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
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
Motivation für die Anlage von KUP- Höherer Anteil erneuerbarer Energien an Primärenergie- Alternative Nutzung landwirtschaftlicher Flächen
Charakteristika geeigneter Baumarten
- Rasches Jugendwachstum- Stockausschlagfähigkeit
1) Einleitung
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
Leistungsbeeinflussende Faktoren in KUP
• Baumart und Klon• Alter und Rotationszyklus• Bestandesdichte• Standort (Boden und Wasserhaushalt)• Klima (Niederschlag und Temperatur)
1) Einleitung
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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)
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
- 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:
2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
2) Standortbasierte Leistungsschätzung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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]
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
Eigenschaften von Biomassefunktionen (I)1) Die Werte der Koeffizienten a0 und a1 der allometrischen Funktion weisen keine sta- tistisch 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.
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
]/[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
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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.
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Variation der Biomassefunktionen für den Mittelhöhenbereich von 3 mgrün: Modellkurven erste Versionschwarz: tatsächliche Funktionen
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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)
3) Verfahren zur Ertragsermittlung für Pappel
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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 signifi- kanten 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)
4) Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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
4) Überlegungen zur Ertragsermittlung für Weide
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
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.
Prof. Dr. H. RöhleDipl. Forstw. K. Skibbe
……… Vielen Dank für´s Zuhören !