LWF aktuell 146
Kohlenstoffspeicherung in Kurzumtriebsplantagen
von Bettina Widmann und Frank Burger

Die aufstockende Biomasse wurde jeweils nach Erreichen der Umtriebszeit mit einem Probestammverfahren, dem »Massenlinienverfahren« von Kopetzky-Gerhardt (Kramer und Akca 1995), ermittelt. Dabei wird die enge Korrelation zwischen dem Brusthöhendurchmesser und der Frischmasse des Baumes genutzt. Laut Röhle et al. (2006) bietet sich als geeignete Funktion eine allometrische Gleichung an, die lediglich den Durchmesser als Eingangsgröße erfordert. Durch die turnusmäßige Entnahme, Vermessung und Wiegung von Probebäumen vor den Ernten auf verschiedenen Versuchsflächen entstand eine umfangreiche Datengrundlage für die Biomassefunktionen der angebauten Klone. Nach der Vollkluppung der Erntebestände kann somit die stehende Biomasse berechnet werden.

Die Berechnung der Biomasseentwicklung zwischen den Ernten erfolgt in Anlehnung an Daten von Strobl (2007), der auf jährliche Erhebungen der stehenden Biomasse in den ersten fünf Jahren zurückgreifen konnte und daraus den prozentualen Beitrag der einzelnen Wachstumsjahre zur Gesamtbiomasseleistung herleitete. Die Ertragsdaten des zehnjährigen Max-Klons wurden unter Zuhilfenahme der Biomasseerhebung am Ende der zehnjährigen Rotation und der Wachstumskurven des fünfjährigen Bestandes interpoliert. Hierbei wurde die Annahme getroffen, dass bei einer halbierten Pflanzzahl der Biomassezuwachs in den ersten Wuchsjahren ebenfalls die Hälfte des im fünfjährigen Umtrieb ermittelten Zuwachses beträgt.

In Abbildung 2 ist die Wuchsdynamik des Balsampappelklons Max 4 in Abhängigkeit von der gewählten Umtriebszeit dargestellt. Deutlich zu erkennen sind die schwächeren Zuwächse in der ersten Umtriebszeit. Diese Startschwierigkeiten sind durch das noch nicht entwickelte Wurzelsystem und die wuchsstarke Konkurrenzvegetation bedingt. Ab der zweiten Rotation werden im fünfjährigen Umtrieb Erträge von über 60 t/ha erreicht. Im zehnjährigen Umtrieb wird die schwache Initialphase durch die längere Standzeit etwas relativiert. Aber auch hier ist die zweite Umtriebszeit mit einem Biomasseertrag von 130 t Trockenmasse/ha deutlich ertragreicher als die erste Rotation. Bei beiden Rotationslängen sinken nach 20 Jahren die Erträge der Pappelsorte Max 4 ab – im fünften fünfjährigen Bestand auf 50 t und in der dritten zehnjährigen Rotation auf 95 t Trockenmasse pro Hektar. Eine ähnliche Entwicklung ermittelten Pecenka et al. (2023), die beim Anbau von Max 4 im vierjährigen Ernteturnus nach einem Ertragsmaximum bei 20 Jahren ein Absinken der Erträge feststellten.

Die Berechnung der Kohlenstoffbindung in der ober- und unterirdischen Holzbiomasse erfolgt in Anlehnung an die Methode des Umweltbundesamtes (UBA 2023). Zur Herleitung des oberirdisch gebundenen Kohlenstoffs wird die ermittelte Trockenmasse mit dem Faktor 0,45 in Kohlenstoff umgerechnet. Die unterirdische Biomasse wurde mittels des oberirdischen Kohlenstoffvorrates anhand der Formel von Mokany et al. (2006) bestimmt.

• C-Bindung oberirdisch = 0,45 * Biomasse [t atro/ha]
• C-Bindung unterirdisch = 0,489 * C-Bindung oberirdisch0,89

Bei Erreichen der Umtriebszeit wird der Bestand auf den Stock gesetzt, d. h. die oberirdische Biomasse wird entfernt. Die unterirdische Biomasse bleibt erhalten. Für unsere Berechnungen wurde die Annahme getroffen, dass die Wurzelbiomasse nach 10 Jahren Betriebsdauer stabil und von den Schwankungen der oberirdischen Biomasse unberührt bleibt.

Die Dynamik der Kohlenstoffspeicherung in der holzigen Biomasse einer Kurzumtriebsplantage ist in Abhängigkeit von der Umtriebszeit in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Die maximale gespeicherte Kohlenstoffmenge beträgt im fünfjährigen Umtrieb 47 t C/ha am Ende der dritten Rotation und im zehnjährigen Umtrieb 67 t C/ha am Ende der zweiten Rotation. Durchschnittlich wird in Wöllershof im fünfjährigen Umtrieb bei einer Betriebsdauer von 25 Jahren 17,08 t C/ha auf der Fläche gespeichert. Hierbei ist zu beachten, dass der Zuwachs auf der Versuchsfläche Wöllershof im ersten Umtrieb mit 11,5 t atro/ha relativ schwach war. Die Gründe hierfür lagen in den Schwierigkeiten bei der Begründung der Versuchsfläche. Bei dem gewählten Pflanzverband von 2,5 x 0,6 m waren die Bäume in den ersten Jahren nicht in der Lage, den Lichtraum zwischen den Reihen abzudunkeln. Da auf den Einsatz von Herbiziden verzichtet wurde, bildete die sofort nach der Pflanzung auflaufende Begleitvegetation während des ersten Umtriebs eine starke Nährstoff- und Wasserkonkurrenz und beeinträchtigte den Wuchs der Bäume stark.

Ein Vergleich mit anderen KUP-Flächen zeigt, dass die Wuchsleistung im ersten Umtrieb deutlich höher sein kann. So wurde auf einer LWF-Versuchsfläche in Niederbayern bei Max 4 ein Ertrag von 42 t atro/ha im ersten fünfjährigen Umtrieb erzielt – bei vergleichbaren Biomasseerträgen der Folgerotationen wie in Wöllershof. Unter der Voraussetzung eines erfolgreichen Begleitwuchsmanagements ist deshalb von einer durchschnittlichen Kohlenstoffspeichermenge von 18,56 t C/ha im fünfjährigen Umtrieb auszugehen. Im zehnjährigen Umtrieb in Wöllershof beträgt die mittlere Kohlenstoffspeicherung 24,11 t C/ha bei Betrachtung von drei Rotationen. Hier erhöht sich unter der Annahme einer reibungslosen Kulturbegründung die durchschnittliche Kohlenstoffspeicherleistung auf 25,77 t C/ha. Lange Standzeiten von Kurzumtriebsplantagen sind somit nicht nur bezogen auf die Begründungs- und Rückumwandlungskosten wirtschaftlich sinnvoll, sondern bewirken auch eine längere Fixierung von Kohlenstoff in der Biomasse.

Petzold et al. (2010) kommen hinsichtlich der Speicherleistung von KUP zu ähnlichen Ergebnissen. Sie ermittelten in einer zehnjährigen Pappelkultur Vorräte von knapp 37 t C/ha in der oberirdischen Biomasse und 16 t C/ha in der unterirdischen Biomasse. Waldflächen speichern laut Kohlenstoffinventur 2017 in Deutschland mit durchschnittlich 113,69 t C/ha noch weit höhere Mengen (Thünen-Institut 2017). Da Kurzumtriebsplantagen kein Wald sind, sollte man ihre Speicherwirkung aber besser mit jener von landwirtschaftlichen Flächen vergleichen. Der mittlere Kohlenstoffvorrat in der Biomasse annueller Kulturen auf Acker- und Gartenbauland lag in Deutschland im Jahr 2021 mit 6,58 t C/ha (UBA 2023) weit unter den hier ermittelten Werten für die KUP. Würden auf 1 % der landwirtschaftlichen Fläche in Deutschland KUP mit 10-jähriger Rotation angelegt, könnten innerhalb dieser Zeit 11,7 Mio. Tonnen Kohlendioxidäquivalent zusätzlich gespeichert werden, was im Hinblick auf die Klimaschutz­ziele Deutschlands eine relevante Größe darstellt. Die jährlichen Erträge aus der Holznutzung könnten zusätzlich zur Substitution fossiler Brennstoffe verwendet oder bei stofflicher Nutzung in den Holzproduktespeicher fließen.

Kurzumtriebsplantagen sind nicht nur in der Lage, schnell Energiehackschnitzel zu erzeugen, sondern auch Kohlenstoff in der ober- und unterirdischen Biomasse auf der Fläche zu binden. Bei einer Nutzungsdauer der Plantage von über 20 Jahren können pro Hektar durchschnittlich 19 bis 26 t Kohlenstoff in der holzigen Biomasse gespeichert werden. Diese Werte liegen weit über der C-Sequestrierung von annuellen Kulturen auf Äckern und beim Gartenbau.