Evaluation of Environmental Impacts of Short Rotation Coppice with Regard to the Amount and Quality of Groundwater Recharge

Während über die positiven Umweltauswirkungen von Kurzumtriebsplantagen (KUP) weitgehend Einigkeit herrscht, sind potentiell negative Auswirkungen auf die Grundwasserneubildungsmenge aufgrund eines potentiell hohen Wasserverbrauchs ein großes Thema. Der Wasserverbrauch von KUP übersteigt in der Regel den Wasserverbrauch von Ackerkulturen, kann aber auch den Wasserverbrauch von Laubwälder bei weitem übersteigen. Dadurch kommt es zu einer Abnahme der Grundwasserneubildung, über deren Ausmaß jedoch große Unsicherheit und auch Uneinigkeit besteht. Um die Wissensgrundlagen zum Wasserverbauch von KUP auf Standortebene zu erweitern, und um Faktoren zu identifizieren, die den Wasserverbrauch von KUPs beeinflussen, wurden mehrere Feldstudien zu Verdunstung, Grundwasserneubildung und Nitratauswaschung in mehreren KUPs durchgeführt, die sich in ihren standörtlichen Vorraussetzungen, dem Kronenschlussgrad, dem Blattenflächenindex und dem Bestandesalter zum Teil stark unterschieden. Die erste Feldstudie wurde im Trinkwassergewinnungsgebiet Fuhrberger Feld durchgeführt, um die Auswirkungen des Anbaus von KUP hinsichtlich Menge und Qualität der Grundwasserneubildung zu bewerten. Zu diesem Zweck wurde der Wasserhaushalt einer Weiden-KUP und einer stillgelegten Ackerfläche mit Hilfe eines prozessbasierten Simulationsmodells bestimmt, welches mit Beobachtungen zu Bodenwasserspannung und Bestandesniederschlag validiert wurde. Zusätzlich wurden Nitratkonzentrationen im Sickerwasser dieser Versuchsflächen und weiterer KUPs unterschiedlichen Alters erhoben. Eine zweite Studie wurde durchgeführt, um die Verdunstung und die Wassernutzungstrategie (isohydrisch oder anisohydrisch) zweier Pappel-KUPs mit unterschiedlichem Kronenschlussgrad und unterschiedlicher Blattfläche zu charakterisieren. Hieraus sollten Faktoren abgeleitet werden, die den Wasserverbrauch von KUPs beeinflussen können, und gleichzeitig durch Managemententscheidungen beeinflussbar sind. Eine dritte Studie lieferte zusätzliche Informationen zu Wasserverbrauch und Grundwasserneubildung einer Pappel-KUP mit nahezu optimaler Wasserversorgung. Insgesamt variierte der Wasserverbauch der untersuchten KUPs aufgrund der unterschiedlichen standörtlichen Gegebenheiten hinsichtlich Wasserversorgung und Verdunstungsbedarf sehr stark, überstieg jedoch in keinem Fall die Evapotranspiration von Laubwäldern. Die Ergebnisse der dritten Studie zeigten jedoch, dass der Wasserbedarf von KUPs sehr hoch sein kann, und dass bei ausreichender Wasserversorgung mit Transpirationsraten von mehr als 500 mm a-1 durchaus gerechnet werden muss. Der hohe Wasserbedarf von KUPs kann daher eine erhebliche Abnahme der Grundwasserneubildung im Vergleich zu annuellen Ackerkulturen mit sich bringen, von der insbesondere Standorte mit einer hohen pflanzenverfügbaren Wasserspeicherungskapazität betroffen sind. Für Regionen mit geringerer Wasserverfügbarkeit deuten die Ergebnisse der Weiden-KUP im Fuhrberger Feld, mit vergleichweise geringen Transpirationsraten (< 300 mm a 1) darauf hin, dass der hohe Wasserbedarf von KUPs für eine Vielzahl potentieller KUP-Standorte (i.e. Ackerböden geringen Ertragsniveaus) nicht gedeckt wird. Dadurch werden einserseits geringere Biomasseerträgen erzielt, andererseits wird aber auch die Abnahme der Grundwasserneubildung begrenzt. Speziell für das Fuhrberger Feld kann unter Hinzunahme der Erkenntnisse zur Nitratbelastung des Sickerwassers der untersuchten KUPs geschlussfolgert werden, dass der Anbau von KUP gut mit den Anforderungen des Grundwasserschutzes hinsichtlich Menge und Qualität vereinbar ist. Die Ergebnisse der zweiten Studie, die das Verdunstungsverhalten zweier Pappelplantagen untersucht, deuteten darauf hin, dass ein gewisses Potenzial zur Manipulation der Verdunstung von KUPs durch geschicktes Management besteht. Die Unterschiede im Gesamtwasserverbrauch zwischen den beiden KUPs waren zwar gering, und Strategien zur Begrenzung der Blattfläche oder des Kronenschlussgrads erschienen daher für die Gesamtverdunstung von KUP von untergeordneter Bedeutung. Eine vielversprechende Option zur tatsächlichen Beeinflussung der Verdunstung durch Managemententscheidungen scheint jedoch die Wassernutzungsstrategie des Pflanzmaterials zu sein. Während isohydrische Pappelhybriden die Transpiration mit steigendem Verdunstungsanspruch der Atmosphäre effizient abregeln, bleiben die Spaltöffnungen bei anisohydrischen Pappelhybriden weiter geöffnet, was zu sehr großen Unterschieden in der Transpirationleistung von Pappelklonen unterschiedlicher Herkunft führen kann. Da die Wassernutzungsstrategie auch den Biomassertrag und die Standortseignung beeinflusst, könnte mithilfe von Informationen zum Verdunstungsverhalten kommerziell vermarkteter Pappelhybriden eine sachkundige Auswahl von Klonmaterial erfolgen, welches optimal auf die ökologischen und ökonomischen Ansprüche eines Produktionsstandortes abgestimmt ist. Hierfür sollte vor dem Hintergrund eines möglicherweise steigenden Flächenbedarfs zur Erzeugung holziger Biomasse, aber auch hinsichtlich der Auswirkungen des Klimawandels eine Datenbasis geschaffen werden.

While there is broad agreement on the positive environmental impacts of short rotation plantations (SRC), possible negative impacts on groundwater recharge due to potentially high water consumption of trees on arabale land are a major issue. The water use of SRCs usually exceeds the water use of arable crops, but can also far exceed the water use of deciduous forests. This leads to a decrease in groundwater recharge, the extent of which is, however, subject to considerable uncertainty and disagreement. In order to expand the knowledge base on SRC water use at the field scale for developing adaptive, sustainable management strategies for woody biomass production systems, field studies on evapotranspiration, groundwater recharge and nitrate leaching were carried out in several SRCs, which differed greatly in their pedo-climatic site conditions, canopy closure, leaf area index and stand age. The first field study was carried out in the drinking water abstraction area Fuhrberger Feld in order to assess the effects of SRC cultivation on the amount and quality of groundwater recharge. For this purpose, the water balance of a willow SRC and a set-aside arable land was determined with the help of a process-based simulation model, which was validated against observations of soil water tension and stand precipitation. In addition, nitrate concentrations were measured in the seepage water of these field plots and other SRCs of different ages. A second study was carried out to characterise the transpiration and water use strategy (isohydric or anisohydric) of two poplar SRC of contrasting canopy closure and leaf area, in order to evaluate factors potentially influencing SRC water use that can be controlled by management. A third study provided additional information on water use and groundwater recharge of a poplar SRC at near optimum water supply, derived from an inverse modelling approach using the newly developed process-based simulation model LWFBrook90R, which was trained on observations of bulk soil water storage. Overall, the water consumption of the investigated SRCs varied greatly due to the different site conditions with regard to water supply and evaporation requirements, but in no case exceeded the evapotranspiration of deciduous forests. Nevertheless, the results from the third study showed that the water demand of SRCs can be very high, and transpiration rates greater 500 mm y 1 can be observed when water supply is ample. The high water demand of SRCs can therefore lead to a considerable decrease in groundwater recharge compared to conventional arable crops, which particularly affects sites with a high plant available soil water storage capacity. For regions with lower soil water availability, the results from the willow SRC in the Fuhrberger Feld (transpiration < 300 mm y-1) indicate that the high water demand of SRCs is not covered for the majority of sites potentially available for SRC cultivation (i.e., marginal arable land). On the one hand a low soil water availability leads to lower biomass yields, but on the other hand also limits a potential reduction in groundwater recharge. Considering also nitrate concentrations in seepage water of SRCs in the Fuhrbeger Feld, it can be concluded that the environmental impacts of SRC cultivation do not conflict with the protection requirements respecting the amount and quality of groundwater recharge in the Fuhrberger Feld water abstraction area. The results of the second study, which investigates the water use patterns of two poplar plantations, indicated that there is a certain potential for manipulating SRC water use through informed management. The differences in total evapotranspiration between the two SRCs of contrasting canopy closure and leaf area index were small, and strategies to limit leaf area or canopy closure appeared to be of secondary importance for the total evapotranspiration of SRC. However, a promising option for actually influencing transpiration through management decisions seems to be the water use strategy of the plant material. While isohydric poplar hybrids efficiently control transpiration with increasing evaporative demand, anisohydric poplar hybrids maintain high stomatal conductance even when evaporative demand is high, and soil water availability is low. This can lead to very large differences in the transpiration rate of poplar clones of different provenence. Since the water use strategy also influences biomass yields and site suitability of individual poplar hybrids, information on the water use behaviour of individual poplar clones could be used to make an informed selection of plant material that is optimally adapted to the ecological and economic requirements of a production site. For this purpose, a data base should be created, with regard to increasing land requirements for the production of woody biomass, but also with regard to the effects of climate change.