Ertragsschätzung in Kurzumtriebsplantagen (KUP) aus Pappel ... · Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften Ertragsschätzung in Kurzumtriebsplantagen (KUP) aus Pappel und Weide

Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften

Ertragsschätzung in Kurzumtriebsplantagen (KUP)

aus Pappel und Weide

Symposium FastWOOD – ProLoc - WeidenzüchtungHann. Münden, 21.-22.09.2011

Prof. Dr. Heinz Röhle & Dipl. Forstw. Katja Skibbe

Institut fInstitut füür Waldwachstum und Forstliche Informatikr Waldwachstum und Forstliche Informatik TU DresdenTU Dresden

Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe

Gliederung

1 Einleitung

2 Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel

3 Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel

4 Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide

5 Ausblick

Ertragsschätzung in Kurzumtriebs-plantagen (KUP) aus Pappel und Weide


Motivation für die Anlage von KUP- Höherer Anteil erneuerbarer Energien an Primärenergie- Alternative Nutzung landwirtschaftlicher Flächen

Charakteristika geeigneter Baumarten

- Rasches Jugendwachstum- Stockausschlagfähigkeit

1) Einleitung


dGZ-Biomasse atro1) auf Pappel-Versuchsfeldernin Ostdeutschland

1) Einleitung

Methau I 3Laage 3Arnsfeld 4Laage 4Methau II 4Nochten 4Potsdam 4Skäßchen 4Thammenhain 4

Laage 5Methau I 6Methau II 7Thammenhain 7

Skäßchen 8Laage 9Methau I 9Laage 10

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

dGZ in t/ha*a

Versuchsfeld / Alter

1) Bestimmung der Biomasse (atro): Wägung nach Trocknung bei 103 °C +/-2K bis zur Gewichtskonstanz nach DIN 52183


Leistungsbeeinflussende Faktoren in KUP

• Baumart und Klon• Alter und Rotationszyklus• Bestandesdichte• Standort (Boden und Wasserhaushalt)• Klima (Niederschlag und Temperatur)

1) Einleitung


1) Untersuchung des Einflusses der Standortfaktoren• nutzbare Feldkapazität (nFk)• Ackerzahl (Az)• Niederschlag (N)• Temperatur (T)• Bestandesdichte (N/ha)bei unterschiedlichen Bestandesaltern auf die Wuchs- leistung von Pappel-KUP und

2) Modellierung des Biomasse-Produktionspotentials (atro) verschiedener Pappel-Klone in Abhängigkeit von Standortbedingungen und Bestandesalter.

1) vgl. Ali (2009)

2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel

Ziel der Studie1)


- Schritt 1: Modellierung der Oberhöhe (ho )

Funktion zur Schätzung von ho für Pappeln der Max-Gruppe

ho = a1 *Alter + a2 *N5-6*Az + a3 * T4-7 / nFk (R2: 0.986)

- Schritt 2: Schätzung der Bestandesbiomasse (BM)

0

40

80

120

160

200

0 3 6 9 12 15 18 21

ho [m]

BM

[t/h

a]

R² = 0.954

R² = 0.933

R² = 0.966

R² = 0.990

N/ha

1150

3250

7400

13000

BM = a4 *hoa5

Herleitung von Biomasse-funktionen bei verschiedenenBestandesdichten für Pappelnder Max-Gruppe

Zweistufiger Ansatz zur Leistungsschätzung:



Beziehung zwischen Standort- eigenschaften und Wuchsleistung (Oberhöhe) für Max-Klone

hdom estimated against SQI and AgeOberhöhe über Alter und Ackerzahl

R2 = 0.966

0

3

6

9

12

15

18

0 3 6 9 12 15 18

ho beobachtet [m]

ho

ge

sc

hä

tzt

[m]

Matrix

Schätzung der Oberhöhe:Modell und Realität



L e g e n d

M A I o f B M [ t /h a /aN o a ra b le la n d< 2 .0 02 .0 1 - 4 .0 04 .0 1 - 6 .0 06 .0 1 - 8 .0 08 .0 1 - 1 0 .0 01 0 .0 1 - 1 2 .0 01 2 .0 1 - 1 4 .0 01 4 .0 1 - 1 6 .5 3

dGZ-Biomasse (modelliert) bei verschiedenen Bestandesdichten



Regressionsmethode (Biomassefunktion mit destruktivem Ansatz) - Vorgehen

• Bhd-Messung aller Individuen (Bäume bzw. Triebe)

• Ernte von Individuen über das gesamte Bhd-Spektrum

• Bestimmung des Frischgewichts der geernteten Individuen

• Trocknung und Ermittlung des Trockengewichts

• Aufstellung einer Biomassefunktion (Beziehung zwischen Bhd und Trockenbiomasse)

• Berechnung der Hektardaten durch Einsetzen der Bhd- Werte aller Individuen in die Biomassefunktion

3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel


Herleitung der Biomassefunktion• Test verschiedener Ausgleichsfunktionen mit einer (z.B. Bhd)

und mehreren Erklärungsvariablen (z.B. Bhd und Höhe)

• Beurteilung der Anpassungsgüte nach Bestimmtheitsmaß (R²) und Verlauf der Ausgleichsfunktion

Verwendung des allometrischen Funktionstyps

b = a0 . Bhd

a1

b: Einzelbaumbiomasse (atro) in kgBhd: Brusthöhendurchmesser in cma0 , a1 : Koeffizienten

allometrischy = 0,1921x1,9534

R2 = 0,9922

exponentielly = 0,5045e0,3674x

R2 = 0,9422

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12

Brusthöhendurchmesser d1.3 [cm]

Bio

mas

se a

tro

[kg]



Biomassefunktionen verschiedener VersuchsfelderBM Fkt. Ostdeutschland -Schw eden

0

25

50

75

100

125

150

0 5 10 15 20 25

BHD [cm]

BM [k

g]

Laa:Beaupre:5/ 4

Laa:Beaupre:4/ 4

Laa:Beaupre:10/ 9

Laa:Max 1:5/ 4

Laa:Max 1:4/ 4

Laa:Max 1:10/ 9

Laa:Max 3:5/ 4

Laa:Max 3:4/ 4

Laa:Max 3:10/ 9

Laa:Max 4:5/ 4

Laa:Max 4:4/ 4

Laa:Max 4:10/ 9

Laa:Max 4:2/ 2

Laa:MuhleL:5/ 4

Laa:MuhleL:4/ 4

Laa:MuhleL:10/ 9

Laa:Raspalje:5/ 4

Laa:Raspalje:4/ 4

Laa:Raspalje:10/ 9

Kuhst :Japan:1/ 1

Kuhst :Japan:2/ 2

Kuhst :Japan:3/ 3

Kuhst :Japan:4/ 4

Tham:Andro:4/ 4

Tham:Max1:4/ 4

Tham:Max4(3x3):4/ 4

Tham:Max4(3x2):4/ 4

Tham:Max4(3x1):4/ 4

Tham:Münden:4/ 4

Skäß:Andro:4/ 4

Skäß:Max1:4/ 4

Skäß:Max4:4/ 4

Skäß:Münden:4/ 4

Noch:Andro:4/ 4

Noch:Max4:4/ 4

Noch:Münden:4/ 4

Arnsf :Andro:4/ 4

Arnsf :Mat r ix:4/ 4

Arnsf :Max 1:4/ 4

Met 1:275:3/ 3

Met 1:275:6/ 6

Met 1:Mat r ix:3/ 3



Eigenschaften von Biomassefunktionen (I)1) Die Werte der Koeffizienten a0 und a1 der allometrischen Funktion weisen keine statistisch signifikanten Unter- schiede zwischen den beprob- ten Klonen auf.

Kruskal-Wallis-Test für den Koeffizienten a0 :

Sig. 0,473 ein statistisch nachweisbarer Unter-schied zwischen den Koeffizienten besteht nicht!

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5a0

a1

73,02 =R

2) Zwischen den Koeffizienten a0 und a1 besteht eine signifikante lineare Abhängigkeit.



0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Oberhöhe [m]

a 0

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0 10000 20000 30000

Triebanzahl/ha [N]

a 0

Beziehung Oberhöhe und Koeffizient a0

Eigenschaften von Biomassefunktionen (II)

Beziehung Stammzahl/ha und Koeffizient a0

Signifikante Einflüsse sowohl der Bestandesmittel-/Oberhöhe als auch der Bestandesdichte auf die Koeffizienten a0 und a1 konnten belegt werden. Diese Einflüsse lassen sich regressionsanalytisch beschreiben und für beliebige Bestandesdichte-/Höhenkombina- tionen modellieren.

531,02 =R 48,02 =R



69,05,33 2 =≤≤ Rhm K

55,045,3 2 =≤< Rhm K

47,05,44 2 =≤< Rhm K

96,075,4 2 =≤< Rhm K

49,05,97 2 =≤< Rhm K

46,0125,9 2 =≤< Rhm K

Mittelhöhenbereiche [m]

Konstuktion des Ertragsermittlers

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 5000 10000 15000 20000 25000

Triebanzahl pro Hektar [N]

a 0

Präzise Schätzung von a0 durch Einteilung des Datensatzes in unterschiedliche Mittelhöhenbereiche



]/[1000

10 hatdgaNBM atro

a

atro K⋅⋅

=

Anwendung des ErtragsermittlersRegressionskurvenfächer

1. Flächenbezogene Erhebung der Brusthöhendurchmesser (BHD)

Ermittlung von dg [cm] und der Triebanzahl pro Hektar [N]

2. Erhebung von 15 Triebhöhen Ermittlung von hm [m], als

Eingangsgröße in den Regressionskurvenfächer zur

Bestimmung von a0

3. Berechnung von a1 unter Einsetzen von a0

4. Bestimmung der BM mit der Formel

593,2379,3 01 +⋅−= aa



Pw: P-Wert des Wilcoxon-Rang-Test

3 4 5 6 7 8 9 10 12 gesamt

Bias in t atro /ha -1,88 0,04 1,46 2,29 -4,97 -4,82 -0,26 -12,2 2,47 -0,21

Bias % -23,70 6,42 10,35 9,57 -19,06 -15,17 -1,08 -13,52 6,78 -0,98

N 9 8 11 10 1 1 3 3 5 51

Pw 0,058 0,6 0,305 0,165 0,317 0,317 0,827 0,513 0,602 0,88

Evaluierung des Ertragsermittlers

01

234

567

89

0 1 2 3 4 5 6

BHD [cm]

BM

atro

[kg]

Durchschnittliche Abweichung der modellierten von den tatsächlichen Biomasse- erträgen in unterschiedlichen Mittelhöhenbereichen (Schätzer nach Hartmann)

Verze

rrun

g

Die Evaluierung der ersten Version des Ertragser- mittlers nach Hartmann (2010) erfolgte mit einem unabhängigen Datensatz.


Variation der Biomassefunktionen für den Mittelhöhenbereich von 3 mgrün: Modellkurven erste Versionschwarz: tatsächliche Funktionen


Ergebnis der Neu-Parametrisierung

Die Ertragsermittlung konnte in den Höhenstufen 3 bis 7 deutlich verbessert werden.

0

50

100

150

200

250

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-14 gesamt

Höhenstufe

Diff

eren

z zw

isch

en m

axim

aler

und

m

inim

aler

Abw

eich

ung

[%]

Ertragsermittler (Ursprungsversion)

Ertragsermittler (überarbeitete Version)



0

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Bhd [cm]

BM

atro

[kg]

4) Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide

Vorüberlegungen zur Entwicklung eines Ertragsermittlers für KUP aus Weide (I)

Datengrundlage sind individuell erstellte Biomassefunktionen und waldwachstumskundliche

Parameter aus über 70 KUP


y = -6,9711x + 3,1546R2 = 0,753

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20a1

a 0

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

20000 40000 60000 80000

Triebanzahl/ha [N]

a 0

Die Koeffizienten der Biomasse- funktion zeigen einen signifikanten Zusammenhang, der über eine lineare Funktion beschrie- ben werden kann.

Es besteht kein Zusammen- hang zwischen der Trieban- zahl pro Hektar und dem Koeffizienten a0

Vorüberlegungen zur Entwicklung eines Ertragsermittlers für KUP aus Weide (I)



Vorüberlegungen zur Ertragsermittlung in KUPaus Weide (II)

Modellierung des Biomasseertrags auf Basis von Durchmesser-Häufigkeitsverteilungen ?

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

Durchmesserklassen [cm]

rel.

Häu

figke

it

Durchmesserverteilung dreijähriger Weidenklone (Tordis) auf unterschiedlichen Standorten

00,10,2

0,30,40,50,60,7

0,80,9

1

0,25 1,25 2,25 3,25 4,25

Durchmesserklassen [cm]Su

mm

enhä

ufig

keite

n



5) Ausblick

• Die Biomasse von KUP aus Pappel und Weide variiert je nach Standortbedingungen und Bestandesdichten in einem weiten Rahmen.

• Standort-Leistungsbeziehungen ermöglichen eine Schätzung der Erträge (dGZ-Biomasse) für Pappel bei verschiedenen Bestandesdichten.

• Mit Hilfe der Regressionsmethode wurde für Pappel eine Schätzhilfe entwickelt, die eine zerstörungsfreie Ermittlung der Biomasse erlaubt und als Downloadversion zur Verfügung steht. Ob die Herleitung eines entsprechenden Schätzers für Weide darstellbar ist, wird derzeit geprüft.


……… Vielen Dank für´s Zuhören !

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