Phänologie und Wachstum von Pappeln und Weiden im Kurzumtrieb bei Zugabe von biologisch geklärtem Abwasser und standortshydrologischen Bedingungen der Thüringer Ackerebene

Due to renewable production of woody biomass, Short Rotation Coppices (SRC) are suitable for energetic and material utilization. Compared to conventional arable crops, SRC consume more water and therefore, sufficient water supply is mandatory in order to protect the yield of woody biomass. In previous studies, an increment of woody biomass in SRC due to the irrigation with clear water and sewage sludge was proved. The effect of biologically treated wastewater on the growth of SRC is, however, largely unknown. The objective of this study is to investigate this effect. Experimental plots were established in the lowland of Thuringia to carry out field recordings and irrigations which were adapted to site conditions. The utilization of biologically treated wastewater enables the use of an additional water resource without consuming fresh water sources. The investigations serve to test the following hypotheses: The production of higher yields of biomass - divided into woody and leafy biomass - is assumed at the irrigated plots compared to the non- irrigated plots. Older and groundwater- influenced plots show a higher biomass production as the younger and groundwater- distant plots. The use of biologically treated wastewater in addition prolongs the growing season. That means that foliation time commences earlier and leaf fall is delayed. The different sites located in the Thuringian lowlands which were investigated show high site quality indexes, however, they also belong to one of the driest regions of Germany due to their low precipitation. The subject of investigation was to determine the additional amount of biologically treated wastewater required to create optimum conditions in soil water supply for plant growth. The irrigation measures and meteorological field recordings were implemented at different sites of up to six years old poplar and willow plantations. The irrigation requirements of the plots were determined based on a water budget model (ZEPHYR). Dependent on weather, soil and growth conditions the time and quantity of irrigation were calculated. The biologically treated wastewater was irrigated at the plots using a tank wagon in combination with a pipe system and connected water meter. The wastewater transfer within the plot was carried out by means of furrow irrigation. The main focus of the investigations was to determine the annual net primary production divided into woody and leafy biomass and the intra- annual trend of growth of irrigated and non- irrigated poplars and willows in dependence of age and soil water supply. For that purpose, measurements of woody biomass, phenological observations and measurements of water balance values on groundwater- influenced and groundwater- distant sites were carried out during vegetation time. Moreover, following each period of vegetation, the increment of woody biomass of the investigation plots was estimated due to complete recordings. It was possible to model the increment of woody biomass of poplar and willow plantations dependent on age and soil water supply based on measured data. The irrigation with biologically treated wastewater shows positive effects in production of woody biomass at both, groundwater- distant and slightly groundwater- influenced plots. Irrigated trees show a higher leafy and woody biomass than non- irrigated. No effects of irrigation were detected at strongly groundwater- influenced plots. On all investigation plots, the poplars produce more woody biomass as the willows. The older trees produce more woody biomass than the younger ones. The intra- annual trend of growth at the plots close to the groundwater is not influenced by the additional irrigation. At groundwater- distant plots, an effect of temporal prolongation of vertical growth caused by irrigation could be established. The phenological observations show a differentiation of leaf fall. Irrigated and non- irrigated plots show a similar date of termination of leaf fall. However, the leaf fall begins later at irrigated plots than at non- irrigated. No effect on the trend of foliation caused by the utilization of biologically treated wastewater is established. An irrigation of SRC with biologically treated wastewater is suitable for an increment of yield at groundwater- distant sites provided that site conditions are taken into account. It is, however, only economically feasible under certain conditions such as for example short distances to the place where the biologically treated wastewater is discharged, or where existing wastewater reservoirs can be used. An irrigation of SRC in the immediate vicinity of a purification plant or the utilization of pre-existing reservoirs is conceivable as a means of decreasing costs of transportation, storage and irrigation while increasing yield.Kurzumtriebsplantagen (KUP) sind durch die regenerative Erzeugung einer hohen Dendromasse zur energetischen und stofflichen Verwertung gekennzeichnet. Aufgrund des im Vergleich zu konventionellen Ackerfrüchten höheren Wasserverbrauches muss eine ausreichende Wasserversorgung des jeweiligen Standortes für die Sicherung und Steigerung von Dendromasseerträgen in KUP gewährleistet sein. Eine Dendromasseerhöhung in KUP durch Zugabe von Klarwasser und Klärschlämmen wurde in früheren Untersuchungen nachgewiesen. Die Wirkung von biologisch geklärtem Abwasser auf das Wachstum von KUP ist dagegen weitgehend unbekannt. Die vorliegende Studie hat das Ziel, diese Wirkung zu untersuchen. In der Thüringer Ackerebene wurden Versuchsflächen eingerichtet, die neben den Feldaufnahmen auch eine standortangepasste Bewässerung zulässt. Die Verwendung von biologisch geklärtem Abwasser ermöglicht es, eine zusätzliche Wasserressource in Anspruch zu nehmen, ohne auf Frischwasserquellen zurückgreifen zu müssen. Die Untersuchungen sollten u. a. dazu dienen, folgende Hypothesen zu testen: Die Produktion höherer Biomasseerträge, unterteilt in Dendro- und Blattmasse, wird bei den bewässerten Beständen im Vergleich zu den unbewässerten angenommen. Die älteren und grundwasserbeeinflussten Bestände weisen eine höhere Biomasseproduktion auf als die jüngeren und grundwasserfernen. Zusätzlich eingesetztes biologisch geklärtes Abwasser verlängert die Vegetationszeit. Das bedeutet, dass der Blattaustrieb früher beginnt und der Laubfall verzögert wird. Die verschiedenen untersuchten Standorte der Thüringer Ackerebene weisen zwar hohe Ackerzahlen auf, zählen jedoch hinsichtlich der Niederschläge zu einer der trockensten Region Deutschlands. Gegenstand der Untersuchungen war es, welche Zusatzmengen an biologisch geklärtem Abwasser für die verschiedenen Standorte notwendig waren, um optimale Verhältnisse in der Bodenwasserversorgung für das Pflanzenwachstum zu schaffen. Die Bewässerungsmaßnahmen und meteorologischen Feldaufnahmen wurden auf verschiedenen Standorten von bis zu sechsjährigen Pappel- und Weidenplantagen durchgeführt. Der Bewässerungsbedarf der Bestände wurde mit einem Wasserhaushaltsmodell („ZEPHYR“) ermittelt. In Abhängigkeit von der Witterung, dem Boden und der Pflanzenentwicklung wurden der Zeitpunkt und die Höhe der Bewässerungsmenge berechnet. Das biologisch geklärte Abwasser wurde durch einen Tankwagen in Kombination mit einem Rohrleitungssystem und angeschlossenem Wasserzähler (Wasseruhr) auf die Flächen ausgebracht. Die Abwassergabe innerhalb der Parzelle erfolgte als Furchenbewässerung. Schwerpunkt der Untersuchungen war die jährliche Ermittlung der Nettoprimärproduktion, unterteilt in Dendro- und Blattmasse, und der innerjährliche Verlauf des Wachstums von bewässerten und unbewässerten Pappeln und Weiden in Abhängigkeit vom Bestandesalter und von der Bodenwasserversorgung. Dazu wurden innerhalb der Vegetationsperioden Messungen der Bestandesdendromasse, phänologische Beobachtungen und Messungen von Wasserhaushaltsgrößen auf grundwasserbeeinflussten und grundwasserfernen Standorten durchgeführt. Zudem wurden nach jeder Vegetationsperiode die Zuwächse der Versuchsbestände durch Vollkluppungen geschätzt. Mit den gemessenen Daten war es möglich, die Dendromassezuwächse von Pappel- und Weiden-KUP in Abhängigkeit vom Bestandesalter und von der Bodenwasserversorgung zu modellieren. Positive Ergebnisse durch die Bewässerung zeigen sich bezüglich der Dendromasseproduktion sowohl bei den grundwasserfernen als auch bei den leicht grundwasserbeeinflussten Beständen. Die bewässerten Bestände weisen eine größere Laub- und Dendromasse auf als die unbewässerten. Bei den stark grundwasserbeeinflussten Beständen sind keine Bewässerungseffekte nachzuweisen. Auf allen Versuchsflächen produzieren die Pappeln mehr Dendromasse als die Weiden. Die älteren Bestände bilden mehr Dendromasse als die jüngeren. Der innerjährliche Wachstumsverlauf wird bei grundwassernahen Beständen durch die Zusatzbewässerung nicht beeinflusst. Bei grundwasserfernen Standorten ist ein Bewässerungseffekt, der eine zeitliche Verlängerung des Höhenwachstums verursacht, festzustellen. Die phänologischen Beobachtungen zeigen eine Differenzierung des Laubfalles. Bewässerte und unbewässerte Bestände weisen ein ähnliches Datum der Beendigung des Laubfalles auf. Allerdings setzt der Laubfall bei den bewässerten Beständen später als bei den unbewässerten ein. Ein Einfluss der Zusatzbewässerung auf den Verlauf des Blattaustriebes wird nicht nachgewiesen. Eine Bewässerung von KUP mit biologisch geklärtem Abwasser ist unter Beachtung standörtlicher Voraussetzungen für eine Ertragssteigerung auf grundwasserfernen Standorten geeignet. Sie ist aber nur dann zu rechtfertigen, wenn betriebswirtschaftliche Rahmenbedingungen, wie z. B. kurze Entfernungen zum Ort der Ausbringung des biologisch geklärten Abwassers oder die Nutzung von bereits existierenden Abwasserspeichern, eingehalten werden. Denkbar wäre eine Bewässerung von KUP im direkten Umfeld einer Kläranlage oder die Nutzung bereits vorhandener Wasserspeicher, um die Transport-, Speicher- und Bewässerungskosten bei gleichzeitiger Ertragserhöhung zu senken