrieben.

Diese Beschreibungen nutzt man, um den Legendeneinheiten sogenannte Leitprofile, das sind typische Böden, zuzuweisen. Sie stammen aus dem Bodeninformationssystem des LFU und sind mit chemischen und physikalischen Daten hinterlegt. Zum einen müssen die Leitprofile in der Fläche der entsprechenden Legendeneinheit verortet sein, zum anderen die Beschreibungen der Legendeneinheiten und der Leitprofile zum Beispiel bezüglich Korngrößenverteilung, Bodenhorizonten und Ausgangsmaterial übereinstimmen.

Einer Legendeneinheit können mehrere Leitprofile zugeordnet werden. Durch die Zuordnung der Leitprofile zu den Legendeneinheiten hat man den Flächen der Legendeneinheit gleichzeitig chemische und physikalische Daten zugeordnet, mit denen man nun in einem GIS flächige Berechnungen, beispielsweise mit Ertragsmodellen, durchführen kann. Mehr

Beitrag zum Ausdrucken

Weiterführende Links

Autoren